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

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein metallisches Pulver für die Erzeugung von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels einer thermischen Spritzmethode, welches aus einem oder mehreren Übergangsmetallen, insbesondere überwiegend aus Nickel oder Eisen, und jeweils Chrom als Legierungselement besteht und welches außerdem mindestens ein Metalloid, insbesondere Bor, Kohlenstoff, Silicium oder Phosphor, enthält, sowie ein Herstellungsverfahren und eine Spritzmethode dafür.

[0002] Es sind beispielsweise mittels thermischer Spritzmethoden (Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasma- und jüngst auch Laserspritzen, ...) produzierte Nickel- oder Eisenlegierungs-Verschleißschutzschichten bekannt, welche eben dadurch herzustellen sind, daß ein entsprechendes Spritzpulver - z.B. ein
   NiCrFeBSi-Pulver oder ein
   FeCrCB-Pulver,
auf den zu beschichtenden Untergrund unter An- oder Aufschmelzen der einzelnen Partikel aufgespritzt wird. Die erwünschte, fest haftende, dichte und verschleißstabile Oberflächenschicht wird jedoch mit den angesprochenen Schichtmaterialien erst in einem zweiten Arbeitsgang - dem sogenannten Einschmelzen - erhalten,bei dem durch ein zweites Erhitzen und Erschmelzen des bereits auf dem Werkstück befindlichen Schichtmaterials Veränderungen,inbesondere Verbesserungen, in dieser Schicht erreicht werden. Ein wichtiges Ergebnis dieses Einschmelzens in vielen Anwendungen besteht darin, daß in der aufgebrachten Schicht Partikel großer Härte bestehend aus Karbiden, Boriden und/oder Siliziden gebildet bzw.- genauer gesagt - aus dem Schichtmaterial ausgeschieden werden, die dann in die vorhandene Metallmatrix eingelagerte Hartpartikel ergeben. Diese Hartpartikel leisten einen erheblichen Beitrag zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit der jeweiligen Schicht, sie sind also erwünscht, sie lassen sich jedoch nicht, wie geschildert, ohne spezielle Behandlung bzw.speziellen Produktionsschritt erzeugen.

[0003] Aufgrund des doch aufwendigen, zumindest zwei Arbeitsgänge umfassenden Vorgehens zur Herstellung solcher verschleißfester Schichten hat sich die Anmelderin die Aufgabe gestellt, die Erzeugung solcher Oberflächenschichten, welche insbesondere durch die eine oder andere thermische Spritzmethode zu erzeugen sind, zu vereinfachen und gegebenenfalls zusätzliche Verfahrensschritte neben dem reinen Aufspritzvorgang zu vermeiden.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß als Spritzmaterial ein Spritzpulver zur Anwendung kommt, das zum einen - wie im einleitenden Absatz beschrieben - zusammengesetzt ist, das jedoch darüber hinaus bereits in den Pulverkörnern Einlagerungen aufweist, die aus, aus dem jeweiligen Metalloid abgeleiteten, Hartpartikeln bestehen. D.h. also, daß bereits in den Spritzpulverkörnchen harte Einlagerungen beispielsweise aus Boriden, Karbiden, Siliciden oder Phosphiden enthalten sind.

[0005] Die Anwendung eines so gearteten Spritzpulvers führt unter Berücksichtigung der Umstandes, daß beim Spritzvorgang selbst ein ausreichender aber möglichst kurzer Wärmeeintrag auf die Pulverpartikel ausgeführt wird, zu dem Ergebnis, daß bereits durch den Aufspritzvorgang alleine eine, die vorteilhaften Hartpartikel in geeignetem Ausmaß und günstiger Ausbildung enthaltende, Materialschicht erhalten wird. Das Aufspritzen von solchen Pulvern, die sich insbesondere günstig auf der Basis von Nickel oder Eisen herstellen lassen, hat zweierlei Vorteile: Zum einen sind wirtschaftliche Vorteile gegeben, weil der Verfahrensschritt des Einschmelzens entfällt, zum anderen können Schichten aus diesen Materialien - oder Legierungen davon - auch auf thermisch empfindliche Grundwerkstoffe, z.B. Aluminiumwerkstoffe, aufgespritzt werden, deren Gefüge und Eigenschaften durch die Wärmeeinwirkung des sonst notwendigen Einschmelzschrittes beeinträchtigt werden würde.

[0006] Besonders vorteilhaft ist ein erfindungsgemäßes Pulver bei dem die eingelagerten Hartpartikel in "relativ grober Verteilung" - wie in Anspruch 2 definiert - vorliegen.

[0007] Das erfindungsgemäße Pulver wird in vorteilhafter Weise mit einem Verfahren hergestellt, das dadurch gekennzeichnet ist,

a) daß eine geeignet zusammengesetzte Schmelze, also die Schmelze einer geeigneten Vorlegierung hergestellt wird

b) daß die Schmelze der Vorlegierung zum Erstarren gebracht wird, wobei der Erstarrungsprozeß so geführt wird, daß sich Hartpartikel ausscheiden,

c) daß die erstarrte Vorlegierung in der Weise wiedererschmolzen wird, daß das Wieder-in-Lösung-Gehen der Hartpartikel darin mindestens zum Teil verhindert wird, d.h. daß die gebildeten Hartparikel höchsten zum Teil wieder aufgelöst werden (erfolgt durch geeignete Energiezufuhrbegrenzung),

d) und daß aus der wiedererschmolzenen, Hartpartikel enthaltenden Vorlegierung ein als Spritzpulver verwendbares Pulver gewonnen wird (für weitere Details zur Ausbildung einer geeigneten Schmelze siehe z.B. EP-B 0 325 785).

[0008] Besonders vorteilhaft wird die Pulverisierung der wiedererschmolzenen Vorlegierung dadurch bewerkstelligt, daß ein Schmelzestrang der Vorlegierung mit einem Gasstrom verdüst wird. Dies kann im einzelnen etwa gemäß der DE-PS 35 29 217 oder der DE-PS 39 13 649 erfolgen.

[0009] Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Spritzpulvers besteht darin, daß dieses insbesondere mit dem Hochgeschwindigkeitsflammsspritzen verarbeitet wird, wobei mit Vorteil Spritzpartikelgeschwindigkeiten von mehr als 250 m/s, vorzugsweise mehr als 300 m/s, zur Anwendung kommen. Ein Einschmelzschritt ist hierbei nicht mehr notwendig. Insbesondere mit den Flammspritzverfahren lassen sich die hier wichtigen Randbedingungen, wie der Energieeintrag auf die Spritzpartikel sowie die Partikelgeschwindigkeit, besonders gut regulieren, denn es ist zu berücksichtigen, daß auch beim Spritzvorgang selbst ein Wieder-in-Lösung- Gehen der Hartpartikel in den Spritzpulverkörnern zu vermeiden ist. Zwar sind in Verbindung mit den erfindungsgemäßen Spritzpulvern mit Einschränkungen auch das Flamm-, Lichtbogen-, Laser- oder Plasmaspritzen einsetzbar, jedoch ist der beschriebenen Verfahrenseinsatz am günstigsten.

[0010] Im folgenden soll anhand eines Beispiels die Erfindung näher erläutert werden.

[0011] Mittels des oben beschriebenen Pulverherstellungsverfahrens ist zunächst ein erfindungsgemäßes Spritzpulver zu erzeugen. Dazu ist zuerst eine Schmelze mit entsprechender Zusammensetzung herzustellen, beispielsweise eine
   Ni 70.5 Cr 17 Fe 4 B 3.5 Si 4.0 C 1.0-Schmelze oder eine
   Fe 59.3 Cr 21 Ni 8 Mn6.5 Si 5.0 C 0.7-Schmelze.

[0012] Allgemein sind Schmelze-Zusammensetzungen mit 50 bis 80 Gewichts-% Nickel oder Eisen als Ausgangspunkt geeignet. Diese Schmelzen sind zur Ausscheidung der erwünschten Metalloid-Hartpartikel geeignet abzukühlen und anschliessend erneut zu erschmelzen, wobei das Wieder-in-Lösung-Gehen der Hartparitkel weitgehend zu vermeiden ist. (vgl. hierzu nochmals EP-B1 0 326 785). Im weiteren wird aus der so präparierten Vorlegierungsschmelze durch Verdüsen eines ausfließenden Schmelzestranges mit einem oder mehreren Gasstrahlen ein metallisches Pulver gewonnen, wobei nun die erwünschten Hartpartikel in den einzelnen Pulverkörnern enthalten sind. Diese Hartpartikel können aus einer Reihe unterschiedlicher Metalloidverbindungen zusammengesetzt sein, beispielsweise können diese aus
   CrB, CrB₄, Cr₇BC₄, ..., NiB, Ni₃B, Ni₅Si₂,
   ... , FeB, Fe₂B, ... bestehen.

[0013] Eine besonders vorteilhafte Anwendung erfindungsgemäßer Spritzpulver zur Ausbildung verschleißfester Schichten besteht nun in deren Verarbeitung mit dem Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Ein etwa wie oben beschrieben gebildetes Ni-Spritzpulver mit einer Körnung von 15 bis 50 Mikrometer und Hartpartikeleinschlüssen von ca. 7 bis 11 Mikrometern kann beispielsweise mit Propanbrenngas und Partikelgeschwindigkeiten von vorzugsweise über 300 m/s zu einer hochwertig verschleißfesten Oberflächenschicht, in der eine vorteilhafte Anzahl von Hartpartikeln vorhanden ist, verspritzt werden. Dies gelingt in einem Arbeitsgang. Auf diese Weise wird also mit der vorliegenden Erfindung und in bezug auf die angesprochenen Oberflächenschichten, d.h. also insbesondere in bezug auf Hartpartikel enthaltende Nickel- oder Eisenoberflächenschichten, ein erheblicher Vorteil gegenüber dem bisherigen Stand der Technik erzielt.

Ansprüche

1. Metallisches Pulver für die Erzeugung von verschleißfesten Oberflächenschichten mittels einer thermischen Spritzmethode, welches aus einem oder mehreren Übergangsmetallen, insbesondere überwiegend aus Nickel oder Eisen, und jeweils Chrom als Legierungselement besteht und außerdem mindestens ein Metalloid, insbesondere Bor, Kohlenstoff, Silicium, oder Phosphor, enthält,
dadurch gekennzeichnet,
daß in den Pulverkörnern Einlagerungen enthalten sind, die aus, aus dem jeweiligen Metalloid abgeleiteten, Hartpartikeln bestehen.

2. Metallisches Pulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingelagerten Hartpartikel in relativ grober Verteilung vorliegen, d.h. daß die Hartpartikel eine Größenausdehnung von mehr als 3 (7) Mikrometer aufweisen, wobei die Körnung des Pulvers insgesamt zwischen der Untergrenze von 10 (15) und der Obergrenze von 90 (50) Mikrometer liegt und der Volumenanteil der Hartpartikel am Gesamtkorn im Mittel zwischen 5 (10) und 40 (20)% beträgt (Werte in den Klammern sind jeweils bevorzugte Werte).

3. Verfahren zur Herstellung eines Pulvers nach Anspruch 1 oder 2 mit den Schritten,

a) daß eine geeignet zusammengesetzte Schmelze, also die Schmelze einer geeigneten Vorlegierung hergestellt wird

b) daß die Schmelze der Vorlegierung zum Erstarren gebracht wird, wobei der Erstarrungsprozeß so geführt wird, daß sich aus den Metalloiden bestehende Hartpartikel ausscheiden,

c) daß die erstarrte Vorlegierung in der Weise wiedererschmolzen wird, daß das Wieder-in-Lösung-Gehen der Hartpartikel darin mindestens zum Teil verhindert wird,

d) daß aus der wiedererschmolzenen, Hartpartikel enthaltenden Vorlegierung ein Pulver gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Pulver durch Verdüsen eines Schmelzestrangs mit einem Gasstrom erzeugt wird.

5. Anwendung des Spritzpulvers nach einem der Ansprüche 1 oder 2 zur Herstellung einer verschleißfesten Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzpulver durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen aufgetragen wird und kein Einschmelzen erfolgt.

6. Anwendung des Spritzpulvers nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Spritzpartikelgeschwindigkeiten von mehr als 250, vorzugsweise mehr als 300 m/s, eingestellt werden.