DE102008001721A1

DE102008001721A1 - Verfahren zum Beschichten einer Klinge

Info

Publication number: DE102008001721A1
Application number: DE102008001721A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Mayr
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2008-05-13
Publication date: 2009-11-19
Anticipated expiration: 2028-05-14
Also published as: DE102008001721B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Beschichten einer Klinge, insbesondere einer ein Stahlsubstrat enthaltenden Klinge, durch thermisches Spritzen wird ein Spritzzusatzwerkstoff erschmolzen oder angeschmolzen und auf die Klingenoberfläche geschleudert. Dabei wird ein Spritzzusatzwerkstoff verwendet, der wenigstens einen Nanowerkstoff enthält. Die Beschichtung wird mittels eines für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF-, HVAF- und/oder Plasma-Systems auf die vorbereitete Klingenoberfläche aufgebracht. Es wird auch eine entsprechende Beschichtungsvorrichtung angegeben.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Klinge, insbesondere einer ein Stahlsubstrat enthaltenden Klinge, durch thermisches Spritzen, bei dem ein Spritzzusatzwerkstoff erschmolzen oder angeschmolzen und auf die Klingenoberfläche geschleudert wird. Sie betrifft ferner eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 21.
Derzeit werden im Bereich des thermischen Beschichtens Spritzpulver eingesetzt, deren Korngrößenverteilung für HVOF-Anwendungen (HVOF = High Velocity Oxy Fuel, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen) typischerweise in einem Bereich von 45 μm ± 15 μm und bei Plasma-Anwendungen in einem Bereich von 63 μm ± 10 μm liegen.
Die Spritzkorngröße beruht auf der Fluidisierung des Pulverbetts in der Fördereinheit sowie auf der Förderbarkeit der Pulver.
Bei Hartmetallen liegt in agglomeriert gesinterten Pulvern die typische Primärkorngröße des Hartmetalls beispielsweise für Wolframcarbid in einem Bereich zwischen 1 und 2,5 μm oder für Chromcarbid in einem Bereich > 3 μm.
Durch die Größe der Carbide ist auch die Rauhigkeit der gespritzten Oberfläche nach dem Applizieren der Schicht maßgeblich bestimmt.
Neue Fördertechnologien sowie modifizierte Spritztechnologien wie beispielsweise das HVSFS-System (HVSFS = High Velocity Suspension Flame Spraying) schaffen nunmehr jedoch die Möglichkeit, auch feinere Spritzpulverfraktionen zu verar beiten, ohne dass dabei das Pulverbett in der Fördereinheit zusammenpackt. Damit wird der Einsatz von Nanocarbiden und Nanokeramiken in Spritzpartikeln << 10 μm möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren sowie eine verbesserte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit denen mit der aufgebrachten Beschichtung aufgrund einer höheren Verschleißfestigkeit gegenüber dem Klingensubstrat eine länger anhaltende, gleichmäßigere Klingenkontur sowie eine verbesserte Standzeit der von der Klinge beaufschlagten Arbeitsfläche gewährleistet sind.
Bezüglich des Verfahrens wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Spritzzusatzwerkstoff verwendet wird, der wenigstens einen Nanowerkstoff enthält, und dass die Beschichtung mittels eines für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF-, HVAF- und/oder Plasma-Systems auf die vorbereitete Klingenoberfläche aufgebracht wird.
Dabei handelt es sich bei dem FS-System um ein Flammspritzsystem (FS = Flame Spraying), bei dem HVOF-System um ein Hochgeschwindigkeitsflammspritz-System (HVOF = High Velocity Oxy Fuel) und bei dem HVAF-Verfahren um ein ”High Velocity Air Fuel”-System.
Damit kann die Messergeometrie der unbeschichteten Klinge beispielsweise an einer dafür vorgesehenen Schleifvorrichtung eingestellt und die insbesondere als Verschleißschutzschicht dienende Beschichtung durch konturnahes Spritzen aufgebracht werden. Der Overspray (Spritzpulververbrauch) sowie der Schleifaufwand bei der Nachbearbeitung der beschichteten Messer wird dadurch deutlich reduziert.
Bevorzugt wird eine Beschichtung auf metallischer, carbidischer und/oder keramischer Basis auf die Klingenoberfläche aufgebracht.
Die Beschichtung kann insbesondere auf eine vorgeschliffene und aufgeraute Klingenoberfläche und damit Klingenkontur aufgebracht werden.
Zum Aufbringen der Beschichtung kann ein mit nur einer Brennkammer oder Pistole oder auch ein mit mehreren Brennkammern oder Pistolen versehenes für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes System verwendet werden.
Bevorzugt wird eine Suspension eingesetzt, deren Lösungsmittel in einer Brennkammer, insbesondere Brennkammer einer Pistole, u. a. als Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird.
In der Suspension kann Hartstoff- und Rinderphase oder Keramik vorliegen.
Hartstoff und Binder können in Partikelgrößen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm in der Suspension stabilisiert werden.
Die Größe der verarbeiteten Nanowerkstoffe liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 950 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 nm.
Die Korngrößen von zugesetzten Binderanteilen können in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 nm liegen.
Gemäß einer bevorzugten praktischen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt die Korngrößenverteilung des Spritzzusatzwerkstoffs in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 15 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 nm und etwa 5 μm.
Die Dicke der Klinge ohne Beschichtung liegt vorteilhafterweise in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 2 mm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 1 mm.
Als Klinge ist bevorzugt eine Federstahl-, Edelstahl-, Monel- oder Bronzeklinge vorgesehen.
Eine vorteilhafte praktische Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass als Spritzzusatzwerkstoff zumindest ein Metall der 3. bis 5. Periode, zumindest eine Legierung auf Eisen-, Kobalt-, Kupfer- und/oder Nickelbasis, zumindest ein Hartmetall auf WC-, Cr₃C₂- und/oder TiC-Basis mit M als Rinderphase, mit M = Ni, NiCr, CoCr oder NiCoCr, zumindest ein Carbonitrid, zumindest ein Borid der Ti-, V- und Cr-Gruppe, zumindest eine Ein- oder Mehrphasen-Keramik auf Cr₂O₃- oder Al₂O₃-Basis und/oder wenigstens ein Metall der seltenen Erden vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 99,995 wt% eingesetzt wird.
Bevorzugt wird die Beschichtung mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 300 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 150 μm hergestellt.
Zur Herstellung einer keramischen Beschichtung mittels thermischen Spritzens wird vorteilhafterweise zunächst eine Haftschicht auf die Klingenoberfläche aufgebracht.
Dabei ist die Haftschicht vorzugsweise so gewählt, dass unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und E-Moduli der keramischen Beschichtung und des Klingensubstrats zumindest einander angeglichen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen ausgeglichen werden.
Von Vorteil ist insbesondere auch, wenn die Haftschicht zumindest ein Metall der 3. bis 5. Periode und/oder zumindest eine Legierung auf Eisen-, Kobalt-, Kupfer- und/oder Nickelbasis enthält.
Bevorzugt wird die Haftschicht mit einer Dicke in einem Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 100 μm und vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 50 μm hergestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit besonderem Vorteil zum Beschichten von insbesondere bei der Papierherstellung eingesetzten Streich-, Putz- und/oder Kreppklingen oder -messern verwendbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass sie ein für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes FS-, HVOF-, HVAF- und/oder Plasma-System umfasst, dem als Spritzzusatzwerkstoff wenigstens ein Nanowerkstoff zuführbar ist.
Die aufgebrachte Beschichtung auf insbesondere metallischer, carbidischer oder keramischer Basis bringt aufgrund einer höheren Verschleißfestigkeit gegenüber dem Substrat, insbesondere Stahlsubstrat der Klinge eine länger anhaltende, gleichmäßige Klingenkontur sowie eine höhere Standzeit der Arbeitsfläche bzw. Arbeitsflächen der Streich-, Putz- und Kreppmesser mit sich. Ein wesentlicher Vorteil der eingesetzten Nanowerkstoffe besteht darin, dass die Messergeometrie der unbeschichteten Klinge an einer dafür vorgesehenen Schleifvorrichtung eingestellt und die insbesondere als Verschleißschutzschicht dienende Beschichtung durch konturnahes Spritzen aufgebracht werden kann. Der Overspray (Spritzpul ververbrauch) sowie der Schleifaufwand bei der Nachbearbeitung der beschichteten Messer wird dadurch deutlich reduziert.
Die Beschichtung wird mit für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF-, HVAF- oder Plasma-Systemen mit einer oder mehreren Pistolen auf die Oberfläche der vorgeschliffenen und aufgerauten Klingenkontur aufgebracht.
Der wesentliche Unterschied zum HVSFS- bzw. Plasma-Suspensions-Verfahren (HVSFS = High Velocity Suspension Flame Spraying) besteht darin, dass keine herkömmlichen Pulver (z. B. gesintert gebrochen, agglomeriert und gesintert) und keine herkömmlichen Pulverförderer zum Einsatz kommen. Es wird eine Suspension eingesetzt, deren Lösungsmittel in der Brennkammer der Pistole unter anderem als Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird. In der Suspension liegt Hartstoff- und Kinderphase oder Keramik vor. Hartstoff und Binder können nun in beliebigem Verhältnis und in Partikelgrößen von etwa 10 nm bis etwa 10 μm in der Suspension stabilisiert werden. Dadurch sind neue Werkstoffkombinationen (Hartmetall-Binder, Oxidmischungen, Oxid-Hartstoff-Kombinationen) zugänglich, die auf herkömmlichen Pulverherstellungswegen bislang nicht herstellbar waren.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung; in dieser zeigen:
1 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und
2 verschiedene Varianten von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschichteten Klingen.
1 zeigt in schematischer Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform einer Vorrichtung 10 zur Beschichtung einer Klinge 12 durch thermisches Spritzen.
Die Vorrichtung 10 umfasst eine Fördereinheit 14, eine mit dieser verbundene Pistole 16 zur Erzeugung einer Flamme 18, eine Flammüberwachung 20 sowie eine mit der Flammüberwachung 20 verbundene Anzeige 22.
Die Klinge 12 kann dabei beispielsweise auf einen Dorn gewickelt und an der Pistole 16 mit geeigneter Geschwindigkeit und entsprechend angepasstem Vorschub vorbeigedreht oder auch von einer Rolle abgewickelt, an der Pistole 16 mit geeigneter Geschwindigkeit vorbeigeführt und auf einer weiteren Rolle wieder aufgewickelt werden.
Zum Aufbringen der Beschichtung 24 auf die Klinge 12 umfasst die Vorrichtung 10 ein für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes FS-, HVOF-, HVAF- und/oder Plasma-System, dem als Spritzzusatzwerkstoff wenigstens ein Nanowerkstoff zuführbar ist.
2 zeigt verschiedene Varianten von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschichteten Klingen. Bei dem Substrat der Klinge 12 kann es sich beispielsweise um Federstahl, Edelstahl (insbesondere Putzschaber), Bronzen und Monel handeln. Keramikvarianten werden bevorzugt mit einer Haftschicht ausgeführt (zwei Lagen). Hartmetalischichten sind in der Regel einlagig.
Die Klinge 12 wird vor dem Beschichten geeignet vorbehandelt, insbesondere zur verbesserten Haftung vorgeschliffen und/oder aufgeraut. Hierbei bieten sich insbesondere Sandstrahlen und Bürsten in Längs- und Querrichtung der Klingenerstreckung an.
2a zeigt eine mit einer Haftschicht 26 und einer Beschichtung 24 versehene Klinge 12 mit einem Substrat 28 aus Federstahl. Die Haftschicht kann Metall, wenigstens eine Legierung und/oder wenigstens ein Hartmetall enthalten. Die Beschichtung 24 enthält im vorliegenden Fall beispielsweise eine Oxidkeramik.
2b zeigt eine lediglich mit einer Beschichtung 24 versehene Klinge 12 mit einem Substrat 28 aus Federstahl. Die Beschichtung 24 enthält im vorliegenden Fall beispielsweise ein Hartmetall aus einer Legierung und einem Metallcarbid, -borid und/oder -nitrid und/oder eine Kombination davon.
Die in den beiden 2a und 2b gezeigten Klingen 12 können zudem jeweils wie folgt beschaffen sein: 1 Phase auf der Wate, 0–90°, Stiff/Bent/Kombianwendungen.
2c zeigt eine mit einer Haftschicht 26 und einer Beschichtung 24 versehene Klinge 12 mit einem Federstahlsubstrat 28. Die Haftschicht 26 enthält Metall, zumindest eine Legierung und/oder zumindest ein Hartmetall. Die Beschichtung 24 enthält im vorliegenden Fall beispielsweise wieder eine Oxidkeramik.
2d zeigt eine lediglich mit einer Beschichtung 24 versehene Klinge 12 mit einem Federstahlsubstrat 28. Die Beschichtung 24 enthält Hartmetall aus einer Legierung und einem Metallcarbid, -borid und/oder -nitrid oder einer Kombination davon. Als Substrat 28 ist wieder ein Federstahlsubstrat vorgesehen.
Die beiden in den 2c und 2d gezeigten Klingen besitzen überdies die folgende Beschaffenheit: 2 Phasen auf Wate zwischen 0–90°, Stiff/Bent/Kombianwendungen.

10: Vorrichtung
12: Klinge
14: Fördereinheit
16: Pistole
18: Flamme
20: Flammenüberwachung
22: Anzeige
24: Beschichtung
26: Haftschicht
28: Substrat

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Klinge (12), insbesondere einer ein Stahlsubstrat enthaltenden Klinge (12), durch thermisches Spritzen, bei dem ein Spritzzusatzwerkstoff erschmolzen oder angeschmolzen und auf die Klingenoberfläche geschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, dass ein Spritzzusatzwerkstoff verwendet wird, der wenigstens einen Nanowerkstoff enthält, und dass die Beschichtung (24) mittels eines für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifizierten FS-, HVOF-, HVAF- und/oder Plasma-Systems auf die vorbereitete Klingenoberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Beschichtung (24) auf metallischer, carbidischer und/oder keramischer Basis auf die Klingenoberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klingenoberfläche durch Vorschleifen und/oder Aufrauen vorbereitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Beschichtung (24) ein mit nur einer Brennkammer oder Pistole (16) versehenes für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes System verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Beschichtung (24) ein mit mehreren Brennkammern oder Pistolen (16) versehenes für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes System verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension eingesetzt wird, deren Lösungsmittel in einer Brennkammer, insbesondere Brennkammer einer Pistole (16), u. a. als Brennstoff mit Sauerstoff verbrannt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Suspension Hartstoff- und Binderphase oder Keramik vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Hartstoff und Binder in Partikelgrößen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm in der Suspension stabilisiert werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Größe der verarbeiteten Nanowerkstoffe in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 950 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 nm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößen von zugesetzten Binderanteilen in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 10 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 bis etwa 500 nm liegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngrößenverteilung des Spritzzusatzwerkstoffs in einem Bereich von etwa 10 nm bis etwa 15 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 10 nm und etwa 5 μm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Klinge (12) ohne Beschichtung (24) in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 2 mm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,25 bis etwa 1 mm liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Klinge (12) eine Federstahl-, Edelstahl-, Monel- oder Bronzeklinge vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzzusatzwerkstoff zumindest ein Metall der 3. bis 5. Periode, zumindest eine Legierung auf Eisen-, Kobalt-, Kupfer- und/oder Nickelbasis, zumindest ein Hartmetall auf WC-, Cr₃C₂- und/oder TiC-Basis mit M als Binderphase, mit M = Ni, NiCr, CoCr oder NiCoCr, zumindest ein Carbo nitrid, zumindest ein Borid der Ti-, V- und Cr-Gruppe, zumindest eine Ein- oder Mehrphasen-Keramik auf Cr₂O₃- oder Al₂O₃-Basis und/oder wenigstens ein Metall der seltenen Erden vorzugsweise in einem Bereich von etwa 0,05 bis etwa 99,995 wt% eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (24) mit einer Dicke in einem Bereich von etwa 0,15 bis etwa 300 μm und vorzugsweise in einem Bereich von etwa 1 bis etwa 150 μm hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung einer keramischen Beschichtung (24) mittels thermischen Spritzens zunächst eine Haftschicht (26) auf die Klingenoberfläche aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (26) so gewählt wird, dass unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten und E-Moduli der keramischen Beschichtung (24) und des Klingensubstrats (28) zumindest einander angeglichen, vorzugsweise zumindest im Wesentlichen ausgeglichen werden.
Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (26) zumindest ein Metall der 3. bis 5. Periode und/oder zumindest eine Legierung auf Eisen-, Kobalt-, Kupfer- und/oder Nickelbasis enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (26) mit einer Dicke in einem Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 100 μm und vorzugsweise in einem Bereich zwischen etwa 0,05 und etwa 50 μm hergestellt wird.
Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum Beschichten von insbesondere bei der Papierherstellung eingesetzten Streich-, Putz- und/oder Kreppklingen.
Vorrichtung (10) zum Beschichten einer Klinge (12), insbesondere einer ein Stahlsubstrat (28) enthaltenden Klinge, durch thermisches Spritzen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein für das Verarbeiten von Nanowerkstoffen modifiziertes FS-, HVOF-, HVAF- und/oder Plasma-System umfasst, dem als Spritzzusatzwerkstoff wenigstens ein Nanowerkstoff zuführbar ist.