EP0256049A1 - Verfahren zur herstellung einer verschleissfesten, titankarbid enthaltenden schicht auf einem metallischen grundkörper. - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer verschleissfesten, titankarbid enthaltenden schicht auf einem metallischen grundkörper.

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EP0256049A1
EP0256049A1 EP87900795A EP87900795A EP0256049A1 EP 0256049 A1 EP0256049 A1 EP 0256049A1 EP 87900795 A EP87900795 A EP 87900795A EP 87900795 A EP87900795 A EP 87900795A EP 0256049 A1 EP0256049 A1 EP 0256049A1
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    • Y10T428/12576—Boride, carbide or nitride component

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a wear-resistant layer according to the preamble of patent claim 1.
  • German patent DE 2208070 describes a method of this type, in which a metallic base body is provided with a thin, wear-resistant layer of up to a maximum of about 0.635 mm thick, the spraying being carried out by plasma flame spraying and the material used having a grain size of, for example, the order of magnitude. 44 / + 88 ⁇ m.
  • the layer is spray-quenched when sprayed on thanks to the cooling effect of the base body, thereby creating a microstructure consisting of titanium carbide grains dispersed in a base material, the base material being formed by an austenite conversion product containing martensite. Without further heat treatment, this leads to a • relatively hard layer in which rounded titanium carbide grains are present as a result of the plasma spraying process.
  • the layers that can be produced in this way are very limited in their thickness, preferably from 0.381 mm to 0.254 mm and 0.127 mm, since otherwise the structure mentioned would result in very high internal stresses.
  • the small thickness corresponds to the same limited lifetime.
  • the mechanical machinability is also very limited and the elasticity of the layer is extremely low due to the small grain size of the spraying material and the structure made up of the smallest lamellae.
  • Wear-resistant coatings which were produced by Flamrospritzen without melting and have a high hardness due to the storage of hard materials such as carbides, silicides, borides, etc. or consist of hard alloys, show a strong sensitivity to crack formation due to the occurrence of internal stresses in the layer.
  • the achievable layer thickness is very limited.
  • the object of the invention is to provide a method for producing wear-resistant layers of great hardness, with which layers having a considerably longer life than those of the known layers can be produced, and which furthermore enables mechanical processing after spraying and is relatively problem-free with regard to internal stresses in the layer is.
  • the layer has a lamellar structure with relatively large lamellae corresponding to the particle size, which results in greater elasticity of the layer. It should also be noted that the coefficient of expansion of the layer is very close to the coefficient of expansion of the matrix alloy.
  • Adhesive layer applied 0.1 mm thick. It was a
  • Powder of the composition in percent by weight, 95.0 Ni,
  • a wear-resistant layer was then applied to the adhesive layer
  • composition of the wettable powder in percent by weight, and the grain size we followed:
  • the coated shaft was machined and brought to the finished size.
  • shaft had a value of 420 Hv, after heat treatment the hardness was
  • the sliding surface of 100 x 100 mm of a sliding plate of 50 mm thickness was coated in the following way. After preparing the sliding surface by blasting with corundum, the plate was preheated to 100 ° C. and then an adhesive layer - 0.1 mm thick - was applied. A commercially available adhesive layer powder (Castolin 51000) was applied by autogenous flame spraying. Subsequently, a wear-resistant layer of 1.2 mm thickness was also applied by autogenous flame spraying without subsequent melting, the composition of the wettable powder (grain size -150 / + 37 ⁇ m) in weight percent being the following:
  • An axis of 40.0 mm in diameter was treated in the following manner to achieve high wear resistance.
  • the axis was provided with a wear-resistant layer of 1.5 mm thickness by autogenous flame spraying under the usual working conditions, the composition of the spraying material in weight percent being chosen as follows: 33.0 TiC in a matrix alloy of 0.35 C, 2.0 Cr, 1.0 Cu, 2.0 Mo, balance Fe.
  • the grain size was in the range -150 / + 37 ⁇ m.
  • the surface was then machined and removed to the desired finish by grinding, the surface layer remaining 1 mm thick.
  • the finished part was kept in a muffle furnace at 500 ° C. for five hours.
  • the hardness of the layer before the heat treatment was 400 Hv, after the heat treatment a hardness of 680 Hv was measured.
  • a wearing part with the dimensions 200 x 60 x 30 mm was coated on one of the areas of 200 x 60 mm in the following way.
  • the surface to be coated was prepared by blasting with corundum, on this surface a powdery spray material of grain size -150 / + 37 ⁇ ⁇ m au ⁇ , in weight percent, 16.5 TiC with a matrix alloy of 0.5 C, 14.0 Cr , 0.5 Cu, 14.0 Mo, 3.5 W, remainder Ni applied by autogenous flame spraying without subsequent melting under normal conditions.
  • the wear-resistant layer had a thickness of 2.2 mm and was then machined, the thickness of the layer being 2.0 mm was brought.
  • the wear part was then kept in a muffle furnace at 450 ° C. for five hours.
  • the hardness was 380 Hv before the heat treatment and rose to 550 Hv after the heat treatment.
  • Example 4 The procedure of Example 4 was repeated analogously with a spray material of the composition, in percent by weight, 20.0 TiC in a matrix alloy of 0.5 C, 14.0 Cr, 0.5 Cu, 14.0 Mo, 5.0 W, Rest Co. The hardness of the heat-treated part reached 530 Hv.

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Description

VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINER VERSCHLEISSFESTE , TITANKARBID ENTHALTENDEN SCHICHT AUF EINEM METALLISCHEN GRÜNDKÖRPER
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschleissfesten Schicht gema'ss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die deutsche Patentschrift DE 2208070 beschreibt ein Verfahren dieser Art, bei dem ein metallischer Grundkörper mit einer dünnen verschleissfesten Schicht von bis zu maximal etwa 0,635 mm Dicke versehen wird, wobei das Aufspritzen durch Plasma-Flammspritzen erfolgt und der verwendete Werkstoff eine Korngrösse von beispielsweise grössenordnungsmässig -44/+88 um aufweist.
Bei diesem bekannten Verfahren ist es wesentlich, dass die Schicht beim Aufspritzen dank der Kühlwirkung des Grundkörpers drastisch abgeschreckt wird und dadurch eine Mikrostruktur entsteht, die aus in einer Grundmasse diεpergierten Titankarbidkörnern besteht, wobei die Grundmasse durch ein Martensit enthaltendes Austenit-Umwandlungsprodukt gebildet wird. Dies führt bereits ohne weitere Wärmebehandlung zu einer • relativ harten Schicht, in der infolge des Plasma-Spritzverfahrens abgerundete Titankarbidkörner vorhanden sind.
Die so herstellbaren Schichten sind jedoch in ihrer Dicke sehr begrenzt, vorzugsweise wird von 0,381 mm bis 0,254 mm und 0,127 mm gesprochen, da die erwähnte Struktur sonst sehr hohe innere Spannungen zur Folge hätte. Der geringen Dicke entspricht eine gleicher assen begrenzte Lebens¬ dauer. Daneben sind auch der mechanischen Bearbeitbarkeit sehr enge Grenzen gesetzt und die Elastizität der Schicht ist infolge der kleinen Kornqrösse des Spritzwerkstoffs und der dieser entsprechenden Struktur aus kleinsten Lamellen äusserst gering. Verschleissfeste Beschichtungen, die durch Flamrospritzen ohne Einschmelzen hergestellt wurden und durch Einlagerung von Hartstoffen, wie Karbiden, Siliciden, Boriden usw., eine hohe Härte aufweisen oder aus Hartlegierungen bestehen, zeigen eine starke Empfindlichkeit gegen Rissbildung infolge des Auftretens von inneren Spannungen in der Schicht. Die erzielbare Schichtdicke ist dadurch sehr beschränkt.
Andererseits führt die Verwendung von selbstfliessenden Legierungen, die nach dem Einschmelzen eine hohe Härte erreichen, für viele Anwendungen zu übermässig hohen Temperaturen während des Einschmelzvorgangs, die sich auf das Grundmaterial im Hinblick auf einen Verzug, eine Versprödung und andere Beeinflussungen sehr ungünstig auswirken.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung verschleiεsfester Schichten von grosser Härte zu schaffen, mit dem Schichten von wesentlich höherer Lebensdauer als die der bekannten Schichten erzeugt werden können und das zudem eine mechanische Bearbeitung nach dem Aufspritzen ermöglicht und relativ problemlos bezüglich innerer Spannungen in der Schicht ist.
Dies wird erfindungsgemäss durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Verfahrensmerkmale erzielt. Die Ansprüche 2 bis 10 beschreiben besondere Ausführungsformen des erfindungsge ässen Verfahrens.
Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass beim autogenen Flammspritzen, ohne nachträgliches Einschmelzen, von Titankarbid in einer metallischen Matrix, zunächst eine mechanisch gut bearbeitbare Schicht entsteht, die durch eine anschliessende Wärmebehandlung bei relativ niedriger Temperatur eine Aushärtung erfährt, wobei im Endzustand eine Härte von 500 bis 700 Hv entsteht. Im Gegensatz zu dem erwähnten Verfahren, das mittels Plasma-Flammspritzen durchgeführt wird, wird bei dem vorliegenden Verfahren der Schichtwerkstoff während des Spritzvorganges in der autogenen Flamme praktisch homogen geschmolzen, wobei das Titankarbid in der Matrixlegierung gelöst ist. Die derart erhaltene Schicht von austenitiεchem Charakter l sst sich mechanisch gut bearbeiten. Bei der darauffolgenden Wärmebehandlung wird das Titankarbid dann sehr feinkörnig und gleichmässig verteilt ausgeschieden.
Die Schicht weist eine Lamellenstruktur mit relativ grossen, der Partikelgrδsse entsprechenden Lamellen auf, wodurch eins grössere Elastizität der Schicht entsteht. Ferner ist zu bemerken, dass der Ausdehnungskoeffizient der Schicht sehr nahe dem Ausdehnungskoeffizienten der Matrixlegierung ist.
Bei dem vorliegenden Verfahren treten demnach praktisch keine inneren Spannungen auf und es lässt sich daher eine Schichtdicke bis über 3 mm erzielen, wobei die Wärmebehandlung ohne Schwierigkeiten durchführbar ist.
Die anschliesεenden Beispiele veranschaulichen die Ergebnisse des erfindungsgemäsεen Verfahrenε.
Beiεpiel 1
Eine Welle von 50 mm Durchmesser, die einer sehr starken
Verschleiεεbeanεpruchung εtandhalten soll, wurde zunächst in folgender Weise beschichtet.
Nach einer Vorbereitung durch Strahlen mit Korund wurde die
Welle auf 150°C vorgewärmt und anschliessend eine
Haftεchicht von 0,1 mm Dicke aufgebracht. Dabei wurde ein
Pulver der Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, 95,0 Ni,
5,0 AI mit einem autogenen Flammspritzgerät in üblicher
Weise aufgespritzt.
Auf die Haftschicht wurde sodann eine verschleiεsfeste
Schicht von 1,8 mm Dicke ebenfallε durch autogenes Flammεpritzen mit den üblichen Parametern, ohne nachtr glicheε Einεch elzen aufgebracht, wobei die
Zuεam enεetzung deε Spritzpulverε, in Gewichtεprozent, und die Korngröεεe wir folgt waren :
33,0 TiC mit einer Matrixlegierung von 0,9 C, 1,0 Cr, 0,3
Cu, 0,5 Mo, 1,9 Mn, 1,0 Si, 0,2 V, Rest Fe. Korngrösse
-150/+37 μ .
Die beεchichtete Welle wurde spanabhebend bearbeitet und auf das Fertigmass gebracht.
Anschliessend wurde sie während fünf Stunden in einem
Muffelofen auf 550°C gehalten. Die Härte der beεchichteten
Welle hatte nach der mechanischen Bearbeitung einen Wert von 420 Hv, nach der Wärmebehandlung wurde eine Härte von
640 Hv gemessen.
Beispiel 2
Die Gleitfläche von 100 x 100 mm einer Gleitplatte von 50 mm Dicke wurde in folgender Weise beschichtet. Nach einer Vorbereitung der Gleitfläche durch Strahlen mit Korund wurde die Platte auf 100°C vorgewärmt und anschliesεend eine Haftεchicht - von 0,1 mm Dicke aufgebracht. Dabei wurde ein handelεüblicheε Haftεchicht-Pulver (Castolin 51000) durch autogenes Flammspritzen aufgetragen. Im Anschluss daran wurde eine verschleiεεfeεte Schicht von 1,2 mm Dicke ebenfallε durch autogeneε Flammspritzen ohne nachträgliches Einschmelzen aufgebracht, wobei die Zusammensetzung des Spritzpulvers (Korngrδsεe -150/+37 jum) in Gewichtεprozent die folgende war :
32% TiC in einer Matrixlegierung von 0,2 C, 0,5 Cr, 0,5 Cu, 6,0 Mo, 15,0 Ni, 0,7 AI, 9,0 Co, 0,7 Ti, 0,1 Nb, Reεt Fe. Die beεchichtete Oberfläche wurde εpanabhebend bearbeitet. Danach wurde die Gleitplatte während vier Stunden in einem Schutzσasofen bei 450°C behandelt. Die Härte der Gleitfläche vor der thermischen Behandlung betrug 450 Hv, die nach der Wärmebehandlung gemessene Härte betrug 650 Hv. Bei εpiel 3
Eine Achεe von 40,0 mm Durchmesser wurde zur Erzielung einer hohen Verschleiεsfestigkeit in folgender Weise behandelt.
Nach einer Vorbereitung der Oberfläche durch Strahlen mit Korund wurde die Achse durch autogenes Flammspritzen unter den üblichen Arbeitsbedingungen mit einer verschleiεsfesten Schicht von 1,5 mm Dicke verεehen, wobei die Zusammensetzung des Spritzwerkstoffes in Gewichtsprozent wie folgt gewählt wurde : 33,0 TiC in einer Matrixlegierung von 0,35 C, 2,0 Cr, 1,0 Cu, 2,0 Mo, Rest Fe. Die Korngrösse war im Bereich -150/+37 um.
Die Oberfläche wurde anschlieεεend εpanabhebend bearbeitet und durch Schleifen auf das gewünschte Fertigmaεs gebracht, wobei die Oberflächenschicht eine Dicke von 1 mm behielt.
Nach der mechanischen Bearbeitung wurde daε fertige Teil in einem Muffelofen während fünf Stunden auf 500°C gehalten. Die Härte der Schicht vor der Wärmebehandlung betrug 400 Hv, nach der Wärmebehandlung wurde eine Härte von 680 Hv gemessen.
Beispiel 4
Ein Verschleiεsteil mit den Abmessungen 200 x 60 x 30 mm wurde auf einer der Flächen von 200 x 60 mm in folgender Weise beschichtet.
Die zu beschichtende Fläche wurde durch Strahlen mit Korund vorbereitet, auf diese Fläche wurde ein pulverför iger Spritzwerkstoff der Korngrösεe -150/+37 ^αm auε, in Gewichtεprozent, 16,5 TiC mit einer Matrixlegierung von 0,5 C, 14,0 Cr, 0,5 Cu, 14,0 Mo, 3,5 W, Rest Ni durch autogenes Flammspritzen ohne nachträgliches Einschmelzen unter üblichen Bedingungen aufgetragen. Die verschleissfeste Schicht hatte eine Dicke von 2,2 mm und wurde anschliessend mechanisch bearbeitet, wobei die Dicke der Schicht auf 2,0 mm gebracht wurde. Danach wurde das Verschleiεsteil in einem Muffelofen während fünf Stunden auf 450°C gehalten. Die Härte betrug vor der Wärmebehandlung 380 Hv und stieg nach der Wärmebehandlung auf 550 Hv.
Beispiel 5
Das Verfahren von Beispiel 4 wurde analog wiederholt mit einem Spritzwerkstoff der Zusammensetzung, in Gewichtεprozent, 20,0 TiC in einer Matrixlegierung von 0,5 C, 14,0 Cr, 0,5 Cu, 14,0 Mo, 5,0 W, Rest Co. Die Härte des wär ebehandelten Teils erreichte den Wert von 530 Hv.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Herstellung einer verschleiεsfeεten Schicht aud einem metallischen Grundkörper, bei dem ein Werkstoff, der 10-50 Gewichtεprozent gesinterte, agglomerierte Partikel oder Legierungspartikel aus .TiC und aus einer Fe- und/oder Ni-Legierung oder einer Co-Legierung aufweist, thermisch aufgespritzt wird und die aufgespritzte Schicht eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 400-650°C erfährt, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoff-Partikel eine Korngrösεe von -150/+37 jum beεitzen und die Schicht durch autogenes Flammspritzen in einer Dicke von mindestenε 1 mm aufgeεpritzt wird.
2. Verfahren nach Patentanεpruch 1, dadurch gekennzeichnet, daεs die Fe- und/oder Ni-Legierung mindestenε zwei Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtεprozentbereichen enthält :
0-1 C, 0-25 Cr, 0-20 Mo, 0-15 Co, 0-2 Cu, 0-0,5 V, 0-2 AI, 0-1,5 Nb, 0-1 V, 0-2 Ti, 0-4 W, 0-2 Si.
3. Verfahren nach Patentanεpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daεε die Partikel 30-35 Gewichtεprozent TiC enthalten und im übrigen auε einer Fe-Legierung beεtehen, die Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtεprozentbereichen enthält : 0,1-0,8 C, 2-22 Cr, 0,1-4 Mo, 0,5-2 Cu, 0-0,5 V, 0-1 AI, 0-1 Ni, 0-1 Ti, 0-2 Mn, 0-1,5 Si.
4. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daεε die Partikel 20-35 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Fe-Legierung bestehen, die Legierungszuεätze auε den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
0-0,8 C, 0-20 Cr, 2-15 Mo, 0,5-1 Cu, 0-1,5 AI, 5-16 Ni, 0-16 Co, 0-1 Ti, 0-1 Nb. 5. Verfahren nach Patentanεpruch 2, dadurch gekennzeichnet, daεs die Partikel 15-33 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Ni-Legierung bestehen, die Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
14-25 Cr, 2-16 Mo, 0-1 Cu, 0-1 AI, 0-2,5 Ti, 0-1 Nb, 0-0,5 C, 0-3,
5 W.
6. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Co-Legierung mindestens zwei Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewjchtsprozentbereichen enthält :
0-1 C, 0-25 Cr, 0-20 Mo, 0-2 Mn, 0-2 Cu, 0-2 AI, 0-1,5 Nb, 0-1 V, 0-2 Ti, 0-5 W, 0-2 Si.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dasε die Partikel 15-33 Gewichtεprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Co-Legierung bestehen, die Legierungszuεätze auε den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
14-25 Cr, 2-16 Mo, 0-1 Cu, 0-1 AI, 0-2,5 Ti, 0-1 Nb, 0-1 C, 0-5 W.
8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dasε die Legierung einen Zuεatz von weniger als 3, vorzugsweiεe weniger alε 1 Gewichtεprozent Zr02 enthält.
9. Verfahren nach einem der Patentanεprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 400-600°C während einer Behandlungsdauer von 1-10 Stunden durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Patentanεpruch 9, dadurch gekennzeichnet, daεε die Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 450-550°C während einer Behandlungεdauer von 1-5 Stunden durchgeführt wird.
EP87900795A 1986-02-04 1987-02-04 Verfahren zur herstellung einer verschleissfesten, titankarbid enthaltenden schicht auf einem metallischen grundkörper Expired - Lifetime EP0256049B1 (de)

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