DE3115675C2 - Verfahren zum Auftragen und thermischen Verbinden von Metallpulverlegierungen in dicker Schicht - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen jo und thermischen Verbinden von Metallpulverlegierungen in dicker Schicht gemäß Oberbegriff des Hauptanspruchs.

I nter »dicker« Schicht sind dabei solche von mindestens 0,2 mm Stärke zu verstehen, unter »schwie- H rigen« Oberflächen solche, die schwer zugänglich sind (enge Innenbohrungen) und/oder solche, die so am Werkstück vorhanden sind, daß die Gefahr eines Ablaufens der Auftragsmasse besteht, wenn die Auftragungsschicht relativ dick sein soll.

Unter der allgemein üblichen Bezeichnung »Thermisches Spritzen mit nachfolgendem Einschmelzen« ist es bekannt, auf blankgemachte Trägerflächen von Werkstücken Pulverpartikel mit sogenannten Flammspritzbrennern aufzuspritzen bzw. abzuschleudern. Durch die Brennerflamme nehmen die Pulverteilchen flüssigteigigen Zustand an und können dadurch auf der Trägerfläche haften bleiben. Da diese gewissermaßen noch »lockere« Haftverbindung nicht ausreicht, ist eine thermische Nachbehandlung erforderlich, die mit einer w> Brennerflamme oder in einem geeigneten Ofen durchgeführt wird, um die Pulverteilchen tatsächlich schmelzflüssig mit der Trägerfläche, d. h. im metallurgischen Sinne zu verbinden.

Dieses bekannte Beschichtungsverfahren (neben dem ebenfalls üblichen thermischen Spritzen ohne Wärmenachbehandlung) genügt an sich den Forderungen, die an die mit ihm behandelten Werkstücke gestellt werden. Diese Verfahrensweise hat jedoch den beträchtlichen Nachteil, bedingt durch die einzuhaltenden Spritzabstände in Verbindung mit den Abmessungen der üblichen Flammspritzgeräte, daß schwer zugängliche Flächen, d. h. im Bereich beengender räumlicher Gegebenheiten liegend, nicht auf diese Weise beschichtet werden können. So sind bspw. Auftragungen auf *5 Bohrungsinnenflächen mit Innendurchmesser kleiner als 70 mm nicht möglich.

In der Piilverauftraestechnik ist es nun ebenfalls

allgemein bekannt, Metallpulverpartikel mit gelösten organischen Bindemitteln zu mischen und diese »Aufschlämmung« zu verspritzen und dann den Auftrag thermisch nachzubehandeln, um Lösungs- und Bindemittel auszutreiben und dabei gleichzeitig die metallische Verbindung der Metallpulverpartikel mit der zu beschichtenden Werkstücksfläche metallurgisch zu verbinden.

Dies geschieht aus Gründen, um bspw. poröse Schichten herzustellen, um Oxydationen zu vermeiden od. dgl. Dickere Schichten können mit solchen Pulver-Bindemittelmischungen zwar erzielt werden, dies aber nur unter der Voraussetzung, daß die Auftragsflächen dann im Sinne der obigen Definition nicht »schwierig« sind.

In dem Moment, wo man solche bekannten Pulver-Bindemittelmischungen in dicker Schicht, also stärker als etwa 0,2 mm auf stark gekrümmte oder vertikal stehende Flächen aufbringen will, was in der Regel der Fall ist, so hilft auch die Vewendung einer Pulveraufschlämmung nicht weiter, da unvermeidbar die aufgetragene bzw. aufgespritzte Aufschlämmung von den nicht horizontalen Flächen abzulaufen beginnt

Dem bestehenden Bedürfnis, solche schwierigen Oberflächen auch entsprechend dick beschichten zu können, konnte bisher nur in recht umständlicher und aufwendiger Weise genügt werden, nämlich durch Schleuderverfahren oder Kondensatorentladungsverfahren, wobei dem Schleuderverfahren nach unten noch insoweit Grenzen gesetzt sind, als bei sehr kleinen Innendurchmesserverhältnissen in der Regel nicht einmal der erforderliche Schleuderdruck erreicht werden kann.

Das Bedürfnis nach Aufbringung dickerer Schichten besteht insofern, als einmal Verschleißbedingungen solche dicke Schichten erfordern können und zum anderen in der Regel Nachbehandlungen (Schleifen, Höhnen od. dgl.) erforderlich sind, die von vornherein dickere Schichtaufträge verlangen.

Beispielsweise benötigt man an Extruderschneckenzylindern verschleißfeste Beschichtungen in Stärken von 0,5 mm, die dann einer Hohnbearbeitung unterzogen werden müssen.

Im übrigen können auch »schwierige Flächen« schon insofern entstehen, als bspw. bei Massenfertigungen im Zuge der Weiterförderung der Werkstücke deren zu beschichtende Flächen in senkrechter Stellung vorliegen.

Auch mit einem Tauchverfahren nach der GB-PS 12 85 625 ist die Aufbringung dicke/ Schichten auf derart »schwierigen Flächen« nicht möglich, da nach diesem Verfahren die vorerwärmten Werkstücke in ein flüssiges Bad aus Auftragsmetall und Flußmittel eingetaucht werden, ganz abgesehen davon, daß hierbei eine sofortige metallurgische Verbindung zwischen Werkstück und Beschichtungsmaterial erfolgt.

Gleiches gilt praktisch auch für ein Verfahren nach der DE-OS 19 29153, wobei der Auftrag mittels Sprühen erfolgt, um ein Feuerverzinnen, Feuerverbleien, Feuerkadmieren od. dgl. zu erreichen.

Hierbei wird eine explosionsartige Verdampfung des wäßrigen Anteils der Suspension vorausgesetzt bei gleichzeitiger Erschmelzung bzw. sofortiger metallischer Verbindung der Metallpartikel zu einem Weichlotfilm auf der zu beschichtenden Oberfläche.

Beim ebenfalls vorbekannten Verfahren nach der DE-OS 24 48 997 ist vorgesehen, feinkörniges Metall oder Metallkarbid, durch ein Bindemittel zusammenKe-

halten, insbesondere wachsartiges Bindemittel, nicht in Pulverform sondern in fester, vorgegebener Form bspw. eines Stempels aufzutragen.

Abgesehen davon, daß man hiermit schwierige Flächen nicht erfassen kann, ist es praktisch möglich, dicke Schichten nur dann herzustellen, wenn die Erwärmung des Werkstücks nur so weit getrieben wird, daß das in fester Form aufgetragene Material gerade anhaftet und nicht seine Form verliert, d. h. auseinanderfließt.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem an »schwierigen Rächen« dicke Verschleißschutzschichten im Sinne der obigen Definition aufgebracht werden können, um den Verschleißanforderungen und/oder den Nachbearbeitungserfordernissen genügen zu können.

Wie sich gezeigt hat, ist dies in überraschend einfacher Weise nach der Erfindung durch das im Kennzeichen des Hauptanspruchs Erfaßte gelöst Eine vorteilhafte Weiterbildung dieses Verfahrens ergibt sich nach dem Untera&spruch.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren entsteht also eine in sich standfeste poröse Schicht, in der die Metallpartikel an ihren gegenseitigen Kontaktstellen durch die Bindemittelreste gewissermaßen zugeklebt sind, nachdem der größte Teil des Bindemittels sofort verdampft bzw. verbrannt ist

Die dafür wesentlichen Maßnahmen erstrecken sich also weder auf Eingriffe in das Auftragsmaterial noch auf die Auftragstechnik selbst, sondern auf eine einfache Temperiermaßnahme am Werkstück, die dazu führt, daß das aufgetragene Material praktisch sofort in sich erstarrt und in der gewünschten Auftr-.gsstärke auf bzw. an der »schwierigen« Auftrags/lache stehen bleibt und somit nicht verlaufen kann.

Auf diese Weise ist es bspw. möglich, selbst dünne Röhrchen mit nur 8—10 mm 0, also sehr starker Krümmung, mit einer Innenbeschichtung zu versehen, was praktisch bisher nur mit dem Kondensatorentladungsverfahren auf weitaus umständlichere Art machbar ist.

Wesentlich sind also die Maßgaben, daß das Werkstück bzw. die Trägerfläche selbst in einem vorgewärmten Zustand gebracht wird und bei Erreichen der Verdampfungstemperatur unmittelbar der Auftrag erfolgt, wodurch nach dem Auftragen bzw. beim Auftreffen der mit dem Bindemittel umhüllten Metallpartikel das Bindemittel verbrannt bzw. verdampft wird, wobei die Verbrennungs- bzw. Verdampfungsrückstände des Bindemittels dafür sorgen, daß die Partikel tatsächlich haften bleiben, d.h. der Auftrag sofort erstarrt, womit jedoch noch keine metallurgische Verbindung mit der Trägerfläche gegeben ist, die erst durch das nachfolgende Einschmelzen erreicht wird.

Da die primäre Haftauftragung in bezug auf die sonst beim Auftragsschweißen benutzten Temperaturen gewissermaßen »kalt« erfolgt, also keine Brennerflamme erforderlich ist, kann die Auftragsdistanz sehr klein gehalten werden, wodurch sich apparativ die Möglich* keit ergibt, mit der Spritzdüse, die unter den gegebenen Umständen in ihren äußeren Abmessungen entsprechend klein gehalten werden kann, sehr dicht an die Trägerfläche herangehen zu können. Abgesehen davon kann ein Auftrag nach dem erfindungsgemäöen Verfahren auch in einer Wirbelkammer erfolgen.

Die erfindungsgemäß aufgebrachten Schichten, d. h. die noch nicht metallurgisch fest mit der Trägerfläche verbunden sind, wiederstehen ohne weiteres leichten Stößen und fallen von der Trägerfläche nicht ab, wie sich gezeigt hau Sie können jedoch durch mechanisches Abstreifen leicht entfernt werden, was vorteilhaft bedeutet, daß es im Bedarfsfall möglich ist, die eigentlich gewünschte Auftragsfläche ganz scharf zu begrenzen, indem man bspw, die insbesondere beim Aufspritzen oder Niederschlagen sich ergebenden Obergangsbereiche vor der thermischen Nachbehandlung einfach wieder abhebt Ein Aufspritzen unter Zwischensrhaltung einer Schablone ist damit ebenfalls möglich, so daß damit ggf. Auftragsflächen mit ganz bestimmter Formgebung hergestellt werden können.

Der Bindemittelanteil wird in der Regel im Durchschnitt 20 Gew.-% der Gesamtmischung betragen, richtet sich aber letztlich nach der erforderlichen Viskosität des Bindemittels und kann demgemäß höher oder niedriger eingestellt werden.

Das eigentliche Einschmelzen des aufgetragenen Metallpulvers wird entweder in einem geeigneten Ofen (ggf. unter Schutzgas oder im Vakuum) oder durch Induktiv- oder Widerstandserwärmung ggf. unter Schutzgas durchgeführt

Für weniger anspruchsvolle Oberflächen, die also ggf. relativ porös und oxydiert sein können, kann das Einschmelzen auch in normaler Atmosphäre durchgeführt werden. Hierbei ist jedoch zu beachten, daß die erforderliche Wärmeene/gie indirekt in das Werkstück eingebracht wird, d. Il, es muß ein Wärmeübergang von der Tragfläche zu den aufgebrachten Metallpulverpartikelchen erfolgen, um eine durchgehende Oxydation zu vermeiden.

Das erfindungsgemäße Auftragungsverfahren ist für sämtliche metallische Trägerflächen geeignet, deren Schmelzpunkt höher als ca. 900° C liegt

Als Bindemittel kommen bspw. Hoch- und Niederdruckpolymerisate, insbesondere Polyäthylen und als Lösungsmittel Propan- und Äthandiole in Frage.

Als Metallpulverlegierungen kommen insbesondere bekannte Metallpulver auf Ni-, B-, Si-Basis zur

Anwendung (sogenannte selbstflicßende Legierungen). Ausführungsbeispiel

Es wurde ein Hydraulikzylinder mit einem Innendurchmesser von 15 mm bei einer Wandstärke von 5 mm und einer Länge von 300 mm vorbeugend beschichtet und zwar die gesamte Innenfläche des Zylinders.

Als Verschleißschutzlegierung wurde eine Nickel-Chrom-Bor-Silizium-Legicrung mit einer Härte von ca. 60 HRC eingesetzt, die folgende Zusammensetzung hatte:

Cr-% ß-% Si-% Fe-% C-% Ni

15 3,5 3,0 3,0 0,7 Rest

Die Metallpulverlegierung wurde mit einem organischen Bindemittel gemischt. Der Anteil des Bindemittels betrug 20 Gew.-%. Als Bindemittel wurde ein Gemisch aus 90 Gew.-% Propandiol und IO Gew,-% Äthandiol verwendet.

Der Zylinder wurde durch Druckschleifen mit einem keramisch gebundenem Stein im Beschichtungsbereich

6'> in einen metallisch blanken Zustand gebracht. Danach wurde der Zylinder auf 18O⁰C vorgewärmt und in die Transporteinrichtung eines handelsüblichen Rundlakkierautomaten eingesetzt, mit dem das Pulver-Binder-

ernisch aufgetragen wurde.

Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Teiles betrug ibej 120 min-'. Nach der Auftragung betrug die ihichtstärke 0,6 mm.

Der Zylinder wurde dann in einem Argon-gefluteten !hutzgasofen zunächst auf 350" C gebracht, um noch •rbleibende Reste des Bindemittels zu entfernen. Die :mperatur von 350⁰C wurde 15 Min. gehalten. Danach folgte zügiges Aufheizen auf die Einschmelztemperar von 1050°C Diese Temperatur wurde 5 Min.

gehalten. Anschließend erfolgte die Abkühlung bis 800° C unter Argon-Atmosphäre, Nach Unterschreiten der Temperatur von 800° C wurde das Teil aus dem Ofen entferm und an der Luft abgekühlt. Die Schichtdicke nach dem Einschmelzen betrug 0,4 mm und war bereits so genau, daß während der abschließenden Nachbearbeitung durch Honen nur wenige lOOstel mm abgetragen werden mußten, um das geforderte Endmaß zu erreichen,

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Auftragen und thermischen Verbinden von Metallpulverlegierungen in dicker > Schicht auf und mit metallisch blanken, schwierigen Oberflächen von Werkstücken, wobei die aufzutragenden Metallpulver mit einem in Lösungsmittel gelösten organischen Bindemittel gemischt sind und nach Spritzauftragung durch thermische Nachbehandlung mit der Oberfläche metallurgisch verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß das die zu beschichtende Oberfläche aufweisende Werkstück vor dem Pulverauftrag auf Verdampfungstemperatur des Lösungsmittels erwärmt und unmittelbar nach Erreichen der Verdampfungstemperatur und bei deren Aufrechterhaltung das Pulver-Bindemittelgemisch aufgetragen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei thermischer Nachbehandlung des Werkstückes in Form von außen zugeführter Wärme die Einschmelzung der Auftragsschicht in einer Inertgas-Atmosphäre und bei Wärmeerzeugung im Werkstück die Einschmelzung in Normalatmosphäre durchgeführt wird.