EP0608468A1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Pulvers für die Erzeugung von verschleissfesten Oberflächenschichten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines metallischen Pulvers für die Erzeugung von verschleissfesten Oberflächenschichten Download PDF

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EP0608468A1
EP0608468A1 EP93107907A EP93107907A EP0608468A1 EP 0608468 A1 EP0608468 A1 EP 0608468A1 EP 93107907 A EP93107907 A EP 93107907A EP 93107907 A EP93107907 A EP 93107907A EP 0608468 A1 EP0608468 A1 EP 0608468A1
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    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/10—Alloys containing non-metals
    • C22C1/1036—Alloys containing non-metals starting from a melt
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/067—Metallic material containing free particles of non-metal elements, e.g. carbon, silicon, boron, phosphorus or arsenic

Definitions

  • the invention relates to a metallic powder for the production of wear-resistant surface layers by means of a thermal spraying method, which consists of one or more transition metals, in particular predominantly nickel or iron, and each chromium as an alloying element and which also has at least one metalloid, in particular boron, carbon, silicon or phosphorus, as well as a manufacturing method and a spraying method therefor.
  • a thermal spraying method which consists of one or more transition metals, in particular predominantly nickel or iron, and each chromium as an alloying element and which also has at least one metalloid, in particular boron, carbon, silicon or phosphorus, as well as a manufacturing method and a spraying method therefor.
  • nickel or iron alloy wear protection layers produced using thermal spraying methods (flame spraying, high-speed flame spraying, arc spraying, plasma and, more recently, laser spraying, etc.) are known, which can be produced by the fact that a corresponding spray powder, for example a NiCrFeBSi powder or a FeCrCB powder, is sprayed onto the substrate to be coated while melting or melting the individual particles.
  • a corresponding spray powder for example a NiCrFeBSi powder or a FeCrCB powder
  • the desired, firmly adhering, dense and wear-resistant surface layer is only obtained with the layer materials mentioned in a second working step - the so-called melting - in which changes, in particular improvements, are made in this by a second heating and melting of the layer material already on the workpiece Layer can be reached.
  • a spray powder is used as spray material which, on the one hand - as described in the introductory paragraph - is composed, which, however, already has deposits in the powder grains, which consist of hard particles derived from the respective metalloid.
  • hard deposits for example made of borides, carbides, silicides or phosphides, are already contained in the wettable powder granules.
  • a wettable powder of this type taking into account the fact that during the spraying process itself a sufficient but as short as possible heat input to the powder particles is carried out, leads to the result that the spraying process alone contains one which contains the advantageous hard particles to a suitable extent and at a favorable design , Material layer is obtained.
  • the spraying of such powders which can be produced particularly cheaply on the basis of nickel or iron, has two advantages: on the one hand there are economic advantages because the melting step is omitted, on the other hand layers of these materials - or alloys thereof - can also on thermally sensitive base materials, e.g. Aluminum materials are sprayed on, the structure and properties of which would be adversely affected by the heat of the otherwise necessary melting step.
  • a powder according to the invention is particularly advantageous in which the embedded hard particles are present in a “relatively coarse distribution” - as defined in claim 2.
  • the pulverization of the remelted master alloy is accomplished particularly advantageously by atomizing a melt strand of the master alloy with a gas stream. This can be done in detail, for example, according to DE-PS 35 29 217 or DE-PS 39 13 649.
  • a particularly advantageous application of the wettable powder according to the invention is that it is processed in particular by high-speed flame spraying, spray particle speeds of more than 250 m / s, preferably more than 300 m / s, being used with advantage.
  • a melting step is no longer necessary.
  • the important boundary conditions such as the energy input to the spray particles and the particle speed, can be regulated particularly well, because it is closed
  • flame, arc, laser or plasma spraying can also be used with restrictions in conjunction with the wettable powders according to the invention, the method described is the cheapest.
  • a spray powder according to the invention is first to be produced by means of the powder production process described above. To do this, a melt with the appropriate composition must first be produced, for example one Ni 70.5 Cr 17 Fe 4 B 3.5 Si 4.0 C 1.0 melt or one Fe 59.3 Cr 21 Ni 8 Mn6.5 Si 5.0 C 0.7 melt.
  • melt compositions with 50 to 80% by weight of nickel or iron are suitable as a starting point. These melts are to be cooled appropriately in order to separate out the desired metalloid hard particles and then to be melted again, largely avoiding the hard parts being re-dissolved. (see again EP-B1 0 326 785). Furthermore, a metallic powder is obtained from the pre-alloy melt thus prepared by atomizing an outflowing melt strand with one or more gas jets, the desired hard particles now being contained in the individual powder grains. These hard particles can be composed of a number of different metalloid compounds, for example they can consist of CrB, CrB4, Cr7BC4, ..., NiB, Ni3B, Ni5Si2, ..., FeB, Fe2B, ... exist.
  • a particularly advantageous application of wettable powders according to the invention for forming wear-resistant layers now consists in processing them with high-speed flame spraying.
  • a Ni spray powder formed approximately as described above with a grain size of 15 to 50 micrometers and hard particle inclusions of approximately 7 to 11 micrometers can, for example, with propane fuel gas and particle speeds of preferably over 300 m / s to a high-quality wear-resistant surface layer, in which an advantageous number of hard particles is present. This can be done in one operation.
  • the present invention and in relation to the surface layers mentioned, i.e. in particular with regard to nickel or iron surface layers containing hard particles a considerable advantage compared to the prior art achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Pulver für die Erzeugung von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels einer thermischen Spritzmethode, welches aus einem oder mehreren Übergangsmetallen, insbesondere überwiegend aus Nickel oder Eisen, und jeweils Chrom als Legierungselement besteht und welches außerdem mindestens ein Metalloid, insbesondere Bor, Kohlenstoff, Silicium, oder Phosphor, enthält. Das kennzeichnende Merkmal des Pulvers besteht darin, daß in den Pulverkörnern Einlagerungen enthalten sind, die aus, aus dem jeweiligen Metalloid abgeleiteten, Hartpartikeln bestehen. Ebenso bezieht sich die Erfindung auf ein Herstellungsverfahren für das Pulver sowie auf eine bevorzugte Anwendungstechnik.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein metallisches Pulver für die Erzeugung von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels einer thermischen Spritzmethode, welches aus einem oder mehreren Übergangsmetallen, insbesondere überwiegend aus Nickel oder Eisen, und jeweils Chrom als Legierungselement besteht und welches außerdem mindestens ein Metalloid, insbesondere Bor, Kohlenstoff, Silicium oder Phosphor, enthält, sowie ein Herstellungsverfahren und eine Spritzmethode dafür.
  • Es sind beispielsweise mittels thermischer Spritzmethoden (Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasma- und jüngst auch Laserspritzen, ...) produzierte Nickel- oder Eisenlegierungs-Verschleißschutzschichten bekannt, welche eben dadurch herzustellen sind, daß ein entsprechendes Spritzpulver - z.B. ein
       NiCrFeBSi-Pulver oder ein
       FeCrCB-Pulver,
    auf den zu beschichtenden Untergrund unter An- oder Aufschmelzen der einzelnen Partikel aufgespritzt wird. Die erwünschte, fest haftende, dichte und verschleißstabile Oberflächenschicht wird jedoch mit den angesprochenen Schichtmaterialien erst in einem zweiten Arbeitsgang - dem sogenannten Einschmelzen - erhalten,bei dem durch ein zweites Erhitzen und Erschmelzen des bereits auf dem Werkstück befindlichen Schichtmaterials Veränderungen,inbesondere Verbesserungen, in dieser Schicht erreicht werden. Ein wichtiges Ergebnis dieses Einschmelzens in vielen Anwendungen besteht darin, daß in der aufgebrachten Schicht Partikel großer Härte bestehend aus Karbiden, Boriden und/oder Siliziden gebildet bzw.- genauer gesagt - aus dem Schichtmaterial ausgeschieden werden, die dann in die vorhandene Metallmatrix eingelagerte Hartpartikel ergeben. Diese Hartpartikel leisten einen erheblichen Beitrag zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der jeweiligen Schicht, sie sind also erwünscht, sie lassen sich jedoch nicht, wie geschildert, ohne spezielle Behandlung bzw.speziellen Produktionsschritt erzeugen.
  • Aufgrund des doch aufwendigen, zumindest zwei Arbeitsgänge umfassenden Vorgehens zur Herstellung solcher verschleißfester Schichten hat sich die Anmelderin die Aufgabe gestellt, die Erzeugung solcher Oberflächenschichten, welche insbesondere durch die eine oder andere thermische Spritzmethode zu erzeugen sind, zu vereinfachen und gegebenenfalls zusätzliche Verfahrensschritte neben dem reinen Aufspritzvorgang zu vermeiden.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Spritzmaterial ein Spritzpulver zur Anwendung kommt, das zum einen - wie im einleitenden Absatz beschrieben - zusammengesetzt ist, das jedoch darüber hinaus bereits in den Pulverkörnern Einlagerungen aufweist, die aus, aus dem jeweiligen Metalloid abgeleiteten, Hartpartikeln bestehen. D.h. also, daß bereits in den Spritzpulverkörnchen harte Einlagerungen beispielsweise aus Boriden, Karbiden, Siliciden oder Phosphiden enthalten sind.
  • Die Anwendung eines so gearteten Spritzpulvers führt unter Berücksichtigung der Umstandes, daß beim Spritzvorgang selbst ein ausreichender aber möglichst kurzer Wärmeeintrag auf die Pulverpartikel ausgeführt wird, zu dem Ergebnis, daß bereits durch den Aufspritzvorgang alleine eine, die vorteilhaften Hartpartikel in geeignetem Ausmaß und günstiger Ausbildung enthaltende, Materialschicht erhalten wird. Das Aufspritzen von solchen Pulvern, die sich insbesondere günstig auf der Basis von Nickel oder Eisen herstellen lassen, hat zweierlei Vorteile: Zum einen sind wirtschaftliche Vorteile gegeben, weil der Verfahrensschritt des Einschmelzens entfällt, zum anderen können Schichten aus diesen Materialien - oder Legierungen davon - auch auf thermisch empfindliche Grundwerkstoffe, z.B. Aluminiumwerkstoffe, aufgespritzt werden, deren Gefüge und Eigenschaften durch die Wärmeeinwirkung des sonst notwendigen Einschmelzschrittes beeinträchtigt werden würde.
  • Besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Pulver bei dem die eingelagerten Hartpartikel in "relativ grober Verteilung" - wie in Anspruch 2 definiert - vorliegen.
  • Das erfindungsgemäße Pulver wird in vorteilhafter Weise mit einem Verfahren hergestellt, das dadurch gekennzeichnet ist,
    • a) daß eine geeignet zusammengesetzte Schmelze, also die Schmelze einer geeigneten Vorlegierung hergestellt wird
    • b) daß die Schmelze der Vorlegierung zum Erstarren gebracht wird, wobei der Erstarrungsprozeß so geführt wird, daß sich Hartpartikel ausscheiden,
    • c) daß die erstarrte Vorlegierung in der Weise wiedererschmolzen wird, daß das Wieder-in-Lösung-Gehen der Hartpartikel darin mindestens zum Teil verhindert wird, d.h. daß die gebildeten Hartparikel höchsten zum Teil wieder aufgelöst werden (erfolgt durch geeignete Energiezufuhrbegrenzung),
    • d) und daß aus der wiedererschmolzenen, Hartpartikel enthaltenden Vorlegierung ein als Spritzpulver verwendbares Pulver gewonnen wird (für weitere Details zur Ausbildung einer geeigneten Schmelze siehe z.B. EP-B 0 325 785).
  • Besonders vorteilhaft wird die Pulverisierung der wiedererschmolzenen Vorlegierung dadurch bewerkstelligt, daß ein Schmelzestrang der Vorlegierung mit einem Gasstrom verdüst wird. Dies kann im einzelnen etwa gemäß der DE-PS 35 29 217 oder der DE-PS 39 13 649 erfolgen.
  • Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Spritzpulvers besteht darin, daß dieses insbesondere mit dem Hochgeschwindigkeitsflammsspritzen verarbeitet wird, wobei mit Vorteil Spritzpartikelgeschwindigkeiten von mehr als 250 m/s, vorzugsweise mehr als 300 m/s, zur Anwendung kommen. Ein Einschmelzschritt ist hierbei nicht mehr notwendig. Insbesondere mit den Flammspritzverfahren lassen sich die hier wichtigen Randbedingungen, wie der Energieeintrag auf die Spritzpartikel sowie die Partikelgeschwindigkeit, besonders gut regulieren, denn es ist zu berücksichtigen, daß auch beim Spritzvorgang selbst ein Wieder-in-Lösung- Gehen der Hartpartikel in den Spritzpulverkörnern zu vermeiden ist. Zwar sind in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Spritzpulvern mit Einschränkungen auch das Flamm-, Lichtbogen-, Laser- oder Plasmaspritzen einsetzbar, jedoch ist der beschriebenen Verfahrenseinsatz am günstigsten.
  • Im folgenden soll anhand eines Beispiels die Erfindung näher erläutert werden.
  • Mittels des oben beschriebenen Pulverherstellungsverfahrens ist zunächst ein erfindungsgemäßes Spritzpulver zu erzeugen. Dazu ist zuerst eine Schmelze mit entsprechender Zusammensetzung herzustellen, beispielsweise eine
       Ni 70.5 Cr 17 Fe 4 B 3.5 Si 4.0 C 1.0-Schmelze oder eine
       Fe 59.3 Cr 21 Ni 8 Mn6.5 Si 5.0 C 0.7-Schmelze.
  • Allgemein sind Schmelze-Zusammensetzungen mit 50 bis 80 Gewichts-% Nickel oder Eisen als Ausgangspunkt geeignet. Diese Schmelzen sind zur Ausscheidung der erwünschten Metalloid-Hartpartikel geeignet abzukühlen und anschliessend erneut zu erschmelzen, wobei das Wieder-in-Lösung-Gehen der Hartparitkel weitgehend zu vermeiden ist. (vgl. hierzu nochmals EP-B1 0 326 785). Im weiteren wird aus der so präparierten Vorlegierungsschmelze durch Verdüsen eines ausfließenden Schmelzestranges mit einem oder mehreren Gasstrahlen ein metallisches Pulver gewonnen, wobei nun die erwünschten Hartpartikel in den einzelnen Pulverkörnern enthalten sind. Diese Hartpartikel können aus einer Reihe unterschiedlicher Metalloidverbindungen zusammengesetzt sein, beispielsweise können diese aus
       CrB, CrB₄, Cr₇BC₄, ..., NiB, Ni₃B, Ni₅Si₂,
       ... , FeB, Fe₂B, ... bestehen.
  • Eine besonders vorteilhafte Anwendung erfindungsgemäßer Spritzpulver zur Ausbildung verschleißfester Schichten besteht nun in deren Verarbeitung mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Ein etwa wie oben beschrieben gebildetes Ni-Spritzpulver mit einer Körnung von 15 bis 50 Mikrometer und Hartpartikeleinschlüssen von ca. 7 bis 11 Mikrometern kann beispielsweise mit Propanbrenngas und Partikelgeschwindigkeiten von vorzugsweise über 300 m/s zu einer hochwertig verschleißfesten Oberflächenschicht, in der eine vorteilhafte Anzahl von Hartpartikeln vorhanden ist, verspritzt werden. Dies gelingt in einem Arbeitsgang. Auf diese Weise wird also mit der vorliegenden Erfindung und in bezug auf die angesprochenen Oberflächenschichten, d.h. also insbesondere in bezug auf Hartpartikel enthaltende Nickel- oder Eisenoberflächenschichten, ein erheblicher Vorteil gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erzielt.

Claims (6)

  1. Metallisches Pulver für die Erzeugung von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels einer thermischen Spritzmethode, welches aus einem oder mehreren Übergangsmetallen, insbesondere überwiegend aus Nickel oder Eisen, und jeweils Chrom als Legierungselement besteht und außerdem mindestens ein Metalloid, insbesondere Bor, Kohlenstoff, Silicium, oder Phosphor, enthält,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß in den Pulverkörnern Einlagerungen enthalten sind, die aus, aus dem jeweiligen Metalloid abgeleiteten, Hartpartikeln bestehen.
  2. Metallisches Pulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Hartpartikel in relativ grober Verteilung vorliegen, d.h. daß die Hartpartikel eine Größenausdehnung von mehr als 3 (7) Mikrometer aufweisen, wobei die Körnung des Pulvers insgesamt zwischen der Untergrenze von 10 (15) und der Obergrenze von 90 (50) Mikrometer liegt und der Volumenanteil der Hartpartikel am Gesamtkorn im Mittel zwischen 5 (10) und 40 (20)% beträgt (Werte in den Klammern sind jeweils bevorzugte Werte).
  3. Verfahren zur Herstellung eines Pulvers nach Anspruch 1 oder 2 mit den Schritten,
    a) daß eine geeignet zusammengesetzte Schmelze, also die Schmelze einer geeigneten Vorlegierung hergestellt wird
    b) daß die Schmelze der Vorlegierung zum Erstarren gebracht wird, wobei der Erstarrungsprozeß so geführt wird, daß sich aus den Metalloiden bestehende Hartpartikel ausscheiden,
    c) daß die erstarrte Vorlegierung in der Weise wiedererschmolzen wird, daß das Wieder-in-Lösung-Gehen der Hartpartikel darin mindestens zum Teil verhindert wird,
    d) daß aus der wiedererschmolzenen, Hartpartikel enthaltenden Vorlegierung ein Pulver gewonnen wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
    daß das Pulver durch Verdüsen eines Schmelzestrangs mit einem Gasstrom erzeugt wird.
  5. Anwendung des Spritzpulvers nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung einer verschleißfesten Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzpulver durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgetragen wird und kein Einschmelzen erfolgt.
  6. Anwendung des Spritzpulvers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Spritzpartikelgeschwindigkeiten von mehr als 250, vorzugsweise mehr als 300 m/s, eingestellt werden.
EP93107907A 1993-01-29 1993-05-14 Verfahren zur Herstellung eines metallischen Pulvers für die Erzeugung von verschleissfesten Oberflächenschichten Expired - Lifetime EP0608468B1 (de)

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DE4302521A1 (de) 1994-08-04
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