EP0256049B1 - 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 Download PDF

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EP0256049B1
EP0256049B1 EP87900795A EP87900795A EP0256049B1 EP 0256049 B1 EP0256049 B1 EP 0256049B1 EP 87900795 A EP87900795 A EP 87900795A EP 87900795 A EP87900795 A EP 87900795A EP 0256049 B1 EP0256049 B1 EP 0256049B1
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a wear-resistant layer on a metallic base body, in which a material in the form of sintered, agglomerated particles or alloy particles with a grain size of -150 / + 37 microns, which contain 10-50 weight percent TiC and im others consist of an Fe and / or Ni alloy or a Co alloy, is sprayed on by autogenous flame spraying in a thickness of at least 1 mm and the sprayed-on layer is then subjected to a heat treatment in the temperature range of 400-650 ° C, such that the layer after the heat treatment has a lamella structure with lamellae corresponding to the particle size.
  • the publication DE -A- 2208070 describes a method 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, and this results in a microstructure consisting of titanium carbide grains dispersed in a base material, the base material being formed by an austenite conversion product containing martensite. Even 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 an equally limited lifespan.
  • the mechanical machinability is also very limited and the elasticity of the layer is extremely low due to the small grain size of the spray material and the structure made up of the smallest lamellae.
  • Wear-resistant coatings which were produced by flame spraying without melting and have a high hardness due to the incorporation 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 the layers can be produced with a significantly longer life than that of the known layers and which also enables mechanical processing after spraying and is relatively problem-free with regard to internal stresses in the layer.
  • the layer material is melted practically homogeneously in the autogenous flame during the spraying process, the titanium carbide being dissolved in the matrix alloy.
  • the layer of austenitic character obtained in this way can be machined well.
  • the titanium carbide is then separated out in a very fine-grained and evenly distributed manner.
  • 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.
  • a wear-resistant layer of 1.8 mm thickness was then also applied to the adhesive layer by autogenous Flame spraying with the usual parameters, applied without subsequent melting, whereby the composition of the wettable powder, in percent by weight, and the grain size were as follows: 33.0 TiC with a matrix alloy of 0.9 C, 1.0 Cr, 0.3 Cu, 0.5 Mo, 1.9 Mn, 1.0 Si, 0.2 V, balance Fe. Grain size -150 / + 37 ⁇ m.
  • the coated shaft was machined and brought to the finished size. It was then kept in a muffle furnace at 550 ° C. for five hours. The hardness of the coated shaft had a value of 420 Hv after the mechanical processing, and a hardness of 640 Hv was measured after the heat treatment.
  • 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 of 0.1 mm thick was applied. A commercially available adhesive layer powder (Castolin 51000) was applied by autogenous flame spraying.
  • a wear-resistant layer of 1.2 mm thickness was then also applied by autogenous flame spraying without subsequent melting, the composition of the wettable powder (grain size -150 / + 37 ⁇ m) in percent by weight being as follows: 32% TiC in a matrix alloy of 0.2 C, 0.5 Cr, 0.5 Cu, 6.0 Mo, 15.0 Ni, 0.7 Al, 9.0 Co, 0.7 Ti, 0.1 Nb, rest Fe.
  • the coated surface was machined.
  • the slide plate was then treated in a protective gas oven at 450 ° C. for four hours.
  • the hardness of the sliding surface before the thermal treatment was 450 Hv
  • the hardness measured after the heat treatment was 650 Hv.
  • 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 brought to the desired finished size by grinding, the surface layer retaining a thickness of 1 mm.
  • the finished part was held 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 wear 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 manner.
  • the surface to be coated was prepared by blasting with corundum, on this surface a powdery spray material of grain size -150 / + 37 ⁇ m was made, in percent by weight, 16.5 TiC with a matrix alloy of 0.5 C, 14.0 Cr, 0 , 5 Cu, 14.0 Mo, 3.5 W, balance 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 wearing 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

  • Die vorliegende Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung einer verschleissfesten Schicht auf einem metallischen Grundkörper zum Gegenstand, bei dem ein Werkstoff in Form von gesinterten, agglomerierten Partikeln oder Legierungspartikeln einer Korngrösse von -150/+37 µm, die 10-50 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Fe- und/oder Ni-Legierung oder einer Co-Legierung bestehen, durch autogenes Flammspritzen in einer Dicke von mindestens 1 mm aufgespritzt wird und die aufgespritzte Schicht danach eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 400-650°C erfährt, derart, dass die Schicht nach der Wärmebehandlung eine Lamellenstruktur mit der Partikelgrösse entsprechenden Lamellen aufweist.
  • Die Druckschrift DE -A- 2208070 beschreibt ein Verfahren, 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 µm 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 dispergierten 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 gleichermassen begrenzte Lebensdauer. Daneben sind auch der mechanischen Bearbeitbarkeit sehr enge Grenzen gesetzt und die Elastizität der Schicht ist infolge der kleinen Korngrösse des Spritzwerkstoffs und der dieser entsprechenden Struktur aus kleinsten Lamellen äusserst gering.
  • Verschleissfeste Beschichtungen, die durch Flammspritzen 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.
  • Das Problem der Rissbildung bei dickeren Schichten ist auch bei Verwendung des Plasma-Spritzverfahrens, wie es in der Druckschrift DE-A-2208070 vorgeschlagen wird, gravierend. Dazu kommen die relativ geringe Haftfestigkeit der Schicht und die Schwierigkeit einer mechanischen Nachbearbeitung, wenn mit diesem Verfahren eine grosse Härte erzielt werden soll.
  • 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 verschleissfester 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 das eingangs angegebene Verfahren gemäss Patentanspruch 1 erzielt. Die Ansprüche 2 bis 10 beschreiben besondere Ausführungsformen des erfindungsgemässen 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 austenitischem Charakter lässt 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 Partikelgrösse entsprechenden Lamellen auf, wodurch eine 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 anschliessenden Beispiele veranschaulichen die Ergebnisse des erfindungsgemässen Verfahrens.
    • Beispiel 1
  • Eine Welle von 50 mm Durchmesser, die einer sehr starken Verschleissbeanspruchung standhalten soll, wurde zunächst in folgender Weise beschichtet.
    Nach einer Vorbereitung durch Strahlen mit Korund wurde die Welle auf 150°C vorgewärmt und anschliessend eine Haftschicht von 0,1 mm Dicke aufgebracht. Dabei wurde ein Pulver der Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, 95,0 Ni, 5,0 Al mit einem autogenen Flammspritzgerät in üblicher Weise aufgespritzt.
    Auf die Haftschicht wurde sodann eine verschleissfeste Schicht von 1,8 mm Dicke ebenfalls durch autogenes Flammspritzen mit den üblichen Parametern, ohne nachträgliches Einschmelzen aufgebracht, wobei die Zusammensetzung des Spritzpulvers, in Gewichtsprozent, und die Korngrösse 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 µm.
    Die beschichtete 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 beschichteten 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 anschliessend eine Haftschicht von 0,1 mm Dicke ausgebracht. Dabei wurde ein handelsübliches Haftschicht-Pulver (Castolin 51000) durch autogenes Flammspritzen aufgetragen. Im Anschluss daran wurde eine verschleissfeste Schicht von 1,2 mm Dicke ebenfalls durch autogenes Flammspritzen ohne nachträgliches Einschmelzen aufgebracht, wobei die Zusammensetzung des Spritzpulvers (Korngrösse -150/+37 µm) in Gewichtsprozent 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 Al, 9,0 Co, 0,7 Ti, 0,1 Nb, Rest Fe. Die beschichtete Oberfläche wurde spanabhebend bearbeitet. Danach wurde die Gleitplatte während vier Stunden in einem Schutzgazofen bei 450°C behandelt. Die Härte der Gleitfläche vor der thermischen Behandlung betrug 450 Hv, die nach der Wärmebehandlung gemessene Härte betrug 650 Hv.
    • Beispiel 3
  • Eine Achse von 40,0 mm Durchmesser wurde zur Erzielung einer hohen Verschleissfestigkeit 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 verschleissfesten Schicht von 1,5 mm Dicke versehen, 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 µm.
    Die Oberfläche wurde anschliessend spanabhebend bearbeitet und durch Schleifen auf das gewünschte Fertigmass gebracht, wobei die Oberflächenschicht eine Dicke von 1 mm behielt.
  • Nach der mechanischen Bearbeitung wurde das 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 Verschleissteil 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 pulverförmiger Spritzwerkstoff der Korngrösse -150/+37 µm aus, in Gewichtsprozent, 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 Verschleissteil 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 Gewichtsprozent, 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 wärmebehandelten Teils erreichte den Wert von 530 Hv.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer verschleissfesten Schicht auf einem metallischen Grundkörper, bei dem ein Werkstoff in Form von gesinterten, agglomerierten Partikeln oder Legierungspartikeln einer Korngrösse von -150/+37 µm, die 10-50 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Fe- und/oder Ni-Legierung oder einer Co-Legierung bestehen, durch autogenes Flammspritzen in einer Dicke von mindestens 1 mm aufgespritzt wird und die aufgespritzte Schicht danach eine Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 400-650°C erfährt, derart, dass die Schicht nach der Wärmebehandlung eine Lamellenstruktur mit der Partikelgrösse entsprechenden Lamellen aufweist.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fe- und/oder Ni-Legierung mindestens zwei Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
0-1 C, 0-25 Cr, 0-20 Mo, 0-15 Co, 0-2 Cu, 0-2 Al, 0-1,5 Nb, 0-1 V, 0-2 Ti, 0-4 W, 0-2 Si.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel 30-35 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Fe-Legierung bestehen, die mindestens zwei Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
0,1-0,8 C, 2-22 Cr, 0,1-4 Mo, 0,5-2 Cu, 0-1 Al, 0-0,5 V, 0-1 Ti, 0-2 Mn, 0-1,5 Si, 0-1 Ni.
4. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel 20-35 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Fe-Legierung bestehen, die mindestens zwei Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
0-0,8 C, 0-20 Cr, 2-15 Mo, 0-15 Co, 0,5-1 Cu, 0-1,5 Al, 0-1 Nb, 0-1 Ti, 5-16 Ni.
5. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass 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 :
0-0,5 C, 14-25 Cr, 2-16 Mo, 0-1 Cu, 0-1 Al, 0-1 Nb, 0-2 Ti, 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 Gewichtsprozentbereichen enthält :
0-1 C, 0-25 Cr, 0-20 Mo, 0-2 Mn, 0-2 Cu, 0-2 Al, 0-1,5 Nb, 0-1 V, 0-2 Ti, 0-5 W, 0-2 Si.
7. Verfahren nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel 15-33 Gewichtsprozent TiC enthalten und im übrigen aus einer Co-Legierung bestehen, die Legierungszusätze aus den folgenden Elementen und in den angegebenen Gewichtsprozentbereichen enthält :
0-1 C, 14-25 Cr, 2-16 Mo, 0-1 Cu, 0-1 Al, 0-1 Nb, 0-2 Ti, 0-5 W.
8. Verfahren nach einem der Patentansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen Zusatz von weniger als 3, vorzugsweise weniger als 1 Gewichtsprozent ZrO₂ enthält.
9. Verfahren nach einem der Patentansprüche 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 Patentanspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung im Temperaturbereich von 450-550°C während einer Behandlungsdauer 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 Revoked EP0256049B1 (de)

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CH425/86A CH670103A5 (de) 1986-02-04 1986-02-04
CH425/86 1986-02-04

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EP0256049A1 EP0256049A1 (de) 1988-02-24
EP0256049B1 true EP0256049B1 (de) 1991-12-04

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EP87900795A Revoked EP0256049B1 (de) 1986-02-04 1987-02-04 Verfahren zur herstellung einer verschleissfesten, titankarbid enthaltenden schicht auf einem metallischen grundkörper

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US (1) US4806394A (de)
EP (1) EP0256049B1 (de)
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