Pulver zum Erzeugen von Hartstoffen bei kurzen Reaktionszeiten, insbesondere zur Füllung von Hohldrähten zum Lichtbogenspritzen

Abstract

 Um Hartstoffe bei kurzen Reaktionszeiten (rd. 1 - 10 ms) insbesonders auf dem Flugweg der Spritzteilchen in kosten­günstiger Weise während des Lichtbogenspritzens erzeugen zu können, werden exotherm reagierende pulverförmige Ausgangs­stoffe mit Hartstoffen und/oder metallischen und nicht­metallischen Elementen und/oder Vorlegierungen in Pulver­form zunächst mit organischen bzw. anorganischen Binde­mitteln versetzt und hieraus durch Sprühtrocknung bzw. Agglomeration Verbundpulver hergestellt und anschließend zur Füllung von Hohldrähten verwendet.
Infolge des hierdurch gegenüber einer losen Pulvermischung verringerten Reaktionsweges und dem gleichzeitigen Frei­setzen von Energie aufgrund stattfindender exothermer Reaktionen, wird der Hartstoffanteil in den gespritzten Schichten signifikant erhöht.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Pulver zum Erzeugen von Hartstof­fen bei kurzen Reaktionszeiten, insbesondere zur Füllung von Hohldrähten zum Lichtbogenspritzen.

[0002] Es ist bekannt, daß durch Lichtbogenspritzen von Füll­drähten verschleißfeste Schutzschichten erzeugt werden können (deutsche Patentschrift Nr. 2002472, euro­päische Patentschrift Nr. 0118307).

[0003] Dabei ist es allerdings nötig, entweder durch Verdüsen die zur Füllung der Hohldrähte verwendeten Pulver so her­zustellen, daß ein gleichmäßiger Abbrand mit dem Luft­sauerstoff auf dem Flugweg der Spritzteilchen erfolgt und/oder die Hohldrähte mit metallischen und nicht­metallischen Hartstoffen zu füllen, da während der kurzen Flugzeiten der Spritzteilchen beim Lichtbogen­spritzen von rd. 1 - 10 ms (Tagungsband "2nd Int. Conf. on Surface Engineering", England, 1987, paper 39) im Gegensatz beispielsweise zum Fülldrahtschweißen, wo gleichgewichtsnahe Zustände herrschen, nur geringfügige partielle metallurgische Umsetzungen zwischen den Be­standteilen der Füllung stattfinden (Tagungsband "2nd Int. Conf. on Surface Engineering, England, 1987, paper 22).

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hartstoffe bei den während des Lichtbogenspritzens zur Verfügung stehenden kurzen Reaktionszeiten (vom Abschmelzpunkt bis zum Auf­treffen der Partikel auf dem Substrat) herzustellen.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß das für die Füllung der Hohldrähte verwendete Pulver durch Sprühtrocknung oder Agglomeration von pulverför­ migen metallischen und/oder nichtmetallischen Ausgangs­stoffen unter Verwendung organischer oder anorganischer Bindemittel hergestellt ist, so daß sich auf dem Flugweg der Spritzteilchen - vom Abschmelzpunkt bis zur Substrat­oberfläche - hohe Anteile von Hartstoffen bilden können. Hierdurch wird der Abstand (Reaktionsweg) zwischen den pulverförmigen Ausgangsstoffen (Reaktionspartnern) im Vergleich zu einer losen Pulvermischung wesentlich re­duziert und die Reaktionsausbeute gesteigert.
Um zusätzlich die Temperatur der Spritzteilchen zu er­höhen und damit die für die Reaktion nötige Energie be­reitzustellen, besteht ein Teil der pulverförmigen Aus­gangsstoffe aus exotherm reagierenden Metallen wie Al, Ni, Ti, Cr, Mo, V, Zr, Ta. Ein anderer Teil des Aus­gangspulvers besteht aus metallischen und nichtmetal­lischen Hartstoffen wie Cr₃C₂, SiC, TiB₂, CrB₂, B₄C, TiC, VC, TiN, Si₃N₄, WC, die während des Teilchen­fluges zu anderen Hartstoffen umgesetzt werden.
Um die durch exotherme Reaktion zur Verfügung stehende Energie weiter zu erhöhen, kann ferner ein Teil der pulverförmigen Ausgangsstoffe aus mit den Metallen Al, Ni, Ti, Cr, Mo, V, Zr, Ta stark exotherm reagierenden Oxiden wie Cr₂O₃, ZrO₂, TiO₂, CoO, Al₂O₃ und CeO₂ be­stehen.

[0006] Aufgrund der engen Bindung der pulverförmigen Ausgangs­stoffe durch Sprühtrocknen bzw. Agglomeration, wird der Reaktionsweg minimiert und gleichzeitig durch den Einsatz von miteinander exotherm reagierenden Ausgangs­pulvern die für eine metallurgische Umsetzung zur Ver­fügung stehende Energie zum Herstellen von Hartstoffen signifikant erhöht. Daher kann auch ein Teil des Pulvers aus reaktionsträgen pulverförmigen Vorlegierungen auf Eisen- und Nichteisenbasis wie FeCr, FeCrC, FeMo, CoB, MoNi, FeMn, FeW, FeNb, NiB, FeB, NbCr und/oder Kohlen­stoff zusammengesetzt sein.

[0007] Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins­besondere darin, daß ausgehend von kostengünstigem Ausgangspulver in kurzen Zeiten Hartstoffe hergestellt werden können.
Hierdurch ist es bei Verwendung dieser durch Sprühtrok­knung bzw. Agglomeration hergestellten Pulver zur Fül­lung von Hohldrähten zum Lichtbogenspritzen beispiels­weise möglich, verschleißbeständige Schichten mit hohen Hartstoffanteilen zu erzeugen.
Zudem wird infolge intensiver Reaktionen zwischen dem je­weiligen Fülldrahtmantel und der Pulverfüllung eine bes­sere Einbindung der Hartstoffe in die Schichten erreicht. Ferner sind die auf diesem Wege erzeugten Schichten im Vergleich zu üblichen Schichten homogener und selbst­haftend. Das Spritzen von teuren Haftgrundschichten ist daher nicht erforderlich.

[0008] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeich­nung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

[0009] Es zeigt Fig. 1 beispielhaft die Draufsicht eines ein­fachen für die Füllung von Hohldrähten zum Lichtbogen­spritzen zusammengesetzten durch Sprühtrocknung bzw. Agglomeration hergestellten Pulvers.

[0010] Die mit einem Alkohol verbundenen Chrom- und Silizium­karbidteilchen sind oberflächlich mit Aluminium- und Nickelteilchen belegt.
Infolge der hohen Abschmelztemperatur beim Lichtbogen­spritzen und der aus der Verklebung resultierenden kurzen Reaktionswege, reagieren an den Grenzflächen die Chrom- und Siliziumkarbidteilchen entsprechend der fol­genden Gleichung:

1)      aCr + bSiC → cSiC + dCr_xC_y + eSi
zu Chromkarbid.
Infolge des starken exothermen Charakters, der paral­lel hierzu ablaufenden Reaktion zwischen Nickel 1 und Aluminium 2:

2)      Ni + Al → NiAl
wird die Temperatur der Spritzteilchen erhöht und der Abkühlung der Partikel auf dem Flugweg durch Strahlung und Konvektion entgegengewirkt, d. h., der Ablauf der Reaktion 1) wird beschleunigt und unterstützt.

[0011] Zudem wird durch die Reaktion des Aluminiums mit über­schüssigem Silizium aus Reaktion 1) ein verschleiß- und korrosionsbeständiger Matrixanteil aus AlSi entsprechend der folgenden Reaktion:

3)      Al + Si → AlSi
erzeugt.

[0012] Fig. 2 zeigt in Draufsicht ein weiteres Beispiel eines einfachen für die Füllung von Hohldrähten zum Licht­bogenspritzen zusammengesetzten durch Sprühtrocknung bzw. Agglomeration hergestellten Pulvers.

[0013] Die mit einem Alkohol verbundenen großen Titan- und Graphitteilchen sind oberflächlich mit kleinen Alu­minium- und Titanteilchen belegt.
Auf dem Flugweg der Spritzteilchen reagieren an den Grenzflächen die Titan- und Graphitteilchen entsprechend folgender Reaktion:

4)      aTi + bC → cTiC
zu Titankarbid.
Aufgrund der exothermen Reaktion zwischen den ver­bliebenen Titan- und Aluminiumteilchen 3:

5)      aTi + bAl → cTiAl_y
wird die Umsetzung von Titan und Graphit zu Titankarbid entsprechend Gleichung 4) unterstützt.
Es zeigt Fig. 3 in Draufsicht ein weiteres Beispiel eines einfachen für die Füllung von Hohldrähten zum Lichtbogenspritzen zusammengesetzten durch Sprühtrok­knung bzw. Agglomeration hergestellten Pulverteilchens.

[0014] Die mit Wasserglas verbundenen Ferrochrom- und Graphit­teilchen sind oberflächlich mit Aluminium- und Chrom­oxidteilchen belegt. Während des Teilchenfluges reagie­ren zunächst die Ferrochrom- mit den Graphitteilchen entsprechend folgender Reaktion:

6) aFeCr + bC → cCr_xC_y + dFe
zu Chromkarbid.
Infolge der exothermen Reaktion zwischen Aluminium 4 und Chromoxid 5:

7) aAl + bCr₂O₃ → cAl₂O₃ + dCr
wird in gleicher Weise wie beim ersten Beispiel die Reaktion 6) forciert.

Ansprüche

1. Pulver zum Erzeugen von Hartstoffen bei kurzen Reak­tionszeiten, insbesondere der Füllung von Hohldrähten zum Lichtbogenspritzen,
dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver durch Sprüh­trocknung oder Agglomeration von pulverförmigen metal­lischen und/oder nichtmetallischen Ausgangsstoffen unter Verwendung organischer oder anorganischer Binde­mittel hergestellt ist, so daß sich auf dem Flugweg der Spritzteilchen vom Abschmelzpunkt bis zur Sub­stratoberfläche hohe Anteile von Hartstoffen bilden können.

2. Pulver nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der pulverför­migen Ausgangsstoffe aus exotherm reagierenden Metallen wie Al, Ni, Ti, Cr, Mo, V, Zr, Ta und ein anderer Teil des Ausgangspulvers aus metallischen und nichtmetal­lischen Hartstoffen wie Cr₃C₂, WC, SiC, TiB₂, CrB₂, B₄C, TiC, VC, TiN, Si₃N₄ besteht.

3. Pulver nach Anspruch 1 - 2,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der pulverför­migen Ausgangsstoffe Metalle wie Al, Ni, Ti, Cr, Mo, V, Zr, Ta und hiermit exotherm reagierende Oxide wie Cr₂O₃, ZrO₂, TiO₂, CoO, Al₂O₃, CeO₂ sind.

4. Pulver nach Anspruch 1 - 3,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der pulverför­migen Ausgangsstoffe aus Vorlegierungen auf Eisen- und Nichteisenbasis wie FeCr, FeCrC, FeMo, MoNi, FeMn, FeW, CoB, FeNb, FeB, NbCr, NiB und/oder Kohlenstoff besteht.

Zeichnung