DE19836392A1 - Oberflächenbeschichtung, körnige Mischung zur Zufuhr zu einer Plasmabeschichtung und Oberflächenbeschichtungsverfahren - Google Patents

Abstract

Um eine Oberflächenbeschichtung mit einer Hartmetallkörnung in einer Messing und/oder Kobalt umfassenden Matrix herzustellen, wird eine körnige Mischung mit einem Gehalt an einer Hartmetallkörnung sowie an Kobalt und/oder Messing einer Plasmabeschichtungsvorrichtung zugeführt und mittels derselben auf die Oberfläche aufgebracht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenbeschichtung, eine körnige Mischung zur Zufuhr zu einer Plasmabeschichtung sowie ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche.

Es ist beispielsweise aus der DE 41 12 156 A1 eine Oberflächen­ beschichtung bekannt, bei welcher Diamantpartikel in eine Matrix als Nutzschicht eingelagert sind. Eine derartige Oberflächenbeschichtung wird dadurch hergestellt, daß einem Plasmabrenner geeignete Pulver zugeführt werden, die durch den Plasmabrenner auf ein Substrat aufgespitzt werden. Um die Diamantpartikel bereitzustellen, werden dem Plasmabrenner als Ausgangsmaterial kohlenstoffhaltiges Gas bzw. eine kohlenstoffhaltige Flüssigkeit zugeführt. Darüber hinaus werden mit dem Pulver starke Karbidbildner zugeführt, die in der Matrix Karbide aus überschüssigen Kohlenstoff bilden. Die Beschichtung eignet sich unter anderen für ein Beschichten von Werkzeugen, wie beispielsweise Schraubendreher, und zeichnet sich durch hervorragende Verschleißeigenschaften aus.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, eine Oberflächenbeschichtung bereitzustellen, die in kostengünstiger Weise herstellbar ist und ebenso hervorragende Verschleißeigenschaften aufweist.

Als Lösung schlägt die Erfindung eine Oberflächenbeschichtung mit einer Hartmetallkörnung in einer ein Bindemittel umfassenden Matrix vor.

Hierbei wird unter dem Begriff einer Hartmetallkörnung jede partikel­ förmige Erscheinungsform von Hartmetall verstanden, welches aus einem oder mehreren Hartstoffen, wie beispielsweise Wolfram-, Titan-, Chrom-, Molybdän- und Tantalkarbit, mit einem Bindemetall, vorzugsweise der Eisengruppe, wie Kobalt, Nickel und Eisen, besteht.

Die Hartmetallkörnung kann hierbei aus jeden bekannten Verfahren, wie beispielsweise Sintern oder Gießen gewonnen werden. Insbesondere sind auch recycelte Hartmetalle verwendbar.

Die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung zeichnet sich dadurch aus, daß sie mindestens zwei verschiedene Phasen aufweist. Die eine Phase umfaßt Hartmetallkörner, während die zweite Phase vornehmlich Bindemittel aufweist. Hierbei können in dem Bindemittel einzelne Hartmetalle gelöst sein. Ebenso versteht es sich, daß die Hartmetallkörner ansich noch das zu ihrer Bildung notwendige Bindemetall aufweisen. Während erstere Phase somit vornehmlich einen körnig, hartmetallischen Charakter aufweist, ist die zweite Phase dadurch erkennbar, daß sie die Form eines erstarrten Bindemittels besitzt.

Eine derartige Oberflächenbeschichtung kann durch ein Beschichtungs­ verfahren hergestellt werden, bei welchem mittels eines Plasma­ beschichtungsverfahrens eine Hartmetallkörnung sowie ein Bindemittel auf die Oberfläche aufgebracht werden.

Einerseits kann hierbei das notwendige Bindemittel zur Gänze aus der zugeführten Hartmetallkörnung bereitgestellt werden. Hierzu kann beispielsweise während des Beschichtungsvorganges ein Teilbereich der zugeführten Hartmetallkörnung aufgeschmolzen und somit Bindemittel zur Verfügung gestellt werden. Ebenso ist es möglich, das erfindungsgemäße Bindemittel durch Aufschmelzen der beschichteten bzw. zu beschichtenden Oberfläche zu gewinnen.

Die Eigenschaften der auf dieser Weise erzeugte Oberflächenbeschichtung lassen sich verhältnismäßig einfach beherrschen, wenn der Plasma­ beschichtungsvorrichtung neben der Hartmetallkörnung das Bindemittel in Partikelform zugeführt wird. Insbesondere kann der Plasmabeschichtungs­ vorrichtung eine körnige Mischung mit einem Gehalt an einer Hartmetall­ körnung sowie an Bindemittelpartikeln zugeführt werden.

Bei all diesen Verfahren wird das Bindemittel während des Beschichtungs­ vorganges zumindest teilweise verflüssigt, so daß die Hartmetallkörnung ausreichend in dem Bindemittel eingebettet wird.

Andererseits kann die Hartmetallkörnung dem Beschichtungsvorgang derart aufgegeben werden, daß sie nicht bzw. nicht zur Gänze aufschmilzt. Hierbei können kleinere Hartmetallkörner sowie ein gewisser Oberflächen­ randbereich in Schmelze übergehen und Bindemittel liefern. Dabei kann durch geeignete Wahl der Verweilzeit sowie der Position, an welcher die Hartmetallkörnung der Plasmabeschichtungsvorrichtung aufgegeben wird, die Charakteristik der in der Oberflächenbeschichtung eingebetteten Hartmetallkörnung beeinflußt werden. Die beschichtete bzw. die unbeschichtete Oberfläche wird vorzugsweise nicht über 120° erhitzt, so daß diese Oberfläche in ihrer ursprünglichen Härte erhalten bleibt. Diese kann durch eine geeignete Kühlung, beispielsweise durch Kühldüsen, gewährleistet werden.

Vorzugsweise umfaßt das Bindemittel ein Bindemetall. Dieses kann insbesondere Messing bzw. Kobalt sein. Je nach verwendeter Hartmetall­ körnung sind allerdings auch andere Mittel denkbar. Insbesondere können dieses für die Hartmetallbildung verwendete Bindemittel sein.

Eine gute Einbettung der Hartmetallkörnung folgt, wenn die Summe der Gehalte an Kobalt und Messing in den der Plasmabeschichtungsvorrichtung zugeführten Materialien 14 Vol.-% nicht übersteigt. Besonders vorteilhaft ist ein Wert von 12 Vol.-%.

Je nach verwendeten Hartmetall bzw. in Abhängigkeit von der Korngröße der Hartmetallkörnung erweist sich ein Messinggehalt von unter 7 Vol.-% als vorteilhaft, um eine ausreichend harte Oberflächenbeschichtung zu erreichen.

Aus Kostengründen kann auch der Gehalt an Kobalt unter 7 Vol.-% gewählt werden.

Sehr gute Materialeigenschaften lassen sich unter vertretbare Kosten erreichen, wenn der Kobaltgehalt und der Messinggehalt in etwa gleich, beispielsweise bei 6 Vol.-%, gewählt werden.

Die körnige Mischung bzw. die erfindungsgemäße Oberflächenbeschichtung kann einen Wolframgehalt von 90 Vol.-% bis 80 Vol.-% vorzugsweise von 88 Vol.-% bis 87 Vol.-%, aufweisen. Dieser Wolframgehalt wird vorteilhafterweise durch die Hartmetallkörnung bereitgestellt.

Die vorbeschriebenen Überlegungen betreffen neben der körnigen Mischung auch die gebildete Oberflächenbeschichtung selbst. Diese weist, wenn die genannten Stoffe in den vorbeschriebenen Mengen vorhanden sind, die entsprechenden Eigenschaften auf.

Als Hartmetallkörnung kann gesintertes Hartmetall Verwendung finden. Dieses schmiegt sich in überraschend guter Weise in das Bindemittel ein und bildet auf dieser Weise eine verhältnismäßig harte Oberflächenbeschichtung.

Insbesondere kann auch recyceltes Hartmetall Verwendung finden. Hierdurch lassen sich die Gesamtkosten für die Oberflächenbeschichtung reduzieren. Darüber hinaus ist ein derartiges Recycling auch in umwelt­ technischer Hinsicht vorteilhaft.

Weist das verwendete Hartmetall einen Gehalt an Kobalt auf, so kann zumindest ein Teil dieses Kobalts zur Bildung des Bindemittells genutzt werden. Hierdurch reduzieren sich die Gesamtkosten für die Oberflächen­ beschichtung, da ohnehin vorhandenes Kobalt verwendet wird. Diese Kostenreduktion ist besonders bei recyceltem Hartmetall besonders vorteilhaft.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für die Verwendung einer Hartmetallkörnung, bei welcher die Körnung kleiner 90 µm ist. Insbesondere eignet es sich für eine Körnung, die kleiner 45 µm ist. Bei einer derartigen Körnung werden in der Oberflächenbeschichtung ausreichend große Körner eingelagert, die eine hohe Verschleißfestigkeit der Oberflächenbeschichtung garantieren. Dieses insbesondere im Zusammenhang mit Temperaturen von max. 120°C, wie bereits vorstehend beschrieben. Hierdurch läßt sich beispielsweise eine Oberflächen­ beschichtung von 25 µm gewährleisten.

Eine gleichmäßige und einstellbare Beschichtungsgüte kann dadurch gewährleistet werden, daß vor dem Beschichten der Kobaltgehalt der Hartmetallkörnung ermittelt und dem Beschichtungsvorgang zusätzlich Kobalt aufgegeben wird, um einen gewünschten Kobaltgehalt der Beschichtung zu erreichen. Insbesondere der Kobaltgehalt des Bindemittels läßt sich auf diese Weise einstellen. Es versteht sich, daß eine derartige Vorgehensweise auch bei anderen Bindemittelmaterialien vorteilhaft ist.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Oberflächenbeschichtung sowie eines erfindungsgemäßen Beschichtungs­ verfahrens und einer entsprechenden körnigen Mischung werden anhand des nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispieles verdeutlicht.

Einer Plasmabeschichtungsvorrichtung wird eine körnige Mischung aus einer Hartmetallkörnung und Messingpulver aufgegeben. Die Hartmetallkörnung enthält 5,70% Kohlenstoff, 0,01% Schwefel, 0,07% Nickel, 0,01% Eisen, 0,02% Titan, 0,04% Niob, 0,13% Tantal sowie 6,89% Kobalt in Wolfram. Diese Prozentangaben beziehen sich auf die Gesamtmenge an Wolfram. Die Körnung ist zur Gänze kleiner 45 µm.

Das Messingpulver umfaßt 78,5% Kupfer und den Rest Zink bei etwa 0,2% Verunreinigungen. Eine Siebanalyse ergab das 0,5% des Pulvers größer 160 µm und 55,05% größer 40 µm waren.

Der körnigen Mischung wurde Kobalt beigegeben, so daß die körnige Mischung insgesamt 6% Kobalt, 6% Messing und als Rest die übrigen Bestandteile der Hartmetallkörnung aufwies.

Diese körnige Mischung wurde einer Plasmabeschichtungsvorrichtung aufgegeben.

Mit Hilfe der Plasmabeschichtungsvorrichtung wurde auf Schraubendreher- Bits eine Oberflächenbeschichtung von exakt 25 µm aufgebracht, wobei Material entsprechender Stärke zuvor von diesen Schraubendreher-Bits entfernt wurde, so daß nach den Auftragen die notwendigen Dimensionen der Schraubendreher-Bits eingehalten sind. Hierbei wurde darauf geachtet, daß die Oberfläche der Schraubendreher-Bits nicht über 120°C erhitzt wurde.

Das Verfahren ermöglicht es, eine Oberflächenbeschichtung mit einer Härte von ca. 61 Rockwell bzw. 2000 Vickers zu erreichen.

Claims (18)

1. Oberflächenbeschichtung mit einer Hartmetallkörnung in einer ein Bindemetall umfassenden Matrix.

2. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemetall Messing und/oder Kobalt umfaßt.

3. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Gehalte an Kobalt und Messing 14 Vol.-% nicht übersteigt.

4. Oberflächenbeschichtung nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch einen Messinggehalt von unter 7 Vol.-%.

5. Oberflächenbeschichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch einen Kobaltgehalt von unter 7 Vol-%.

6. Körnige Mischung zur Zufuhr zu einer Plasmabeschichtung mit einem Gehalt an einer Hartmetallkörnung sowie an Bindemittelpartikeln.

7. Körnige Mischung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bindemittelpartikel Kobalt- und/oder Messingpartikel umfassen.

8. Körnige Mischung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Gehalte an Kobalt und Messing 14 Vol.-% nicht übersteigt.

9. Körnige Mischung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch einen Messinggehalt von unter 7 Vol.-%.

10. Körnige Mischung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, gekenn­ zeichnet durch einen Kobaltgehalt von unter 7 Vol.-%.

11. Körnige Mischung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallkörnung gesintertes, vorzugsweise recyceltes, Hartmetall umfaßt.

12. Körnige Mischung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartmetall einen Gehalt an Kobalt aufweist.

13. Körnige Mischung nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallkörnung eine Körnung kleiner 90 µm, vorzugsweise kleiner 45 µm, aufweist.

14. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche, bei welchem mittels eines Plasmabeschichtungsverfahrens eine Hartmetallkörnung und ein Bindemittel auf die Oberfläche aufgebracht werden.

15. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel während des Beschichtungsvorganges zumindest teilweise verflüssigt wird.

16. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartmetallkörnung dem Beschichtungs­ vorgang derart aufgegeben wird, daß sie nicht bzw. nicht zur Gänze aufschmilzt.

17. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche nicht über 120°C erhitzt wird.

18. Beschichtungsverfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Beschichten ein Kobaltgehalt der Hartmetallkörnung ermittelt und dem Beschichtungsvorgang zusätzlich Kobalt aufgegeben wird, um einen gewünschten Kobaltgehalt der Beschichtung zu erreichen.