EP3933067A1 - Verfahren zur herstellung einer beschichtung, eine beschichtung, ein bauteil mit einer beschichtung - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer beschichtung, eine beschichtung, ein bauteil mit einer beschichtung Download PDF

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Publication number
EP3933067A1
EP3933067A1 EP20184029.5A EP20184029A EP3933067A1 EP 3933067 A1 EP3933067 A1 EP 3933067A1 EP 20184029 A EP20184029 A EP 20184029A EP 3933067 A1 EP3933067 A1 EP 3933067A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
powder
coating
particles
layer
component
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20184029.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stephan Batt
Ralf Martin Dinter
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Flender GmbH
Original Assignee
Flender GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Flender GmbH filed Critical Flender GmbH
Priority to EP20184029.5A priority Critical patent/EP3933067A1/de
Publication of EP3933067A1 publication Critical patent/EP3933067A1/de
Pending legal-status Critical Current

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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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/02—Coating starting from inorganic powder by application of pressure only
    • C23C24/04—Impact or kinetic deposition of particles

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coating, a coating and a component with a coating.
  • a tooth contour of the edge layer should have a high load-bearing capacity, and an inner circumference of the edge layer should have a certain toughness. So far, this has been achieved by means of case hardening.
  • Case hardening is a process for surface hardening, in particular for hardening the surface layer.
  • the method comprises in particular the following steps: carburizing, hardening and tempering of a workpiece, advantageously comprising case-hardening steel.
  • the surface layer of the workpiece is enriched with carbon.
  • a carbon profile is established which typically has a progression of the carbon content (also: C content) that decreases with increasing distance from the edge to the core.
  • Hardening and tempering are carried out after the carburization. This sets the edge hardness and case hardening depth.
  • case hardening has some disadvantages, such as a long process time.
  • An object on which the invention is based can consequently be seen in improving the surface hardening of gearwheels and reducing a process time.
  • a method for producing a coating wherein the coating comprises at least two layers, on a base body, wherein a plurality of particles is accelerated in such a way that the particles adhere to the base body when they strike a surface of the base body, wherein in a first coating phase the A plurality of particles has at least one first powder, a first layer being formed in the first coating phase, the plurality of particles having at least the first powder and at least one second powder in a second coating phase, a second layer being formed in the second coating phase .
  • the base body is preferably a component, in particular a gear.
  • the invention is particularly suitable for gears in transmissions with a high power density. These include gearboxes for wind turbines, conveyor belts and the automotive sector. Other areas of application are also conceivable.
  • the coating is preferably an edge layer.
  • the plurality of particles can also be referred to as a particle quantity. It is preferably a granular material.
  • a method in which a plurality of particles is accelerated in such a way that the particles adhere to the base body when they strike a surface of a base body is, for example, cold gas spraying.
  • the coating is achieved by converting the high kinetic energy of the accelerated particles.
  • Cold gas spraying (also called cold spray) is a process in the field of thermal spraying. This method is advantageous because a spray material is neither melted nor melted and as a result, there is little thermal influence on the layer and carrier material
  • a process gas e.g. B. nitrogen or helium
  • a spray gun at high pressure (preferably 30 bar to 50 bar) and heated in the gun housing to a temperature which is preferably between 800 ° C and 1100 ° C.
  • a subsequent expansion of the heated and highly stressed gas in a convergent-divergent nozzle to ambient pressure has the consequence that the process gas accelerates to supersonic speed and cools down to temperatures of approx. Below 100 ° C.
  • Granular material in particular powder, is injected by means of a conveying unit and a preferably similar carrier gas in the convergent area of the nozzle and accelerated in the main gas flow to particle speeds of advantageously 900 m / s to 1200 m / s).
  • Powder particles strike a preferably untreated component surface in an advantageously strongly focused spray jet.
  • the substrate i.e. the component surface
  • a deformation of the powder particles themselves as a result of which a firmly adhering, dense and low-oxide layer is formed.
  • the high kinetic energy of the powder particles and the associated high degree of deformation upon impact on the component enable the production of homogeneous and very dense layers with a variable layer thickness of 1 ⁇ m up to 20 cm.
  • metallic layers are preferably produced whose physical and chemical properties hardly differ from those of the component's starting material.
  • a mixing ratio of the first powder and the second powder in the second coating phase is changed by a mixing unit such that at the beginning of the second coating phase a number of particles of the first powder is greater than a number of particles of the second powder and am At the end of the second coating phase, the number of particles in the first powder is smaller than the number of particles in the second powder.
  • the amount of the first powder is reduced, the amount of the second powder is increased.
  • the first powder has a first carbon content, the second powder having a second carbon content, the second carbon content being higher than the first carbon content.
  • the first powder has steel particles, preferably case-hardened steel particles.
  • the second powder has steel particles, preferably case-hardened steel particles.
  • Gear steel particles and their alloys are particularly suitable as steel particles.
  • Carbon is advantageously dissolved in the steel particles in a desired dosage.
  • carbon particles are added in a desired dosage.
  • the plurality of particles in a third coating phase has at least one second powder, a third layer being formed in the third coating phase, the plurality of particles having at least the second powder and at least one third powder in a fourth coating phase, a fourth layer being formed in the fourth coating phase.
  • Any number of layers can be formed in this way. This depends, for example, on an overall size of the component.
  • the object set above is also achieved by means of a coating, in particular produced according to the one described A method comprising at least two layers, a first layer having a first mass fraction of carbon, a second layer having a second mass fraction of carbon.
  • a transition between the first layer and the second layer is fluid.
  • a transition between the first layer and the second layer is formed at least essentially linearly.
  • the component is designed as a gear.
  • FIG 1 shows an exemplary device 1 for performing the method according to the invention.
  • the Figure 1 shows a heated high pressure chamber 3 and a heating element 5.
  • a process gas 7, preferably nitrogen or helium, is fed into the device 1, advantageously designed as a spray gun, at high pressure and heated to a temperature between 800 ° C and 1100 ° C.
  • the device 1 shows a pressure measurement 11, the heating element 5 and the heated high-pressure chamber 3.
  • the device 1 also has a power supply 9.
  • the figure shows a nozzle 14 in which the heated and highly stressed process gas 7 expands advantageously to ambient pressure.
  • the process gas 7 is accelerated to supersonic speed by the expansion and cooled to temperatures of less than 100 ° C. This is achieved, among other things, with nozzle cooling 15.
  • the carrier gas 16 preferably being of the same type as the process gas 7, particles 40, in particular powder, are injected. This is advantageously achieved in the convergent area of the nozzle 14.
  • the particles 40 are accelerated to speeds of preferably 900 m / s to 1200 m / s.
  • the figure shows a mixing unit 19 in which a desired powder mixture is obtained from the powders P1, P2, P3, ..., Pn.
  • the first powder P1 is stored in a chamber K1, for example.
  • the second powder P2 is stored in a chamber K2, for example.
  • the third powder P3 is stored in a chamber K3, for example.
  • a spray jet 21 leads to a particle impact 20 on a surface 23 of a component 24.
  • a coating 20 is formed.
  • the coating 20 has a first layer 22 in the figure.
  • the finished coating advantageously has at least two layers.
  • FIG 2 shows a coating of a gear 30 by means of the in FIG 1 1.
  • the gear wheel 30 has a tooth flank 31, a tooth root 32, a tooth head 33 and a head surface 34.
  • an edge layer is preferably produced on the gear wheel 30, in particular on the tooth flank 31 and the tooth root 32.
  • layers of materials of the same alloy but with different carbon contents are applied one after the other.
  • the carbon content preferably decreases from an outer circumference to an inner circumference (in other words: in the case of the profile, from the outside to the inside). This is achieved by mixing the different powders.
  • the gear 30 is, for example, first sprayed with powder P3 from chamber K3, then from a mixture of powder P2 from chamber K2 and powder P3, then with powder P2, then from a mixture of powder P1 from chamber K1 and powder P2 and finally with Powder P1.
  • the mixing unit 19 advantageously removes so much powder from the individual chambers Kl, ..., Kn that a smooth transition from powder P2 to powder P1 or from powder P3 to powder P2 is achieved. However, an abrupt transition is also conceivable.
  • FIG 3 shows a typical structure of a coating 100.
  • the figure shows the width b on the X axis and a profile depth t of the coating on the Y axis.
  • a layer P2 On an outer circumference A of the coating there is a layer with powder P1, then a layer P2 then follows the arrow 50, then a layer P3, then a layer P4 ... up to a layer Pn.
  • the layer P1 advantageously has the greatest carbon content
  • the layer Pn on an inner circumference I advantageously has the lowest carbon content.
  • the carbon content of the coating decreases along the arrow 50.
  • each layer P1, ..., Pn is directly related to a hardness of a layer P1, ..., Pn.
  • FIG 4 shows a diagram of the carbon content with the profile depth t on the X-axis and the carbon content C on the Y-axis.
  • the figure shows the course of the individual layers P1, ..., Pn, which were caused by the various powders or powder mixtures.
  • the figure shows a course of the C content, starting at the outer circumference A with P1 and thus with a very high carbon content.
  • a mixture of P1 and P2 a mixing ratio advantageously running at least essentially smoothly in the direction of the profile depth, to the inner circumference I of the coating.
  • a layer comprising powder P2 then a mixture of P2 and P3, then a layer of P3.
  • the figure shows a stepped profile of the carbon content C with rounded corners.
  • the rounded corners mark the flowing transition.
  • the fineness of the gradation can be influenced by the fineness when mixing powders with different C contents. In this way, a typical C-profile for today's case hardening can be reproduced.
  • One step corresponds, for example, to a layer thickness of 10 to 200 ⁇ m. However, this depends on a component size.
  • the number of layers also depends on the size of the component. The following applies advantageously: the larger the component, the thicker the layer.
  • a linear course is also conceivable.
  • a hardness h corresponds to the C content.
  • FIG 5 shows a possible overall sequence of the process for producing the coating.
  • process gas is fed into a spray gun under pressure.
  • step S2 the gun housing is heated or the process gas in the gun housing is heated.
  • step S3 the process gas expands in the nozzle.
  • a mixing ratio of the powder to be injected is brought about.
  • the process step S5 is carried out in the following FIG 6 explained in more detail.
  • a method step S6 the powder is injected into the main gas jet, as a result of which the powder is accelerated in a method step S7.
  • step S8 the particles impinge, for example on a surface of a component.
  • a method step S9 the substrate of the component, that is to say the component material, and the particles themselves are deformed.
  • a fixed layer is reached in a method step S10.
  • the solid layer is created by deformation of the substrate and the particles when the particles hit due to their high kinetic energy.
  • magnesium, aluminum, titanium, nickel, copper, tantalum, niobium, silver and / or gold are suitable as coating materials which are sprayed onto the base body or components as a powder.
  • alloys comprising nickel-chromium, bronze, aluminum alloys, titanium alloys and MCrAlY alloys are also conceivable.
  • Mixtures of materials are also conceivable, which include metal and ceramic, for example, as well as other composite materials.
  • Steel, in particular case-hardened steel, can also be sprayed onto components as a powder.
  • the base bodies or components are advantageously designed in such a way that they comprise metal, plastic, glass and / or ceramics.
  • other coating materials are also conceivable.
  • Other carrier materials for the components are also conceivable.
  • Inexpensive materials can be used for the base body.
  • FIG 6 shows method step S5 FIG 5 in detail. As already explained, the mixing ratio of the powder is brought about in method step S5.
  • a method step S51 only powder 3 from chamber K3 is used in order to inject it in method step S6.
  • step S52 a mixture of powder 3 and powder 2 is brought about.
  • a method step S53 only powder 2 is used.
  • powder 1 and powder 3 are used.
  • powder 1 is used. Powder 1 thus forms the layer on the outer circumference of the coating and powder 3 the layer on the inner circumference, which rests directly on the base body. Powder 1 preferably has the highest carbon content and powder 3 the lowest carbon content.
  • the powder mixture in method step S52 and method step S54 can also be such that there is an abrupt transition from one powder to the other powder.
  • a flowing, in particular at least essentially linear, transition between the powders is advantageous. This means that a powder content of one powder slowly decreases, while the powder content of the other powder increases to the same extent.
  • the number of different powders is purely by way of example, more than three powders can be used, but also fewer.
  • the invention offers the advantage that the C-profile typical of today's case hardening is reproduced in a short time.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung (100), wobei die Beschichtung (100) wenigstens zwei Schichten umfasst, auf einem Grundkörper (24, 30), wobei eine Mehrzahl an Partikeln (40) beschleunigt wird, derart, dass die Partikel (40) bei Auftreffen auf einer Oberfläche des Grundkörpers (24, 30) an den Grundkörper (24, 30) anhaften, wobei in einer ersten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln (40) wenigstens ein erstes Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) aufweist, wobei in der ersten Beschichtungsphase eine erste Schicht gebildet wird, wobei in einer zweiten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln (40) wenigstens das erste Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) und wenigstens ein zweites Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) aufweist, wobei in der zweiten Beschichtungsphase eine zweite Schicht gebildet wird. Die Erfindung betrifft ferner eine Beschichtung (100) sowie ein Bauteil (24, 30).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, eine Beschichtung sowie ein Bauteil mit einer Beschichtung.
  • An eine Randschicht auf einem Zahnrad, insbesondere auf Zahnflanke und Zahnfuß, werden hinsichtlich einer Tragfähigkeit besondere Anforderungen gestellt. An einer Zahnkontur der Randschicht soll eine hohe Tragfähigkeit vorliegen, an einem Innenumfang der Randschicht ist eine gewisse Zähigkeit gewünscht. Dies gelingt bisher mittels Einsatzhärten.
  • Einsatzhärten ist ein Verfahren zur Oberflächenhärtung, insbesondere zur Härtung der Randschicht. Das Verfahren umfasst insbesondere folgende Schritte: Aufkohlen, Härten und Anlassen eines, vorteilhaft Einsatzstahl umfassenden, Werkstücks.
  • Beim Aufkohlen wird die Randschicht des Werkstücks mit Kohlenstoff angereichert. Durch die Diffusion des Kohlenstoffs von der angereicherten Randschicht in Richtung des Kerns stellt sich ein Kohlenstoffprofil ein, das typischerweise einen mit zunehmendem Randabstand zum Kern hin abnehmenden Verlauf des Kohlenstoffgehaltes (auch: C-Gehalt) aufweist. Im Anschluss an die Aufkohlung wird das Härten und Anlassen durchgeführt. Hierdurch wird die Randhärte und Einsatzhärtungstiefe eingestellt.
  • Das Einsatzhärten weist jedoch einige Nachteile auf, wie beispielsweise eine lange Prozesszeit.
  • Eine der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe kann folglich darin gesehen werden, eine Oberflächenhärtung von Zahnrädern zu verbessern und eine Prozesszeit zu verringern.
  • Die Lösung der Aufgabe gelingt durch Anspruch 1, d. h. ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung, wobei die Beschichtung wenigstens zwei Schichten umfasst, auf einem Grundkörper, wobei eine Mehrzahl an Partikeln beschleunigt wird, derart, dass die Partikel bei Auftreffen auf einer Oberfläche des Grundkörpers an den Grundkörper anhaften, wobei in einer ersten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln wenigstens ein erstes Pulver aufweist, wobei in der ersten Beschichtungsphase eine erste Schicht gebildet wird, wobei in einer zweiten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln wenigstens das erste Pulver und wenigstens ein zweites Pulver aufweist, wobei in der zweiten Beschichtungsphase eine zweite Schicht gebildet wird.
  • Der Grundkörper ist vorzugsweise ein Bauteil, insbesondere ein Zahnrad. Die Erfindung eignet sich besonders gut für Zahnrädern in Getrieben mit einer hohen Leistungsdichte. Hierzu zählen mitunter Getriebe für Windkraftanlagen, Förderbänder und den Bereich Automotive. Auch andere Anwendungsgebiete sind denkbar.
  • Die Beschichtung ist vorzugsweise eine Randschicht.
  • Die Mehrzahl an Partikeln kann auch als eine Partikelmenge bezeichnet werden. Es handelt sich hierbei vorzugsweise um granulares Material.
  • Ein Verfahren, bei welchem eine Mehrzahl an Partikeln beschleunigt wird, derart, dass die Partikel bei Auftreffen auf einer Oberfläche eines Grundkörpers an den Grundkörper anhaften, ist beispielsweise das Kaltgasspritzen. Durch Umwandlung der hohen kinetischen Energie der beschleunigten Partikel gelingt hierbei die Beschichtung.
  • Das Kaltgasspritzen (auch Cold Spray genannt) ist ein Verfahren im Bereich des thermischen Spritzens. Dieses Verfahren ist vorteilhaft, da ein Spritzwerkstoff weder an- noch aufgeschmolzen wird und dadurch ein thermischer Einfluss auf Schicht und Trägermaterial gering ist
  • Beim Kaltgasspritzen wird vorteilhaft ein Prozessgas, z. B. Stickstoff oder Helium, bei hohem Druck (vorzugsweise 30 bar bis 50 bar) einer Spritzpistole zugeführt und im Pistolengehäuse auf eine Temperatur erwärmt, die vorzugsweise zwischen 800°C und 1100°C liegt.
  • Eine anschließende Expansion des erhitzten und hochgespannten Gases in einer konvergent-divergenten Düse auf Umgebungsdruck hat zur Folge, dass das Prozessgas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf Temperaturen von ca. unter 100°C abkühlt.
  • Granulares Material, insbesondere Pulver, wird mittels einer Fördereinheit und einem, vorzugsweise gleichartigen, Trägergas im konvergenten Bereich der Düse injiziert und im Hauptgasstrom auf Partikelgeschwindigkeiten von vorteilhaft 900 m/s bis 1200 m/s) beschleunigt.
  • Pulverpartikel treffen in einem vorteilhaft stark fokussierten Spritzstrahl auf eine, vorzugsweise unbehandelte, Bauteiloberfläche auf. Es erfolgt eine Verformung des Substrats, also der Bauteiloberfläche, sowie eine Verformung der Pulverpartikel selbst, wodurch eine fest haftende, dichte und oxidarme Schicht gebildet wird.
  • Die hohe kinetische Energie der Pulverpartikel und der damit verbundene, hohe Verformungsgrad beim Aufprall auf dem Bauteil, ermöglichen die Herstellung von homogenen und sehr dichten Schichten, bei einer variablen Schichtdicke von 1 µm bis hin zu 20 cm.
  • Vorzugsweise werden beim Kaltgasspritzen metallische Schichten hergestellt, deren physikalische und chemische Eigenschaften sich kaum von denen des Ausgangswerkstoffes des Bauteils unterscheiden.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform wird ein Mischverhältnis des ersten Pulvers und des zweiten Pulvers in der zweiten Beschichtungsphase durch eine Mischeinheit verändert, derart, dass am Beginn der zweiten Beschichtungsphase eine Anzahl an Partikeln des ersten Pulvers größer ist als eine Anzahl der Partikel des zweiten Pulvers und am Ende der zweiten Beschichtungsphase die Anzahl an Partikeln des ersten Pulvers kleiner ist als die Anzahl an Partikeln des zweiten Pulvers.
  • In anderen Worten: Die Menge des ersten Pulvers wird reduziert, die Menge des zweiten Pulvers wird erhöht.
  • Auf diese Weise wird vorteilhaft ein fließender Übergang geschaffen.
  • Es ist jedoch auch möglich, zuerst das erste Pulver mit einem gewissen C-Gehalt und anschließend das zweite Pulver mit einer höheren C-Gehalt zu nutzen. Dies schafft einen abrupten Übergang.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erste Pulver einen ersten Kohlenstoffgehalt auf, wobei das zweite Pulver einen zweiten Kohlenstoffgehalt aufweist, wobei der zweite Kohlenstoffgehalt höher ist als der erste Kohlenstoffgehalt.
  • Dies bietet den Vorteil, dass durch ein schichtweises Auftragen von Werkstoffen, wobei die Werkstoffe vorteilhaft eine gleiche Legierung umfassen, sich jedoch hinsichtlich ihres Kohlenstoffgehalts unterscheiden, ein Kohlenstoffprofil nachgebildet wird. Hierbei nimmt der Kohlenstoffgehalt der Beschichtung vom Außenumfang der Beschichtung zum Innenumfang hin ab (in anderen Worten: auf ein Profil bezogen von außen nach innen), wodurch das vom Einsatzhärten bekannte Kohlenstoffprofil nachgebildet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren gelingen die Beschichtung und die Nachbildung des Kohlenstoffprofils aber wesentlich schneller als beim Aufkohlen während des Einsatzhärtens. Die Prozesszeit wird dadurch deutlich verkürzt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erste Pulver Stahl-Partikel, vorzugsweise Einsatzstahl-Partikel, auf.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das zweite Pulver Stahl-Partikel, vorzugsweise Einsatzstahl-Partikel, auf.
  • Als Stahl-Partikel eignen sich besonders gut Verzahnungsstahl-Partikel sowie deren Legierungen.
  • Geeignet sind beispielsweise Stähle des Typs 18CrNiNo7-6 oder 16MnCr5. Der Kohlenstoffgehalt ist in den verschiedenen Pulvern vorteilhaft unterschiedlich, sodass das in den Figuren gezeigte Kohlenstoffprofil erreicht wird.
  • Vorteilhaft ist Kohlenstoff in einer gewünschten Dosierung in den Stahl-Partikeln gelöst.
  • Alternativ sind Kohlenstoff-Partikel in einer gewünschten Dosierung hinzugefügt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform weist in einer dritten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln wenigstens ein zweites Pulver auf, wobei in der dritten Beschichtungsphase eine dritte Schicht gebildet wird, wobei in einer vierten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln wenigstens das zweite Pulver und wenigstens ein drittes Pulver aufweist, wobei in der vierten Beschichtungsphase eine vierte Schicht gebildet wird.
  • Es können auf diese Weise beliebig viele Schichten gebildet werden. Dies ist beispielsweise abhängig von einer Gesamtgröße des Bauteils.
  • Die Lösung der oben gestellten Aufgabe gelingt ferner durch eine Beschichtung, insbesondere hergestellt nach dem beschriebenen Verfahren, aufweisend wenigstens zwei Schichten, wobei eine erste Schicht einen ersten Kohlenstoff-Massenanteil aufweist, wobei eine zweite Schicht einen zweiten Kohlenstoff-Massenanteil aufweist.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht fließend.
  • Auf diese Weise wird ein optimales Kohlenstoffprofil erreicht.
  • Auch ein abrupter Übergang ist möglich.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht wenigstens im Wesentlichen linear ausgebildet.
  • Die Lösung der oben gestellten Aufgabe gelingt überdies durch ein Bauteil, aufweisend eine derartige Beschichtung.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Bauteil als Zahnrad ausgeführt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
    • FIG 1 eine beispielhafte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
    • FIG 2 eine Beschichtung eines Zahnrads mittels der in FIG 1 beschriebenen Vorrichtung 1,
    • FIG 3 einen typischen Aufbau der Beschichtung,
    • FIG 4 ein Diagramm zum Kohlenstoffgehalt,
    • FIG 5 einen möglichen Gesamtablauf des Verfahrens zur Herstellung der Beschichtung,
    • FIG 6 den Verfahrensschritt S5 aus FIG 5 im Detail.
  • FIG 1 zeigt eine beispielhafte Vorrichtung 1 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Figur 1 zeigt eine beheizte Hochdruckkammer 3 sowie ein Heizelement 5. Ein Prozessgas 7, vorzugsweise Stickstoff oder Helium, wird in der Vorrichtung 1, vorteilhaft als Spritzpistole ausgeführt, bei hohem Druck zugeführt und auf eine Temperatur zwischen 800°C und 1100°C aufgeheizt. Die Vorrichtung 1 zeigt hierzu eine Druckmessung 11, das Heizelement 5 und die beheizte Hochdruckkammer 3.
  • Die Vorrichtung 1 weist ferner eine Stromversorgung 9 auf.
  • Die Figur zeigt eine Düse 14, in welcher das erhitzte und hochgespannte Prozessgas 7 vorteilhaft auf Umgebungsdruck expandier. Das Prozessgas 7 wird durch die Expansion auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und auf Temperaturen von weniger als 100°C abgekühlt. Dies gelingt u.a. mit einer Düsenkühlung 15.
  • Mittels einer Fördereinheit 18 und einem Trägergas 16, wobei das Trägergas 16 vorzugsweise gleichartig zum Prozessgas 7 ist, werden Partikel 40, insbesondere Pulver, injiziert. Dies gelingt vorteilhaft im konvergenten Bereich der Düse 14.
  • Im Hauptgasstrom werden die Partikel 40 auf Geschwindigkeiten von vorzugsweise 900m/s bis 1200 m/s beschleunigt. Die Figur zeigt eine Mischeinheit 19, in welcher eine gewünschte Pulvermischung aus den Pulvern P1, P2, P3, ..., Pn erhalten wird. Das erste Pulver P1 lagert beispielsweise in einer Kammer K1. Das zweite Pulver P2 lagert beispielsweise in einer Kammer K2. Das dritte Pulver P3 lagert beispielsweise in einer Kammer K3.
  • Es ist eine beliebige Anzahl von Pulvern und somit auch Kammern möglich. Dies ist in der Figur durch Pn und Kn gekennzeichnet.
  • Ein Spritzstrahl 21 führt, wie in der Figur gezeigt, zu einem Partikeleinschlag 20 auf einer Oberfläche 23 eines Bauteils 24. Auf diese Weise wird eine Beschichtung 20 gebildet. Die Beschichtung 20 weist in der Figur eine erste Schicht 22 auf. Vorteilhaft weist die fertiggestellte Beschichtung wenigstens zwei Schichten auf.
  • FIG 2 zeigt eine Beschichtung eines Zahnrads 30 mittels der in FIG 1 beschriebenen Vorrichtung 1. Das Zahnrad 30 weist eine Zahnflanke 31, einen Zahnfuss 32, einen Zahnkopf 33 sowie eine Kopffläche 34 auf.
  • Mittels der Vorrichtung 1 erfolgt vorzugsweise eine Herstellung einer Randschicht auf dem Zahnrad 30, insbesondere auf der Zahnflanke 31 und dem Zahnfuss 32. Mittels der Vorrichtung 1 werden nacheinander Schichten von Werkstoffen gleicher Legierung, jedoch mit unterschiedlichen Kohlenstoffgehalten aufgebracht.
  • Der Kohlenstoffgehalt nimmt vorzugsweise von einem Außenumfang zu einem Innenumfang (in anderen Worten: beim Profil von außen nach innen) hin ab. Dies gelingt durch die Mischung der verschiedenen Pulver. Das Zahnrad 30 wird beispielsweise zuerst mit Pulver P3 aus der Kammer K3 bespritzt, anschließend aus einer Mischung aus Pulver P2 aus Kammer K2 und Pulver P3, anschließend mit Pulver P2, anschließend aus einer Mischung aus Pulver P1 aus Kammer K1 und Pulver P2 und zuletzt mit Pulver P1.
  • Die Mischeinheit 19 entnimmt vorteilhaft den einzelnen Kammern Kl, ..., Kn derart viel Pulver, dass ein fließender Übergang von Pulver P2 zu Pulver P1 bzw. von Pulver P3 zu Pulver P2 gelingt. Jedoch ist auch ein abrupter Übergang denkbar.
  • FIG 3 zeigt einen typischen Aufbau einer Beschichtung 100. Die Figur zeigt auf der X-Achse die Breite b sowie auf der Y-Achse eine Profiltiefe t der Beschichtung.
  • An einem Außenumfang A der Beschichtung liegt eine Schicht mit Pulver P1 vor, anschließend folgt entlang des Pfeiles 50 eine Schicht P2 anschließend eine Schicht P3 anschließend eine Schicht P4 ... bis hin zu einer Schicht Pn. Die Schicht P1 weist vorteilhaft den größten Kohlestoffgehalt auf, die Schicht Pn an einem Innenumfang I weist vorteilhaft den geringsten Kohlenstoffgehalt auf. Entlang des Pfeiles 50 nimmt der Kohlenstoffgehalt der Beschichtung ab.
  • Der Kohlenstoffgehalt einer jeden Schicht P1, ..., Pn steht in direkter Verbindung mit einer Härte einer Schicht P1, ..., Pn. Je größer der Kohlenstoffgehalt einer Schicht P1, ..., Pn ist, desto härter ist die Schicht P1, ..., Pn. Dies bedeutet vorteilhaft, dass die äußerste Schicht am härtesten ist und die innerste Schicht am weichsten, vorzugsweise ähnlich weich wie das Bauteil 24, z.B. ausgeführt als Zahnrad 30, ist. Dies ist auch in FIG 4 gezeigt.
  • FIG 4 zeigt ein Diagramm zum Kohlenstoffgehalt mit der Profiltiefe t auf der X-Achse und dem Kohlenstoffgehalt C auf der Y-Achse.
  • Die Figur zeigt den Verlauf der einzelnen Schichten P1, ..., Pn, die durch die verschiedenen Pulver bzw. Pulvermischungen hervorgerufen wurden. Die Figur zeigt einen Verlauf des C-Gehalts, startend beim Außenumfang A mit P1 und somit mit einem sehr hohen Kohlenstoffgehalt. Es folgt eine Mischung aus P1 und P2, wobei ein Mischverhältnis vorteilhaft wenigstens im Wesentlichen fließend in Richtung der Profiltiefe verläuft, zum Innenumfang I der Beschichtung. Es folgt eine Schicht, aufweisend Pulver P2, anschließend eine Mischung aus P2 und P3, anschließend eine Schicht aus P3.
  • Die Figur zeigt, einen treppenförmigen Verlauf des Kohlenstoff-Gehalts C mit abgerundeten Ecken. Die abgerundeten Ecken kennzeichnen den fließenden Übergang.
  • Eine Feinheit der Stufung kann durch die Feinheit bei der Mischung von Pulvern mit unterschiedlichen C-Gehalten beeinflusst werden. Somit kann ein beim heutigen Einsatzhärten typisches C-Profil nachgebildet werden.
  • Eine Stufe entspricht beispielsweise einer Schichtdicke von 10 bis 200 pm. Dies ist jedoch abhängig von einer Bauteilgröße. Auch eine Anzahl an Schichten ist abhängig von der Bauteilgröße. Vorteilhaft gilt: Je größer das Bauteil, desto dicker die Schicht.
  • Auch ein linearer Verlauf ist denkbar. Eine Härte h korrespondiert zum C-Gehalt.
  • FIG 5 zeigt einen möglichen Gesamtablauf des Verfahrens zur Herstellung der Beschichtung. In einem Verfahrensschritt S1 erfolgt ein Zuführen unter Druck von Prozessgas in eine Spritzpistole.
  • In einem Verfahrensschritt S2 erfolgt ein Aufheizen des Pistolengehäuses bzw. ein Aufheizen des Prozessgases im Pistolengehäuse.
  • In einem Verfahrensschritt S3 erfolgt eine Expansion des Prozessgases in der Düse.
  • In einem Verfahrensschritt S4 erfolgt eine Beschleunigung des Prozessgases, was eine Folge aus Verfahrensschritt S3 darstellt.
  • In einem Verfahrensschritt S5 wird ein Mischverhältnis des Pulvers, welches zu injizieren ist, herbeigeführt. Der Verfahrensschritt S5 wird in der folgenden FIG 6 noch genauer erläutert.
  • In einem Verfahrensschritt S6 erfolgt eine Injektion des Pulvers in den Hauptgasstrahl, wodurch das Pulver in einem Verfahrensschritt S7 beschleunigt wird.
  • In einem Verfahrensschritt S8 erfolgt ein Auftreffen der Partikel, beispielsweise auf einer Oberfläche eines Bauteils.
  • In einem Verfahrensschritt S9 erfolgt eine Verformung des Substrats des Bauteils, also des Bauteilmaterials, sowie der Partikel selbst.
  • In einem Verfahrensschritt S10 ist eine feste Schicht erreicht. Die feste Schicht erfolgt durch eine Verformung des Substrats und der Partikel beim Aufprall der Partikel durch deren hohe kinetische Energie.
  • Ein Wärmeeintrag ist hierbei nur gering, was ein Vorteil für das Bauteil ist. Je nach Werkstoff der Partikel wie auch des Bauteils ist eine gewisse Aufprallgeschwindigkeit nötig, die zu einer festen Verbindung von Partikel und Bauteil führt. Ist eine Aufprallgeschwindigkeit der Partikel größer als diese Geschwindigkeit, wird ein Verformungsgrad zwischen Partikel und Bauteil erhöht. Ist die Aufprallgeschwindigkeit hingegen zu hoch, wird Material abgetragen und keine Schicht gebildet. Ist die Aufprallgeschwindigkeit jedoch zu gering, wird keine Anhaftung der Partikel an dem Bauteil erreicht.
  • Als Beschichtungswerkstoffe, die als Pulver an Grundkörper bzw. Bauteile angespritzt werden, eignen sich beispielsweise Magnesium, Aluminium, Titan, Nickel, Kupfer, Tantal, Niob, Silber und /oder Gold. Ferner sind auch Legierungen, aufweisend Nickel-Chrom, Bronze, Aluminium-Legierungen, Titan-Legierungen und MCrAlY-Legierungen denkbar. Es sind auch Materialgemische denkbar, welche beispielsweise Metall und Keramik aufweisen sowie andere Kompositwerkstoffe. Auch Stahl, insbesondere Einsatzstahl, kann als Pulver an Bauteile angespritzt werden.
  • Die Grundkörper bzw. Bauteile sind vorteilhaft derart ausgeführt, dass sie Metall, Kunststoff, Glas und/oder Keramik aufweisen. Es sind jedoch auch andere Beschichtungsstoffe denkbar. Es sind auch andere Trägermaterialien der Bauteile denkbar. Für den Grundkörper können kostengünstige Werkstoffe verwendet werden.
  • FIG 6 zeigt den Verfahrensschritt S5 aus FIG 5 im Detail. Im Verfahrensschritt S5 wird, wie bereits erläutert, das Mischverhältnis des Pulvers herbeigeführt.
  • In einem Verfahrensschritt S51 wird nur Pulver 3 aus Kammer K3 genutzt, um es in Verfahrensschritt S6 zu injizieren.
  • Im Verfahrensschritt S52 wird eine Mischung von Pulver 3 und Pulver 2 herbeigeführt.
  • In einem Verfahrensschritt S53 wird nur Pulver 2 genutzt. In einem Verfahrensschritt S54 wird Pulver 1 und Pulver 3 genutzt.
  • In einem Verfahrensschritt S55 wird Pulver 1 genutzt. Pulver 1 bildet somit die Schicht am Außenumfang der Beschichtung und Pulver 3 die Schicht am Innenumfang, welche direkt am Grundkörper anliegt. Pulver 1 weist vorzugsweise den höchsten Kohlenstoffgehalt und Pulver 3 den niedrigsten Kohlenstoffgehalt auf.
  • Die Pulvermischung im Verfahrensschritt S52 und Verfahrensschritt S54 kann ferner dergestalt sein, dass ein abrupter Übergang von einem Pulver auf das andere Pulver erfolgt. Vorteilhaft ist jedoch ein fließender, insbesondere wenigstens im Wesentlichen linearer, Übergang zwischen den Pulvern. Dies bedeutet, dass ein Pulvergehalt des einen Pulvers langsam abnimmt, während der Pulvergehalt des anderen Pulvers in gleichem Maße zunimmt. Die Anzahl der verschiedenen Pulver ist rein beispielhaft, es können mehr als drei Pulver verwendet werden, jedoch auch weniger.
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, dass in kurzer Zeit das beim heutigen Einsatzhärten typische C-Profil nachgebildet wird.

Claims (11)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung (100), wobei die Beschichtung (100) wenigstens zwei Schichten umfasst, auf einem Grundkörper (24, 30), wobei eine Mehrzahl an Partikeln (40) beschleunigt wird, derart, dass die Partikel (40) bei Auftreffen auf einer Oberfläche des Grundkörpers (24, 30) an den Grundkörper (24, 30) anhaften,
    wobei in einer ersten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln (40) wenigstens ein erstes Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) aufweist, wobei in der ersten Beschichtungsphase eine erste Schicht gebildet wird, wobei in einer zweiten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln (40) wenigstens das erste Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) und wenigstens ein zweites Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) aufweist, wobei in der zweiten Beschichtungsphase eine zweite Schicht gebildet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein Mischverhältnis des ersten Pulvers (P1, P2, P3, ... Pn) und des zweiten Pulvers (P1, P2, P3, ... Pn) in der zweiten Beschichtungsphase durch eine Mischeinheit (19) verändert wird, derart, dass am Beginn der zweiten Beschichtungsphase eine Anzahl an Partikeln (40) des ersten Pulvers größer ist als eine Anzahl der Partikel (40) des zweiten Pulvers (P1, P2, P3, ... Pn) und am Ende der zweiten Beschichtungsphase die Anzahl an Partikeln (40) des ersten Pulvers kleiner ist als die Anzahl an Partikeln (40) des zweiten Pulvers.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) einen ersten Kohlenstoffgehalt aufweist, wobei das zweite Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) einen zweiten Kohlenstoffgehalt aufweist, wobei der zweite Kohlenstoffgehalt höher ist als der erste Kohlenstoffgehalt.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) Stahl-Partikel, vorzugsweise Einsatzstahl-Partikel, aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) Stahl-Partikel, vorzugsweise Einsatzstahl-Partikel, aufweist.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einer dritten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln (40) wenigstens ein zweites Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) aufweist, wobei in der dritten Beschichtungsphase eine dritte Schicht gebildet wird,
    wobei in einer vierten Beschichtungsphase die Mehrzahl an Partikeln (40) wenigstens das zweite Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) und wenigstens ein drittes Pulver (P1, P2, P3, ... Pn) aufweist, wobei in der vierten Beschichtungsphase eine vierte Schicht gebildet wird.
  7. Beschichtung (100), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, aufweisend wenigstens zwei Schichten, wobei eine erste Schicht einen ersten Kohlenstoff-Massenanteil aufweist, wobei eine zweite Schicht einen zweiten Kohlenstoff-Massenanteil aufweist.
  8. Beschichtung (100) nach Anspruch 7, wobei ein Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht fließend ist.
  9. Beschichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei ein Übergang zwischen der ersten Schicht und der zweiten Schicht wenigstens im Wesentlichen linear ausgebildet ist.
  10. Bauteil (24, 30), aufweisend eine Beschichtung (100) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
  11. Bauteil (24, 30) nach Anspruch 10, ausgeführt als Zahnrad (30) .
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