DE19747385A1

DE19747385A1 - Herstellung von Formteilen

Info

Publication number: DE19747385A1
Application number: DE19747385A
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Heinrich; Heinrich Prof Dr Ing Kreye
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1997-10-27
Filing date: 1997-10-27
Publication date: 1999-04-29
Also published as: EP0911426B1; EP0911426A1; DE59806703D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen.

In der industriellen Fertigung werden Formteile unterschiedlichster Geometrie benötigt. Die Anforderungen an die Eigenschaften der Formteile sind dabei unterschiedlich. Besondere Schwierigkeiten bereitet die Herstellung von Formteilen aus bzw. mit schwer formbaren Werkstoffen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aufzuzeigen, welches die Herstellung von Formteilen vereinfacht, ver billigt oder überhaupt erst ermöglicht und/oder welches wesentlich dazu beiträgt, die Qualität und die Eigenschaften von Formteilen zu verbessern. Insbesondere sollte die Herstellung von Formteilen aus bzw. mit schwer formbaren Werkstoffen ermöglicht werden.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Grundkörper durch thermisches Spritzen beschichtet wird, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers geleitet wird, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

Das thermische Spritzen zum Beschichten kennt als Verfahrensvarianten das auto gene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogen spritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen.

Thermische Spritzverfahren werden in allgemeiner Form beispielsweise in

- Übersicht und Einführung in das "Thermische Spritzen", Peter Heinrich, Linde-Berichte aus Technik und Wissenschaft, 52/1982, Seiten 29 bis 37, oder
- Thermisches Spritzen - Fakten und Stand der Technik, Peter Heinrich Jahrbuch Oberflächentechnik 1992, Band 48, 1991, Seiten 304 bis 327, Metall-Verlag GmbH,

beschrieben.

Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, daß sie gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen ermöglichen. Durch thermische Spritz verfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien an unterschiedliche Anforderungen angepaßt werden. Die Spritzmaterialien können dabei in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Beim thermi schen Spritzen kann zusätzlich eine thermische Nachbehandlung vorgesehen sein.

In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren ent wickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit Pulver. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Ein satz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl ge schmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelz punktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes (EP 0 484 533 B1) oder aber nur in geringem Maße oberhalb der Schmelztemperatur des Pulvers. Im Kaltgasspritzenver fahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber lediglich auf Temperaturen unter halb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes oder auf Tempera turen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes.

Die Angabe, daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl nicht ge schmolzen werden, soll im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch bedeuten, daß die Partikel im Gasstrahl im wesentlichen nicht angeschmolzen werden. Dies kann dadurch sichergestellt werden, daß die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes liegt. Aber selbst bei Tem peraturen des Gasstrahles von 100 K bis zu 200 K oberhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes kann aufgrund der extrem kurzen Verweilzeit der Partikel im Gasstrahl im Bereich von Millisekunden ein Schmelzen oder auch ein An schmelzen der Pulverpartikel verhindert werden. Die Bedeutung der höheren Gastem peraturen bzw. der Vorteil der Erwärmung des Gases liegt darin, daß in heißeren Ga sen die Schallgeschwindigkeit höher ist und dadurch auch die Partikelgeschwindigkeit vergleichsweise größer wird.

Das Kaltgasverfahren besitzt gegenüber herkömmlichen Verfahren des thermischen Spritzens eine Reihe von Vorteilen. Die thermische Einwirkung und Kraftwirkung auf die Oberfläche des Substratwerkstoffes ist verringert, wodurch ungewollte Verände rungen der Materialeigenschaften des Substratwerkstoffes verhindert oder zumindest merklich verringert werden können. Ebenso können weitgehend Änderungen in der Struktur des Substratwerkstoffs unterbunden werden.

Überraschenderweise wurde nun festgestellt, daß die zahlreichen verfahrenstech nischen Möglichkeiten des thermischen Spritzens nach dem Kaltgasverfahren für die Herstellung von Formteilen genutzt werden können. Durch die Möglichkeiten der Ver wendung unterschiedliche Pulvermaterialien und Pulvermischungen eröffnet sich eine breite Palette für die Zusammensetzung von Formteilen.

Ein Grundkörper kann erfindungsgemäß durch Aufspritzen einer Schicht oder eines Überzugs mittels des Kaltspritzverfahrens auf eine gewünschte Dicke verstärkt werden. Dabei können relativ dünne Grundkörper, z. B. ein relativ dünnwandiges nach einem herkömmlichem Verfahren hergestelltes Formteil, als Ausgangsmaterial verwendet werden. Dieser Grundkörper wird anschließend durch Aufspritzen von gleichartigem oder unterschiedlichem Material auf der Innen- und/oder der Außenseite auf die notwendige Dicke verstärkt. Besondere Vorteile sind zu erzielen, wenn der Grundkörper eine geringere Dicke aufweist als die durch thermisches Spritzen aufgespritzte Schicht. Diese Variante erleichtert die Herstellung von Formteilen aus bzw. mit schwer formbaren Werkstoffen.

Es eignen sich als Grundkörper auch Formkörper aus leicht plastisch verformbarem Material, beispielsweise Kupfer, Aluminium oder diese enthaltenden Legierungen. Die Grundkörper können relativ dünn sein, beispielsweise im Bereich von 0,1 bis 10 mm, vorzugsweise 0,5 bis 5,0 mm. Nach dem Aufspritzen eines insbesondere schwer form baren Materials mittels des Kaltspritzverfahrens kann anschließend der Formkörper, beispielsweise auf mechanischem Wege oder chemisch durch Auflösen, von der auf gespritzten Schicht entfernt werden. In diesem Fall bildet allein die Spritzschicht das gewünschte Formteil. Diese Methode unterstützt in besonderem Maße die Herstellung von Formteilen aus bzw. mit schwer formbaren Werkstoffen.

In einer weiteren Variante der Erfindung wird zunächst ein Rohkörper nach einem der oben beschrieben Möglichkeiten oder nach einer Kombination hergestellt. Dieser Roh körper muß noch nicht die gewünschte Form des herzustellenden Formteils aufweisen, sondern kann im Gegenteil z. B. aus einem flachen Blechkörper bestehen. Nach dem Auftragen der Schicht durch thermisches Spritzen kann das Werkstück (der beschich tete Roh- oder Grundkörper oder nur die Schicht) in einem oder mehreren der bekann ten Umformprozesse (Ziehen, Tiefziehen, Walzen, Pressen und dergleichen) weiter bearbeitet werden. Auf diese Weise erhält man schließlich das gewünschte Formteil. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, daß gespritzte Bleche bzw. Rohkörper sehr feinkörnig und praktisch texturfrei sind. Ihre Verformung erfolgt daher sehr gleichmäßig und erlaubt höhere Verformungsgrade als bei Blechen, die durch Glühen oder Walzen hergestellt wurden.

Erfindungsgemäß kann das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase enthalten. Neben den aus der EP 0 484 533 B1 bekannten Gasen Luft und/oder Helium eignen sich auch für das den pulverförmigen Zusatzwerkstoff tragende Gas ein Stickstoff, Argon, Neon, Krypton, Xenon, Sauerstoff, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, oder Mischungen der vorgenannten Gase und Mischungen dieser Gase mit Helium. Der Anteil des Helium am Gesamtgas kann bis zu 90 Vol.-% betragen. Bevorzugt wird ein Heliumanteil von 10 bis 50 Vol.-% im Gasgemisch eingehalten.

Es hat sich gezeigt, daß durch den Einsatz von unterschiedlichen Gasen zum Be schleunigen und Tragen des pulverförmigen Zusatzwerkstoffes die Flexibilität und Wirksamkeit des Verfahrens wesentlich vergrößert werden kann. Die so hergestellten Schichten haften sehr gut auf den verschiedensten Substratwerkstoffen, beispiels weise auf Metall, Metallegierungen, Keramik, Glas, Kunststoffe und Verbundwerk stoffe. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Beschichtungen sind von hoher Güte, weisen eine außerordentlich geringe Porosität auf und besitzen extrem glatte Spritzoberflächen, so daß sich in der Regel eine Nacharbeitung erübrigt. Die erfindungsgemäß eingesetzten Gase besitzen eine ausreichende Dichte und Schallgeschwindigkeit, um die erforderlichen hohen Geschwindigkeiten der Pulver partikel gewährleisten zu können. Das Gas kann dabei inerte und/oder reaktive Gase enthalten. Mit den genannten Gasen ist die Herstellung von sehr dichten und beson ders gleichmäßigen Beschichtungen möglich, welche sich außerdem durch ihre Härte und Festigkeit auszeichnen. Die Schichten weisen extrem geringe Oxidgehalte auf. Sie besitzen keine oder zumindest keine ausgeprägte Textur, d. h. es gibt keine Vorzugs orientierung der einzelnen Körner oder Kristalle. Das Substrat wird ferner nicht durch eine Flamme oder ein Plasma erwärmt, so daß keine oder nur extrem geringe Verän derungen am Grundkörper und auch kein Verzug von Werkstücken durch Wärme spannungen infolge des thermischen Spritzens auftreten.

Der Gasstrahl kann auf eine Temperatur im Bereich zwischen 30 und 800°C erwärmt werden, wobei alle bekannten pulverförmigen Spritzmaterialien eingesetzt werden können. Die Erfindung eignet sich insbesondere für Spritzpulver aus Metallen, Metall egierungen, Hartstoffen, Keramiken und/oder Kunststoffen.

In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Temperatur des Gas strahles im Bereich zwischen 300 und 500°C gewählt. Diese Gastemperaturen eignen sich insbesondere für den Einsatz von reaktiven Gasen oder reaktiven Gasbestand teilen. Als reaktive Gas oder Gasbestandteile sind insbesondere Wasserstoffzumi schungen, kohlenstoffhaltige Gase oder stickstoffhaltige Gase zu erwähnen.

In Weiterbildung der Erfindung wird ein Gasstrahl mit einem Druck von 5 bis 50 bar eingesetzt. Vor allem das Arbeiten mit höheren Gasdrücken bringt zusätzliche Vorteile, da die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie erhöht wird. Es eignen sich insbesondere Gasdrücke im Bereich von 21 bis 50 bar. Hervorragende Spritzergeb nisse wurden beispielsweise mit Gasdrücken von etwa 35 bar erzielt. Die Hochdruck gasversorgung kann beispielsweise durch das in der deutschen Patentanmeldung DE 197 16 414 .5 beschriebene Verfahren bzw. die dort beschriebene Gasversorgungs anlage sichergestellt werden.

Im erfindungsgemäßen Verfahren können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden. Im erfindungsgemäßen Verfahren eignen sich dabei insbesondere Geschwindigkeiten der Pulverpartikel zwischen 1000 und 1600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 1250 und 1600 m/s, da in diesem Fall die Energieübertragung in Form von kinetischer Energie besonders hoch ausfällt.

Die im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Pulver besitzen bevorzugt Partikel größen von 1 bis 100 µm.

Das erfindungsgemäße Verfahren bietet die Möglichkeit, in Verbindung mit einer Automatisierung und mit computergesteuerter Bewegung des Grundkörpers oder der Spritzpistole Formteile besonders rasch und kostengünstig herzustellen (rapid prototyping).

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens können alle geeigneten Vor richtungen eingesetzt werden, insbesondere gilt dies für die in der EP 0 484 533 B1 beschriebene Vorrichtung.

Besondere Vorteile gegenüber herkömmlichen Formteilen bringen folgende nach der Erfindung hergestellte Formteile mit sich:

- Formteile, welche einen Grundkörper und eine durch thermisches Spritzen erzeugte Schicht umfassen, wobei der Grundkörper vorzugsweise eine geringere Dicke aufweist als die aufgespritzte Schicht und
- Formteile, welche aus einer (oder auch mehreren) mittels thermischen Spritzens erzeugten Schicht bestehen.

Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Hierbei zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemäß hergestelltes Formteil aus Grundkörper und Schicht;

Fig. 2 ein erfindungsgemäß hergestelltes Formteil bestehend aus der Spritzschicht;

Fig. 3 ein erfindungsgemäß hergestelltes Formteil bestehend aus der Spritzschicht nach Umformung mit herkömmlichem Verfahren.

In Fig. 1 ist im Bild A eine geformtes Blech 1 dargestellt. Auf dieses Blech 1 wird durch thermisches Spritzen nach dem Kaltgasspritzverfahren eine Schicht 2 aufge tragen. Das Blech 1 weist eine geringere Dicke auf als die aufgespritzte Schicht 2. Das so erhaltene Formteil in Bild B besteht aus Grundkörper 1 (Blech) und Spritzschicht 2.

In Fig. 2 ist im Bild A ein Formkörper 1 aus einem Kupferblech gezeigt. Nach dem Auftragen einer thermischen Spritzschicht 2 gemäß Bild B, wird das Kupferblech 1 mechanisch von der Schicht 2 gelöst. Das so erhaltene Formteil in Bild C besteht lediglich aus der Spritzschicht 2.

Der zunächst ungeformte Rohkörper bzw. das Blech 1 aus Bild A von Fig. 3 wird durch thermisches Spritzen nach dem Kaltgasspritzverfahren mit einer Schicht 2 ver sehen (Bild B). Nachdem mechanisch das Blech 1 von der Schicht 2 entfernt wurde (Bild C), wird das aus der Spritzschicht 2 bestehende Werkstück nach einem her kömmlichen Umformprozeß verformt und erhält, wie in Bild D dargestellt, auf diese Weise seine gewünschte Form als Formteil.

Claims

1. Verfahren zum Herstellung von Formteilen (1, 2; 2), dadurch gekennzeichnet, daß ein Grundkörper (1) durch thermisches Spritzen beschichtet (2) wird, wobei ein pulverförmiger Zusatzwerkstoff mittels eines Gases auf die zu beschichtende Oberfläche des Grundkörpers (1) geleitet wird, ohne daß die Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes im Gasstrahl geschmolzen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) durch Aufspritzen auf eine gewünschte Dicke verstärkt wird, wobei der Grund körper (1) eine geringere Dicke aufweist als die durch thermisches Spritzen aufgespritzte Schicht (2).

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1), nachdem die Schicht (2) durch thermisches Spritzen aufgespritzt worden ist, von dieser Schicht (2) entfernt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1) durch mechanische Bearbeitung oder chemisch durch Auflösen von der Schicht (2) entfernt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das durch thermisches Spritzen hergestellte Formteil (1, 2; 2) einem oder mehreren herkömmlichen Umformprozesse, insbesondere durch Ziehen, Tiefziehen, Walzen und/oder Pressen, unterzogen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas für das thermische Spritzen Stickstoff, Helium, Argon, Neon, Krypton, Xenon, ein Wasserstoff enthaltendes Gas, ein kohlenstoffhaltiges Gas, insbesondere Kohlendioxid, Sauerstoff, ein Sauerstoff enthaltendes Gas, Luft oder Mischungen der vorgenannten Gase enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur des Gasstrahles beim thermischen Spritzen im Bereich zwischen 30 und 800°C liegt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl beim thermischen Spritzen einen Druck von 5 bis 50 bar aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverpartikel beim thermischen Spritzen auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.

10. Formteil (1, 2) umfassend einen Grundkörper (1) und eine durch thermisches Spritzen erzeugte Schicht (2), wobei der Grundkörper (1) eine geringere Dicke aufweist als die aufgespritzte Schicht (2).

11. Formteil (2) bestehend aus einer mittels eines thermischen Spritzenverfahrens erzeugten Schicht (2).