DE102007035009A1

DE102007035009A1 - Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung

Info

Publication number: DE102007035009A1
Application number: DE200710035009
Authority: DE
Inventors: Sergey Timofeev; Shoirdjan Karimov
Original assignee: ASANOV IBRAGIM; KADIRHODJAEV ULUGBEK
Current assignee: ASANOV IBRAGIM; KADIRHODJAEV ULUGBEK
Priority date: 2007-07-26
Filing date: 2007-07-26
Publication date: 2009-02-05
Also published as: WO2009013574A2; WO2009013574A3; EP2171125A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche eines Bauteils (Detail), wobei das Verfahren umfasst: die Schritte des Vorsehens eines ersten pulvers auf der Oberfläche, des Erhitzens dieses erste Pulvers durch Lichtbogenerhitzen, wodurch die erste Schicht gebildet wird, des Vorsehens eines zweiten Pulvers auf der ersten Schicht und des Erhitzens dieser zweiten Schicht durch Lichtbogenerhitzen, wodurch eine zweite Schicht gebildet wird, wobei das erste Pulver Nickel oder Nickel und Kobalt umfasst, wobei das zweite Pulver Nickel und Kobalt umfasst und wobei der Anteil an Kobalt im ersten Pulver niedriger als der Anteil an Kobalt im zweiten Pulver ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche.
Insbesondere in der Maschinenbautechnologie und vor allem bei der Fertigung von Profilverbundwerkzeugen und -instrumenten ist es erforderlich, Funktionsflächen vorzusehen, die für den geforderten Zweck ausgelegt sind. Häufig umfassen geforderte Eigenschaften, dass die Funktionsfläche abriebfest, verschleißfest und korrosionsbeständig ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, an den Oberflächen Beschichtungen vorzusehen oder die Oberflächen eines Materials zu behandeln, um spezifische Eigenschaften des Materials zu verbessern.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche an die Hand zu geben, die eine ausgezeichnete Qualität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren die Schritte des Vorsehens eines ersten Pulvers auf der Oberfläche des Bauteils, des Erhitzens dieses ersten Pulvers durch Lichtbogenerhitzen, wodurch eine erste Schicht gebildet wird, des Vorsehens eines zweiten Pulvers auf der ersten Schicht und des Erhitzens dieser zweiten Schicht durch Lichtbogenerhitzen, wodurch eine zweite Schicht gebildet wird, wobei das erste Pulver Nickel oder Nickel und Kobalt umfasst, wobei das zweite Pulver Nickel und Kobalt umfasst und wobei der Anteil an Kobalt im ersten Pulver niedriger als der Anteil an Kobalt im zweiten Pulver ist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, eine Verbesserung der Qualität der Oberfläche vorzusehen, die durch das beanspruchte Verfahren behandelt wurde.
Die wesentlichen Arbeitsgänge und Ausnutzungslauffähigkeiten von Hartlegierungen solcher Bauteil-Komplexverbindungen wie Wolframcarbid(WC)-Kobalt-(Co)-Nickel-(Ni)-Chrom-(Cr)-Mischungen hängen vom Kobaltanteil in der Legierung ab. Je höher der Kobaltanteil ist, desto niedriger ist die Temperatur des isothermen Durchwärmens beim Lichtbogenerhitzen, die in dem Bereich von 1.350°C–1.480°C schwankt. Bei Erhitzung werden Wolframcarbidpartikel zunächst mit Kobalt gesättigt, und dann setzt bei den Temperaturen von 1.150°C–1.200°C eine signifikante Flüssigphasenverdichtung ein, die einige Minuten dauert. Beim isothermen Sintern unter Lichtbogenerhitzen kann man an der Bauteiloberfläche des gesinterten Pulvers und an der Elektrode, beispielsweise einer Rollenelektrode, den Aufbau und die Kristallisierung von Wolframcarbidpartikeln beobachten.
Unter weiterem Erhitzen der Kontaktzone zwischen dem Bauteil aus hartlegiertem Pulver und einer Elektrode, beispielsweise einer Rollenelektrode, auf die Temperatur von 1.400°C und höher kommt es zu einer weiteren Auflösung des Wolframcarbids in der Flüssigphase, und unter Rekristallisierung durch die γ-Phase nehmen Wolframcarbidpartikel zu.
Es wurde experimentell festgestellt, dass sich in diesem Fall eine ausgedehnte Beschichtung ergibt, die das Bilden von Schneiderändern an der Bauteiloberfläche ermöglicht.
Bei einem niedrigen Kobaltphasenanteil in dem hartlegierten Pulver ergibt sich eine flache und feinkörnige Beschichtung mit der maximalen Dicke von 200 μm–300 μm. In diesem Fall kann praktisch nur Nickel als Bindeelement dienen.
Um daher eine qualitative Rohbeschichtung zu bilden, die Schneidemerkmale an der Bauteiloberfläche besitzt, wurde von den Erfindern der vorliegenden Patentanmeldung festgestellt, dass das Durchführen des Arbeitsprozesses in zwei Stufen erforderlich ist. In der ersten Stufe wird eine feine ebene Beschichtung vorgesehen, wobei die vorliegende Erfindung den Fall einschließt, dass diese Beschichtung praktisch kein Kobalt enthält und eine qualitative diffundierte Zone auf der gesamten Bauteiloberfläche mit hohen physiomechanischen Eigenschaften bildet. Natürlich ist es auch möglich, diesem ersten Pulver Kobalt beizufügen.
In der zweiten Stufe wird eine Rohbeschichtung mit Kobaltphase vorgesehen, wobei die Schneideränder der festgelegten Größe und Form gebildet werden.
Es wurde experimentell ermittelt, dass ein höchst wirksamer Bereich des Prozesses des Lichtbogenerhitzens bei 2 kA bei einer Spannung von 3 V–5 V liegt. Dies ist aber lediglich ein Beispiel und eine nicht einschränkende Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Wie vorstehend erläutert ist es möglich, dass das erste Pulver kein Kobalt umfasst.
Alternativ ist es auch möglich, dass im ersten Pulver Kobalt vorhanden ist, zum Beispiel mit einem Anteil von 1 bis 5 Gew.% und bevorzugt von 2 bis 3 Gew.%.
Der Kobaltanteil in dem zweiten Pulver kann bei 10 bis 14 Gew.% und bevorzugt bei 11 bis 13 Gew.% liegen. In jedem Fall ist der Kobaltanteil im zweiten Pulver erfindungsgemäß höher als der Kobaltanteil im ersten Pulver.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das erste Pulver, das auf der zu beschichtenden Oberfläche verteilt ist, und/oder das zweite Pulver, das auf dem ersten Pulver verteilt ist, ein oder mehrere Carbide und bevorzugt die gleiche Art von Carbiden enthält.
Weiterhin ist es möglich, dass das erste Pulver und/oder das zweite Pulver ein oder mehrere hartlegierte Pulver enthält und bevorzugt aus verschiedenen Arten von hartlegierten Pulvern gebildet werden kann.
Um die genannten Eigenschaften zu erzielen, ist es vorteilhaft, dass das Pulver Wolframcarbide und/oder Titancarbide und/oder Chromcarbide umfasst.
Abhängig von der Art und Menge der verwendeten Carbide verleiht dies den Oberflächen festgelegte Eigenschaften wie Abrieb- und Verschleißfestigkeit sowie Korrosionsbeständigkeitseigenschaften.
Das Verfahren des Lichtbogenerhitzens kann durch Anlegen eines elektrischen Stroms, bevorzugt eines Wechselstroms, zwischen der Oberfläche und einer Elektrode durchgeführt werden. Somit wird die Oberfläche durch eine Elektrode repräsentiert und der Lichtbogen wird zwischen dieser Elektrode und der folgenden Elektrode vorgesehen. Bevorzugt wird Wechselstrom zusammen mit Metallpulver durch die Kontaktzone zwischen der Elektrode und dem Bauteil oder seiner Oberfläche geleitet.
Die Elektrode, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren angelegt wird, kann eine sich drehende Rolle sein, die von der ausgebildeten Pulverbeschichtung, die durch das Verfahren des Lichtbogenerhitzens erhalten wird, entfernt ist.
In einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wird die Rolle auf die Oberfläche des Bauteils gepresst, zum Beispiel durch Verwendung einer Feder oder eines anderen entsprechenden Mittels.
In einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführung wird das Pulver in dem Raum zwischen der Rolle und der Oberfläche des Bauteils vorgesehen.
In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung umfasst das erste und/oder das zweite Pulver C und/oder Si und/oder B und/oder Fe und/oder Cr und/oder Wolframcarbid. In den folgenden Tabellen werden zwei Beispiele gegeben, die für die Zusammensetzung des ersten Pulvers und des zweiten Pulvers nicht einschränkend sind, wobei alle Zahlen bezogen auf Gew.% angegeben werden. Anteile des eingesetzten hartlegierten Pulvers Erstes Pulver

Anteile in Gew.%

C Si B Fe Cr Ni

0,7–0,8 3,9–4,9 3,0–3,4 2,5–4,6 10 ÷ 12 der Rest

Co = 2–3% WC = 70%

Zweites Pulver

Anteile in Gew.%

C Si B Fe Cr Ni

0,7–0,8 3,9–4,9 3,0–3,4 2,4–4,6 10 ÷ 12 der Rest

Co = 11–13% WC = 54%
Die vorliegende Erfindung richtet sich weiterhin auf Einrichtungen, die mindestens eine mit einer Beschichtung vorgesehene Oberfläche aufweisen, wobei die Beschichtung nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt wird.
Die Oberfläche mit der Beschichtung kann Schneidemerkmale aufweisen. Dieses kann ein Schneiderand oder eine andere Funktionsfläche sein, die bestimmte Eigenschaften bieten muss.
Die Vorrichtung ist zum Beispiel ein Profilverbundinstrument, das eine kurvenförmige Form der Arbeitsfläche aufweisen kann, oder ein Werkstoff bearbeitendes Instrument oder ein Stempel oder ein anderes Werkzeug oder Instrument, das mit den gewünschten Eigenschaften zu versehen ist. Beispiele für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen sind Vorrichtungen zum Bearbeiten von Verbundflächen von Marmor und Granit, Walzenbahnen von Walzwerken, Trennscheibensägen, Fräswerkzeuge, Fräsräder für Steinschleifen etc.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung gehen aus der Ausführung der Erfindung hervor, die im Folgenden erläutert wird.
1 zeigt schematisch die Anordnung des Bauteils (Detail), dessen Oberfläche zu beschichten ist, sowie die Rollenelektrode. 2 ist eine schematische Querschnittansicht durch die Anordnung von 1.
Die Ausführung bezieht sich auf die Fertigung von Profilverbundwerkzeugen und -instrumenten, deren Schneideränder erfindungsgemäß in einem zweistufigen Prozess gebildet werden.
In einer ersten Stufe wird eine aus einem ersten Pulver hergestellte Vollmetallbeschichtung der Oberfläche eines Bauteils zugeführt. Das Pulver enthält Wolframcarbid und/oder Titancarbid und/oder Chromcarbid und/oder Hartlegierungen sowie ein Gemisch aus Nickel und Kobalt in geringem Anteil. Dieses Pulver wird mittels Lichtbogenerhitzen unter Verwendung einer sich drehenden Rolle, die eine Elektrode ist, zu einer Schicht ausgebildet. Die andere Elektrode ist das Bauteil oder dessen Oberfläche selbst.
Wechselstrom zusammen mit dem ersten Pulver wird durch die Kontaktzone zwischen der Rolle und der Oberfläche des Bauteils geleitet.
Das Verfahren umfasst das Einarbeiten der aus Kohlenstoffstahl bestehenden Funktionsflächen durch eine sich drehende Rolle. Unter Einarbeiten versteht sich Folgendes: damit das Pulver von der Rollenelektrode ständig gegriffen wird, gleitet die Rolle auf Kosten von Linearvorschub oder Quertischvorschub der Reihe nach entlang der gesamten Bauteiloberfläche. Wenn das Bauteil ein sich drehender Körper ist, dann erfährt die Rolle Drehung von dem sich drehenden Bauteil, das in einer eine Maschine drehenden Spindel befestigt ist, wie in 1 und 2 gezeigt wird.
In der zweiten Stufe wird ein Pulver mit der gleichen Zusammensetzung wie die erste Zusammensetzung, aber mit einem höheren Anteil der Nickel und Kobalt enthaltenden Mischung der ersten Pulverschicht zugeführt und dann wie vorstehend beschrieben mit dem Lichtbogenerhitzen behandelt.
Das Verfahren dieser Ausführung sieht abriebbeständige, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberflächen von zum Beispiel Vorrichtungen wie Stempeln, Profilverbund-Stanz- und/oder Werkstoffbearbeitungswerkzeugen, -instrumenten etc. vor.
Die 1 und 2 zeigen das Bauteil (Detail) 10, dessen Oberfläche durch Anwenden des erfindungsgemäßen Verfahrens zu beschichten ist. Aus diesem Grund wird eine Wechselstromquelle 20 vorgesehen, die einen Wechselstrom zwischen dem Bauteil 10, das eine Elektrode ist, und einer Rollenelektrode 30 erzeugt, die durch Verwendung der Feder 40 an die Oberfläche des Bauteils 10 gepresst wird. In der vorliegenden Ausführung wird der gesamte Arbeitsgang des Vorsehens von Pulver unter ständigem Leiten von elektrischem Strom und entsprechendem Erhitzen der Erhitzungs-/Sinterzone sowohl während des Vorsehens der ersten Schicht als auch während des Vorsehens der zweiten Schicht ausgeführt.
Wie in 2 gezeigt läuft das Pulver 50 ständig aus einem Behälter heraus durch das Bauteil 10 und die Rollenelektrode 30, die mittels der Feder 40 eng an das Bauteil 10 gepresst wird. Pulver gelangt in den Raum zwischen dem Bauteil 10 und der Rollenelektrode 30, wird dann zusammengepresst und bis zum endgültigen Erhitzen von dem elektrischen Strom erhitzt. Elektrischer Strom wird durch das Bauteil 10 und die Rolle 30 geleitet. Wie in 1 und 2 gezeigt wird, ist eine der Elektroden ein Bauteil 10 und die andere ist die Rolle 30. Das Pulver 50 ist elektrisch leitend, so dass der Strom durch das Pulver zwischen den Elektroden fließen kann.
Die Rollenelektrode 30 gleitet durch Verwendung eines Linear- oder Quervorschubs ständig der Reihe nach entlang der gesamten Bauteiloberfläche. Die Rolle 30 kann mit einer Antriebseinrichtung versehen sein, die die Drehbewegung der Rolle 30 vorsieht. Es ist aber auch denkbar, dass die Rolle 30 ihre Drehung aus dem sich drehenden Bauteil 10 erhält, das in der Spindel einer Drehmaschine befestigt ist, wie in 1 und 2 gezeigt wird.
Wie in 2 gezeigt wird, wird das Pulver 50 von dem Schwinggefäßförderer 60 durch einen gleichmäßigen Strom ständig vorgesehen. Das Pulver, das nicht in die Erhitzungszone geliefert wurde, wird gesammelt und dann erneut zu dem Schwinggefäßförderer 60 geleitet
Die Rollenelektrode 30 ist ein bewegliches Element, das mittels zum Beispiel einer Feder 40 an das Bauteil 10 gepresst wird. Während des Prozesses des Vorsehens von Pulver bleiben bei ständigem Drehen des Bauteils 10 Pulverpartikel 50 zwischen dem Bauteil 10 und der Rolle 30 stecken. Das Bauteil (Detail) 10 kann mittels der Rolle 30 gedreht werden oder die Rolle 30 kann mittels des Bauteils 10 gedreht werden. Alternativ werden sowohl das Bauteil 10 als auch die Rolle 30 durch eine Antriebseinrichtung angetrieben. Die Rolle 30 wird durch eine Feder 40 zusammengepresst. Während der Übertragung des elektrischen Stroms wird entsprechendes Pulvererhitzen mit gleichzeitigem Zusammenpressen des Pulvers auf der Bauteiloberfläche beobachtet.
Wie in 2 gezeigt wird, berührt die Rolle 30 das Pulver 50 direkt.
Wie vorstehend erläutert, ist es bei Sintern der ersten Beschichtung, wobei das Ausbilden einer massive flachen Beschichtung erforderlich ist, möglich, ein erstes Pulver ohne Kobaltanteil, aber mit dem erforderlichen Nickelanteil zu verwenden. In diesem Fall sinkt aber die Produktivität der Technologie, da aufgrund der Tatsache, dass dessen Dämpfungswinkel an der Wolframcarbidfläche null ist, der optimale Träger für die Wolframcarbidpartikel Kobalt ist. Ohne Verfügbarkeit von Kobalt sollte der Prozess des Bauteileinarbeitens durch die Rolle wiederholt werden. In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt der Kobaltanteil des ersten Pulvers 1 bis 5 Gew.%.
Bei Sintern der zweiten Beschichtung sollte das Pulver sowohl Kobalt als auch Nickel zum Bilden einer dicken Rohbeschichtung bevorzugt von 1 bis 3 mm umfassen, wobei Schneideränder gebildet werden.

Claims

Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche eines Bauteils (Detail), wobei das Verfahren umfasst: die Schritte des Vorsehens eines ersten Pulvers auf der Oberfläche, des Erhitzens dieses ersten Pulvers durch Lichtbogenerhitzen, wodurch eine erste Schicht gebildet wird, des Vorsehens eines zweiten Pulvers auf der ersten Schicht und des Erhitzens dieser zweiten Schicht durch Lichtbogenerhitzen, wodurch eine zweite Schicht gebildet wird, wobei das erste Pulver Nickel oder Nickel und Kobalt umfasst, wobei das zweite Pulver Nickel und Kobalt umfasst und wobei der Anteil an Kobalt im ersten Pulver niedriger als der Anteil an Kobalt im zweiten Pulver ist.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver kein Kobalt umfasst.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kobalt in dem ersten Pulver 1 bis 5 Gew.% beträgt.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kobalt in dem ersten Pulver 2 bis 3 Gew.% beträgt.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kobalt in dem zweiten Pulver 10 bis 14 Gew.% beträgt.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Kobalt in dem zweiten Pulver 11 bis 13 Gew.% beträgt.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver und/oder das zweite Pulver ein oder mehrere Carbide enthält.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Pulver und/oder das zweite Pulver ein oder mehrere hartlegierte Pulver enthält.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbide Wolfram- und/oder Titan- und/oder Chromcarbide sind.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtbogenerhitzen durch Anlegen bevorzugt eines Wechselstroms zwischen der Oberfläche und der Elektrode ausgeführt wird.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Elektroden eine drehbare Rolle ist und die andere der Elektroden das Bauteil (Detail) ist.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rolle auf die Oberfläche des Bauteils (Detail) gepresst wird.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver in dem Raum zwischen der Rolle und der Oberfläche des Bauteils vorgesehen wird.
Verfahren zum Vorsehen einer Beschichtung auf einer Oberfläche nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite Pulver C und/oder Si und/oder B und/oder Fe und/oder Cr und/oder Wolframcarbid umfasst.
Einrichtung mit mindestens einer Oberfläche, die mit einer Beschichtung versehen ist, die nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche mit der Beschichtung Schneidemerkmale besitzt.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung durch ein Profilverbundinstrument oder ein Werkstoff bearbeitendes Instrument oder einen Stempel dargestellt wird.