WO2020229588A1 - BESCHICHTETE, VERSCHLEIßTRÄCHTIGE METALLSUBSTRATE UND VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG - Google Patents

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WO2020229588A1
WO2020229588A1 PCT/EP2020/063439 EP2020063439W WO2020229588A1 WO 2020229588 A1 WO2020229588 A1 WO 2020229588A1 EP 2020063439 W EP2020063439 W EP 2020063439W WO 2020229588 A1 WO2020229588 A1 WO 2020229588A1
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    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to coated, wear-prone metal substrates and methods for their production.
  • the invention relates to a modified filling chamber for a die casting machine.
  • the inner surface of the filling chamber of a die casting machine is in the area of
  • Feed opening most affected by wear The machine filling of hot casting material, such as. B. liquid aluminum, through the feed opening, this always hits the same point below the feed opening on the inner surface of the filling chamber. If the filling chamber has been used for a long time, this can be used for a long time.
  • a filling chamber which consists of a casing body with a removable cylindrical insert.
  • the insert extends from the outer end of the filling chamber to axially inside the feed opening and occurs at its inner end in a narrow ring area with its peripheral surface with the
  • Inner wall of the filling chamber in contact, while at its outer end it is guided coaxially to the filling chamber by a centering ring engaging between its outer circumference and the inner wall of the filling chamber.
  • Die-casting machine with a feed opening for liquid casting material in which in the filling chamber wall in the area opposite the feed opening a Cooling device is provided.
  • the cooling device is formed from a disk which can be inserted into the filling chamber wall from the outside and which has at least one
  • a guide channel for a coolant is provided. This measure is intended, among other things, to extend the service life of a filling chamber insert.
  • EP 3 184 203 A1 also discloses a filling chamber for a die casting machine, the cylindrical inner surface of which serves as a sliding surface for a pressure piston and which has a feed opening for liquid casting material as well as a removable cylindrical insert, on the inner surface of which the pressure piston slides along and which has a radial, is provided with the feed opening of the filling chamber in communication opening of the jacket filling.
  • the inner surface of this removable insert consists at least in part of molybdenum or a molybdenum alloy.
  • the removable insert consists of a metallic casing (steel) and an internal socket made of molybdenum or a molybdenum alloy (Mo / Mo alloy).
  • Feed opening or the filling chamber is used and which can be exchanged for a new insert when wear occurs, is a relatively quick remedy in the most common cases of wear of the sliding surface for the pressure piston.
  • WO 00/10752 A1 relates to a casting tool for casting molded parts
  • Non-ferrous metals e.g. from Al or Mg.
  • the mold is made of one
  • Heavy metal alloy e.g. W alloy
  • the contact side of the molded part is coated accordingly.
  • Heavy metal alloy used in the form of a sintered element used in the form of a sintered element.
  • US 2017/0266719 A1 discloses die casting systems and corresponding casting methods. Certain parts of the system are provided with coatings that react far less chemically with the metals to be cast (such as Al, Cu, Ti and their alloys) than the iron alloys used in the prior art.
  • the metals to be cast such as Al, Cu, Ti and their alloys
  • the filling chamber in order to make the casting process as efficient as possible and without major interruptions.
  • Filling chamber is completely or partially coated with tungsten or a tungsten alloy. This also applies generally to metal substrates that are prone to wear.
  • the filling chamber which is usually made of steel, is preferably completely on its inner surface, but at least in the filling area, with tungsten or a
  • the invention also encompasses lining the inner surface of an insert for the filling chamber, which is preferably made of steel, with tungsten or a tungsten alloy, which in turn can be done completely or partially.
  • the present invention therefore comprises a filling chamber for a die casting machine, the cylindrical inner surface of which serves as a sliding surface for a pressure piston and which has a feed opening for liquid casting material, e.g. Aluminum at one
  • the filling chamber has an insert, preferably made of steel, which is provided with an opening on its lateral surface that is connected to the feed opening of the filling chamber.
  • the inner surface of the filling chamber or the inner surface of the said insert completely or partially, then preferably in the filling area, provided or coated with tungsten or a tungsten alloy.
  • the insert has about% of the length and about half the wall thickness of the filling chamber.
  • the insert according to the invention in contrast to the insert described in EP 3 184 203 A1, is not an interchangeable socket in the form of a sleeve system in which a molybdenum insert is inserted precisely into an outer sleeve made of steel, but the inner surface of the invention Insert, which is usually made of steel, is wholly or partly with tungsten or a
  • the filling chamber according to the invention can correspond to that from EP 3 184 203 A1.
  • Tungsten or a tungsten alloy is used as the coating material for the inner surface of the filling chamber or the insert according to the invention, the inner surface of the filling chamber and insert preferably being completely coated.
  • the alloy can be a binary, ternary or quaternary or an alloy with further (metallic) components. Examples of this are WNiFe alloys with preferably more than 50% by weight of tungsten (W) or WMoNiFe alloys in which the sum of W and Mo is more than 50% by weight of the finished alloy.
  • Particularly suitable alloys contain more than 50% by weight of tungsten.
  • Particularly suitable forms for tungsten and tungsten alloys are wire and powder forms. The production takes place according to the person skilled in the art
  • Tungsten alloys from various manufacturers and metal trading companies, etc. a. offered on the Internet.
  • Coating materials also apply to the coating of metal substrates in general.
  • the surface coating process of thermal spraying has proven to be particularly suitable for the purposes of the invention.
  • this method leads to a very strong hardening of the sprayed layer of typically> 800 HV Vickers hardness, while e.g. Otherwise tungsten alloys only have a hardness between 280 and 400 HV.
  • the surface coatings applied by thermal spraying are also characterized by e.g. due to their special resistance to liquid aluminum and are therefore preferred and particularly suitable for use in aluminum die-casting systems.
  • Thermal spray processes include the following processes:
  • the invention thus also relates to the coating method with which the materials are applied.
  • the methods of thermal spraying are
  • the surface condition also has an influence on quality features such as adhesive strength.
  • Electric arcs arc spraying
  • plasma jets plasma spraying
  • Fuel-oxygen flame or fuel-oxygen high-speed flame (conventional and high-speed flame spraying), fast, preheated gases (cold gas spraying) and laser beam (laser beam spraying).
  • the spraying processes are classified according to these criteria.
  • the preferred method is wire arc spraying.
  • Plasma spraying is particularly suitable for powdery W / W alloys.
  • the applied coatings lead.
  • thermal spraying processes and also the process for welding the coating materials on are preferred according to the invention.
  • the thermal spray processes offer a wide range of applications for
  • arc spraying is particularly preferred according to the invention, which is used both in the so-called two-wire process and particularly preferably in the so-called single-wire process.
  • the preferred coating material is tungsten or tungsten alloys. The preferred coating or spraying process is described in greater detail below by way of example with reference to FIG. 1, without the subject matter of the present invention
  • Figure 1 shows the spray head of a
  • the electrode is 4
  • the arc is between two wires and in
  • the plasma 4 consists of a gas mixture of protective gas 1, that is argon or argon / hydrogen (Ar / ArFh) with atomizer gas 3.
  • the electrode 1 remains exclusively surrounded by protective gas 2 and thus protected.
  • the arc 4 melts the spray wire 7 before the atomizing gas 5 atomizes the melted droplets of the spray wire 7 at very high pressure or at very high speed.
  • the atomized spray wire with atomizer and protective gas is with
  • Reference numeral 8 denotes.
  • the atomizer gas flow does not have to be as with the
  • Plasma welding run in a ring around the shielding gas 2, it can e.g. can also be flowed in through nozzles. In this case, the one shown in FIG.
  • Atomizer gas nozzle 6 is omitted and replaced by individual nozzles.
  • the spatial separation between electrode 1 and wire 7, with the electrode 1 being able to rotate around wire 7, enables cheaper nitrogen gas to be used instead of noble gases.
  • the hardness can be increased to approx. 600 HV compared to the starting material with approx. 300 HV. It has been shown that with air as the atomizer gas 5, a further substantial increase in hardness to approx. 900 HV can be achieved.
  • currents in the range of 60-159 A are preferably used.
  • the present invention results in particular in longer service lives of the heavily used filling chamber and thus also in longer service lives of a
  • corresponding die casting system and comprises a coated filling chamber or a corresponding insert, a method for coating these components, the correspondingly equipped die casting system and the use of tungsten or tungsten alloys for coating (wholly or partially) the filling chamber or filling chamber insert.
  • Metal substrates coated according to the invention in general.
  • W / W alloys are less brittle and they are also less sensitive to oxidation.
  • Thermal spraying preferred according to the invention allows not only an insert to be protected, but the entire filling chamber.
  • the injection molding hardens the materials, which means not just one
  • welding or welding of a W / W alloy onto the substrate to be protected also improves the thermal, chemical and mechanical properties of its (coated) surface.
  • the hardness of the welded-on W / W alloy is also significantly improved compared to the normal value, but usually does not reach the values that can be achieved by thermal spraying.
  • the welding is carried out with the usual welding processes such as TIG, MIG, MAG welding.

Abstract

Verwendung von Wolfram, Molybdän, Wolfram- oder Molybdänlegierungen zur Beschichtung von Metallsubstraten unter Verwendung von Eindraht-Lichtbogenspritzverfahren führt zu Beschichtungen, die insbesondere durch eine erhöhte Vickers-Härte (VH) gekennzeichnet sind.

Description

Bezeichnung: Beschichtete, verschleißträchtige Metallsubstrate und Verfahren zu ihrer Herstellung
Beschreibung
Die Erfindung betrifft beschichtete, verschleißträchtige Metallsubstrate und Verfahren zu ihrer Herstellung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine modifizierte Füllkammer für eine Druckgießmaschine.
Die Innenfläche der Füllkammer einer Druckgießmaschine ist im Bereich der
Zuführöffnung am meisten vom Verschleiß betroffen. Durch das maschinelle Einfüllen von heißem Gießmaterial, wie z. B. flüssiges Aluminium, durch die Zuführöffnung trifft dieses stets an der gleichen Stelle unterhalb der Zuführöffnung auf der Innenfläche der Füllkammer auf. Nach längerem Einsatz der Füllkammer können sich dadurch
Auswaschungen im Bereich unterhalb der Zuführöffnung ergeben, wodurch die
Gleitbewegung des Druckkolbens in der Kammer behindert werden kann und der Druckkolben einem größeren Verschleiß ausgesetzt ist. Im Falle von Vakuumdruckguß wird es zudem schwieriger, das erforderliche Vakuum sicher zu erzeugen. So ist aus der DE 42 29 338 C2 eine Füllkammer bekannt, die aus einem Mantelkörper mit einem demontierbaren zylindrischen Einsatz besteht. Der Einsatz erstreckt sich dabei vom äußeren Ende der Füllkammer bis axial innerhalb der Zuführöffnung und tritt an seinem inneren Ende in einem schmalen Ringbereich mit seiner Umfangsfläche mit der
Innenwandung der Füllkammer in Berührung, während er an seinem äußeren Ende von einem zwischen seinem Außenumfang und der Innenwandung der Füllkammer angreifenden Zentrierring koaxial zur Füllkammer geführt ist. Hierdurch wird bereits eine Füllkammer für Druckgießmaschinen geschaffen, deren Hauptverschleißzone direkt an der Druckgießmaschine auswechselbar ist. Allerdings wären längere Standzeiten für derartige Einsätze wünschenswert.
Des Weiteren ist aus der DE 102 05 246 B4 eine Füllkammer für eine
Druckgießmaschine mit einer Zuführöffnung für flüssiges Gießmaterial bekannt, bei der in der Füllkammerwand in dem der Zuführöffnung gegenüberliegenden Bereich eine Kühleinrichtung vorgesehen ist. Die Kühleinrichtung ist aus einer von außen in die Füllkammerwand einsetzbaren Scheibe gebildet, die mit mindestens einem
Führungskanal für ein Kühlmittel versehen ist Diese Maßnahme soll unter anderem die Standzeiten eines Füllkammereinsatzes verlängern.
Die EP 3 184 203 A1 offenbart ebenfalls eine Füllkammer für eine Druckgießmaschine, deren zylindrische Innenfläche als Gleitfläche für einen Druckkolben dient und die eine Zuführöffnung für flüssiges Gießmaterial sowie einen entnehmbaren zylindrischen Einsatz aufweist, an dessen Innenfläche der Druckkolben entlang gleitet und der mit einer radialen, mit der Zuführöffnung der Füllkammer in Verbindung stehenden Öffnung der Mantelfüllung versehen ist. Dabei besteht die Innenfläche dieses entnehmbaren Einsatzes zumindest zum Teil aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung. Der entnehmbare Einsatz besteht aus einer metallischen Ummantelung (Stahl) und einer innenliegenden Buchse aus Molybdän oder einer Molybdänlegierung (Mo/Mo- Legierung).
In den genannten Fällen, bei denen ein zylindrischer Einsatz zum Schutz der
Zuführöffnung bzw. der Füllkammer zum Einsatz kommt und der bei auftretendem Verschleiß gegen einen neuen Einsatz ausgetauscht werden kann, ist eine relativ rasche Abhilfe in den am häufigsten auftretenden Fällen eines Verschleißes der Gleitfläche für den Druckkolben gegeben.
WO 00/10752 A1 betrifft ein Gießwerkzeug für das Gießen von Formteilen aus
Nichteisenmetallen (z.B. aus AI oder Mg). Dabei ist die Gießform aus einer
Schwermetalllegierung (z.B. W-Legierung) hergestellt oder deren Kontaktseite zum Formteil hin ist entsprechend beschichtet. Zu diesen Zwecken wird die
Schwermetalllegierung in Form eines Sinterelementes eingesetzt.
US 2017/0266719 A1 offenbart Druckgießanlagen und entsprechende Gießverfahren. Dabei sind bestimmte Anlagenteile mit Beschichtungen versehen, welche weit weniger mit den zu vergießenden Metallen (wie z.B. AI, Cu, Ti und deren Legierungen) chemisch reagieren, als die im Stand der Technik angewandten Eisenlegierungen. Allerdings besteht nach wie vor die Aufgabe, die Wechselintervalle für die genannten Einsätze oder allgemein die Standzeiten für eine Druckgießmaschine bzw. für deren verschleißanfälligstes Teil, die Füllkammer, zu verlängern, um den Gießprozess möglichst effizient und ohne größere Unterbrechungen zu gestalten. Allgemein besteht darüber hinaus die Aufgabe, Oberflächenbeschichtungen, insbesondere auf
verschleißträchtigen Metallsubstraten, mechanisch und chemisch stabiler und damit verschleißfester zu gestalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Innenfläche der
Füllkammer oder die Innenfläche eines erfindungsgemäßen Einsatzes für die
Füllkammer ganz oder zum Teil mit Wolfram oder einer Wolfram legierung überzogen ist. Dies gilt auch allgemein in Bezug auf verschleißträchtige Metallsubstrate.
Es ist bekannt, dass der größte Verschleiß in einer Füllkammer in deren Einfüllbereich auftritt. So greifen z.B. beim Aluminium-Druckguss eisenarme Al-Legierungen den Stahl der Füllkammer oder einer vorgesehenen Wechselbuchse an und führen insbesondere in diesem Bereich zu Auswaschungen. Um diese Nachteile auszuschließen, wird die Füllkammer, die üblicherweise aus Stahl gearbeitet ist, an ihrer Innenfläche bevorzugt vollständig, mindestens jedoch im Einfüllbereich, mit Wolfram oder einer
Wolframlegierung versehen. Ebenfalls von der Erfindung umfasst ist ein Auskleiden der Innenfläche eines Einsatzes für die Füllkammer, der bevorzugt aus Stahl gefertigt ist, mit Wolfram oder einer Wolfram legierung, was wiederum vollständig oder teilweise erfolgen kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst daher eine Füllkammer für eine Druckgießmaschine, deren zylindrische Innenfläche als Gleitfläche für einen Druckkolben dient und die eine Zuführöffnung für flüssiges Gießmaterial, z.B. Aluminium bei einer
Aluminiumdruckgussmaschine, aufweist. In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Füllkammer einen bevorzugt aus Stahl gefertigten Einsatz auf, der mit einer mit der Zuführöffnung der Füllkammer in Verbindung stehenden Öffnung seiner Mantelfläche versehen ist. Dabei ist die Innenfläche der Füllkammer oder die Innenfläche des genannten Einsatzes ganz oder teilweise, dann bevorzugt im Einfüllbereich, mit Wolfram oder einer Wolfram legierung versehen bzw. überzogen. Der Einsatz weist in etwa % der Länge und etwa die halbe Wandstärke der Füllkammer auf.
Ebenso ist die Verwendung von Wolfram oder Wolfram legierungen für die genannten Anwendungen von der Erfindung umfasst.
Bei dem erfindungsgemäßen Einsatz handelt es sich, im Gegensatz zu dem in der EP 3 184 203 A1 beschriebenen Einsatz, nicht um eine Wechselbuchse in Form eines Hülsensystems, bei dem ein Molybdäneinsatz passgenau in eine äußere Hülse aus Stahl eingesetzt wird, sondern die Innenfläche des erfindungsgemäßen Einsatzes, der in der Regel aus Stahl besteht, ist ganz oder zum Teil mit Wolfram oder einer
Wolfram legierung beschichtet.
Bis auf diesen für die Standfestigkeit des Einsatzes wesentlichen Unterschied und die Art der Beschichtung kann die erfindungsgemäße Füllkammer derjenigen aus der EP 3 184 203 A1 entsprechen. In diesem Zusammenhang wird auf die dort abgebildete Fig. 1 einer Füllkammer und deren Beschreibung z.B. in Paragraph [0029] ausdrücklich Bezug genommen, welche insoweit auch als Beschreibung einer erfindungsgemäßen
Füllkammer dienen kann.
Als Überzugsmaterial für die Innenfläche der Füllkammer oder des erfindungsgemäßen Einsatzes, wobei die Innenfläche von Füllkammer und Einsatz bevorzugt vollständig beschichtet werden, dient Wolfram oder eine Wolfram legierung. Bei der Legierung kann es sich um eine binäre, ternäre oder quaternäre oder auch um eine Legierung mit weiteren (metallischen) Bestandteilen handeln. Beispiele hierfür sind WNiFe- Legierungen mit bevorzugt mehr als 50 Gew.-% Wolfram (W) oder WMoNiFe- Legierungen, bei denen die Summe aus W und Mo mehr als 50 Gew.-% an der fertigen Legierung beträgt.
Besonders geeignete Legierungen enthalten mehr als 50 Gew.-% Wolfram. Besonders geeignete Formen für Wolfram und Wolfram legierungen sind Draht- und Pulverform. Die Herstellung erfolgt nach grundsätzlich dem Fachmann bekannten
pulvermetallurgischen Verfahren. Überdies werden Wolfram und entsprechende
Wolframlegierungen von verschiedenen Herstellern und Metallhandelsgesellschaften u. a. im Internet angeboten.
Die vorangehenden Ausführungen zum bevorzugten Überzugs- oder
Beschichtungsmaterial gelten auch für die Beschichtung von Metallsubstraten allgemein.
Es wurde gefunden, dass neben der Wahl eines geeigneten Beschichtungsmaterials für die Erzeugung von chemisch, thermisch und mechanisch stabilen Überzügen für Füllkammern oder auf Metallsubstraten ebenfalls das Beschichtungsverfahren von wesentlicher Bedeutung ist. Dabei ist zu bedenken, dass sich die linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten a von Wolfram (a = 4,5 * 106 1/K bei 20°C) und Stahl (a =
11— 13 * 10-6 1/K bei 20°C) sehr stark voneinander unterscheiden, was das Aufbringen von thermisch/mechanisch stabilen Wolfram Überzügen auf ein Stahlsubstrat deutlich erschwert.
Das Oberflächenbeschichtungsverfahren des thermischen Spritzens hat sich für die erfindungsgemäßen Zwecke als besonders geeignet gezeigt. Dieses Verfahren führt in der erfindungsgemäßen Ausführung zu einer sehr starken Aufhärtung der gespritzten Schicht von typischerweise > 800 HV Vickershärte, während z.B. Wolframlegierungen sonst nur über eine Härte zwischen 280 bis 400 HV verfügen. Neben einer deutlichen Verbesserung der chemisch/thermischen und mechanischen Stabilität zeichnen sich die durch thermisches Spritzen aufgebrachten Oberflächenüberzüge auch z.B. durch besondere Lösungsbeständigkeit gegenüber flüssigem Aluminium aus und sind daher bevorzugt und besonders für den Einsatz in Aluminiumdruckgießanlagen geeignet.
Zu den thermischen Spritzverfahren zählen die folgenden Verfahren:
Lichtbogen-Spritzverfahren
Drahtflamm-Spritzverfahren (oder mit Stab)
Pulverflammspritz-Verfahren Hochgeschwindigkeitsspritz-Verfahren/Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF)
Laserspritzen
Kaltspritzverfahren
Detonationsspritzen
Plasmaspritzen
PTA
Durch die Wahl des Spritzverfahrens als Beschichtungstechnologie werden für die Anwendung sehr vorteilhafte Härten der Beschichtung erzielt, die wiederum
ausschlaggebend für eine drastische Erhöhung der Standzeiten der so beschichteten Füllkammern und Einsätze und Metallsubstrate sind.
Alle diese Verfahren sind grundsätzlich für die Zwecke der Erfindung einsetzbar.
Die Erfindung betrifft somit neben dem wolfram basierten Werkstoff (Zusatzwerkstoff (Spritzzusatz)) ebenfalls das Beschichtungsverfahren, mit dem die Werkstoffe aufgebracht werden. Die Verfahren des Thermischen Spritzens sind
Oberflächenbeschichtungsverfahren. Laut der normativen Definition (DIN EN 657) werden dabei Zusatzwerkstoffe, die so genannten Spritzzusätze, innerhalb oder außerhalb eines Spritzbrenners ab-, an- oder aufgeschmolzen, in einem Gasstrom in Form von Spritzpartikeln beschleunigt und auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils geschossen. Die Bauteiloberfläche wird dabei (im Gegensatz zum
Auftragschweißen) nicht geschmolzen und nur in geringem Maße thermisch belastet. Eine Schichtbildung findet statt, da die Spritzpartikel beim Auftreffen auf die
Bauteiloberfläche prozess- und materialabhängig mehr oder minder abflachen, vorrangig durch mechanische Verklammerung haften bleiben und lagenweise die Spritzschicht aufbauen. Qualitätsmerkmale von Spritzschichten sind geringe Porosität, gute Anbindung ans Bauteil, Rissfreiheit und homogene Mikrostruktur. Die erzielten Schichteigenschaften werden maßgeblich beeinflusst von der Temperatur und der Geschwindigkeit der Spritzpartikel zum Zeitpunkt ihres Auftreffens auf die zu
beschichtende Oberfläche. Der Oberflächenzustand (Reinheit, Aktivierung, Temperatur) übt ebenfalls Einfluss auf Qualitätsmerkmale wie die Haftfestigkeit aus. Als Energieträger für die An- oder Aufschmelzung des Spritzzusatzwerkstoffes dienen elektrischer Lichtbogen (Lichtbogenspritzen), Plasmastrahl (Plasmaspritzen),
Brennstoff-Sauerstoff-Flamme bzw. Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme (konventionelles und Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen), schnelle, vorgewärmte Gase (Kaltgasspritzen) und Laserstrahl (Laserstrahlspritzen). Laut DIN-Norm EN 657 werden die Spritzverfahren nach diesen Kriterien eingeteilt.
Wird die W/W-Legierung als Draht eingesetzt, so ist das bevorzugte Verfahren das Drahtlichtbogenspritzen. Für pulverförmige W/W-Legierungen kommt insbesondere das Plasmaspritzen in Frage.
Die genannten Verfahren des thermischen Spritzens sind im Stand der Technik und damit auch dem Fachmann bekannt; vgl. z.B. http://www.gts-ev.de/html d/ts-info.htm oder Informationsbroschüre LINSPRAY® -„Gase und Know-how beim thermischen Spritzen“, Linde AG, Geschäftsbereich Linde Gas, Unterschleißheim (D).
Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung hat sich gezeigt, dass spezielle Vertreter von im Stand der Technik grundsätzlich bekannten Beschichtungsverfahren, die für die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe geeignet modifiziert worden sind, zu überraschenden Ergebnissen hinsichtlich der Qualität, und hier insbesondere im
Hinblick auf die erzielte Härte, der aufgebrachten Beschichtungen führen.
Grundsätzlich sind die thermischen Spritzverfahren und auch das Verfahren zum Aufschweißen der Beschichtungsmaterialien erfindungsgemäß bevorzugt. Dabei bieten die thermischen Spritzverfahren ein breites Anwendungsspektrum für die
verschiedensten aufzubringenden Materialien.
Von den thermischen Spritzverfahren ist insbesondere das Lichtbogenspritzen erfindungsgemäß bevorzugt, welches sowohl im sogenannten Zweidrahtverfahren und besonders bevorzug im sogenannten Eindrahtverfahren zum Einsatz kommt. Das bevorzugte Beschichtungsmaterial ist Wolfram oder Wolfram legierungen. Nachfolgend wird das bevorzugte Beschichtungs- oder Spritzverfahren anhand der Figur 1 beispielhaft näher beschrieben, ohne den Gegenstand der vorliegenden
Erfindung dadurch zu beschränken. Dabei zeigt Figur 1 den Spritzkopf einer
Eindrahtspritzvorrichtung in schematischer Darstellung. Dabei ist die Elektrode 4
(Wolframelektrode) rotierbar um den Draht installiert.
Der Lichtbogen wird beim Zweidrahtverfahren zwischen zwei Drähten und beim
Eindrahtspritzen, wie es in Figur 1 dargestellt ist, zwischen der Wolframelektrode 1 und dem Spritzdraht 7 gezündet. Dabei laufen die emittierten Elektronen, also der
Lichtbogen zunächst durch das Schutzgas 2, vorliegend Argon bzw. Argon-Wasserstoff- Gemisch und anschließend durch das Gasgemisch aus Schutzgas 2 und Zerstäubergas 5, das aus N2 bzw. Luft besteht, und ionisieren dabei das Gas zu Plasma 4 und erhitzen es auf ca. 15.000°C. Das Plasma 4 besteht aus einem Gasgemisch aus Schutzgas 1 , also Argon bzw. Argon/Wasserstoff (Ar/ArFh) mit Zerstäubergas 3. Die Elektrode 1 bleibt ausschließlich vom Schutzgas 2 umströmt und damit geschützt. Dabei schmilzt der Lichtbogen 4 den Spritzdraht 7 bevor das Zerstäubergas 5 mit sehr hohem Druck bzw. mit sehr hoher Geschwindigkeit die geschmolzenen Tropfen des Spritzdrahts 7 zerstäubt. Der zerstäube Spritzdraht mit Zerstäuber- und Schutzgas ist mit
Bezugszeichen 8 bezeichnet. Der Zerstäubergasstrom muss nicht wie beim
Plasmaschweißen ringförmig um das Schutzgas 2 verlaufen, er kann z.B. auch durch Düsen eingeströmt werden. In diesem Fall würde die, in Figur 1 dargestellte
Zerstäubergasdüse 6 entfallen und durch Einzeldüsen ersetzt werden.
Die räumliche Trennung zwischen Elektrode 1 und Draht 7, wobei die Elektrode 1 um den Draht 7 rotieren kann, ermöglicht, günstigeres Stickstoffgas anstatt von Edelgasen zu verwenden. So gelingt bereits eine Härtesteigerung auf ca. 600 HV gegenüber dem Ausgangsmaterial mit ca. 300 HV. Es hat sich gezeigt, dass mit Luft als Zerstäubergas 5 eine weitere substantielle Härtesteigerung auf ca. 900 HV erreicht werden kann. Zu Eindrahtspritzen mit Draht aus W oder W-Legierungen werden vorzugsweise Ströme im Bereich von 60 - 159 A verwendet. Die vorliegende Erfindung resultiert insbesondere in längeren Standzeiten der stark beanspruchten Füllkammer und damit auch in längeren Standzeiten einer
entsprechenden Druckgießanlage und umfasst eine beschichtete Füllkammer oder einen entsprechenden Einsatz, ein Verfahren zur Beschichtung dieser Komponenten, die entsprechend ausgestattete Druckgießanlage und die Verwendung von Wolfram oder Wolframlegierungen zur Beschichtung (ganz oder zum Teil) von Füllkammer oder Füllkammereinsatz. Diese Aussagen gelten sinngemäß im Hinblick auf
erfindungsgemäß beschichtete Metallsubstrate allgemein.
In diesem Zusammenhang ist auf Folgendes hinzuweisen:
W/W-Legierungen sind im Vergleich zu Molybdän (Mo) oder einer Molybdänlegierung weniger spröde und auch die Oxidationsempfindlichkeit ist geringer. Das
erfindungsgemäß bevorzugte thermische Spritzen erlaubt es nicht nur einen Einsatz zu schützen, sondern die gesamte Füllkammer.
Durch das Spritzen härten die Werkstoffe stark auf, wodurch nicht nur eine
Verbesserung hinsichtlich einer Auflösung durch die flüssige Schmelze sondern gleichzeitig auch gegen mechanischen Verschleiß erreicht wird. So erhöht sich die Flärte von Wolfram bzw. einer typischen W-Legierung von z.B. 250-300/400 HV auf größer als 800 HV (z.B. 900 HV) für eine aufgespritzte Schicht (HV - Vickers Härte). Eine solche Aufhärtung ist besonders und tritt z.B. bei den sonst eingesetzten Eisen oder Nickellegierungen nicht auf. Das Verfahren des thermischen Spritzens erlaubt auch auf eine einfache Weise die Instandsetzung verschlissener Einsätze von
Füllkammern. Dabei müssen diese ursprünglich nicht mit einer Beschichtung ausgerüstet gewesen sein.
Weiterhin wurden folgende Ausführungs- und Anwendungsformen gefunden, die ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
Neben dem thermischen Spritzen führt auch ein Schweißen oder Aufschweißen einer W/W-Legierung auf das zu schützende Substrat zu einer Verbesserung der thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften von dessen (beschichteter) Oberfläche. Die Härte der aufgeschweißten W/W-Legierung wird ebenfalls gegenüber dem Normalwert deutlich verbessert, erreicht in der Regel aber nicht die Werte, die durch thermisches Spritzen erzielt werden können. Das Aufschweißen erfolgt mit üblichen Schweißverfahren wie WIG-, MIG-, MAG-Schweißen.
Das thermische Spritzen oder das Aufschweißen auf eine Substratoberfläche - wie für W/W-Legierungen beschrieben- führt auch bei Molybdän oder Molybdänlegierungen zu einer deutlichen Verbesserung der thermischen, chemischen und mechanischen Eigenschaften (Härte). Daher wird die Beschichtung von metallischen
Substratoberflächen durch thermisches Spritzen oder Aufschweißen von Mo/Mo- Legierungen, wie diese z.B. in der EP 3 184 203 B1 (vgl. dort z.B. die Absätze [0009] bis [0012]) beschrieben sind und auf die hier ausdrücklich zu Zwecken der Offenbarung Bezug genommen wird, für die erfindungsgemäßen Zwecke ebenfalls von der vorliegenden Erfindung umfasst.
Schließlich ist das erfindungsgemäße Aufbringen von W/W-Legierungen oder von Mo/Mo-Legierungen, wobei W/W-Legierungen bevorzugt sind, nicht allein auf die Beschichtung der Innenflächen von Füllkammern und Füllkammereinsätzen von
Druckgießmaschinen beschränkt, sondern betrifft alle verschleißträchtigen Bereiche beim Gießen von z.B. Aluminium, Zink und Kupfer und entsprechenden Legierungen Die Anwendung der erfindungsgemäß aufgebrachten Beschichtungen umfasst somit alle beanspruchten Teile beim Gießprozess, und deren Einsatz umfasst ebenso alle weiteren denkbaren Verschleißanwendungen, wie z.B. Beschichtungen für
Umformwerkzeuge für Aluminium, Kupfer und Stahl, für Nockenwellen, Weichen,
Kolben und vergleichbare Einsatzgebiete. Dabei handelt es sich im Sinne der vorliegenden Erfindung um Beispiele für verschleißträchtige Metallsubstrate. Bezugszeichenliste
1 Kathode (Wolframelektrode)
2 Schutzgas Argon bzw. Argon/Wasserstoff
3 Schutzgasdüse
4 Lichtbogen (Plasma aus Schutzgas Ar/Arhte)
5 Zerstäubergas (N2 bzw. Luft)
6 Zerstäubergas-Gasdüse
7 Spritzdraht
8 zerstäubter Spritzdraht (mit Zerstäuber- und Schutzgas)

Claims

Patentansprüche
1. Verwendung von Wolfram, Molybdän, Wolfram- oder Molybdänlegierungen zur Beschichtung von verschleißträchtigen Metallsubstraten, wobei die Beschichtung durch thermisches Spritzen oder Aufschweißen auf die Substratoberfläche erfolgt.
2. Verwendung nach Anspruch 1 von Wolfram oder Wolframlegierungen zur
Beschichtung von Substratoberflächen durch thermisches Spritzen.
3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem verschleißträchtigen Metallsubstrat um die Innenflächen einer Füllkammer oder eines Füllkammereinsatzes einer Druckgießmaschine handelt.
4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wolframlegierung um eine Legierung mit mehr als 50 Gew.-% Wolfram handelt.
5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Wolframlegierung um eine WNiFe-Legierung mit mehr als 50 Gew.-% Wolfram oder um eine WMoNiFe-Legierung handelt, bei der die Summe der Anteile von Wolfram und Molybdän mehr als 50 Gew.-% beträgt.
6. Verwendung nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Molybdänlegierung um TZM-Molybdän handelt, bestehend aus 0,5 Gew-% Titan, 0,08 Gew-% Zirkonium, 0,01 -0,04 Gew-% Kohlenstoff und dem Rest zu 100 Gew-% aus Molydän.
7. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den verschleißträchtigen Metallsubstraten um die verschleißträchtigen Bereiche einer Metallgießanlage, die Oberflächen von Umformwerkzeugen, Kolben, Nockenwellen oder Weichen handelt.
8. Metallsubstrat dessen Oberfläche ganz oder teilweise mit Wolfram, Molybdän, Wolfram- oder Molybdänlegierungen durch thermisches Spritzen oder
Aufschweißen beschichtet ist.
9. Metallsubstrat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der beschichteten Oberfläche um die Innenfläche einer Füllkammer oder eines Füllkammereinsatzes einer Druckgießmaschine handelt.
10. Druckgießmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Füllkammer oder einen Füllkammereinsatz nach Anspruch 9 aufweist.
11. Druckgießmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Aluminium-Druckgießmaschine handelt.
12. Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche eines Metallsubstrats, dadurch gekennzeichnet, dass auf diese Oberfläche Wolfram, Molybdän oder eine Wolfram- oder Molybdänlegierung durch thermisches Spritzen oder durch Aufschweißen aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Lichtbogenspritzen aufgebracht wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Lichtbogenspritzen um ein Eindrahtverfahren handelt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass als
Zerstäubergas Luft verwendet wird.
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