EP0132494B1

EP0132494B1 - Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht

Info

Publication number: EP0132494B1
Application number: EP84102203A
Authority: EP
Inventors: Martin Dr. Rer. Nat. Thoma; Paul Dipl.-Ing. Bünger
Original assignee: MTU Motoren und Turbinen Union Muenchen GmbH
Current assignee: MTU Aero Engines GmbH
Priority date: 1983-07-29
Filing date: 1984-03-01
Publication date: 1988-01-20
Also published as: US4599148A; DE3327346C2; JPS6362598B2; ATE32108T1; JPS6039200A; EP0132494A2; DE3327346A1; US4598016A; DE3468909D1; EP0132494A3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht, in deren Matrix eine disperse Phase aus Cr203-Partikeln eingebaut ist, wobei die Einbaurate der dispersen Phase 20 % bis 50 %, vorzugsweise 30 % Vol. des Schichtmaterials beträgt.
Bekannt sind galvanisch abgeschiedene Dispersionsschichten, bei denen in eine Matrix Hartstoffphasen eingelagert sind. In der GB-PS 1358 538 ist z. B. eine Schicht mit eingelagertem Chromkarbid beschrieben. Es hat sich gezeigt, daß diese Dispersionsschichten als Verschleißschutzschichten auf temperaturbelasteten Teilen geeignet sind, weil sie große Härte aufweisen und weil die elektrochemische Abscheidung die Beschichtung auch kompliziert geformter Werkstücke zuläßt.
Aus der GB-PS 13 36146 ist ein elektrolytisches Abscheideverfahren bekannt, bei dem zusammen mit Kobalt ein nicht leitender Bestandteil, wie z. B. Chromoxid auf einem Metallsubstrat abgeschieden wird. Die dadurch erzielbaren Schichten zeichnen sich, insbesondere wegen des Cr₂0₃-Bestandteiles durch verbesserten Verschleißschutz gegenüber herkömmlichen Schutzschichten aus.
Ausgehend von diesen vorbekannten Dispersionsschichten ist es Aufgabe der Erfindung, eine Dispersionsschicht zu schaffen, die eine erhöhte Haftfestigkeit und weiter verbesserten Verschleißwiderstand aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Dispersionsschicht die Matrix eine Kobaltoxidmatrix mit den Oxiden C₀₃0₄ und CoO ist und daß die Partikelgröße der dispersen Phase unter 10 µm liegt.
Die erfindungsgemäße Dispersionsschicht zeichnet sich durch eine dünnere und besser haftende Oxidschicht aus, als dies durch die Oxidation von reinem Kobalt zu erzielen ist. Dies wird durch die in der Schicht eingelagerte disperse Cr₂0₃-Phase erzielt, wobei es wesentlich ist, daß die Partikelgröße der Cr₂0₃-Phase unter 10 µm, vorzugsweise zwischen 3 und 6 µm liegt. Die hierdurch erzielbaren Oxidschichten weisen einen außerordentlich hohen Widerstand gegen Verschleiß, insbesondere Reibkorrosion auf.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer vorstehend gekennzeichneten Dispersionsschicht, bei dem in einem kobaltionenhaltigen Elektrolyten eine disperse Cr₂0₃ Phase suspendiert ist. Erfindungsgemäß ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen pH-Wert von 4,5 bis 4,9 aufweist und bei einer Temperatur von 40 bis 60 °C vorzugsweise 50 °C und einer Stromdichte von 1 A/dm² bis 6 A/dm², vorzugsweise 3,5 A/dm² abgeschieden wird. Die elektrolytisch abgeschiedene Schicht wird einer gezielten Oxidation durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500-700 °C und einer Dauer von 7-9 Stunden unterzogen. Dieser Oxidationsprozeß des Kobalt unter Einwirkung der dispersen Cr₂0₃-Phase mit einer Partikelgröße unter 10 µm führt zu der Bildung von C₀₃0₄ und CoO in einer dünnen und gut haftenden Oxidschicht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten sowohl, was die Homogenität der abgeschiedenen Schicht als auch was die Haftfestigkeit anbelangt, beste Ergebnisse erzielt werden.
Vorzugsweise soll der Elektrolyt eine wässrige Lösung folgender Zusammensetzung sein :
Beste Ergebnisse im Hinblick auf Beständigkeit gegen Reibkorrosion können bei Bauteilen für thermische Turbomaschinen erzielt werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Verschleißschutzschicht in einer Schichtdicke von 10 bis 300 J.Lm beschichtet werden.
Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine auf Verschleiß, insbesondere auf Reibkorrosion beanspruchte Bauteilpaarung, deren Bauteile aus einem Grundwerkstoff wie einer Nickelbasislegierung (z. B. Inconel 100, C 263, Nimonic 80) oder eine Titanbasislegierung z. B. 6 % Al, 5 % Zr, 0,8 % Mo, 0,2 % Si, Rest Ti oder Chrom- oder Chrom-Nickel-Stählen bestehen. Erfindungsgemäß wird das Reibkorrosionsverhalten einer solchen Bauteilpaarung dadurch entsprechend verbessert, daß eine der Bauteiloberflächen mit einer Dispersionsschicht, wie sie in den Patentansprüchen 1 und 2 und/oder 6 offenbart ist, versehen ist. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung einer erfindungsgemäßen Co/Cr₂0₃-Dispersionsschicht auf nur einem Bauteil auch den Verschleiß des nicht beschichteten Bauteils auf ein Minimum reduziert.
Anhand der beigefügten Zeichnung wird die Verschleißschutzwirkung erfindungsgemäßer Dispersionsschichten dargestellt. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 einen Vergleich des Verschleißverhaltens einer Bauteilpaarung des Grundwerkstoffs Nimonic 80 in einem Fall unbeschichtet, in den beiden anderen Fällen mit einer Bauteiloberfläche mit einer erfindungsgemäßen Dispersionsschicht versehen.
Das in Fig. 1 dargestellte Diagramm dient dem Vergleich des Reibverschleisses einer unbeschichteten Bauteilpaarung aus dem Werkstoff Nimonic 80 mit einer Bauteilpaarung, bei der eine der Bauteiloberflächen mit der erfindungsgemäßen Dispersionsschicht Co/Cr₂0₃ beschichtet ist. Es ist der Verschleiß in mm³, die Temperaturbelastung in °C aufgetragen. Die obere durchgezogene Kurve gilt für den Reibverschleiß der unbeschichteten Bauteilpaarung. Von den strichlierten Kurven, die sehr nahe beieinander liegen, gibt die obere den Verschleiß der Co/Cr₂0₃-Beschichtung an, die untere den Verschleiß der unbeschichteten Bauteiloberfläche aus Nimonic 80.

Claims

1. Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht, in deren Matrix eine disperse Phase aus Cr₂0₃-Partikeln eingebaut ist, wobei die Einbaurate der dispersen Phase 20 % bis 50 %, vorzugsweise 30 % Vol. des Schichtmaterials beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrix eine Kobaltoxidmatrix mit den Oxiden C₀₃0₄ und CoO ist und daß die Partikelgröße der dispersen Phase unter 10 wm liegt.

2. Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikelgröße der dispersen Phase zwischen 3 µm and 6 µm liegt.

3. Verfahren zur Herstellung einer Dispersionsschicht nach Anspruch 1 oder 2, bei dem in einem kobaltionenhaltigen Elektrolyten eine disperse Cr₂0₃-Phase suspendiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen pH-Wert von 4,5 bis 4,9 aufweist und bei einer Temperatur von 40 bis 60 °C und einer Stromdichte von 1 A/dm² bis 6 A/dm² abgeschieden wird und die elektrolytisch abgeschiedene Schicht einer gezielten Oxidation durch Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 500 bis 700 °C und einer Dauer von 7 bis 9 Stunden unterzogen wird, wobei die Partikelgröße der dispersen Phase unter 10 µm liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt bei einer Temperatur von 50 °C und/oder einer Stromdichte von 3,5 A/dm² abgeschieden wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt eine wässrige Lösung folgender Zusammensetzung ist :

6. Bauteil einer thermischen Turbomaschine mit einer Verschleißschutz-Dispersionsschicht nach den Ansprüchen 1 und 2, in einer Schichtdicke von 10 bis 300 µm.

7. Auf Verschleiß, insbesondere auf Reibkorrosion beanspruchte Bauteilpaarung, deren Bauteile aus einem Grundwerkstoff wie Ni-Basislegierung (z. B. Inconel 100, C 263, Nimonic 80) oder Ti-Basislegierung (z. B. der Zusammensetzung 6 % AI, 5 % Zr, 0,8 % Mo, 0,2 % Si, Rest Ti) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Bauteiloberflächen mit einer Dispersionsschicht nach den Ansprüche 1 und 2 und/oder 6 versehen ist.