EP4584405A1 - Grundkörper mit einem beschichtungssystem - Google Patents

Grundkörper mit einem beschichtungssystem

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Publication number
EP4584405A1
EP4584405A1 EP23776565.6A EP23776565A EP4584405A1 EP 4584405 A1 EP4584405 A1 EP 4584405A1 EP 23776565 A EP23776565 A EP 23776565A EP 4584405 A1 EP4584405 A1 EP 4584405A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
coating system
layer
base body
carbide particles
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
EP23776565.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Phillip Utsch
Dominik DOBRZANSKI
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.)
HPL Technologies GmbH
Original Assignee
HPL Technologies 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 HPL Technologies GmbH filed Critical HPL Technologies GmbH
Publication of EP4584405A1 publication Critical patent/EP4584405A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/027—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal matrix material comprising a mixture of at least two metals or metal phases or metal matrix composites, e.g. metal matrix with embedded inorganic hard particles, CERMET, MMC.
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    • 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
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/24—After-treatment of workpieces or articles
    • B22F2003/241—Chemical after-treatment on the surface
    • B22F2003/242—Coating
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/006—Vehicles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2103/00—Materials to be soldered, welded or cut
    • B23K2103/02—Iron or ferrous alloys
    • B23K2103/04—Steel or steel alloys
    • B23K2103/05—Stainless steel

Definitions

  • the invention relates to a base body with a coating system, a powder material mixture with such a base body for a coating system of a base body, and a method with such a powder material mixture for coating a base body.
  • Brake discs are known in the prior art, for example, as inexpensive components made of gray cast iron.
  • a problem with cast brake discs is that they tend to corrode and do not have sufficient abrasion resistance, which contributes to increased particulate matter pollution.
  • the braking process of uncoated cast brake discs causes around 15% of a vehicle's total fine dust emissions.
  • These negative properties can be reduced by coating the brake disc base body.
  • Laser coating processes have generally prevailed over paint coatings because, for example, a functional layer can be created that achieves higher abrasion resistance, improved corrosion protection and a reduction in fine dust emissions.
  • a method known in the art for coating base bodies, for example brake discs, is flame spraying.
  • a welding filler material made of wire or powder is introduced into a nozzle.
  • the powder material used is conveyed uniformly from a powder container and guided by a conveying gas stream through the burner nozzle to the burner flame. This will ensures that melted or partially melted particles adhere to the surface to be coated, accelerated by the burning flame.
  • Flame spraying is a comparatively simple and inexpensive process, but the resulting coatings can have a relatively high porosity, there is no melt metallurgical connection to the base body and gas consumption is high.
  • LA laser deposition welding
  • LA is a welding process that uses laser radiation to melt the welding filler material used, supplied in powder form or wire form.
  • a powdery welding filler material is supplied, this powder material is guided to a processing point using carrier gas under a protective gas atmosphere.
  • the processing point is aligned with the base body surface.
  • a laser beam is focused on the processing point and melts the substrate and the powder material passing through the processing point. Powder particles of the powder material that have not been melted are completely melted in the melt pool.
  • the powder nozzle is moved over the surface using movable axes and creates weld beads.
  • a coating is created which essentially (i.e.
  • the so-called mixing zone consists of the powder material. This means that, for example, the composition of the powder material can be drawn directly from material tests on the finished coating. Underneath the coating is the mixing zone, which consists of additional material and substrate material. The melted powder material collects above the mixing zone and forms the coating system.
  • melt-metallurgical composite is formed regardless of the layer thickness and/or number of layers, thereby resulting in a technical improvement to, for example, thermally sprayed layers.
  • the melt metallurgical bond leads to a mixing between the coating and the substrate.
  • the mixing zone in LA is minimal compared to other welding processes be inferred accordingly from the coating to the coating material.
  • High-speed laser deposition welding [HVLA: High-Velocity Laser Application] emerged from the LA.
  • HVLA High-Velocity Laser Application
  • the welding filler material provided as a powder
  • the welding filler material is melted or melted using laser energy before it arrives on the substrate, i.e. above the substrate surface. This is achieved by crossing the powder streams to be melted in a so-called powder focus one or several millimeters above the substrate surface.
  • the HVLA is preferably carried out with the welding device in the earth's gravity field above the substrate. However, this may differ in some applications. Above means at least only at a distance from the substrate surface.
  • the powder focus is superimposed with a laser beam so that powder particles pass through the laser beam and shade it.
  • HVLA extreme high-speed laser deposition welding
  • the weight percent does not refer to the finished coating system with the separately added carbide particles.
  • the separately added carbide particles correspond to the reinforcing material, while the matrix alloy forms the matrix in which the separately added carbide particles are embedded.
  • the carbide particles are classified as so-called hard material particles.
  • the separately added carbide particles are not only formed during the welding process using the so-called carbide formers, but rather as carbide particles (for example elementary pure and / or in a chemical composite), for example as titanium carbide [TiC], tungsten carbide [WC], vanadium carbide [VC], chromium carbide [Cr x C y ] or others can be added to the coating system.
  • the mass of the carbide particles varies greatly, for example titanium carbides are much lighter than tungsten carbides. These are therefore given in percent by volume [% by volume] with reference to the respective layer or to the entire coating system.
  • the mixing zone is free of separately added carbide particles, so no separately added carbide particles are contained there.
  • the alloy of the coating system itself that can be formed using the matrix alloy of the welding material shown here (i.e. without the separately added carbide particles) already has excellent wear resistance and/or abrasion resistance.
  • carbide formers especially niobium, titanium and/or vanadium
  • this welding material it is possible to form the coating system by applying the welding material directly to the base body during deposition welding.
  • an intermediary primer a so-called adhesive layer, binding layer or buffer layer
  • a layer means an area of material with the same chemical composition or an application (possibly multiple layers) of chemically identical welding filler material. In the latter case, the areas of the respective mixing zones with adjacent material are ignored, for example a layer is defined up to the middle of a respective mixing zone.
  • a layer is formed one order in one pass from the beginning to the end, for example in the case of a friction surface of a brake disc from radially inside to outside or vice versa. Interruptions in the order between the beginning and the end due to the process or a result to be achieved are not significant.
  • a single layer is an application that is applied to a surface that is cold from a welding point of view and cools to a new surface (without further input of welding energy).
  • a single layer is not necessarily formed to cover a surface.
  • a single layer is not necessarily formed by a single welding device.
  • the carbide particles make up a proportion of the entire relevant layer of at least 20% by volume [twenty percent by volume] to 70% by volume, preferably from at least 35% by volume to 70% by volume or 20 % by volume to 60% by volume, particularly preferably from 40% by volume to 50% by volume, added separately.
  • the separately added carbide particles are larger than 1 m [one micrometer], particularly preferably greater than 1.5 pm [fifteen tenths of a micrometer],
  • the volume percent is measured according to the amount of welding filler material added. In one embodiment, the volume percent is measured according to the microscopically detectable number and its volume fraction in a micrograph of a coating system formed, with preference being given to separately added carbide particles only those having a grain size greater than 1 pm, particularly preferably greater than 1.5 pm, exhibit.
  • Metallographic analyzes known from the prior art are used here. In particular, after preparation and etching under the light microscope, the number of carbide particles, and preferably the surface area, can be determined directly by visual inspection, if necessary with computer-aided image recognition. The area percentage corresponds to the volume percent.
  • individual carbide particles are released from the coating system and they themselves and/or the remaining hole or holes that have already formed as a result of use (by releasing particles) are measured for their diameter and/or their respective area. Of the diameters or areas of the random The agent is formed using selected carbide particles and/or holes. The calculated product corresponds to the volume fraction. This method for determining the volume percent can be used regardless of the type of layer forming the outer surface.
  • Powder material or powder material mixture as used conceptually herein preferably refers to the welding material with which the coating system of the base body is produced. It should be understood that the welding material is preferably kept for deposition welding as a powder material for powder deposition welding.
  • Balanced as used conceptually herein preferably means that the amount of iron is adjusted accordingly (filling up to 100%) in order to achieve the specified weight percent of other components, so that the main component of a coating system proposed herein is an iron-based alloy.
  • This coating system represents a cost-effective coating system for a base body compared to a coating known from the prior art. This is achieved primarily through the use of niobium, titanium and/or vanadium, and preferably by avoiding relatively expensive ones Components, and a very small amount of them compared to previously known coatings.
  • the matrix alloy of the coating system comprises: iron; and preferably from 0.5 to 15.0% by weight vanadium; and preferably at most 4.0% by weight niobium; and further preferably at most 0.35% by weight titanium; and further preferably at most 0.3% by weight nickel; and more preferably from 0.3 to 3.0 wt% carbon; and more preferably from 10 wt% to 26 wt% chromium; and more preferably from 1.0 to 10% by weight of manganese; and more preferably from 0.05 to 1.0% by weight of molybdenum; and more preferably from 0.25 to 1.25% by weight of silicon; and more preferably at most 0.75% by weight tungsten; and more preferably at most 0.15% by weight phosphorus; and more preferably at most 0.25% by weight sulfur; and more preferably from 0.01 to 0.5% by weight nitrogen; and more preferably 0.01 to 0.09% by weight of oxygen.
  • Vanadium [V] is a relatively inexpensive component compared to tungsten [W], niobium [Nb] and/or titanium [Ti]. Vanadium, titanium and/or niobium serve primarily as so-called carbide formers in the coating system.
  • the welding material preferably contains no niobium and no titanium, at least not beyond usual impurities.
  • Vanadium carbide has a hardness of 2950 HVo,oi [two thousand nine hundred and fifty hardness Vickers], with 0.102 kp [one hundred and two thousandths of a kilopond] test force and a standard loading time of 10 s [ten seconds] to 15 s and a melting point of 2830 ° C [two thousand eight hundred and thirty degrees Celsius].
  • a relatively low proportion of vanadium is advantageous because it reduces the tendency to crack. Too little vanadium can However, it can be disadvantageous because a sufficiently high hardness may not be achieved.
  • the matrix alloy of the coating system comprises at most 15% by weight, preferably at most 12.5% by weight, more preferably at most 12% by weight and more preferably at most 10% by weight. % vanadium.
  • the matrix alloy of the coating system comprises: preferably from 0.5 to 15.0% by weight, more preferably from 0.75 to 15.0% by weight, more preferably from 1.0 to 15.0% by weight, more preferably from 1.6 to 15.0% by weight, more preferably from 2.5 to 15.0% by weight, more preferably from 5.0 to 15.0% by weight, more preferably from 0.5 to 12.5% by weight, more preferably from 0.75 to 12.5% by weight, more preferably from 1.0 to 12.5% by weight.
  • -% more preferably from 1.6 to 12.5% by weight, more preferably from 2.5 to 12.5% by weight, more preferably from 5.0 to 12.5% by weight, more preferred from 0.5 to 12.0% by weight, more preferably from 0.75 to 12.0% by weight, more preferably from 1.0 to 12.0% by weight, more preferably from 1.6 to 12.0% by weight, more preferably from 2.5 to 12.0% by weight and more preferably from 5.0 to 12.0% by weight, preferably from 0.5 to 10.0% by weight , more preferably from 0.75 to 10.0% by weight, more preferably from 1.0 to 10.0% by weight, more preferably from 1.6 to 10.0% by weight, more preferably from 2 .5 to 10.0% by weight and more preferably from 5.0 to 10.0% by weight of vanadium.
  • the coating system comprises a proportion of niobium.
  • a proportion of niobium is present in the coating system as a carbide former.
  • niobium is advantageous in order to keep the costs of the coating system low.
  • the matrix alloy of the coating system further comprises at most 4.0% by weight of niobium.
  • the matrix alloy of the coating system comprises: preferably at most 3.5% by weight, more preferably at most 3.0% by weight, more preferably at most 2.0% by weight , more preferably at most 1.0% by weight, more preferably at most 0.75% by weight, more preferably at most 0.5% by weight, more preferably at most 0.25% by weight, more preferably at most 0, 1% by weight and more preferably at most 0.01% by weight of niobium.
  • the coating system comprises a proportion of titanium.
  • the matrix alloy of the coating system comprises: preferably at most 0.35% by weight, more preferably at most 0.25% by weight, more preferably at most 0.1% by weight. % and more preferably at most 0.01% by weight of titanium.
  • the coating system comprises a proportion of nickel.
  • the matrix alloy of the coating system further comprises at most 0.5% by weight of nickel, preferably at most 0.3% by weight, further at most 0.2% by weight, more preferably at most 0.1% by weight and more preferably at most 0.01% by weight of nickel.
  • the coating system comprises a proportion of carbon [C].
  • Carbon in the coating system serves in particular as a so-called carbide former.
  • a higher proportion of carbon can be detrimental to weldability.
  • the hardness can be advantageously increased through a higher proportion of carbon.
  • a relatively low proportion of carbon is advantageous in order to improve weldability.
  • a relatively low proportion of carbon also advantageously reduces the formation of cracks.
  • the matrix alloy of the coating system preferably further comprises at least 0.3% by weight of carbon.
  • the matrix alloy of the coating system preferably further comprises at least 0.5% by weight, more preferably at least 0.75% by weight, more preferably at least 1.0% by weight and more preferably at least 1.5% by weight of carbon.
  • Such a high proportion of carbon is beneficial for austenite formation. It should be noted that a high proportion of the carbon in the powder material reacts during deposition welding and does not arrive in the alloy of the coating system, for example with atmospheric oxygen that has penetrated into it. For example, in the alloy of the coating system with the The aforementioned amount in the welding material achieves a proportion of carbon in percent by weight of 0.5% to 1.5%.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises at most 4.5% by weight, more preferably at most 3.0% by weight, more preferably at most 2.5% by weight. and more preferably at most 2.0% by weight of carbon.
  • the matrix alloy of the coating system comprises: more preferably from 0.3 to 5% by weight, more preferably from 0.5 to 5% by weight, more preferably from 0, 75 to 5% by weight, more preferably from 1.0 to 5% by weight, more preferably from 1.5 to 5% by weight, more preferably from 0.3 to 4.5% by weight, further preferably from 0.5 to 4.5% by weight, more preferably from 0.75 to 4.5% by weight, more preferably from 1.0 to 4.5% by weight, more preferably from 1.5 to 4.5% by weight, more preferably from 0.3 to 3.0% by weight, more preferably from 0.5 to 3.0% by weight, more preferably from 0.75 to 3.0% by weight .-%, more preferably from 1.0 to 3.0% by weight, more preferably from 1.5 to 3.0% by weight, more preferably from 0.3 to 2.5% by weight, further preferably from 0.5 to 2.5% by weight, more preferably from 0.75 to 2.5% by weight, more preferably from 1.0 to 2.5% by weight, more preferably from 1.0 to 2.5% by weight, more preferably from
  • the coating system comprises a proportion of chromium.
  • the chromium is present freely in the matrix. This is particularly advantageous in order to be able to guarantee corrosion protection. Bound chromium in the form of chromium carbides may not contribute to corrosion protection.
  • vanadium is used as a sacrifice (sufficiently high) in the coating system proposed here, so that carbon is advantageously bound to vanadium and not to chromium.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises at least 10% by weight, more preferably at least 12.5% by weight, more preferably at least 13% by weight and more preferably at least 15.0% by weight chromium.
  • a proportion of at least 12.0% by weight of chromium in the coating system is particularly preferred.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises at most 25% by weight, more preferably at most 20% by weight of chromium.
  • the coating system comprises a proportion of manganese.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises at most 1.0% by weight, more preferably at most 0.75% by weight and more preferably at most 0.6% by weight. Molybdenum.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises at most 1.25% by weight, more preferably at most 1.0% by weight and more preferably at most 0.7% by weight. Silicon.
  • tungsten [W] is advantageous as a carbide former (for example for a highly friction-resistant and/or highly heat-resistant surface).
  • it is particularly advantageous in small quantities as a mixed crystal solidifier and for the high-temperature resistance of the coating system.
  • a relatively low proportion of phosphorus [P] is advantageous because phosphorus is a disadvantage as a steel pest.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises at least 0.01% by weight, more preferably at least 0.02% by weight and more preferably at least 0.05% by weight Nitrogen.
  • the matrix alloy of the coating system more preferably comprises from 0.01 to 0.5% by weight, more preferably from 0.02 to 0.5% by weight, more preferably from 0.05 to 0.5% by weight, more preferably from 0.01 to 0.25% by weight, more preferably from 0.02 to 0.25% by weight, more preferably from 0.05 to 0.25% by weight, more preferably from 0.01 to 0.1% by weight, more preferably from 0.02 to 0.1% by weight, more preferably from 0.05 to 0.1% by weight. -% nitrogen.
  • the coating system preferably has a hardness of at least 350 HVo.oi, more preferably at least 400 HVo.oi, more preferably at least 450 HVo.oi and more preferably at least 500 HVo.oi. In one embodiment, the coating system preferably has a hardness of at most 700 HVo.oi, and more preferably at most 600 HVo.oi.
  • the base body is a gray cast iron base body and/or a brake disc.
  • a powder material mixture is proposed for a coating system of a base body according to an embodiment according to the above description, wherein the powder material mixture contains the elements of the matrix alloy and the carbide particles to be added separately.
  • the powder material mixture proposed here makes it possible to create the coating system proposed above. At the same time, it is particularly simple and therefore cost-effective for the powder material mixture to already contain the carbide particles to be added separately, so that they do not have to be added separately.
  • a method for coating a base body according to an embodiment according to the above description and / or a powder material mixture according to an embodiment according to the above description is proposed, wherein at least one, preferably all, of the layers by means of deposition welding, preferably laser deposition welding, particularly preferably high-speed - Laser deposition welding is applied, preferably with an area rate of at least 500 cm 2 /min to a reference layer thickness of 100 pm.
  • deposition welding preferably laser deposition welding, particularly preferably high-speed - Laser deposition welding is applied, preferably with an area rate of at least 500 cm 2 /min to a reference layer thickness of 100 pm.
  • laser deposition welding requires less energy, but at the same time the energy intensity of, for example, high-velocity flame spraying [HVOF] can reach similar values and is therefore suitable for producing a coating system, for example using the powder material mixture described above.
  • HVOF high-velocity flame spraying
  • the advantages of laser deposition welding, especially high-speed laser deposition welding [HVLA], is the quality and lower achievable layer thickness of the coating system, so that not only less energy is required for the respective welding process, but also less material and possibly can also be achieved in a shorter time and thus also requires less energy.
  • the respective advantages depend heavily on the application at hand.
  • Fig. 1 a coating device with a base body
  • Fig. 2 a section of a schematic micrograph of a coated base body
  • Fig. 3 a micrograph of an embodiment according to Example No. 3;
  • Fig. 5 Example No. W according to Table 1;
  • Fig. 6 a coating system on a brake disc
  • Fig. 7 an alternative coating system on a brake disc
  • Fig. 8 an enlargement of the micrograph from Fig. 3;
  • Fig. 9 a hardness measurement according to Vickers
  • Fig. 10 first brake discs before and after a corrosion resistance test
  • Fig. 11 second brake discs before and after a corrosion resistance test
  • a coating device 10 with a base body 1, for example a brake disc 7, is shown in a schematic view.
  • the coating device 10 shown here includes (here two) storage containers 15 for the welding material, for example for a powder mixed from two powder components.
  • the powder is, for example, partly metallic and partly an additive, for example hard material particles, which are used, for example, in a friction coating of a brake disc 7.
  • a supply line 16 is connected to the storage container 15 and opens into one Feed device 12, here an annular gap nozzle.
  • a flow measurement 17 is arranged at a bypass line 18 and thus the flow in the supply line 16 (extrapolated from the data of the bypass line 18) can be detected by means of the flow measurement 17.
  • the feed device 12 (here annular gap nozzle) is aligned in such a way that the (here powdery) welding material can be fed into a focus and the focus can be moved in a defined manner by means of a feed actuator 13 (here indicated only schematically for a single feed direction in the image plane from right to left).
  • the coating device 10 further comprises a welding device 11, here for example a laser for LA, preferably for HVLA.
  • the welding device 11 is set up in such a way that the welding material (here by the laser) is melted or melted in the focus, so that the welding material (preferably in a melt pool) in the region (as shown) below the focus in the surface 21 of the base body to be coated 1 hits and thus (after curing) a coating is formed on the workpiece.
  • FIG. 2 a section of a micrograph of a coated base body 1, for example a brake disc 7, is shown schematically.
  • a coating system 2 is formed with several (purely optionally two) layers 3,4.
  • the lowest (first) layer 3 is formed solely from the matrix alloy 5.
  • the upper or outer (second) layer 4 is formed from a matrix alloy 5 and separately added carbide particles 6, which are shown here in different grain sizes as a representation of the grain size window 8.
  • the second layer 4 is preferably produced directly from a premixed powder material mixture 9 as a welding filler material.
  • the powder material is used in an HVLA process using a device, as shown schematically in FIG. 1, and applied as a coating to a gray cast iron base body.
  • the hard material particles used which improve wear protection, should be replaced by naturally hard materials.
  • the iron-based alloy is intended to replace the tungsten carbide used in the prior art as a hard material.
  • a matrix alloy is used, for example, as described above. It should be noted that the powder material mentioned here can be applied directly to the surface of the gray cast iron base body to be coated or to a previously applied PS (also referred to as HS). It is irrelevant whether the respective layer is formed in a single pass or in several passes (i.e. in multiple layers).
  • the weld layers and therefore their number can no longer be identified in a layer with a single powder material.
  • the number of layers in a layer is determined for a required minimum thickness and/or for a guaranteed coverage due to the track width of the weld beads, which are laterally rounded due to the process.
  • Table 1 Chemical analysis of welding material applied as a coating to a base body in percent by weight
  • Table 1 embodiments No. 1 to No. 9 of the present invention and No. W and No. H are shown as demarcations and not belonging to the invention, which were examined for their composition by chemical analysis.
  • Table 1 shows the composition by element and in percent by weight. Iron (Fe) is present in a balanced (bal) amount.
  • coatings according to the present invention are applied to the PS (also referred to as HS) as a functional layer (in this case designed as a friction layer), which comprise a high proportion of titanium carbides.
  • the PS here is an AISI 316 steel.
  • the friction layer is the coating proposed herein, namely in this example according to Example No. 2 above (see Table 1).
  • Table 2 shows various examples (No. 10 to No. 13) and compares them with regard to their properties when used with a gray cast iron brake disc.
  • Table 2 describes the layers and shows the carbide content and the grain size of the carbides in the carbide content.
  • the carbide content in Table 2 refers to those carbides that are added during the welding process (using HVLA) in addition to the powder material, which is applied as a friction layer. It should be understood that this does not refer to the carbides as present in the powder material or formed during the welding process as described above. It should be noted that these additional carbides entered the powder focus and are therefore entered directly into the liquid material.
  • the carbides themselves, provided they have the specified grain size, are not melted because the respective intrinsic melting temperature is significantly above the process temperatures.
  • the carbides are available as powder material with the specified grain size or grain size window.
  • the carbides are TiC [titanium carbide].
  • WC tungsten carbide
  • the grain size windows can be viewed approximately as a Gaussian distribution, in which a negligible amount of the powder is smaller than the minimum value and larger than the maximum value of the grain size window.
  • the grain size windows are usually achieved by manufacturers through sieving. Example product from manufacturers such as Durum Wear Protection GmbH, HC Starck Tungsten GmbH, Deutschen für Wolfram Industries mbH or Höganäs Germany GmbH.
  • the PS is formed from a material commonly referred to as austenitic stainless steel.
  • the alloy 1.4404 also known as 316L or AISI 316, which has very good corrosion resistance due to its high chromium content and high molybdenum content in conjunction with a low carbon content.
  • the annealed strength is approximately 600 MPa [six hundred mega-pascals] for large diameters, but can be increased by cold working for small sections.
  • the friction layer is referred to as RS_1, which consists of stainless steel, here more precisely the alloy 1.4016 or 430L.
  • the friction layer which is made of the same material as the PS, is designated as RS_2 (in examples No. 11 and No. 12). The values are given according to DIN EN 10095:2018, Appendix D.
  • the friction layer (in Example No. 13) is designated as RS_3, which is formed from the material from Example No. 2 (see Table 1).
  • WLTP Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure
  • Table 3 shows the results of the performance test.
  • the symbol O stands for average performance, symbol - for poor performance, symbol -- for very poor performance and symbol + for good to very good performance.
  • Evaluation criteria for the performance of the brake disc are the abrasion in the form of a profile height variance over the radius of the brake disc, i.e. the distance between the highest and lowest points on the surface of the brake disc.
  • a profile height variance of less than 3 pm [three micrometers] is considered good, and 7 pm is considered poor.
  • An average coefficient of friction of 0.48 [forty-eight hundredths] is rated as very good, with a pressure of 20 bar [twenty bar], 30 bar and 40 bar on a piston with a diameter of 57 mm [fifty-seven millimeters] on a brake disc with 330 mm [three hundred and thirty millimeters] has been abandoned.
  • An average coefficient of friction of less than 0.45 is rated as poor.
  • the evaluation criteria for the performance of the brake pads is whether grains have eaten into the brake disc, which lead to the formation of grooves in the surface of the brake disc, and whether grooves have formed on the brake pads themselves. This is done after a visual inspection. For comparison, a condition of a brake pad that is rated as poor in this context is shown in FIG. 6 (Example No. 12). A condition of a brake pad rated as very good in this context is shown in Fig. 7 (Example No. 13).
  • Example No. 3 shows a micrograph of an embodiment according to Example No. 3 according to Table 1 above of the coating proposed herein, in which the following parameters were achieved:
  • Beam intensity about 1300 W/mm 2 [one thousand three hundred watts per square millimeter]
  • Powder mass density 0.2 mg/mm 3 mg/mm 3 [one hundred and twelve tenths of a milligram per cubic millimeter]
  • 4 and 5 show an embodiment of the coating, which is made from a powder material.
  • 4 shows the result of Example No. H according to Table 1, an increased hard phase due to an increased chromium content compared to the coating from FIG. or chipping. Due to the increased hard phase, the layer hardness increases to > 450 HVo,oi.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the coating according to Example No. W according to Table 1, which is made from a powder material. As a result, Fig. 5 shows a reduced hard phase with a high-quality coating result. Due to the reduced hard phase, the hardness is around 350 HVo.oi.
  • Fig. 6 shows photographs of brake disc 7 and brake pad (each on a brake pad) in a brake system.
  • the two rows of illustrations in Fig. 6 and Fig. 7 show the result on the inside (bottom row) and outside (top row), with the right image showing the brake disc 7 and the left image showing the side of the brake disc shown on the right 7 associated brake pads.
  • a driving cycle test can be carried out over 7 days.
  • a coating according to Example 12 and Examples 3 according to Table 2 essentially the following results can be achieved:
  • Fig. 7 shows the result on the inside and outside when using a coating according to Example No. 13.
  • the suitability of the coating according to Example No. 13 is significantly improved compared to the coating according to Example 12 (see circled and arrow-caused damage in Fig. 4a ).
  • the comparisons after visual evaluation of the coatings tested in Example 12 and Example 13 clearly show that the coating according to Example 13 is superior to the examples shown in the prior art in all tested parameters.
  • Fig. 8 is an enlargement of the micrograph from Fig. 3 with the same material combination and with respect to a display of the length of 100 pm shown.
  • the cross-sectional sample was analyzed using energy dispersive X-ray spectroscopy EDX [according to DIN ISO 22309 as of November 2015].
  • EDX energy dispersive X-ray spectroscopy
  • the measurement took place in the axial direction of the brake disc 7, from top to bottom to the base body 1 (compare the middle illustration).
  • An almost defect-free coating and a melt metallurgical bond were found within the coated surface 21, and an inhomogeneity was also found using EDX analysis.
  • the spectroscopic analysis is shown on the right and illustrates the transition from base body 1 to the coating.
  • FIG. 9 shows a hardness measurement according to Vickers [according to EN ISO 6507-1:2018] on a cross section of a brake disc 7 with a coated surface 21 according to FIG. 3 with respect to a display of the length of 30 pm in a scanning electron microscope representation.
  • a section of the polished cross section is shown at the bottom left.
  • the indentations of the Vickers test specimen can be seen in a cross shape on the cross sections at the bottom left and right.
  • the hardness test here ran axially through the coating and orthogonally, approximately in the middle within the coating.
  • the test parameters here were 10 ponds of indentation force with a 15 second increase in force and a hold time of 20 seconds.
  • the Vickers hardness determined over the horizontal series of measurements is shown at the top left of the illustration.
  • the Vickers hardness is almost constant along the horizontal with a value of 400 HVo,oi.
  • Fig. 10 and Fig. 11 two brake discs 7 are shown from both sides before and after a corrosion resistance test [according to the draft of ISO/DIS 9227:2021], with the outside shown at the top and the inside shown at the bottom.
  • a brake disc 7 is shown with a coating which is not based on the invention (two-layer structure, with PS [buffer layer] and RS [friction layer] made of AISI 316).
  • the pot of the brake disc 7 is free of a coating.
  • the pot is subject to significantly more corrosion than the contact surface of the brake disc 7.
  • 11 shows a brake disc 7 with a coating based on the invention, namely in a single-layer structure without PS [buffer layer] and with RS [friction layer] (i.e. applied directly to the base body 1) according to Example No. 3 in Table 1 .
  • Analogous to the left brake disc 7, the pot here is also free of a coating, so that it is also subject to similar or the same corrosion as the left brake disc 7. Both contact surfaces of the brake discs 7 only show little to no corrosion in this view.
  • FIG. 12 shows a microscopic close-up of a microscopic image through the right brake disc 7 according to FIG. 11.
  • the coating only has surface rust 19 at its upper end (see upper arrow), but this has not spread into the coating or only to a very small extent.
  • the edge area of the brake disc 7 is not coated and has underlying corrosion there, so that the base body 1 has been attacked (see lower arrow).
  • this undercorrosion is within an acceptable target range, which is below the standards at the time of the corrosion resistance test, and within the requirements required by the market.
  • Base body Coating system first layer second layer Matrix alloy Carbide particles Brake disc Grain size window Powder material mixture Coating device Welding device Feed device Feed actuator Brake medium Storage container Supply line Flow measurement Bypass line Surface rust Welding beam Surface to be coated

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Grundkörper (1 ) mit einem Beschichtungssystem (2), das Beschichtungssystem (2) umfassend zumindest eine Lage (3,4) mit einer Matrix-Legierung (5), wobei zumindest eine der Lagen (3,4) in Gew.-% anteilig an der Matrix-Legierung (5) zumindest die folgenden Elemente umfasst: Eisen; und von 10 Gew.-% bis 26 Gew.-% Chrom; und von 0,3 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kohlenstoff; und die Summe aus Niob, Titan und Vanadium 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, wobei das Beschichtungssystem (2) in zumindest einer der Lagen (4) mit der Matrix-Legierung (5) weiterhin separat beigegebene Karbid-Partikel (6) umfasst zu einem Anteil an der gesamten betreffenden Lage (4) von mindestens 20 Vol.-% bis 70 Vol.- %. Mit dem hier vorgeschlagenen Grundkörper mit Beschichtungssystem ist eine hervorragend korrosionsbeständige und verschleißfeste Oberfläche, vor allem für die Reibfläche einer Bremsscheibe erzielbar.

Description

Grundkörper mit einem Beschichtunqssystem
Die Erfindung betrifft einen Grundkörper mit einem Beschichtungssystem, eine Pulverwerkstoffgemisch mit einem solchen Grundkörper für ein Beschichtungssystem eines Grundkörpers, sowie ein Verfahren mit einer solchen Pulverwerkstoffgemisch zum Beschichten eines Grundkörpers.
In der Industrie, beispielsweise der Automobilindustrie, ist die Abwägung von Qualitätskriterien von Bauteilen unter einem hohen Kostenbewusstsein eine immerwährende Herausforderung. Zunehmend gewinnen auch Fragen der Nachhaltigkeit in dieser Gleichung an Relevanz. Auf dem Gebiet der Bremsscheiben, oder anderer beschichteter Teile, welche hohen Beanspruchungen ausgesetzt sind, wird dieses Problem besonders deutlich.
Bremsscheiben sind im Stand der Technik beispielsweise als kostengünstige Bauteile aus Grauguss gefertigt bekannt. Ein Problem von Gussbremsscheiben ist jedoch, dass sie zu Korrosion neigen und eine nicht ausreichende Abriebfestigkeit zeigen, was zu einem Beitrag erhöhter Feinstaubbelastung führt. Durch den Bremsvorgang von unbeschichteten Gussbremsscheiben werden beispielsweise etwa 15 % der gesamten Feinstaubemission eines Fahrzeugs verursacht. Diese negativen Eigenschaften können durch eine Beschichtung der Bremsscheibengrundkörper vermindert werden. Dabei haben sich Laserbeschichtungsverfahren im Allgemeinen gegenüber Lackbeschichtungen durchgesetzt, weil hierdurch beispielsweise eine Funktionsschicht erzeugbar ist, welche eine höhere Abriebfestigkeit, einen verbesserten Korrosionsschutz und eine Verringerung der Feinstaubemission erreicht.
Ein im Stand der Technik bekanntes Verfahren zum Beschichten von Grundkörpern, beispielsweise Bremsscheiben, ist das Flammspritzen. Hierbei wird ein Schweißzusatzwerkstoff aus Draht oder Pulver in eine Düse eingeführt. Bei einer Zufuhr von einem pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff wird das verwendete Pulvermaterial aus einem Pulverbehälter gleichmäßig gefördert und von einem Fördergasstrom durch die Brennerdüse zur Brennerflamme geführt. Hierdurch wird erreicht, dass geschmolzene oder angeschmolzene Partikel zudem von der Brennflamme beschleunigt auf der zu beschichtenden Oberfläche anhaften. Das Flammspritzen ist ein vergleichsweise einfaches und kostengünstiges Verfahren, wobei die resultierenden Beschichtungen jedoch eine relativ hohe Porosität aufweisen können, eine schmelzmetallurgische Verbindung mit dem Grundkörper fehlt und der Gasverbrauch hoch ist.
Eine Alternative stellt das Laserauftragschweißen [LA] dar, bei welchem beispielsweise eine geringere Porosität bei vermindertem Gasverbrauch erreichbar ist. Das LA ist ein Schweißverfahren, welches mittels Laserstrahlung den verwendeten Schweißzusatzwerkstoff, zugeführt in Pulverform oder Drahtform, aufschmelzt. Bei einer Zufuhr von einem pulverförmigen Schweißzusatzwerkstoff wird dieser Pulverwerkstoff mittels Trägergas unter Schutzgasatmosphäre zu einem Bearbeitungspunkt geführt. Der Bearbeitungspunkt ist dabei auf die Grundkörperoberfläche ausgerichtet. Ein Laserstrahl wird auf den Bearbeitungspunkt fokussiert und schmelzt das Substrat sowie den Bearbeitungspunkt passierende Pulverwerkstoff auf. Nicht aufgeschmolzene Pulverpartikel des Pulverwerkstoffs werden im Schmelzbad komplett aufgeschmolzen. Die Pulverdüse wird mittels verfahrbarer Achsen über die Oberfläche bewegt und erzeugt dabei Schweißraupen. Es entsteht eine Beschichtung, welche im Wesentlichen (also unter technischer Toleranz vollständig abgesehen von einem Übergangsbereich, der sogenannten Aufmischungszone) aus dem Pulverwerkstoff besteht. Hierdurch kann beispielsweise auch bei Matenaluntersuchungen an der fertigen Beschichtung unmittelbar auf die Zusammensetzung des Pulverwerkstoffs geschlossen werden. Unter der Beschichtung befindet sich die Aufmischungszone die aus Zusatzmaterial und Substratmaterial besteht. Der aufgeschmolzene Pulverwerkstoff sammelt sich über der Aufmischungszone und bildet das Beschichtungssystem.
Ein Fachmann wird dabei unmittelbar anerkennen, dass sich unabhängig von der Schichtdicke und/oder Lagenanzahl ein schmelzmetallurgischer Verbund ausbildet, wobei hierdurch eine technische Verbesserung zu beispielsweise thermisch gespritzten Schichten entsteht. Der schmelzmetallurgische Verbund führt dabei zu einer Aufmischung zwischen Beschichtung und Substrat. Weil die Aufmischungszone jedoch beim LA, im Vergleich zu anderen Schweißverfahren, minimal ist, kann entsprechend an der Beschichtung auf den Beschichtungswerkstoff geschlossen werden.
Aus dem LA ist das Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen [HVLA: High- Velocity Laser Application] hervorgegangen. Um höhere Vorschubgeschwindigkeiten als beim LA zu erreichen, wird beim HVLA der Schweißzusatzwerkstoff, bereitgestellt als Pulver, bereits vor Eintreffen auf dem Substrat, also über der Substratoberfläche, mittels der Laserenergie aufgeschmolzen oder angeschmolzen. Dies wird erreicht, indem die zu schmelzenden Pulverströme in einem sogenannten Pulverfokus ein oder mehrere Millimeter oberhalb der Substratoberfläche gekreuzt werden. Es sei darauf hingewiesen, dass das HVLA bevorzugt mit der Schweißeinrichtung im Erdschwerefeld oberhalb des Substrats ausgeführt wird. Dies kann aber in einigen Anwendungen abweichen. Oberhalb bedeutet also zumindest lediglich mit Abstand zu der Substratoberfläche. Der Pulverfokus wird mit einem Laserstrahl überlagert, sodass Pulverpartikel den Laserstrahl passieren und dabei abschatten. Hierdurch erreicht nicht die gesamte Energie des Lasers die Oberfläche des Substrates. Das Verhältnis der gesamten Laserleistung [LI] zu derjenigen das Substrat erreichenden Laserleistung wird vom Fachmann üblicherweise als Transmissionsgrad berechnet. Durch Einstellen verschiedener Verfahrensparameter und des resultierenden Transmissionsgrades ist mittels HVLA eine Beschichtung als schmelzmetallurgischer Verbund erreichbar.
Ein spezielles HVLA-Verfahren ist (dort als Extremhochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [EHLA] bezeichnet) beispielsweise beschrieben in Schopphoven et. al („Experimentelle und modelltheoretische Untersuchungen zum Extremen Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen“, Dissertation am Fraunhofer Institut für Lasertechnik ILT, 2019, online publiziert auf den Internetseiten der Universitätsbibliothek), sowie DE 102011 100 456 A1 .
Die Dokumente WO 2021/007 209 A1 und WO 2021/126 518 A1 offenbaren Beschichtungen. Bei diesen werden die teuren Karbidbildner Titan und Niob und teilweise auch Chrom in großen Mengen verwendet. Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Die erfindungsgemäßen Merkmale ergeben sich aus den unabhängigen Ansprüchen, zu denen vorteilhafte Ausgestaltungen in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigt werden. Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, welche ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
Die Erfindung betrifft einen Grundkörper mit einem Beschichtungssystem, das Beschichtungssystem umfassend zumindest eine Lage mit einer Matrix-Legierung, wobei zumindest eine der Lagen in Gew.-% anteilig an der Matrix-Legierung zumindest die folgenden Elemente umfasst:
Eisen; und von 10 Gew.-% bis 26 Gew.-% Chrom; und von 0,3 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kohlenstoff; und die Summe aus Niob, Titan und Vanadium 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, wobei das Beschichtungssystem in zumindest einer der Lagen mit der Matrix- Legierung weiterhin separat beigegebene Karbid-Partikel umfasst zu einem Anteil an der gesamten betreffenden Lage von mindestens 20 Vol.-% bis 70 Vol.-%.
In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Ordinalzahlen dienen, sofern nicht explizit auf das Gegenteilige hingewiesen wird, lediglich der eindeutigen Unterscheidbarkeit und geben keine Reihenfolge oder Rangfolge der bezeichneten Komponenten wieder. Eine Ordinalzahl größer eins bedingt nicht, dass zwangsläufig eine weitere derartige Komponente vorhanden sein muss.
Es soll zunächst verstanden werden, dass alle Mengenangaben mit Hinblick auf den verwendeten Pulverwerkstoff beziehungsweise das Pulverwerkstoffgemisch, sowie des Beschichtungssystems nach der vorliegenden Erfindung in den genannten Mengen in Gewichtsprozent [Gew.-%] bezogen auf ein Gesamtgewicht des entsprechenden Pulverwerkstoffs, beziehungsweise der Matrix-Legierung des Beschichtungssystems verstanden werden sollen. Es soll auch verstanden werden, dass in dem Beschichtungssystem Eisen als Grundmaterial des Pulverwerkstoffes dient, und bevorzugt jeweils in ausbalancierter Form umfasst ist.
Es sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Gew.-% sich nicht auf das fertiggestellte Beschichtungssystem mit den separat beigegebenen Karbid-Partikeln bezieht. Die separat beigegebenen Karbid-Partikel entsprechen im Vergleich zu einem (beispielsweise Glasfaser-) verstärkten Kunststoff dem Verstärkungsstoff, während also von der Matrix-Legierung eben die Matrix gebildet ist, in welche die separat beigegebenen Karbid-Partikel eingebettet sind. Die Karbid-Partikel werden den sogenannten Hartstoffpartikeln zugeordnet.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass die separat beigegebenen Karbid-Partikel nicht erst beim Schweißvorgang mittels der sogenannten Karbidbildner gebildet werden, sondern bereits als Karbid-Partikel (beispielsweise elementar rein und/oder in einem chemischen Verbund), beispielsweise als Titankarbid [TiC], Wolframkarbid [WC], Vanadiumkarbid [VC], Chromkarbid [CrxCy] oder andere dem Beschichtungssystem beigegeben werden. Die Masse der Karbid-Partikel ist stark unterschiedlich, beispielsweise Titankarbide sehr viel leichter als Wolfram karbide. Diese sind daher in Volumenprozent [Vol.-%] mit Bezug auf die jeweilige Lage oder auf das gesamte Beschichtungssystem angegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aufmischungszone frei von separat beigegebenen Karbid- Partikeln, es sind also dort dann keine separat beigegebenen Karbid-Partikel enthalten.
In der vorhergehenden und nachfolgenden Beschreibung verwendete Prozentangaben sind als Gewichtsprozent der angegebenen Matrix-Legierung einer betreffenden Lage zu verstehen, sofern nicht explizit eine andere Definition (beispielsweise Volumenprozent [Vol.-%]) angegeben ist.
Die mittels der hier aufgezeigten Matrix-Legierung des Schweißmaterials bildbare Legierung des Beschichtungssystems selbst (also ohne die separat beigegebenen Karbid-Partikel) weist bereits eine hervorragende Verschleißfestigkeit und/oder Abrasionsfestigkeit auf. Hierzu sind in dem Beschichtungssystem infolge von den vorhandenen Karbidbildnern (vor allem Niob, Titan und/oder Vanadium) ausgebildete Karbide, teilweise auch Boride, maßgeblich verantwortlich. Zugleich ist es mit diesem Schweißmaterial möglich, das Beschichtungssystem zu bilden, indem das Schweißmaterial beim Auftragschweißen unmittelbar auf den Grundkörper aufgetragen wird. Der bekannte Standard ist bisher, dass zunächst eine vermittelnde Grundierung (eine sogenannte Haftschicht, Bindeschicht oder Pufferschicht) vorgesehen werden muss. Mit einem einzigen Schweißmaterial beziehungsweise einer einzigen Schicht auf dem Grundkörper können geringere Prozesszeiten, geringere Fehleranfälligkeiten, dünnere Schichtstärken und gegebenenfalls eine geringere Anzahl von Lagen, also weniger häufig wiederholtes Aufträgen, zum Erzeugen der (einzigen) Schicht des Beschichtungssystems erzielt werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass eine Schicht gemäß der hiesigen Verwendung einen Materialbereich gleicher chemischer Zusammensetzung bedeutet beziehungsweise einen (gegebenenfalls mehrlagigen) Auftrag von chemisch gleichem Schweißzusatzwerkstoff. In letzterem Falle sind die Bereiche der jeweiligen Aufmischungszonen mit angrenzendem Material ignoriert, beispielsweise eine Schicht bis zur Mitte einer jeweiligen Aufmischungszone definiert.
Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass eine Lage jeweils einen Auftrag in einem Durchgang vom Beginn bis zum Ende, beispielsweise bei einer Reibfläche einer Bremsscheibe von radial innen nach außen oder umgekehrt, gebildet ist. Bedingt durch den Prozess oder ein zu erzielendes Ergebnis ausgeführte Unterbrechungen des Auftrags zwischen dem Anfang und dem Ende sind dabei nicht beachtlich. In einer anderen Definition ist eine einzelne Lage ein solcher Auftrag, welcher auf eine schweißtechnisch kalte Oberfläche aufgebracht wird und (ohne weitere Zufuhr von Schweißenergie) zu einer neuen Oberfläche erkaltet. In einer Ausführungsform ist eine einzelne Lage nicht zwangsläufig eine Oberfläche abdeckend gebildet. In einer Ausführungsform ist eine einzelne Lage nicht zwangsläufig von einer einzigen Schweißeinrichtung gebildet.
Erzielt wird also ein Beschichtungssystem in Form einer korrosionsbeständigen naturharten Legierung, wobei also die Eigenschaften Korrosionsschutz und Verschleißschutz miteinander kombiniert sind. Mittels des Einsatzes unterschiedlicher Karbidbildner mit unterschiedlicher Ausscheidungskinetik und damit auch unterschiedlicher Verteilungen führt zu einer guten Beständigkeit gegenüber Verschleißpartikeln (beispielsweise Schmutz oder ausgelöste Karbid-Partikel zwischen Bremsscheibe und Bremsklotz) unterschiedlichster Größe.
Hier ist also vorgeschlagen, dass dem Beschichtungssystem weiterhin (bevorzugt als Bestandteil des Pulverwerkstoffs) Karbid-Partikel, und gegebenenfalls andere Hartstoffpartikel, beigegeben werden. Es wurde festgestellt, dass diese Hartstoffpartikel an dem Schweißprozess nicht teilnehmen, also nicht aufgeschmolzen werden. Es sei darauf hingewiesen, dass bei einer sehr geringen Korngröße, durchaus Hartstoffpartikel aufgeschmolzen oder sogar verdampft werden. Dieser Anteil ist aber vernachlässigbar. Beispielsweise werden solche Hartstoffpartikel einer gewünschten Korngröße im Prozess des Auftragschweißens einzig oberflächlich angeschmolzen oder einzig erwärmt.
In einer ergänzenden Ausführungsform werden Hartstoffpartikel abhängig von der Lage von einer Mehrzahl von (das Beschichtungssystem bildenden) Lagen zusätzlich beigegeben. In diesem Fall ist in unterschiedlichen Lagen eine unterschiedliche Menge an beziehungsweise ausschließlich in zumindest einer der Lagen. Bevorzugt ist die unterste (also Grundkörper-nächste) Lage oder eine Mehrzahl von (benachbarten) untersten Lagen inklusive der aller untersten Lage frei von separat beigegebenen Karbid-Partikeln, bevorzugt frei von Hartstoffpartikeln, also keine Karbid-Partikel beziehungsweise Hartstoffpartikel eingebettet. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt die oberste (also außenseitige) Lage oder einer Mehrzahl von (bevorzugt benachbarten) obersten Lagen, bevorzugt inklusive der aller obersten Lage, frei von separat beigegebenen Karbid-Partikeln, bevorzugt frei von Hartstoffpartikeln, also keine Karbid-Partikel beziehungsweise Hartstoffpartikel eingebettet.
Die Karbid-Partikel ist in einer Ausführungsform zu einem Anteil an der gesamten betreffenden Lage von mindestens 20 Vol.-% [zwanzig Volumenprozent] bis 70 Vol.- %, bevorzugt von mindestens 35 Vol.-% bis 70 Vol.-% oder 20 Vol.-% bis 60 Vol.-%, besonders bevorzugt von 40 Vol.-% bis 50 Vol.-% separat beigegeben. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die separat beigegebenen Karbid-Partikel größer als 1 m [ein Mikrometer], besonders bevorzugt größer als 1 ,5 pm [fünfzehn zehntel Mikrometer],
Die Volumenprozent sind gemäß einer Ausführungsform nach der Zugabemenge von Schweißzusatzwerkstoff bemessen. In einer Ausführungsform sind die Volumenprozent nach der mikroskopisch erfassbaren Anzahl und deren Volumenanteil in einem Schliffbild einem gebildeten Beschichtungssystem bemessen, wobei bevorzugt als separat beigegebene Karbid-Partikel ausschließlich solche angesehen sind, welche eine Korngröße größer 1 pm, besonders bevorzugt größer 1 ,5 pm, aufweisen. Hierbei kommen im Stand der Technik bekannte metallografische Analysen zum Einsatz. Insbesondere kann nach einer Präparation und Ätzung unter dem Lichtmikroskop durch Inaugenscheinnahme unmittelbar auf eine Anzahl der Karbid-Partikel, und bevorzugt auf den Flächenanteil, geschlossen werden, gegebenenfalls mit computergestützter Bilderkennung. Der Flächenanteil entspricht dem Volumenprozent.
In einer Ausführungsform sind die Volumenprozent nach einer (bevorzugt mikroskopischen) Untersuchung einer Außenoberfläche eines fertiggestellten Beschichtungssystems bemessen. Dabei ist der Flächenanteil dem Volumenanteil gleichgesetzt, zumindest dann wenn diejenige die Außenoberfläche bildende Lage mit separat beigegebenen Karbid-Partikeln versehen ist. Wenn diejenige die Außenoberfläche bildende Lage frei von separat beigegebenen Karbid-Partikeln ist, werden die herausstehenden Karbid-Partikel und Erhebungen in der im Übrigen glatten Außenoberfläche gezählt mit einem Flächen-Faktor multipliziert, wobei der Flächen-Faktor beispielsweise dem Quadrat aus dem mittleren Korndurchmesser multipliziert mit TT/2 [der Hälfte der Kreiszahl] entspricht. Der Flächen-Faktor ist alternativ eine andere mathematisch-statistische Annährung an die Fläche beziehungsweise das Volumen eines durchschnittlichen Karbid-Partikels. In einer Ausführungsform wird als mittlerer Korndurchmesser die Herstellerangabe genutzt. In einer Ausführungsform werden einzelne Karbid-Partikel aus dem Beschichtungssystem gelöst und sie selbst und/oder das verbleibende Loch beziehungsweise bereits infolge einer Verwendung entstandene Löcher (durch Auslösen von Partikeln) auf ihren Durchmesser und/oder auf ihre jeweilige Fläche vermessen. Von den Durchmessern beziehungsweise Flächen der zufällig ausgewählten Karbid-Partikel und/oder Löcher wird das Mittel gebildet. Das berechnete Produkt entspricht dem Volumenanteil. Diese Methode zum Bestimmen der Volumenprozent ist unabhängig von der Art derjenigen die Außenoberfläche bildenden Lage einsetzbar.
Es sei darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform das hier beschriebene Material des Beschichtungssystems beziehungsweise die Matrix-Legierung im Schweißzusatzwerkstoff als Legierung des Schweißmaterials beispielsweise als Draht oder Pulver bereitgestellt ist, wobei der Pulverwerkstoff nicht zwangsläufig in jedem Pulverpartikel die beschriebene Zusammensetzung aufweisen muss, gegebenenfalls sogar stark abweichend, sofern verschiedene Grundmaterialien zu einer Pulvermischung zusammengesetzt sind, beziehungsweise in-situ zusammengesetzt werden. In einer Ausführungsform werden die erwünschten separaten Karbid-Partikel (und gegebenenfalls weitere Hartstoffpartikel) dem Schweißzusatzwerkstoff beigemengt, welche aber als nicht an dem Schweißprozess teilnehmende Partikel nicht zu dem Schweißmaterial hinzugerechnet werden, sondern eben als separat beigegebene Partikel bezeichnet werden.
Pulverwerkstoff oder Pulverwerkstoffgemisch wie hierin begrifflich verwendet, bezeichnet bevorzugt das Schweißmaterial mit dem das Beschichtungssystem des Grundkörpers erzeugt wird. Dabei soll verstanden werden, dass das Schweißmaterial bevorzugt für ein Auftragschweißen als Pulverwerkstoff für ein Pulver-Auftragschweißen vorgehalten ist.
Ausbalanciert wie hierin begrifflich verwendet, bezeichnet bevorzugt, dass die Menge an Eisen entsprechend (die 100 % auffüllend) angepasst ist, um die angegebenen Gew.-% Angaben weiterer Bestandteile zu erreichen, so dass der Hauptbestandteil eines hierin vorgeschlagenen Beschichtungssystems eine Eisenbasislegierung darstellt.
Dieses Beschichtungssystem stellt ein gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtung eine kostengünstiges Beschichtungssystem für einen Grundkörper dar. Dies wird vor allem durch die Verwendung von Niob, Titan und/oder Vanadium, und bevorzugt das Vermeiden von verhältnismäßig teuren Bestandteilen, und eine im Vergleich zu vorbekannten Beschichtungen sehr geringe Menge davon erreicht.
Die vorliegenden Erfinder haben überraschenderweise gefunden, dass das hier vorgeschlagene Beschichtungssystem dabei zusätzlich für ihre Verwendung vorteilhafte Eigenschaften aufweist und nicht übermäßig zur Rissbildung und/oder Porenbildung neigt, eine im Allgemeinen hohe Korrosionsbeständigkeit und gute Anbindung der Schweißlagen zeigt, sowie eine für ihre Verwendung vorteilhafte Härte aufweist.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit das Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems: Eisen; und bevorzugt von 0,5 bis 15,0 Gew.-% Vanadium; und bevorzugt höchstens 4,0 Gew.-% Niob; und bevorzugt weiter höchstens 0,35 Gew.-% Titan; und bevorzugt weiter höchstens 0,3 Gew.-% Nickel; und weiter bevorzugt von 0,3 bis 3,0 Gew.-% Kohlenstoff; und weiter bevorzugt von 10 Gew.-% bis 26 Gew.-% Chrom; und weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 10 Gew.-% Mangan; und weiter bevorzugt von 0,05 bis 1 ,0 Gew.-% Molybdän; und weiter bevorzugt von 0,25 bis 1 ,25 Gew.-% Silizium; und weiter bevorzugt höchstens 0,75 Gew.-% Wolfram; und weiter bevorzugt höchstens 0,15 Gew.-% Phosphor; und weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-% Schwefel; und weiter bevorzugt von 0,01 bis 0,5 Gew.-% Stickstoff; und weiter bevorzugt 0,01 bis 0,09 Gew.-% Sauerstoff.
Die vorliegenden Erfinder haben überraschenderweise gefunden, dass das hierin vorgeschlagene Beschichtungssystem mit Vanadium darstellbar ist. Dabei stellt Vanadium [V] im Vergleich zu Wolfram [W], Niob [Nb] und/oder Titan [Ti] einen relativ kostengünstigen Bestandteil dar. Vanadium, Titan und/oder Niob dienen in dem Beschichtungssystem vornehmlich als sogenannte Karbidbildner.
Mit dem Einsatz von Vanadium sind teurere Komponenten wie beispielsweise Niob und Titan in deutlich geringerer Menge einsetzbar. Bevorzugt umfasst das Schweißmaterial kein Niob und kein Titan, zumindest nicht über übliche Verunreinigungen hinaus.
Es wurde überraschend festgestellt, dass sich das Eigenschaftsprofil entsprechender Legierungen durch die abgestimmte Zugabe von Monokarbidbildnern wie Vanadium zielgenau anpassen lässt. Durch eine feine Verteilung (feindisperse Ausscheidung von primären Vanadiumkarbid), in Verbindung mit Kornfeinungseffekten, ist die Risslänge der oftmals stark rissbehafteten Schweißschichten verkürzbar. Eine schlagende Verschleißbeanspruchung führt damit nicht mehr zu sofortigen Ausbrüchen. Somit ergeben sich Vorteile bei abrasiv und schlagenden Verschleißbeanspruchungen. Ein weiterer Vorteil liegt in der enorm hohen Härte und dem hohen Schmelzpunkt von Vanadiumkarbid, welche im Bereich von Titankarbid und oberhalb von Wolframkarbid rangiert. Vanadiumkarbid weist eine Härte von 2950 HVo,oi [zweitausend neunhundertfünfzig Härte-Vickers], mit 0,102 kp [einhundertzwei tausendstel Kilopond] Prüfkraft und einer normgemäßen Belastungszeit von 10 s [zehn Sekunden] bis 15 s und einen Schmelzpunkt bei 2830 °C [zweitausend achthundertdreißig Grad Celsius] auf.
Die entstehenden Mischkarbide vom Typ (Cr, Fe) 7C3 weisen eine Härte von 1700 HV10 [eintausendsiebenhundert Härte-Vickers] bis 2100 HV10 auf. Bor führt ab einem Gehalt von etwa 0,6 % zu einer Härtung der (Cr, Fe) 7C3-Karbide. Die wichtigsten Hartstoffe neben Cr7C3 sind die Chromkarbide Cr3C2 und Cr23C6. Unter Abrasionsverschleiß haben sich vor allem die Cr7C3-Karbide und Cr23C6- Karbide bewährt, welche eine nadelförmige bis plattenförmige Gefügeausbildung aufweisen.
Darüber hinaus führt das Hinzulegieren von Mangan [Mn] und Silizium [Si] (neben einer typischerweise deutlichen Verbesserung der Schweißeigenschaften infolge der hohen Sauerstoffaffinität und damit zu einer Desoxidation) zu einer Erhöhung der Verschleißbeständigkeit des aufgetragenen Beschichtungssystems.
Durch einen höheren Anteil an Vanadium ist insbesondere eine gesteigerte Härte des Beschichtungssystems erzielbar. Ein zu hoher Anteil an Vanadium kann jedoch dazu führen, dass das Gitter zu stark verspannt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die hierin aufgeführten Vergleiche zu einer Zusammensetzung mit einem Weniger beziehungsweise einem Mehr von dem jeweiligen Element in dem Beschichtungssystem gezogen ist. Dabei ist zumindest richtig, dass ein Weniger oder Mehr von diesem Element durch ein entsprechendes Mehr oder Weniger von dem Eisen [Fe] als Basis vorhanden ist. Alternativ oder zusätzlich ist ein Mehr oder ein Weniger von einem anderen der genannten Elemente in einer im Rahmen der genannten Größenordnungen beachtlichen Menge vorhanden. Darauf ist bei einigen Beispielen explizit hingewiesen, sofern das jeweilige Element als Ersatzstoff einsetzbar ist. Es liegt aber auch im fachmännischen Können, zumindest auf Basis der hierin aufgeführten Erläuterungen, eine geeignete Legierung im Rahmen der hier vorgeschlagenen Erfindung zu verwenden, bei welchen die Elemente in einer Kombination vorhanden sind, die hier nicht als explizites Beispiel aufgeführt sind.
Je mehr Vanadium eingesetzt wird, auf desto mehr zusätzliche Karbidbildner kann verzichtet werden, wie beispielsweise Niob und Titan, aber auch Molybdän. Es sei darauf hingewiesen, dass hier nicht ein Ersatz der anderen Karbide in gleicher Menge erforderlich ist, weil Vanadiumkarbid sehr fein verteilt auftritt und aufgrund seiner hohen Härte und seines hohen Schmelzpunktes zu den sehr hochwertigen Karbiden zählt.
Bevorzugt umfasst eine solche Beschichtungssystem mindestens 0,75 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 1 ,6 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 2,5 Gew.-%, und weiter bevorzugt mindestens 5,0 Gew.-% Vanadium.
Gleichsam ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Vanadium vorteilhaft, weil dadurch die Rissneigung reduzierbar ist. Ein zu geringer Anteil an Vanadium kann jedoch nachteilhaft sein, weil eine ausreichend hohe Härte gegebenenfalls nicht erreicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems höchstens 15 Gew.-%, bevorzugt höchstens 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 12 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 10 Gew.% Vanadium.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems: bevorzugt von 0,5 bis 15,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 15,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 15,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,6 bis 15,0 Gew.- %, weiter bevorzugt von 2,5 bis 15,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 5,0 bis 15,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,6 bis 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 2,5 bis 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 5,0 bis 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 12,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 12,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 12,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,6 bis 12,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 2,5 bis 12,0 Gew.-% und weiter bevorzugt von 5,0 bis 12,0 Gew.-% bevorzugt von 0,5 bis 10,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 10,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 10,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,6 bis 10,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 2,5 bis 10,0 Gew.-% und weiter bevorzugt von 5,0 bis 10,0 Gew.-% Vanadium.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Niob. Ein Anteil an Niob ist in dem Beschichtungssystem als Karbidbildner vorhanden.
Gleichsam ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Niob vorteilhaft, um die Kosten des Beschichtungssystems gering zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter höchstens 4,0 Gew.-% Niob. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems: bevorzugt höchstens 3,5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 2,0 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,75 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 0,01 Gew.-% Niob.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Titan.
Ein Anteil an Titan ist in dem Beschichtungssystem als Karbidbildner und/oder Korrosionsschutzelement vorhanden. Gleichsam ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Titan vorteilhaft, um die Kosten des Beschichtungssystems gering zu halten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter höchstens 0,4 Gew.-% Titan.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems: bevorzugt weiter höchstens 0,35 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 0,01 Gew.- % Titan umfasst.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Nickel.
Dabei dient Nickel [Ni] in dem Beschichtungssystem insbesondere einem erhöhten Korrosionsschutz. Durch einen höheren Anteil an Nickel ist auch die Schweißbarkeit verbessert. Gleichsam ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Nickel vorteilhaft, um den Anteil gesundheitsbedenklicher Stoffe auf ein Minimum reduzieren zu können, beziehungsweise auch, um moderneren Standards, wie beispielsweise der sogenannten Reach-Verordnung, zu entsprechen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter höchstens 0,5 Gew.-% Nickel, bevorzugt weiter höchstens 0,3 Gew.-%, weiter höchstens 0,2 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 0,01 Gew.-% Nickel.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Kohlenstoff [C].
Dabei dient Kohlenstoff in dem Beschichtungssystem insbesondere als sogenannter Karbidbildner. Ein höherer Anteil an Kohlenstoff kann nachteilig für die Schweißbarkeit sein. Gleichzeitig kann durch einen höheren Anteil an Kohlenstoff die Härte vorteilhaft angehoben werden. Gleichsam ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Kohlenstoff vorteilhaft, um die Schweißbarkeit zu verbessern. Ebenfalls senkt ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Kohlenstoff vorteilhaft die Rissbildung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems bevorzugt weiter mindestens 0,3 Gew.-% Kohlenstoff.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems bevorzugt weiter mindestens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 0,75 Gew.- %, weiter bevorzugt mindestens 1 ,0 Gew.-% und weiter bevorzugt mindestens 1 ,5 Gew.-% Kohlenstoff.
Ein derart hoher Anteil von Kohlenstoff ist vorteilhaft für die Austenitbildung. Es sei darauf hingewiesen, dass ein hoher Anteil von dem Kohlenstoff im Pulverwerkstoff beim Auftragschweißen reagiert und nicht in der Legierung des Beschichtungssystems ankommt, beispielsweise mit eingedrungenem Luftsauerstoff. Beispielsweise wird in der Legierung des Beschichtungssystems mit der vorgenannten Menge in dem Schweißmaterial ein Anteil von Kohlenstoff in Gewichtsprozent von 0,5 % bis 1 ,5 % erzielt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 4,5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 2,5 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 2,0 Gew.-% Kohlenstoff.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems: weiter bevorzugt von 0,3 bis 5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,5 bis 5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 4,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 4,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 4,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 4,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,5 bis 4,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,5 bis 3,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 2,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 2,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 2,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 2,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,5 bis 2,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 2,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 2,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,75 bis 2,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 2,0 Gew.-% und weiter bevorzugt von 1 ,5 bis 2,0 Gew.-% Kohlenstoff.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Chrom.
Chrom ist ein wichtiger Bestandteil für die Korrosionsbeständigkeit gegenüber vor allem wasserhaltigen Lösungen, beispielsweise (salzversetztem) Regenwasser. In Verbindung mit Molybdän ist es besonders effektiv gegen Lochfraßkorrosion. Je niedriger der Anteil, desto kostengünstiger ist das Schweißmaterial. Ein zu geringer Anteil von Chrom kann die Korrosionsbeständigkeit jedoch immens verschlechtern. Dabei verhindert Chrom in dem Beschichtungssystem insbesondere bei einer (geringen) Sauerstoffexposition effektiv eine Eisenoxid-Bildung - zumal bei der Verarbeitung unter einer Schutzgasatmosphäre. Ein Anteil an Chrom dient in dem Beschichtungssystem vorteilhaft einem erhöhten Korrosionsschutz und als Karbidbildner. Daneben aber stellt Chrom in dem vorgeschlagenen Schweißmaterial eine Komponente zur Hartphasenbildung dar.
Durch einen höheren Anteil an Chrom wird insbesondere die Korrosionsbeständigkeit des Beschichtungssystems erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, liegt das Chrom frei in der Matrix vor. Dies ist besonders vorteilhaft, um den Korrosionsschutz gewährleisten zu können. Gebundenes Chrom in Form von Chromkarbiden trägt unter Umständen nicht zum Korrosionsschutz bei. Der Fachmann wird dabei erkennen, dass Vanadium in der hier vorgeschlagenen Beschichtungssystem somit gleichzeitig als Opfer (ausreichend hoch) eingesetzt ist, sodass vorteilhaft Kohlenstoff an Vanadium und nicht an Chrom gebunden wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt mindestens 10 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 12,5 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 13 Gew.-% und weiter bevorzugt mindestens 15,0 Gew.-% Chrom.
Besonders bevorzugt ist ein Anteil an mindestens 12,0 Gew.-% Chrom in dem Beschichtungssystem.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 20 Gew.-% Chrom.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt von 10 Gew.-% bis 25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 12,5 Gew.-% bis 25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 13 Gew.-% bis 25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 15,0 Gew.-% bis 25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 10 Gew.-% bis 20 Gew.-%, weiter bevorzugt von 12,5 Gew.-% bis 20 Gew.-%, weiter bevorzugt von 13 Gew.-% bis 20 Gew.-%, weiter bevorzugt von 15,0 Gew.-% bis 20 Gew.-% Chrom.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Mangan.
Dabei dient Mangan [Mn] in dem Beschichtungssystem insbesondere der Verbesserung der Schweißbarkeit, der Festigkeit und Verschleißbeständigkeit, sowie zur Optimierung der Härtbarkeit. Vorteilhaft ist ein ausgeprägtes Gleichgewicht and Mangan, um höhere Anteile von spröden Phasen zu vermeiden. Der Kohlenstoff zusammen mit dem Mangan unterstützt die Ausbildung von Austenit (kubischflächenzentrierte Gitterstruktur einer Eisen-Legierung) und damit eine gewünschte Zähigkeit der des Beschichtungssystems. Der Anteil von Mangan ist zudem ein effektiver Kaltverfestiger.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt mindestens 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 1 ,25 Gew.-% und weiter bevorzugt mindestens 1 ,4 Gew.-%, Mangan.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 10 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 7,5 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 6,5 Gew.-% Mangan.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 10 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,25 bis 10 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,4 bis 10 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,0 bis 7,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,25 bis 6,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 1 ,4 bis 6,5 Gew.-% und weiter bevorzugt von 1 ,4 bis 6,5 Gew.-%, Mangan.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Molybdän. Dabei dient Molybdän [Mo] in dem Beschichtungssystem insbesondere vorteilhaft der Verbesserung der Schweißbarkeit und Feinkornbildung. Über die vorhergehend beschriebenen Eigenschaften hinaus hat Molybdän die Eigenschaft, dass eine Korrosionsbeständigkeit gegenüber nicht oxidierenden Lösungen, wie beispielsweise Salzsäure geschaffen ist, welche auch in der Umwelt in nicht zu vernachlässigenden Mengen vorkommen. Molybdän ist zudem ein weiterer Karbidbildner. Durch einen höheren Anteil an Molybdän ist demnach insbesondere die Korrosionsbeständigkeit erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt mindestens 0,05 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt mindestens 0,25 Gew.-%Molybdän.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,75 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 0,6 Gew.-% Molybdän.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt von 0,05 bis 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,1 bis 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,25 bis 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,05 bis 0,75 Gew.- %, weiter bevorzugt von 0,1 bis 0,75 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,25 bis 0,75 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,05 bis 0,6 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,1 bis 0,6 Gew.-% und weiter bevorzugt von 0,25 bis 0,6 Gew.-% Molybdän.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Silizium.
Durch einen höheren Anteil an Silizium [Si] wird insbesondere die Verschleißfestigkeit und die Festigkeit des Beschichtungssystems vorteilhaft erhöht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt mindestens 0,1 Gew.-% Silizium. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt mindestens 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 0,3 Gew.- %, und weiter bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-% Silizium.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 1 ,25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 1 ,0 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 0,7 Gew.-% Silizium.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt von 0,25 bis 1 ,25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 1 ,25 Gew.- %, weiter bevorzugt von 0,5 bis 1 ,25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,25 bis 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,5 bis 1 ,0 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,25 bis 0,7 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,3 bis 0,7 Gew.-%, und weiter bevorzugt von 0,5 bis 0,7 Gew.-% Silizium.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Wolfram.
Wolfram [W] ist bereits in sehr geringen Mengen vorteilhaft als Karbidbildner (beispielsweise für eine hoch-reibfeste und/oder hoch-warmfeste Oberfläche). Besonders aber ist es in bereits geringen Mengen als Mischkristall-Verfestiger und für die Hochtemperatur-Beständigkeit des Beschichtungssystems vorteilhaft.
Wolfram karbide haben sich hier im Stand der Technik, insbesondere bei sogenannten Dual-Layer Systemen, als effektiver Hartstoffzusatz erwiesen. Sie erhöhen die Härte einer aufgeschweißten Schicht signifikant. Nachteil ist, dass sie den Schweißprozess erschweren, weil für eine gleichmäßige Verteilung der Karbide in der Schmelze gesorgt werden muss. Zusätzlich sollte ein Aufschmelzen der Karbide verhindert werden, um den technologischen Vorteil der Karbide zu nutzen und die Gefahr einer Versprödung der Matrix zu reduzieren. Außerdem ist ihr hoher Preis ein Problem für die Wirtschaftlichkeit. Durch einen höheren Anteil an Wolfram wird insbesondere die Warmfestigkeit des Beschichtungssystems vorteilhaft erhöht. Wolfram dient zudem vorteilhaft als Karbidbildner. Ein hoher Anteil an Wolfram kann jedoch aufgrund hoher Materialkosten unwirtschaftlich sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 0,75 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,6 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,05 Gew.-%, und weiter bevorzugt höchstens 0,01 Gew.-% Wolfram.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer vorteilhaften Ausführungsform einen Anteil an Phosphor.
Dabei ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Phosphor [P] vorteilhaft, weil Phosphor als Stahlschädling nachteilig ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 0,15 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,05 Gew.-%, und weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-% Phosphor.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer Ausführungsform einen Anteil an Schwefel.
Dabei ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an Schwefel [S] vorteilhaft. Der Fachmann wird dabei erkennen, dass Schwefel durch Mangan gebunden wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-% und weiter bevorzugt höchstens 0,01 Gew.-%, Schwefel. Das Beschichtungssystem umfasst in einer Ausführungsform einen Anteil an Stickstoff.
Im Stand der Technik kommen vermehrt stickstofflegierte Stähle zum Einsatz. Der Fachmann wird im Allgemeinen Stickstoff jedoch als Stahlschädling betrachten und den Anteil an Stickstoff [N] möglichst gering halten. Stickstoff kann als Legierungsbestandteil verwendet werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt höchstens 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 0,25 Gew.-%, und weiter bevorzugt höchstens 0,1 Gew.-% Stickstoff.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt mindestens 0,01 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 0,02 Gew.- % und weiter bevorzugt mindestens 0,05 Gew.-% Stickstoff.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt von 0,01 bis 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,02 bis 0,5 Gew.- %, weiter bevorzugt von 0,05 bis 0,5 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,01 bis 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,02 bis 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,05 bis 0,25 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,01 bis 0,1 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,02 bis 0,1 Gew.-%, weiter bevorzugt von 0,05 bis 0,1 Gew.-% Stickstoff.
Das Beschichtungssystem umfasst in einer Ausführungsform einen Anteil an Sauerstoff.
Dabei ist ein verhältnismäßig niedriger Anteil an (elementarem) Sauerstoff [O] vorteilhaft, weil dieser zu einer Versprödung und weiteren negativen Eigenschaften führen kann. Erwähnenswerter Weise können einige der weiteren beschriebenen Legierungsbestandteile gegebenenfalls auch desoxidierend wirken. Der Fachmann wird insoweit anerkennen, dass Sauerstoff vorteilhaft vermieden werden sollte, und andere Legierungsbestandteile auch darauf ausgelegt sein können, Sauerstoffverunreinigungen entgegenzuwirken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Grundkörpers mit dem Beschichtungssystem, umfasst die Matrix-Legierung des Beschichtungssystems weiter bevorzugt 0,01 bis 0,09 Gew.-% Sauerstoff.
Es soll verstanden werden, dass sich das Beschichtungssystem nach der vorliegenden Erfindung zum Beschichten eines jeden Grundkörpers eignen kann, welcher einen Verschleißschutz und Korrosionsschutz benötigt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrifft der Begriff Grundkörper bevorzugt ein Bauteil, welches einen Verschleißschutz und Korrosionsschutz benötigt.
Die vorliegenden Erfinder haben weiter überraschend gefunden, dass das hierin vorgeschlagene Beschichtungssystem als einschichtiges Beschichtungssystem ausgebildet verwendbar, also unmittelbar auf dem Grundkörper auftragbar, ist. Hierdurch wird das Verfahren zur Herstellung von beschichteten Grundkörpern deutlich vereinfacht und damit kostengünstiger.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass das Beschichtungssystem einschichtig ausgebildet ist.
Das einschichtige Beschichtungssystem wie hierin begrifflich verwendet, bezeichnet dabei bevorzugt, ein Beschichtungssystem, welches als eine Schicht auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers aufgebracht ist, wobei auf eine Grundierung verzichtet wurde.
Nicht gemeint ist damit (wie bereits oben erklärt), dass eine solche Schicht zwangsläufig in einem einzigen Durchgang aufgeschweißt wird, beziehungsweise worden ist. Es ist dabei dem Fachmann bekannt, dass anhand eines Schnittbildes das Vorliegen einer einschichtigen Beschichtung bestimmbar ist. Hierbei kommen im Stand der Technik bekannte metallografische Analysen zum Einsatz. Insbesondere kann nach einer Präparation und Ätzung unter dem Lichtmikroskop durch Inaugenscheinnahme unmittelbar auf eine Schichtanzahl geschlossen werden. Es soll verstanden werden, dass im Vergleich zu im Stand der Technik beschriebenen Beschichtungssystemen die einschichtige Beschichtung aus der eigentlichen Funktionsschicht, welche im Einsatz bei einer Bremsscheibe und ähnlichen Anwendungen üblicherweise als Reibschicht bezeichnet wird, besteht und diese nicht auf einer Grundierung aufgebracht ist.
Dabei weiß der Fachmann, dass Werkstoffe sich in ihrer Schweißeignung unterscheiden. Ein Kriterium dabei ist der Kohlenstoffgehalt des Werkstoffs. Allgemein gilt, je höher der Kohlenstoffanteil, desto schwerer ist ein Werkstoff schweißbar. Um eine Schicht aus oder auf einen schwer schweißbaren Werkstoff zu schweißen, wird deshalb bereits im Stand der Technik empfohlen, zuerst eine Grundierung aufzuschweißen. Dabei wird eine solche Bindeschicht aus einem gut schweißbaren Werkstoff zwischen das Substrat (zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers) und die eigentlich die gewünschten Eigenschaften der neu gebildeten Außenoberfläche bildende beziehungsweise ermöglichende Schweißnaht gesetzt. Das Material der Bindeschicht wird so ausgewählt, dass es sowohl eine schmelzmetallurgische Anbindung an das Substrat erzielt als auch eine Anbindung an die darüber liegende Schicht erzeugen kann.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass das Beschichtungssystem mehrschichtig ausgebildet ist, wobei zumindest eine erste Lage ohne separat beigegebene Karbid-Partikel ausgebildet ist, und wobei zumindest eine weiter oben angeordnete, bevorzugt eine vorletzte und/oder letzte, Lage aus der Matrix-Legierung mit den separat beigegebenen Karbid-Partikeln gebildet ist. wobei bevorzugt die zumindest eine erste Lage, und gegebenenfalls eine letzte Lage, aus der Matrix-Legierung gebildet ist, wobei weiter bevorzugt die Matrix-Legierungen der ersten Lage und der Lage mit den separat beigegebenen Karbid-Partikeln, besonders bevorzugt aller Lagen, identisch sind.
Bei dieser Ausführungsform ist bevorzugt keine Grundierung vorgesehen beziehungsweise eine solche Grundierung (zuunterst) von einer ersten Lage gemäß der obigen Beschreibung gebildet. Bevorzugt ist dabei diese (zumindest eine) erste Lage mit einer Matrix-Legierung gemäß der hiesigen Beschreibung gebildet, besonders bevorzugt ohne separat beigegebene Karbid-Partikel. Nicht zwangsläufig ist dabei die Matrix-Legierung dieser zumindest einen ersten Lage und der weiteren Karbid-Partikel enthaltenden Lage identisch. Beispielsweise ist in der zumindest einen unmittelbar auf die zu beschichtenden Oberfläche des Grundkörpers aufgetragenen, bevorzugt aller, der ersten Lage der Anteil an Chrom [Cr], Karbidbildnern oder anderen zu Versprödung neigende Elemente geringer als in der Karbid-Partikel enthaltenden Lage.
In einer Ausführungsform ist beispielsweise eine erste Schicht als Grundierung (mehrlagig oder einlagig) bestehend aus zumindest einer Lage aus der Matrix- Legierung, dann eine zweite Schicht (mehrlagig oder einlagig) bestehend aus zumindest einer Lage mit separat beigegebenen Karbid-Partikeln mit der (chemisch identischen oder anderen) Matrix-Legierung, und abschließend eine dritte Schicht als äußere Oberfläche (beispielsweise Reibfläche einer Bremsscheibe) bestehend aus zumindest einer Lage aus der (zu der ersten Schicht und/oder zweiten Schicht chemisch identischen oder anderen) Matrix-Legierung frei von separat beigegebenen Karbid-Partikeln gebildet. Alternativ ist auf die erste Schicht und/oder dritte Schicht verzichtet, also einzig eine erste Schicht und eine zweite Schicht oder einzig eine zweite Schicht und eine dritte Schicht oder einzig eine zweite Schicht gebildet, bevorzugt jeweils ohne Grundierung.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass zumindest die Lage mit der Matrix-Legierung und den separat beigegebenen Karbid-Partikeln des Beschichtungssystems mittels Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen aufgebracht ist, bevorzugt mit einer Flächenrate von wenigstens 500 cm2/min zu einer Bezugs- Schichtdicke von 100 pm.
Das Beschichtungssystem ist mittels eines Verfahrens zum Beschichten eines Grundkörpers mit einem Beschichtungssystem nach der vorhergehenden Beschreibung und/oder einem Pulverwerkstoffgemisch nach der nachfolgenden Beschreibung, mittels Auftragschweißens, beispielsweise LA und/oder HVLA bei einer Flächenrate von wenigstens 500 cm2/min [fünfhundert Quadrat-Zentimeter pro Minute],
Es soll verstanden werden, dass eine Flächenrate von wenigstens 500 cm2/min, bevorzugt von wenigstens 850 cm2/min den Beschichtungsprozess besonders wirtschaftlich gestaltet. Eine Flächenrate ist hierin bevorzugt auf eine Schichthöhe von 100 pm [einhundert Mikrometer] normiert. Das heißt, wenn eine geringere Schichthöhe angestrebt ist, wird beispielsweise eine höhere Flächenrate erzielt, indem bei ansonsten gleichen Prozessparametern die Vorschubgeschwindigkeit erhöht wird. In Ausführungsformen, bei denen das Beschichtungssystem als einlagiges Beschichtungssystem ausgebildet ist, ist bereits im Vergleich zu einem Zweischichtsystem mit ähnlichen Flächenraten eine deutliche Steigerung der Wirtschaftlichkeit erzielbar, weil die Herstellung im Stand der Technik bekannter zweilagiger Beschichtungen durch die entsprechend größere Lagenanzahl und/oder ein nötiges Umrüsten der Vorrichtung für einen anderen Pulverwerkstoff länger brauchen. Es soll jedoch verstanden werden, dass das hier vorgeschlagene Beschichtungssystem nicht darauf beschränkt ist, als einlagige Beschichtung ausgebildet zu sein.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass das Beschichtungssystem eine Härte von 300 HVo.oi bis 1100 HVo.oi aufweist.
In einer Ausführungsform weist das Beschichtungssystem bevorzugt eine Härte von mindestens 350 HVo.oi, weiter bevorzugt von mindestens 400 HVo.oi, weiter bevorzugt mindestens 450 HVo.oi und weiter bevorzugt mindestens 500 HVo.oi auf. In einer Ausführungsform weist das Beschichtungssystem bevorzugt eine Härte von höchstens 700 HVo.oi, und weiter bevorzugt von höchstens 600 HVo.oi auf.
Dabei erreicht eine höhere Härte vorteilhaft eine verbesserte Verschleißbeständigkeit der Beschichtung. Gleichzeitig kann eine zu hohe Härte eine unerwünschte Rissbildung begünstigen. Es sei darauf hingewiesen, dass die angegebenen Werte sich in einer Ausführungsform auf das reine Schweißmaterial beziehen, also die Matrix-Legierung ohne separat beigegebene Karbid-Partikel die genannte Härte aufweist. In einer Ausführungsform sind hohe Werte, beispielsweise die 1100 HVo.oi statistisch gemittelt bestimmt, wobei die Härte gemessen auf einem Karbid-Partikel und die Härte gemessen auf der Matrix-Legierung gemäß dem Flächenanteil und/oder dem Volumenprozent gewichtet berechnet wird.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass ein Anteil an separat beigegebenen Karbid-Partikeln mindestens 35 Vol.-%, bevorzugt mindestens 40 Vol.-%, weiter bevorzugt mindestens 50 Vol.-% umfasst. wobei bevorzugt die separat beigegebenen Karbid-Partikel ausgewählt sind aus Titankarbiden und/oder Wolframkarbiden, wobei besonders bevorzugt die separat beigegebenen Karbid-Partikel ausschließlich Titankarbide sind.
Je geringer der Volumenanteil von separat beigegebenen Karbid-Partikeln ist, desto kostengünstiger ist das Beschichtungssystem. Je mehr separate Karbid-Partikel beigegeben sind, desto besser ist das Verschleißbeständigkeit einer Reibfläche. Zudem zeigt sich, dass das Bremsverhalten, also ein Ansprechen (die sogenannte Schärfe der Bremsung), mit der zunehmenden Anzahl von separat beigegebenen Karbid-Partikeln verbessert ist.
Titankarbide sind besonders kostengünstig. Wolfram karbide sind für höhere Temperaturen geeignet, beispielsweise für ein Beschichtungssystem einer Bremsscheibe für ein Bremssystem eines Sportwagens.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass der Grundkörper ein Graugussgrundkörper und/oder eine Bremsscheibe ist.
Dabei wird der Fachmann unmittelbar erkennen, dass ein solcher Grundkörper von dem Beschichtungssystem profitieren kann, welcher erhöhtem Verschleiß, Reibung oder anderen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Insbesondere ist das Beschichtungssystem vorteilhaft für Grundkörper, welche als Bremseinrichtungen, beispielsweise Bremsscheiben dienen. Bremsscheiben sind in besonders hohem Maße Verschleiß und Korrosion ausgesetzt. Das hier vorgeschlagene Beschichtungssystem wirkt besonders vorteilhaft Verschleiß und Korrosion entgegen und schützt den Grundkörper. Weiterhin vorteilhaft wird mittels des Beschichtungssystems ein Grundkörper erreicht, welcher auch eine besonders vorteilhafte, wie die beispielsweise in ELIRO7 geforderte, Feinstaubreduktion erreicht.
Es wird weiterhin in einer vorteilhaften Ausführungsform des Grundkörpers vorgeschlagen, dass die Karbid-Partikel ein Korngrößenfenster von 6 pm bis 120 pm aufweist, wobei bevorzugt zumindest eines, besonders bevorzugt ausschließlich eines, der folgenden separaten Korngrößenfenster umfasst ist:
- 15 pm bis 45 pm; und
- 45pm bis 90 pm, bevorzugt bis 106 pm.
Die hier angegebene Korngrößenfenster ist eine Abwägung zwischen der geforderten Schichtdicke beziehungsweise Gesamtdicke des Beschichtungssystems und einer guten Verfestigungswirkung. Wenn das Korngrößenfenster zu groß ist, sind statistisch einige Karbid-Partikel nicht mehr gut in der Matrix-Legierung einbindbar und werden sich bei Belastung aus der Matrix-Legierung lösen. Das wiederum kann beispielsweise im Einsatz als Reibfläche einer Bremsscheibe zu gegenteiligen Ergebnissen führen, wenn sich solche gelösten Karbid-Partikel in einen Bremsbelag einfressen und damit in der Reibfläche der Bremsscheibe zu Riefenbildung führen. Wenn das Korngrößenfenster zu klein ist, werden nicht die gewünschten Ergebnisse hinsichtlich der Verschleißbeständigkeit erreicht.
Es wurde aber zudem festgestellt, dass mit einer zunehmenden Korngröße der Volumenanteil der separat beigegebenen Karbid-Partikel reduzierbar ist. Somit lassen sich damit auch in anderen Anwendungen als Bremsscheiben Kostenvorteile erzielen.
Es wurde auch festgestellt, dass mit einem großen Korngrößenfenster die für eine Reibfläche besonders relevanten Vorteile einer hohen Härte und einem guten Bremsverhalten (vergleiche oben) zugleich sehr gut erreichen lassen. Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Pulverwerkstoffgemisch für ein Beschichtungssystem eines Grundkörpers nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei in dem Pulverwerkstoffgemisch die Elemente der Matrix-Legierung und die separat beizugebenden Karbid-Partikel enthalten sind.
Das hier vorgeschlagene Pulverwerkstoffgemisch ermöglicht es, das oben vorgeschlagene Beschichtungssystem zu erzeugen. Zugleich ist es besonders einfach und damit kostengünstig, dass das Pulverwerkstoffgemisch bereits die separat beizugebenden Karbid-Partikel umfasst, sodass diese nicht separat zugeführt werden müssen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Beschichten eines Grundkörpers nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung und/oder einem Pulverwerkstoffgemisch nach einer Ausführungsform gemäß der obigen Beschreibung vorgeschlagen, wobei zumindest eine, bevorzugt alle, der Lagen mittels Auftragschweißen, bevorzugt Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen aufgebracht ist, bevorzugt mit einer Flächenrate von wenigstens 500 cm2/min zu einer Bezugs- Schichtdicke von 100 pm.
Es wird auf die vorhergehende Beschreibung des Beschichtungssystems zumindest mit Bezug auf das Verfahren zum Beschichten verwiesen. Es sei darauf hingewiesen, dass das Laserauftragschweißen zwar einen geringeren Energieaufwand bedeutet, aber zugleich die Energieintensität von beispielsweise Hochgeschwindigkeitsflammspritzen [HVOF] ähnliche Werte erreichen kann und somit zum Erzeugen eines Beschichtungssystems, beispielsweise mittels des oben beschriebenen Pulverwerkstoffgemischs, geeignet ist. Vorteile von Laserauftragschweißen, besonders von Hochgeschwindigkeits- Laserauftragschweißen [HVLA], ist die Güte und geringere erzielbare Schichtdicke des Beschichtungssystems, sodass nicht nur weniger Energie für den jeweiligen Schweißvorgang benötigt wird, sondern auch weniger Material und unter Umständen auch in kürzerer Zeit und damit auch wieder weniger Energiebedarf erzielbar ist. Die jeweiligen Vorteile hängen aber stark von dem vorliegenden Anwendungsfall ab.
Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die Zeichnungen nicht maßhaltig sind und zur Definition von Größenverhältnissen nicht geeignet sind. Es wird dargestellt in
Fig. 1 : eine Beschichtungsvorrichtung mit einem Grundkörper;
Fig. 2: ein Ausschnitt eines schematischen Schliffbilds eines beschichteten Grundkörpers;
Fig. 3: ein Schliffbild einer Ausführungsform nach Beispiel Nr. 3;
Fig. 4: Beispiel Nr. H gemäß Tabelle 1 ;
Fig. 5: Beispiel Nr. W gemäß Tabelle 1 ;
Fig. 6: ein Beschichtungssystem auf einer Bremsscheibe;
Fig. 7: ein alternatives Beschichtungssystem auf einer Bremsscheibe;
Fig. 8: eine Vergrößerung des Schliffbilds aus Fig. 3;
Fig. 9: eine Härtemessung nach Vickers;
Fig. 10: erste Bremsscheiben jeweils vor und nach einer Korrosionsbeständigkeitsprüfung;
Fig. 11 : zweite Bremsscheiben jeweils vor und nach einer Korrosionsbeständigkeitsprüfung; und
Fig. 12: ein Schliffbild durch die rechte Bremsscheibe nach Fig. 11.
In Fig. 1 ist eine Beschichtungsvorrichtung 10 mit einem Grundkörper 1, beispielsweise einer Bremsscheibe 7, in einer schematischen Ansicht gezeigt. Die hier gezeigte Beschichtungsvorrichtung 10 umfasst (hier zwei) Vorratsbehälter 15 für das Schweißmaterial, beispielsweise für ein Pulver gemischt aus zwei Pulverkomponenten. Das Pulver ist beispielsweise zu einem Teil metallisch und zu einem anderen Teil ein Zuschlagstoff, beispielsweise Hartstoffpartikel, welche beispielsweise in einer Reibbeschichtung einer Bremsscheibe 7 eingesetzt werden. Eine Zuleitung 16 ist an die Vorratsbehälter 15 angeschlossen und mündet in einer Zuführeinrichtung 12, hier einer Ringspaltdüse. Hier ist optional dargestellt, dass eine Durchfluss-Messung 17 bei einer ByPass-Leitung 18 angeordnet ist und somit mittels der Durchfluss-Messung 17 der Durchfluss in der Zuleitung 16 (extrapoliert aus den Daten der ByPass-Leitung 18) erfassbar ist. Die Zuführeinrichtung 12 (hier Ringspaltdüse) ist derart ausgerichtet, dass das (hier pulverförmige) Schweißmaterial in einen Fokus zuführbar ist und mittels einer Zustellaktorik 13 (hier einzig schematisch für eine einzige Vorschubrichtung in der Bildebene von rechts nach links angedeutet) der Fokus definiert bewegbar ist. Die Beschichtungsvorrichtung 10 umfasst weiterhin eine Schweißeinrichtung 11 , hier beispielsweise ein Laser zum LA, bevorzugt zum HVLA. Die Schweißeinrichtung 11 ist derart eingerichtet, dass das Schweißmaterial (hier von dem Laser) in dem Fokus angeschmolzen oder aufgeschmolzen wird, sodass das Schweißmaterial (bevorzugt in einem Schmelzbad) in der Region (darstellungsgemäß) unterhalb des Fokus in der zu beschichtenden Oberfläche 21 des Grundkörpers 1 auftrifft und somit (nach dem Aushärten) eine Beschichtung auf dem Werkstück gebildet wird.
In Fig. 2 ist schematisch ein Ausschnitt eines Schliffbilds eines beschichteten Grundkörpers 1 , beispielsweise einer Bremsscheibe 7, gezeigt. Dabei ist ein Beschichtungssystem 2 mit mehreren (rein optional zwei) Lagen 3,4 gebildet. Die unterste (erste) Lage 3 ist einzig aus der Matrix-Legierung 5 gebildet. Die obere beziehungsweise äußere (zweite) Lage 4 ist aus einer Matrix-Legierung 5 und separat beigegebenen Karbid-Partikeln 6 gebildet, welche hier in unterschiedlichen Korngrößen als Repräsentation des Korngrößenfensters 8 dargestellt sind. Bevorzugt ist die zweite Lage 4 unmittelbar aus einem vorgemischten Pulverwerkstoffgemisch 9 als Schweißzusatzwerkstoff erzeugt worden.
Herstellung von Ausführungsformen
Der Pulverwerkstoff wird mittels einer Vorrichtung, wie bspw. schematisch in Fig. 1 gezeigt, in einem HVLA-Verfahren eingesetzt und als Beschichtung auf einen Grauguss-Grundkörper aufgebracht. Die eingesetzten Hartstoffpartikel, welche den Verschleißschutz verbessern, sollen dabei durch naturharte Materialien ersetzt werden. Die Eisenbasislegierung soll dabei das im Stand der Technik verwendete Wolframcarbid als Hartstoff ersetzen. Für die PS, sofern vorhanden, wird beispielsweise eine Matrix-Legierung gemäß der obigen Beschreibung verwendet. Es sei darauf hingewiesen, dass der hier genannte Pulverwerkstoff unmittelbar auf die zu beschichtende Oberfläche des Grauguss- Grundkörpers aufbringbar ist oder auf eine zuvor aufgebrachte PS (auch als HS bezeichnet). Dabei ist unbeachtlich, ob die jeweilige Schicht in einer einzigen oder in mehreren Durchgängen (das heißt mehrlagig) gebildet ist. Bei einer geeigneten Prozessführung sind die Schweißlagen und damit deren Anzahl in einer Schicht mit einem einzigen Pulverwerkstoff nicht mehr erkennbar. Die Anzahl der Lagen in einer Schicht sind bestimmt für eine geforderte Mindestdicke und/oder für eine garantierte Überdeckung aufgrund der Spurbreite der verfahrensbedingt seitlich gerundeten Schweißraupen.
Zur Durchführung verschiedener Vergleichsexperimente wurden (Ausführungs-) Beispiele 1 bis 9 der vorliegenden Beschichtung erstellt und auf ihre chemische Zusammensetzung hin analysiert. Die Ergebnisse der chemischen Analyse zeigt Tabelle 1 .
Tabelle 1 - Chemische Analyse von als Beschichtung auf einem Grundkörper aufgebrachtem Schweißmaterial in Gewichtsprozent
In Tabelle 1 sind die Ausführungsbeispiele Nr. 1 bis Nr. 9 der vorliegenden Erfindung und Nr. W und Nr. H als Abgrenzungen und nicht der Erfindung zugehörig dargestellt, welche durch chemische Analyse auf ihre Zusammensetzung hin untersucht wurden. Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung nach Elementen und in Gewichtsprozent. Eisen (Fe) liegt dabei in ausbalancierter (bal) Menge vor.
Herstellung von Ausführunqsformen nach Zweischicht-Modell
In einem Zweischicht-Modell werden auf die PS (auch als HS bezeichnet) Beschichtungen nach der vorliegenden Erfindung als Funktionsschicht (in diesem Fall als Reibschicht ausgeführt) aufgebracht, welche einen hohen Anteil an Titankarbiden umfassen. Die PS ist hier ein AISI 316-Stahl. Die Reibschicht ist die hierin vorgeschlagene Beschichtung, nämlich in diesem Beispiel gemäß obigem Beispiel Nr. 2 (vergleiche Tabelle 1 ). In der nachfolgenden Tabelle 2 sind verschiedene Beispiele (Nr. 10 bis Nr. 13) aufgezeigt und nachfolgend hinsichtlich Ihrer Eigenschaften im Einsatz mit einer Grauguss-Bremsscheibe miteinander verglichen. In Tabelle 2 sind die Schichten beschrieben, sowie der Karbidanteil und die Korngröße der Karbide des Karbidanteils dargestellt. Der Karbidanteil der Tabelle 2 bezeichnet dabei solche Karbide, welche zusätzlich zu dem Pulverwerkstoff, welcher als Reibschicht aufgetragen wird, beim Schweißprozess (mittels HVLA) zugegeben werden. Es soll verstanden werden, dass dies also nicht auf die Karbide bezogen ist, wie sie gemäß obiger Beschreibung in dem Pulverwerkstoff vorhanden sind oder sich beim Schweißprozess bilden. Es sei darauf hingewiesen, dass diese zusätzlichen Karbide in den Pulverfokus eingegeben werden und somit unmittelbar in das flüssige Material eingegeben werden. Die Karbide selbst, sofern sie die angegebene Korngröße aufweisen, werden dabei nicht angeschmolzen, weil die jeweilige intrinsische Schmelztemperatur deutlich über den Prozesstemperaturen liegen. Die Karbide sind als Pulvermaterial mit der angegebenen Korngröße beziehungsweise dem Korngrößenfenster erhältlich.
Tabelle 2 - Liste der Beispiele von Beschichtungen versetzt mit Karbiden
PS steht in der Tabelle 2 für Pufferschicht, welche aus dem unten angegebenen AISI 316-Stahl gebildet ist. RS steht in der Tabelle 2 für die Funktionsschicht, also hier der Reibschicht, welche mit dem jeweiligen Karbid versetzt ist, also in der jeweiligen Schicht 50 Gew.-% beziehungsweise (in Beispiel Nr. 10 und Nr. 11 )
60 Gew.-% ausmacht. Die Karbide sind TiC [Titankarbid]. Alternativ ist teilweise oder teilweise ersetzend WC [Wolfram karbid] eingesetzt. Die Korngrößenfenster sind annähernd als Gaußverteilung anzusehen, bei welchen eine vernachlässigbare Menge des Pulvers kleiner als der minimale Wert und größer als der maximale Wert des Korngrößenfensters ist. Die Korngrößenfenster sind von den Herstellern in der Regel durch Siebung erzielt. Beispiel-Produkt von Hersteller wie Durum Verschleißschutz GmbH, H.C. Starck Tungsten GmbH, Gesellschaft für Wolfram Industries mbH oder Höganäs Germany GmbH. Die PS ist aus einem Werkstoff gebildet, welcher gemeinhin als austenitisch rostfreier Stahl bezeichnet wird. Es handelt sich um die Legierung 1 .4404 auch als 316L beziehungsweise AISI 316 bekannt, der aufgrund seines hohen Chromgehalts und hohen Molybdängehalts in Verbindung mit einem niedrigen Kohlenstoffgehalt eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit aufweist. Die Festigkeit im geglühten Zustand beträgt bei großen Durchmessern etwa 600 MPa [sechshundert Mega-Pascal], kann aber bei kleinen Abschnitten durch Kaltverformung erhöht werden. Als RS_1 ist die Reibschicht bezeichnet, welche aus einem Edelstahl besteht, hier genauer die Legierung 1.4016 oder auch als 430L. Als RS_2 (in Beispielen Nr. 11 und Nr. 12) ist die Reibschicht bezeichnet, welche aus dem gleichen Werkstoff wie die PS gebildet ist. Die Werte sind angegeben nach DIN EN 10095:2018, Anhang D.
Als RS_3 ist die Reibschicht (in Beispiel Nr. 13) bezeichnet, welche aus dem Werkstoff von Beispiel Nr. 2 (vergleiche Tabelle 1 ) gebildet ist.
Versuchserqebnisse
Für Ausführungsbeispiele Nr. 10, Nr. 11., Nr. 12 und Nr. 13 gemäß Tabelle 2 nach Zweischicht-Modell wurde ein Performanz-Test durchgeführt. Der Performanz-Test wurde im Einklang mit dem sogenannten WLTP-Standard durchgeführt. WLTP [engl.: Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure] ist ein internationaler Fahrzyklus-Standard der EU, gültig ab 1. September 2017, in der zum Anmeldetag gültigen aktuellen Fassung durchgeführt werden. Das Ergebnis wird für Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung positiv sein.
Tabelle 3 - Übersicht der Performanz der in Tabelle 2 aufgezeigten Beispiele
In Tabelle 3 sind die Ergebnisse des Performanz-Tests dargestellt. Dabei steht das Symbol O für eine durchschnittliche, Symbol - für eine schlechte, Symbol -- für eine sehr schlechte und Symbol + für eine gute bis sehr gute Performanz.
Bewertungskriterien für die Performanz der Bremsscheibe sind der Abrieb in Form von einer Profilhöhenvarianz über den Radius der Bremsscheibe, also dem Abstand zwischen dem höchsten und niedrigsten Punkt auf der Oberfläche der Bremsscheibe. Eine Profilhöhenvarianz von weniger als 3 pm [drei Mikrometer] wird als gut bewertet, von 7 pm als schlecht. Ein Durchschnittsreibwert von 0,48 [achtundvierzig Hundertstel] wird hierin als sehr gut bewertet, wobei ein Druck von 20 bar [zwanzig Bar], 30 bar und 40 bar auf einen Kolben mit 57 mm [siebenundfünfzig Millimeter] Durchmesser auf eine Bremsscheibe mit 330 mm [dreihundertdreißig Millimeter] aufgegeben worden ist. Ein durchschnittlicher Reibwert von unter 0,45 wird hierin als schlecht bewertet.
Bewertungskriterien für die Performanz der Bremsbeläge ist, ob sich dort Körner aus der Bremsscheibe eingefressen haben, welche zu einer Riefenbildung in der Oberfläche der Bremsscheibe führen und ob sich auf den Bremsbelägen selbst Riefen gebildet haben. Dies geschieht nach Sichtprüfung. Zum Vergleich ist ein in diesem Zusammenhang als schlecht bewerteter Zustand eines Bremsbelags in Fig. 6 (Beispiel Nr. 12) gezeigt. Ein in diesem Zusammenhang als sehr gut bewerteter Zustand eines Bremsbelags ist in Fig. 7 (Beispiel Nr. 13) gezeigt.
In Fig. 3 ist ein Schliffbild einer Ausführungsform nach Beispiel Nr. 3 gemäß obiger Tabelle 1 der hierin vorgeschlagenen Beschichtung erzeugt, bei welcher die folgenden Parameter erzielt wurden:
Verfahrensparameter:
• Strahlintensität: etwa 1300 W/mm2 [eintausend dreihundert Watt pro Quadrat- Millimeter]
• Energiedichte: 1 ,3 J/mm3 [dreizehn Zehntel Joule pro Kubik-Millimeter]
• Pulvermassendichte: 0,2 mg/mm3 mg/mm3 [einhundertzwölf zehntel Milligramm pro Kubik-Millimeter]
• Qualitativ hochwertige Beschichtung ohne Schichtdefekte (Bindung, Poren, Risse)
• Härte etwa 400 bis 440 HVo.oi
• Cr-Gehalt > 12 Gew.-%
Fig. 4 und Fig. 5 zeigen eine Ausführungsform der Beschichtung, welche aus einem Pulverwerkstoff erstellt ist. Fig. 4 zeigt im Ergebnis Beispiel Nr. H gemäß Tabelle 1 eine erhöhte Hartphase aufgrund eines erhöhten Chromanteils im Vergleich zu der Beschichtung aus Fig. 3, welche zu Spannungen führt, welche zur Rissbildung und / oder Abplatzen führen könnten. Durch die erhöhte Hartphase steigt die Schichthärte auf > 450 HVo,oi.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform der Beschichtung nach Beispiel Nr. W gemäß Tabelle 1 , welche aus einem Pulverwerkstoff erstellt ist. Fig. 5 zeigt im Ergebnis eine reduzierte Hartphase mit qualitativ hochwertigem Schichtergebnis. Aufgrund der reduzierten Hartphase liegt die Härte bei etwa 350 HVo.oi.
Fig. 6 zeigt Fotographien von Bremsscheibe 7 und Bremsbelag (jeweils auf einem Bremsklotz) in einem Bremssystem. Die beiden Reihen an Abbildungen der Fig. 6 und Fig. 7 zeigen das Ergebnis innenseitig (untere Reihe) und außenseitig (obere Reihe), wobei das jeweils rechte Bild die Bremsscheibe 7 zeigt und das jeweils linke Bild den zu der rechts gezeigten Seite der Bremsscheibe 7 zugehörigen Bremsbelag.
Die Fotographien zeigen das Bremssystem nach einem Fahrzyklus. Ein solcher Fahrzyklustest kann gemäß dem oben genannten WLTP [engl.: Worldwide harmonized Light vehicles Test Procedure, gültig ab 1. September 2017] durchgeführt werden. Das Ergebnis wird für Ausführungsformen nach der vorliegenden Erfindung positiv sein.
Insbesondere kann ein Fahrzyklus-Test über 7 Tage durchgeführt werden. Bei Verwendung einer Beschichtung nach Beispiel 12 und Beispiele 3 gemäß Tabelle 2 werden sich im Wesentlichen die folgenden Ergebnisse erzielen lassen:
Fig. 7 zeigt das Ergebnis innenseitig und außenseitig bei Verwendung einer Beschichtung nach Beispiel Nr. 13. Dabei ist die Eignung der Beschichtung nach Beispiel Nr. 13 gegenüber der Beschichtung nach Beispiel 12 deutlich verbessert (siehe eingekreist und durch Pfeil hervorgerufene Beschädigungen in Fig. 4a). Die Vergleiche nach visueller Bewertung der in Beispiel 12 und Beispiel 13 getesteten Beschichtungen zeigt eindeutig, dass die Beschichtung nach Beispiel 13 in allen getesteten Parametern den im Stand der Technik gezeigten Beispielen überlegen ist.
In Fig. 8 ist eine Vergrößerung des Schliffbilds aus Fig. 3 mit der gleichen Werkstoffkombination und in Bezug auf eine Anzeige der Länge von 100 pm dargestellt. Die Querschnittsprobe wurde mittels Energiedispersive Röntgenspektroskopie EDX (engl. Energy Dispersive X-ray spectroscopy) [nach DIN ISO 22309 nach dem Stand November 2015] analysiert. Dabei verlief die Messung in axialer Richtung der Bremsscheibe 7, von oben nach unten bis zum Grundkörper 1 (vergleiche dazu die mittlere Darstellung). Innerhalb der beschichteten Oberfläche 21 wurde dabei eine nahezu defektfreie Beschichtung und ein Schmelzmetallurgischer Verbund festgestellt, zudem wurde mittels EDX-Analyse eine Inhomogenität festgestellt. Die spektroskopische Analyse ist rechts gezeigt und verdeutlicht den Übergang von Grundkörper 1 zu der Beschichtung.
In Fig. 9 ist eine Härtemessung nach Vickers [nach EN ISO 6507-1 :2018] auf einem Querschnitt einer Bremsscheibe 7 mit einer beschichteten Oberfläche 21 nach Fig. 3 in Bezug auf eine Anzeige der Länge von 30 pm in einer rasterelektronenmikroskopischen Darstellung gezeigt. Links unten ist ein Ausschnitt des polierten Querschnitts gezeigt. Links unten und rechts sind kreuzförmig auf den Querschnitten die Eindrückungen des Vickers-Prüfkörpers zu erkennen. Die Härteprüfung verlief hier axial durch die Beschichtung hindurch und orthogonal, ungefähr mittig innerhalb der Beschichtung dazu. Die Prüfparameter waren hier 10 Ponds Eindrückkraft mit einem 15-sekündigen Anstieg der Kraft und einer Haltezeit von 20 Sekunden.
Die ermittelte Vickershärte über die horizontale Messreihe ist darstellungsgemäß links oben gezeigt. Hierbei verläuft die Vickers-Härte nahezu konstant mit dem Wert 400 HVo,oi entlang der Horizontalen.
In Fig. 10 und Fig. 11 sind zwei Bremsscheiben 7 jeweils vor und nach einer Korrosionsbeständigkeitsprüfung [nach dem Entwurf der ISO/DIS 9227:2021] von beiden Seiten gezeigt, wobei oben jeweils die Außenseite und unten die Innenseite dargestellt ist. Links in Fig. 10 ist eine Bremsscheibe 7 mit einer Beschichtung, welche nicht auf der Erfindung basiert (zweischichtiger Aufbau, wobei PS [Pufferschicht] und RS [Reibschicht] aus AISI 316 gebildet sind), gezeigt. Der Topf der Bremsscheibe 7 ist dabei frei einer Beschichtung.
Es ist hier klar zu erkennen, dass der Topf einer deutlich stärkeren Korrosionsbildung unterliegt als die Kontaktfläche der Bremsscheibe 7. In Fig. 11 ist eine Bremsscheibe 7 mit einer Beschichtung auf Basis der Erfindung, nämlich in einem einschichtigen Aufbau ohne PS [Pufferschicht] und mit RS [Reibschicht] (also unmittelbar auf dem Grundkörper 1 aufgetragen) gemäß Beispiel Nr. 3 in Tabelle 1 gezeigt. Analog zu der linken Bremsscheibe 7 ist auch hier der Topf frei einer Beschichtung, sodass auch diese eine ähnliche oder gleiche Korrosion unterliegt wie die linke Bremsscheibe 7. Beide Kontaktflächen der Bremsscheiben 7 weisen lediglich eine geringe bis keine Korrosion in dieser Ansicht auf.
In Fig. 12 ist ein Schliffbild durch die rechte Bremsscheibe 7 nach Fig. 11 in einer mikroskopischen Nahaufnahme gezeigt. Hier ist gut ersichtlich, dass die Beschichtung an ihrem oberen Ende lediglich Oberflächenrost 19 aufweist (siehe oberen Pfeil), dieser sich jedoch nicht oder nur zu einem sehr geringen Anteil in die Beschichtung ausgebreitet hat.
Am darstellungsgemäß linken Ende, dem Randbereich der Bremsscheibe 7, ist diese nicht beschichtet und weist dort eine Unterkorrosion auf, sodass der Grundkörper 1 angegriffen wurde (siehe unteren Pfeil). Diese Unterkorrosion ist jedoch in einem akzeptablen Zielbereich, welche unter den Standards zum Zeitpunkt der Korrosionsbeständigkeitsprüfung vorlagen, und innerhalb der vom Markt geforderten Anforderungen liegt.
Mit dem hier vorgeschlagenen Grundkörper mit Beschichtungssystem ist eine hervorragend korrosionsbeständige und verschleißfeste Oberfläche, vor allem für die Reibfläche einer Bremsscheibe erzielbar. Bezuqszeichenliste
Grundkörper Beschichtungssystem erste Lage zweite Lage Matrix-Legierung Karbid-Partikel Bremsscheibe Korngrößenfenster Pulverwerkstoffgemisch Beschichtungsvorrichtung Schweißeinrichtung Zuführeinrichtung Zustellaktorik Bremsmittel Vorratsbehälter Zuleitung Durchfluss-Messung ByPass-Leitung Oberflächenrost Schweißstrahl zu beschichtende Oberfläche

Claims

Patentansprüche Grundkörper (1 ) mit einem Beschichtungssystem (2), das
Beschichtungssystem
(2) umfassend zumindest eine Lage (3,4) mit einer Matrix-Legierung (5), wobei zumindest eine der Lagen (3,4) in Gew.-% anteilig an der Matrix- Legierung (5) zumindest die folgenden Elemente umfasst:
Eisen; und von 10 Gew.-% bis 26 Gew.-% Chrom; und von 0,
3 Gew.-% bis 5 Gew.-% Kohlenstoff; und die Summe aus Niob, Titan und Vanadium 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-%, wobei das Beschichtungssystem (2) in zumindest einer der Lagen (4) mit der Matrix-Legierung (5) weiterhin separat beigegebene Karbid-Partikel (6) umfasst zu einem Anteil an der gesamten betreffenden Lage (4) von mindestens
20 Vol.-% bis 70 Vol.-%. Grundkörper (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Beschichtungssystem (2) einschichtig ausgebildet ist. Grundkörper (1 ) nach Anspruch 1 , wobei das Beschichtungssystem (2) mehrschichtig ausgebildet ist, wobei zumindest eine erste Lage (3) ohne separat beigegebene Karbid- Partikel (6) ausgebildet ist, und wobei zumindest eine weiter oben angeordnete, bevorzugt eine vorletzte und/oder letzte, Lage (4) aus der Matrix-Legierung (5) mit den separat beigegebenen Karbid-Partikeln (6) gebildet ist. wobei bevorzugt die zumindest eine erste Lage (3), und gegebenenfalls eine letzte Lage (3), aus der Matrix-Legierung (5) gebildet ist, wobei weiter bevorzugt die Matrix-Legierungen (5) der ersten Lage (3) und der Lage (4) mit den separat beigegebenen Karbid-Partikeln (6), besonders bevorzugt aller Lagen (3,4), identisch sind. Grundkörper (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest die Lage (3,
4) mit der Matrix-Legierung (5) und den separat beigegebenen Karbid-Partikeln (6) des Beschichtungssystems (2) mittels Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen aufgebracht ist, bevorzugt mit einer Flächenrate von wenigstens 500 cm2/min zu einer Bezugs- Schichtdicke von 100 pm.
5. Grundkörper (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Beschichtungssystem (2) eine Härte von 300 HVo.oi bis 1100 HVo.oi aufweist.
6. Grundkörper (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Anteil an separat beigegebenen Karbid-Partikeln (6) mindestens 35 Vol.-%, bevorzugt mindestens 40 Vol.-%, weiter bevorzugt mindestens 50 Vol.-% umfasst. wobei bevorzugt die separat beigegebenen Karbid-Partikel (6) ausgewählt sind aus Titankarbiden und/oder Wolframkarbiden, wobei besonders bevorzugt die separat beigegebenen Karbid-Partikel (6) ausschließlich Titankarbide sind.
7. Grundkörper (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Grundkörper (1 ) ein Graugussgrundkörper und/oder eine Bremsscheibe (7) ist.
8. Grundkörper (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Karbid-Partikel (6) ein Korngrößenfenster (8) von 6 pm bis 120 pm aufweist, wobei bevorzugt zumindest eines, besonders bevorzugt ausschließlich eines, der folgenden separaten Korngrößenfenster (8) umfasst ist:
- 15 pm bis 45 pm; und
- 45pm bis 90 pm, bevorzugt bis 106 pm.
9. Pulverwerkstoffgemisch (9) für ein Beschichtungssystem (2) eines Grundkörpers (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in dem Pulverwerkstoffgemisch (9) die Elemente der Matrix-Legierung (5) und die separat beizugebenden Karbid-Partikel (6) enthalten sind. Verfahren zum Beschichten eines Grundkörpers (1 ) nach einem von Anspruch 1 bis Anspruch 8 und/oder einem Pulverwerkstoffgemisch (9) nach Anspruch 9, wobei zumindest eine, bevorzugt alle, der Lagen (3,4) mittels Auftragschweißen, bevorzugt Laserauftragschweißen, besonders bevorzugt Hochgeschwindigkeits-Laserauftragschweißen aufgebracht ist, bevorzugt mit einer Flächenrate von wenigstens 500 cm2/min zu einer Bezugs- Schichtdicke von 100 pm.
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