DE1671130C

DE1671130C - Verfahren zur Herstellung von Über zügen

Info

Publication number: DE1671130C
Authority: DE
Inventors: Rath Ronald Indianapolis Ind Hugh (V St A )
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Publication date: 1972-12-21

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von rauhen knötchenför jiigen überzügen durch Auftragen eines pulverförmigen Gemisches von Metallen und Oxyden mittels eines elektrischen Lichtbogens.

Es gibt verschiedene Verfahren zum überziehen von Unterlagen mit überzügen, die abriebsfest sind und beständig sind gegen Korrosion und/oder Oxydation. Bei einem dieser Verfahren verwendet man einen elektrischen Lichtbogen unter hohem Druck. Dieser Lichtbogen wird hergestellt zwischen einer nicht abschmelzenden Elektrode und einer im Abstand davon befindlichen zweiten Elektrode. Ein Gas wird an der nicht abschmelzenden Elektrode so vorbeigeführt, daß es den Lichtbogen aufnimmt. Das Gas und der Lichtbogen werden durch eine Düse eingeschnürt und treten aus dieser mit einem hohen Wärmegehalt aus. Pulverförmiges Uberzugsmaterial wird in die Düse gegeben, von wo es mitgerissen und auf der zu überziehenden Oberfläche niedergeschlagen wird. Auf diese Art werden dichte und auf der Unterlage gut haftende überzüge hergestellt, die aus unregelmäßig geformten mikroskopischen Blättchen bestehen, welche miteinander vernetzt und verschweißt sind.

So hergestellte überzüge haben ein charakteristisches Oberflächenprofil. Bestimmt man die Rauhigkeit dieser Oberfläche nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate, so findet man Erhöhungen bzw. Vertiefungen von weniger als 2,5 Mikron.

Es ist ferner bekannt. Gemische von Aluminiumoxyd oder Zinkoxyd mit metallischem Wolfram durch einen Plasmastrahl im Lichtbogen auf eine Unterlage aufzutragen. Bei diesem Verfahren werden keine rauhen knötchenfdrmigen überzüge erhalten.

Nach der USA.-Patentschrift 3 150 938 ist es bekannt, durch Auftragen mit Hilfe von Detonationen einen überzug aus 70 bis 90% Chromcarbid und 10 bis 30% Nickel und Chrom herzustellen. Diese überzüge sind aber glatt, so daß sie für bestimmte Zwecke nicht verwendbar sind.

In der Textilindustrie ist es bekannt, daß Gegenstände mit einem überzug aus Metalloxyd mit einer knötchenförmigen Struktur ohne scharfe Spitzen sehr abriebsfest sind und bei verhältnismäßig hohen Geschwindigkeiten eine geringe Reibung gegenüber Garnen, Fäden und Geflechten haben. Bis jetzt war es aber nicht möglich, derartige überzüge mit knötcheniörmigen Oberflächen herzustellen, wenn man zum Aufbringen das Lichtbogenverfahren verwendete. Die nach diesem Verfahren hergestellten überzüge waren verhältnismäßig glatt mit einer Rauhigkeit von weniger als 2,5 Mikron. Die geringen Erhöhungen erlaubten nicht die Ausbildung des gewünschten knötchenförmigen Überzuges.

Es wurde nun gefunden, daß beim Aufbringen eines pulverformigen Gemisches aus 20 bis 40 Gewichtsprozent Chrom, Nickel, Aluminium oder von zwei oder mehreren dieser Metalle und 60 bis 80 Gewichtsprozent Chromoxyd, Aluminiumoxyd, Titanoxyd oder von zwei oder mehreren dieser Oxyde mittels eines elektrischen Lichtbogens ein rauher knötchenförmiger überzug erhalten wird. Ein solcher überzog hat Erhöhungen bzw. Vertiefungen von 3,8 bis 6,4 Mikron ohne scharfe Spitzen.

Gegenstände mit erfindungsgemäß hergestellten überzügen sind auch bei hohen Temperatur«·,! sehr abriebsfest and werden vor allem in der Textilindustrie gebraucht.

Es wurde gefunden, daß sich mit den erfindungsgemäßen Mischungen nicht nur überzüge mit einer knötchenförmigen Oberfläche herstellen lassen, sondern daß derartige überzüge auch bei Temperaturen über 500 bis 900⁰C sehr abriebsfest sind. Eines von solchen Systemen ist Chrom-Chromoxyd. Derartige überzüge können mit Erfolg auch in der Luftfahrtindustrie verwendet werden, z. B. dort, wo Abdichtungen und Lager abriebsfest bei Temperaturen über 750⁰C sein müssen.

Andere Beispiele von Systemen aus Metall und Metalloxyd, die beim Auftragen mittels eines elektrischen Lichtbogens eine rauhe, knötchenfönnige Oberfläche ergeben, sind die Systeme Chrom-Aluminiumoxyd, Aluminium-Aluminiumoxyd, Nickel-Aluminiumoxyd, Chrom-Titanoxyd, Aluminium-Titanoxyd.

Gut geeignete Gemische sind beispielsweise die folgenden: 40 Gewichtsprozent Chrom im Gemisch mit 60 Gewichtsprozent Chromoxyd, 20 Gewichtsprozent Chrom mit 80 Gewichtsprozent Chromoxyd, 40 Gewichtsprozent Chrom mit 60 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd, 40 Gewichtsprozent Aluminium mit 60 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd, 40 Gewichtsprozent Nickel mit 60 Gewichtsprozent Aluminiumoxyd.

Bekanntlich müssen derartige überzüge hart und abriebfest sein, sie dürfen aber nicht so spröde sein, daß sie zerstört werden. Bei Verwendung in der Textilindustrie müssen die überzüge eine knötchenförmige Oberfläche haben, damit man Fasern über sie hinwegleiten kann.

Die bevorzugte Zusammensetzung aus Chrom und Chromoxyd gibt nicht nur einen überzug mit knötchenförmiger Oberfläche, sondern ein solcher überzug ist auch bei hohen Temperaturen sehr abriebsfest. Derartige überzüge können in der Textilindustrie und Luftfahrtindustrie Verwendung finden. Als Ausgangsstoff kann entweder ein Gemisch oder eine Legierung von Chrom und Chromoxyd verwendet werden. Verwendet man ein Gemisch, so muß dieses so zusammengesetzt sein, daß es einerseits gut abriebsfest ist, andererseits durch das metallische Chrom die erforderliche Duktilität hat. Diese Duktilität ermöglicht es dem überzüge, sich auf der Unterlage auszudehnen. Ein bevorzugtes Gemisch besteht aas 60% Chromoxyd und 40% Chrom. Ein solcher gepulverter Ausgangsstoff besteht beim Durchgang durch den elektrischen Lichtbogen aus einzelnen Teilchen der Ausgangsstoffe. Verwendet man als Aus-

gangsstoff eine gepulverte Legierung von Chrom und Chromoxyd, so enthält diese Zusammensetzung vorzugsweise 80% Chromoxyd und 20% Chrom. Größere Mengen von Chrom über 20% hinaus legieren sich nicht mehr mit Chromoxyd.

Die Vorzüge der erfindungsgemäß hergestellten überzüge gehen ans der folgenden Tab.-¹Ie hervor. Dort wird die relative Abriebsfestigkeit \iracbiedener Stoffe bei verschiedenen und hohen Temperaturen miteinander verglichen. Die Versuche wurden so durchgeführt, daß man eine überzogene Scheibe gegen die Oberfläche einer mit demselben Stoff überzogenen Scheibe rotieren ließ. Die Scheiben wurden mit einem Druck von 35 kg/cm² gegenemandergedriickt Die Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 43,8 U/Min. Ein Schmiermittel wuide nicht verwendet

überzog	Rauhigkeit Mikron	Temperatur	Abrieb Mikron/1000 m	Bemerkungen
Cr-Cr₂O₃	5,08	Raumtemperatur	0,50 bis 0^8
(Legierung)		bis 760⁰C
Cr-Cr₂O₃	5,08	760°C	0,25 bis 033	schlecht bei
(Gemisch)				Raumtemperatur
Cr₂O₃	142	Raumtemperatur	0,25 bis 0,33	schnelle Zerstörung
		bis 540° C		über 54o°C
Cr₂O₃Ws 16% Al₂O₃	244	760° C	1,67 bis 2,08

Die Tabelle zeigt, daß überzüge aus Chromoxyd und Chrom eine gute Abriebsfestigkeit bei Temperaturen über 540° C haben. Ein überzug aus Chromoxyil hat eine gute Abriebsfestigkeit bei Raumtemperatur, wird aber bei Temperaturen über 54O°C schnell zerstört. Ein überzag aus Chromoxyd und Aluminiumoxyd, der durch eine L detonation aufgetragen war, hat einen etwa fünfmal größeren Abrieb als der überzug aus Chrom und Chromoxyd. Die Werte für die Rauhigkeit zeigen, daß beim Aufbringen mittels eines elektrischen Lichtbogens eine knötchenförmige Oberfläche entstanden ist

Zahlreiche Gase können für den Lichtbogen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet werden. Typische derartige Gase sind beispielsweise Argon, Helium, Stickstoff, Wasserstoff oder Mischungen dieser Gase.

Die überzüge können auf geeignete Unterlagen aufgebracht werden, z. B. auf Graphit oder Metalle mit einer Rockwell-C-Härte von weniger als 60. Eine derartige Härte ist erforderlich, damit der überzug gut auf der Unterlage haftet

Wie schon oben ausgeführt, erhält man nach dem Stande der Technik, wie er sich aus der USA.-Patentschrift 3 150 958 ergibt, glatte und nicht die erfindungsgemäßen rauhen knötchenförmigen Überzüge.

Um festzustellen, ob diese Unterschiede tatsächlich auftreten, wurden Mischungen gemäß der Erfindung und Mischungen nach dem erwähnten Stande der Technik auf verschiedene Träger aufgebracht. Es wurden dann die Rauhigkeiten nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate bestimmt.

Hierbei erwies es sich, daß überzüge nach dem Stande der Technik Erhöhungen bzw. Vertiefungen von weniger als höchstens 5 Mikron, im Durchschnitt weitaus weniger, aufwiesen, überzüge nach der Erfindung hatten demgegenüber Erhöhungen bzw. Vertiefungen von mehr als 5 Mikron, in der Regel von etwa 7,5 Mikron.

Weiterhin wurden die Härten der beiden Arten von überzügen mit Hilfe eines pyramidenförmigen Diamanten gemessen. Hierbei wurde Festgestellt, daß die überzüge nach dem Stande der Technik eine mittlere Härte von nur 480 hatten, während die überzüge nach der Erfindung eine mittlere Härte von 750 hatten. Mit überzügen nach dem Stande der Technik versehene Gegenstände können also nicht in der Textilindustrie verwendet werden. Demgegenüber sind mit überzügen nach der Erfindung versehene Gegenstände hervorragend für die Textilindustrie geeignet.

Beispiel 1

Fin pulverförmiges Gemisch aus 60% Chromoxyd und 40% Chrom wurde in einer Menge von 26 g/Min. aus einer Entfernung von etwa C,5 mm mitte!;, eines elektrischen Lichtbogens auf Abstandshalter Tür die Wellen von Turbinen aufgetragen. Die Abstandshalter wurden mit Kohlendioxyd gekühlt, so daß sie beim überziehen eine Temperatur von 40 bis 50⁰C hatten. Stündlich wurden insgesamt etwa 8,5 m³ Argon zugeführt. Als zusätzliches Abschirmgas wurden ferner stündlich etwa 1,1 m³ Stickstoff zugeführt. Neun Muster erhielten überzüge mit einer Dicke von 150 bis 200 Mikron. Die überzüge hatten eine knötchenförmige Oberfläche mit einer Rauhigkeit von etwa 5 Mikron.

B e i s ρ i e I 2

Nach Beispiel 1 wurde eine gepulverte Legierung aus 80% Chromoxyd und 20% Chrom aufgetragen, überzogen wurden zwei Scheiben von etwa 3,8 cm Durchmesser aus einer Legierung von 73,0% Nickel, 15,0% Chrom, 2,5% Titan, 7,0% Eisen, 0,7% Aluminium, 0,5% Mangan, 0,4% Silicium und 0,04% Kohlenstoff. Die als Ausgangsstoff verwendete Legierung war hergestellt durch Erhitzen der beiden Stoffe in einem Tiegel, Abkühlen und Zerkleinern und Vermählen zu einem Pulver. Das Pulver wurde dem Lichtbogen in einer Menge von 26 g/Min, zugeführt. Der Lichtbogen befand sich in einer Entfernung von 5 mm von den Scheiben. Die Scheiben wurden während des Auftragens mit Kohlendioxyd gekühlt, überzüge mit einer Dicke von etwa 250 bis 300 Mikron wurden hergestellt. Die überzüge hatten eine knötchenförmige Oberfläche mit einer Rauhigkeit von etwa 5 Mikron.

Beispiel 3

Sechs Spannscheiben, die in der Textilindustrie als Fadenführer verwendet wurden, wurden mit einem Gemisch aus 60% Chromoxyd und 40% Chrom nach dem oben beschriebenen Verfahren überzogen. Die überzüge hatten eine Dicke von etwa 175 Mikron und eine Rauhigkeit von etwa 5 Mikron.

Beispiel 4

Nach dem oben beschriebenen Verfahren wurde ein pulverförmiges Gemisch aus 60% Aluminiumoxyd und 40% Aluminium in einer Menge von 26 g/Min, aus einer Entfernung von etwa 5 bis 6,5 mm auf Alumimumzylinder mit einem Durchmesser von etwa 10 cm aufgetragen. Die Zylinder wurden mit Kohlendioxyd gekühlt und mit 2000 U/Min, rotiert. Argon wurde in einer Menge von 8,5 m³ und Stickstoff in einer Menge von etwa 1,1 m³/Std. zugeführt. Nach 2,2 Min. war ein überzug mit einer Dicke von 190 Mikron und einer Rauhigkeit von etwa 5,1 Mikron entstanden.

Beispiel 5

Ein pulverförmiges Gemisch aus 60% Alunümumoxyd und 40% Nickel wurde nach dem im Beispiel 4 beschriebenen Verfahren auf einen Aluminiumzylinder mit 10 cm Durchmesser aufgetragen. Es entstand ein überzug mit einer Dicke von 230 Mikron und einer Rauhigkeit von 4,3 Mikron.

Beispiel 6

Durch Auftragen eines Gemisches aus 60% AIuminiumoxyd und 40% Chrom auf einen Aluminiumzylinder mit einem Durchmesser von 10 cm, der mit 800 U/Min, rotierte, nach dem Verfahren der Beispiele 4 und 5, wurde ein überzug mit einer Dicke von etwa 460 Mikron und eine Rauhigkeit von etwa 4,1 Mikron erhalten.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung von rauhen knötchenförmigen Überzügen durch Auftragen eines S pulverförmigen Gemisches von Metallen und Oxyden mittels eines elektrischen Lichtbogens, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Gemisch aus 20 bis 40 Gewichtsprozent Chrom, Nickel, Aluminium oder von zwei oder mehreren dieser Metalle und 60 bis 80 Gewichtsprozent Chromoxyd, Aluminiumoxyd, Titanoxyd oder von zwei oder mehreren dieser Oxyde verwendet