DE102004047196B4

DE102004047196B4 - Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Schutzschicht auf einem Metallgegenstand durch Metallspritzen

Info

Publication number: DE102004047196B4
Application number: DE102004047196A
Authority: DE
Inventors: Juergen Berthold
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-29
Filing date: 2004-09-29
Publication date: 2006-12-21
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: DE102004047196A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Schutzschicht bestehend zumindest aus einer Haftschicht und einer Verschleißschutzschicht auf einem Metallgegenstand durch Metallspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufspritzen der metallischen Haftschicht die Verschleißschutzschicht unter Verwendung eines Drahtes enthaltend:
Ni 8,0-15,0 %
Cr 15,0-22,0 %
Mo 2,2-3,6 %
Mn 1,5-2,5 %
Si 0,5-1,3 %
C 0,015-0,09 %
und einem Rest aus Fe
aufgespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Schutzschicht bestehend zumindest aus einer Haftschicht und einer Verschleißschutzschicht auf einem Metallgegenstand durch Metallspritzen.

Das Metall- oder Flammspritzen ist ein weit verbreitetes Verfahren zum Aufbringen einer metallischen Schicht auf eine Unterlage. Bei diesem Verfahrne wird das aufzubringenden Metall – in der Regel eine Metalllegierung – in Drahtform einer Pistole zugeführt. Dort wird unter Verwendung eines Brenngases der Metalldraht aufgeschmolzen. Über pistolenseitig zugeführte Druckluft wird nun das Schmelzgut mit hoher Geschwindigkeit auf die vorbereitete Oberfläche des zu beschichtenden Gegenstands gefördert. Aufgrund des hohen Luftdrucks wird eine sehr hohe Förder- und damit auch Auftreffgeschwindigkeit erreicht. Dies führt dazu, dass die aufgespritzte Schicht eine hohe Dichte aufweist. Aufgrund der geringen Verweilzeit des aufgeschmolzenen Gutes in der Schmelzzone der Pistole tritt trotz der hohen dort herrschenden und zum Schmelzen erforderlichen Temperaturen nur eine minimale Oxidation des Schmelzgutes beziehungsweise dessen Bestandteile ein.

Mit solchen Schichten werden vornehmlich Korrosions- oder Verschleißschutzschichten erzeugt. Das Einsatzgebiet ist sehr vielfältig, nachdem sich unterschiedlichste Metalle beziehungsweise Legierungen und Verbindungen aufspritzen lassen, wobei die Schichten eine gute mechanische Haftung auf dem Bauteil aufweisen und in der Regel keine Veränderung des Basiswerkstoffs eintritt.

Besondere Anforderungen werden an Schutzschichten überall dort gestellt, wo korrosive Medien am Metallgegenstand angreifen beziehungsweise eine aggressive Umgebung vorliegt, oder eine mechanische Beanspruchung erfolgt. Einsatzbeispiele sind hier Rohrleitungen oder sonstige Metallgegenstände, die in Müllverbrennungsanlagen oder Kraftwerken zum Einsatz kommen, aber auch entsprechende Gegenstände, die im petrochemischen Anlagen oder in Wasserkraftwer ken verwendet werden, und wo mit einem hohen abrasiven beziehungsweise korrosiven Angriff, auch durch Hitzekorrosion, zu rechnen ist. Mechanischen Belastungen sind z.B. Wellen oder Spindeln ausgesetzt.

Um eine gute Korrosionsbeständigkeit bei gleichzeitig guter mechanischer Haftung zu erzielen wird in der Regel eine mehrlagige Schutzschicht aufgebracht, wobei zunächst auf den vorbehandelten Metallgegenstand, der in der Regel vorab sandgestrahlt wird, eine Haftschicht, auch Klammerschicht, aufgespritzt wird, die der Verklammerung zwischen dem zu beschichtenden Metallgegenstand und der nachfolgend aufgebrachten Verschleißschutzschicht dient. Neben einer guten Verklammerung ist die aufgebrachte Verschleißschutzschicht letztlich für die Eigenschaften der Schicht verantwortlich. Als zentrale Schichteigenschaften ist zum einen die Härte der Beschichtung zu nennen, die möglichst hoch sein soll. Darüber hinaus ist eine möglichst hohe Dichte der Schicht wünschenswert, so dass das aggressive Medium die Schicht nicht durchdringen kann. Ferner sollte die Schicht eine hohe Zugfestigkeit und ein günstiges Temperaturverhalten aufweisen und gegen Angriff auch aggressiver saurer Medien resistent sein.

Wenngleich sich unter Verwendung von Legierungsdrähten Schichten mit Härten bis ca. 700 HV herstellen lassen, die auch im Hinblick auf die sonstigen Eigenschaften, die von der Schutzschicht gefordert werden, durchaus für den jeweiligen Einsatzzweck brauchbare Werte zeigen, liegt der Erfindung das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Schutzschicht anzugeben, die deutlich höhere Härtewerte aufweist und gleichzeitig eine hohe Dichte beziehungsweise Gasdichte und Säurebeständigkeit besitzt und deren sonstigen mechanischen Eigenschaften ebenfalls hervorragend sind.

Aus DE 44 47 514 C2 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Hilfsmittels für das Beschichten eines Grundwerkstoffes mit einer korrosionsfesten Schicht durch thermisches Spritzen unter Verwendung eines agglomerisierten Metallpulvers oder eines Fülldrahtes bekannt, wobei der Werkstoff 8,0-35,0 % Cr; 0,5-20,0 % Ni; 0,005-1,5 % C; 0,5-10,0 % Mo und einen geringen Anteil an Stickstoff enthält.

Eine ähnliche Zusammensetzung für einen Spritzdraht wird ferner in DE 44 11 296 C2 beschrieben.

Schließlich beschreibt DE 103 08 563 B3 eine Verschleißschutzbeschichtung für die Lauffläche von Zylinderlaufbuchsen, wobei unter anderem mittels Lichtbogendrahtspritzverfahren auf das Grundmaterial Schichten verschiedener Zusammensetzung aufgetragen werden. Diese Verschleißschutzschicht besteht aus mindestens einer Schichtlage, gegebenenfalls kann eine Haftvermittlerschicht vorgesehen sein.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass nach dem Aufspritzen der metallischen Haftschicht die Verschleißschutzschicht unter Verwendung eines Drahtes enthaltend:
Ni 8,0-15,0 %
Cr 15,0-22,0 %
Mo 2,2-3,6 %
Mn 1,5-2,5 %
Si 0,5-1,3 %
C 0,015-0,09 %
und einem Rest aus Fe
aufgespritzt wird.

Der verwendete Legierungsdraht lässt die Erzeugung einer Schutzschicht mit hervorragenden Eigenschaften zu. Es werden Schichthärten von weit über 700 HV erreicht, bei gleichzeitig hoher Dichte und Säurebeständigkeit der Schicht. Dies ist auf die besondere Kombination der Legierungsbestandteile zurückzuführen, die nach dem Aufspritzen in der Schicht vorhanden sind, jedoch zum Teil in Carbidform vorliegen.

Der hohe Bestandteil an Nickel führt zu einer hohen Festigkeit, Zähigkeit, Durchhärtbarkeit und Korrosionsbeständigkeit, auch gegen Säuren. Diesen Eigenschaften ist auch das enthaltene Chrom zuträglich, das auch zu einer hohen Verschleißfestigkeit führt und auch für eine hohe Sicherheit gegenüber einem Angriff von Schwefel oder Schwefelcarbiden im Rauchgas verantwortlich ist. Auch der relativ hohe Mangananteil wirkt sich positiv auf die Zugfestigkeit und die Durchhärtbarkeit aus. Der Molybdänanteil erhöht ebenfalls die Zugfestigkeit sowie die Warmfestigkeit und Schneidhaltigkeit und die Durchhärtung und ist auch für die Dichtheit der Schicht verantwortlich und hoch korrosionsbeständig. Auch Silizium liegt in einem hohen Anteil vor, es wirkt sich vor allem vorteilhaft bei der Gefügebildung innerhalb der aufgespritzten Schicht aus.

In weiterer Präzisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens sollte der verwendete Draht, dessen Durchmesser in der Regel zwischen 2 und 3,5 mm variiert, enthalten:
Ni 10,0-13,0 %
Cr 17,0-20,0 %
Mo 2,4-3,2 %
Mn 1,7-2,2 %
Si 0,7-1,2 %
C 0,02-0,07 %
und einem Rest aus Fe.

In weiterer Präzisierung sollte der Draht, der zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet wird, folgende Legierungsbestandteile enthalten.
Ni 11,2-11,7 %
Cr 18,2-18,7 %
Mo 2,7-2,9 %
Mn max. 2,1 %
Si max. 1,1 %
C max. 0,065 %
und einem Rest aus Fe

Schließlich kann ein verwendbarer Draht konkret folgende Zusammensetzung aufweisen:
Ni 11,5 %
Cr 18,5 %
Mo 2,8 %
Mn max. 2,0 %
Si max. 1,0 %
C max. 0,06 %
und einem Rest aus Fe.

Wie bereits beschrieben kommt der Haft- oder Klammerschicht ebenfalls eine wichtige Funktion innerhalb des mehrlagigen Schichtaufbaus zu, über sie wird die Haftung der Verschleißschutzschicht am Metallgegenstand, bei dem es sich wie beschrieben um Rohre oder größer flächige Wärmetauscher etc. handeln kann, bestimmt. Besonders zweckmäßig ist es dabei, wenn die aufgespritzte Metallschicht unter Verwendung eines Ni-Al-Drahts enthaltend Ni zu 80 % und Al zu 20 % hergestellt ist. Auch die Verwendung eines Ni-Cr-Drahts mit 80 % Ni und 20 % Cr ist möglich.

In Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf die Verschleißschutzschicht eine Deckschicht unter Verwendung eines Drahtes aus reinem Aluminium (= 99,9 %) aufgespritzt wird. Diese zusätzliche Deck- oder Versiegelungsschicht aus Aluminium führt zu einem noch dichteren Schichtverschluss oder Gefügeverschluss, da das durch Flammspritzen aufgebrachte Aluminium bei Temperatureinwirkung, wie sie in der Regel beim Einsatz der erfindungsgemäß beschichteten Metallgegenstände gegeben ist, ab einer Temperatur von ca. 450°C oxidiert und Al₂O₃ gebildet wird. Das heißt, es bildet sich eine keramische äußere Schutzschicht, die etwaige vorhandene Poren innerhalb der Verschleißschicht nun endgültig schließt und den gesamten Schichtaufbau gasdicht macht. Für den Fall, dass der beschichtete Metallgegenstand nicht in einer Umgebung eingesetzt wird, wo die zur vollständigen Oxidation erforderlichen Temperaturen erreicht werden, kann der Metallgegenstand einer diesbezüglichen Temperaturbehandlung unterworfen werden.

Die Haftschicht sollte mit einer Dicke von 100 μm bis 300 μm, insbesondere von 200 μm, die Verschleißschutzschicht mit einer Dicke von 300 μm bis 500 μm, insbesondere von 400 μm, und gegebenenfalls die Deckschicht mit einer Dicke von 100 μm bis 250 μm, insbesondere von 200 μm aufgebracht werden, so dass sich bei Verwendung aller Schichten eine Gesamtschichtdicke von ca. 600 bis 800 μm ergibt.

In der Figur ist eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß beschichteten Metallgegenstandes in Form eines Rohres gezeigt. Die dargestellten Durchmesser des Rohrs sowie der Einzelschichten entsprechen nicht der Realität, es handelt sich lediglich um eine Prinzipdarstellung.
Auf das Rohr 1, das vor dem Aufbringen der Schutzschicht sandgestrahlt wurde, wird zunächst die Haftschicht 2 bevorzugt unter Verwendung eines Ni-Al-Drahts mit 80 % Ni und 20 % Al im Flammspritzverfahren aufgespritzt. Diese Haftschicht haftet mit wenigstens 15.000 μ/mm² auf dem Metallgegenstand.
Anschließend wird die Verschleißschutzschicht 3 auf die Haftschicht 2 aufgespritzt. Hierzu kann beispielsweise ein Draht folgender Zusammensetzung verwendet werden:
Ni: 11,5 %
Cr: 18,5 %
Mo: 2,8 %
Mn: 1,7 %
Si: 0,8 %
C: 0,025 %
Rest: Eisen.
Während des Aufschmelzens im Bereich der pistolenseitigen Brennerflamme (es wird bevorzugt ein Brenngasgemisch aus Acetylen und Sauerstoff oder Propan und Sauerstoff verwendet) schmilzt der hohe Eisenanteil auf, die Schmelze enthaltend die anderen, ebenfalls aufgeschmolzenen oder teigigen Legierungsbestand teile wird über die Druckluft abgefördert und auf den zu beschichtenden Gegenstand geschleudert. Die Legierungsbestandteile liegen am Metallgegenstand in der Regel in Carbidform vor.
Die hierüber erzeugte Verschleißschutzschicht weist eine Härte von deutlich > 700 HV auf, ist dabei sehr dicht und weist sehr gute mechanische Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit und Verschleißfestigkeit auf.
Ein Metallgegenstand, beispielsweise in Form einer Welle oder Gewindespindel, wird in der Regel lediglich die Haftschicht 2 und die Verschleißschutzschicht 3 aufweisen, nachdem es dort primär um einen hohen mechanischen Verschleißschutz geht, der über die Verschleißschutzschicht 3 realisiert werden kann. Es besteht die Möglichkeit, die Verschleißschutzschicht 3 zu schleifen und etwaige aus dem Spritzvorgang resultierende Obeflächenrauhigkeiten zu beseitigen.
Insbesondere dann, wenn der Metallgegenstand in einer aggressiven Umgebung zum Einsatz kommt, ist es zweckmäßig, auf die Verschleißschutzschicht 3 eine Deckschicht 4 aus rein Aluminium aufzuspritzen, die bei erhöhten Temperaturen, wie sie häufig am Einsatzort von Haus aus herrschen, oxidiert und in Form einer feinen Al₂O₃-Keramikschicht vorliegt. Über diese Schicht werden etwaige vorhandene Poren in der Verschleißschicht verschlossen, es bildet sich eine glatte, harte Außenschicht, die einen zusätzlichen Verschleißwiderstand bildet sowie ebenfalls äußerst korrosionsfest ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer mehrlagigen Schutzschicht bestehend zumindest aus einer Haftschicht und einer Verschleißschutzschicht auf einem Metallgegenstand durch Metallspritzen, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufspritzen der metallischen Haftschicht die Verschleißschutzschicht unter Verwendung eines Drahtes enthaltend: Ni 8,0-15,0 % Cr 15,0-22,0 % Mo 2,2-3,6 % Mn 1,5-2,5 % Si 0,5-1,3 % C 0,015-0,09 % und einem Rest aus Fe aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Draht enthaltend: Ni 10,0-13,0 % Cr 17,0-20,0 % Mo 2,4-3,2 % Mn 1,7-2,2 % Si 0,7-1,2 % C 0,02-0,07 % und einem Rest aus Fe aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Draht enthaltend: Ni 11,2-11,7 % Cr 18,2-18,7 % Mo 2,7-2,9 % Mn max. 2,1 % Si max. 1,1 % C max. 0,065 % und einem Rest aus Fe aufgespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Draht enthaltend: N 111,5 % Cr 18,5 % Mo 2,8 % Mn max. 2,0 % Si max. 1,0 % C max. 0,06 % und einem Rest aus Fe aufgespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Haftschicht unter Verwendung eines Ni-Al-Drahts enthaltend Ni zu 80 % und Al zu 20 % oder eines Ni-Cr-Drahts enthaltend Ni zu 80 % und Cr zu 20 % hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Verschleißschutzschicht eine Deckschicht unter Verwendung eines Drahts aus reinem Al gespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht mit einer Dicke von 100 μm bis 300 μm, insbesondere von 200 μm, die Verschleißschutzschicht mit einer Dicke von 300 μm bis 500 μm, insbesondere von 400 μm, und gegebenenfalls die Deckschicht mit einer Dicke von 100 μm bis 250 μm, insbesondere von 200 μm aufgebracht wird.