DE3590031T - Werkstoff zum Flammspritzen und sein Herstellungsverfahren - Google Patents
Werkstoff zum Flammspritzen und sein HerstellungsverfahrenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines ■ pulverförmiger Werkstoffes zum thermischen Spritzen (Plasmaspritzen
oder Flammspritzen), einen Werkstoff, der das nach diesem Verfahren hergestellte Pulver enthält sowie
die Verwendung dieses Werkstoffs zum Aufbringen mittels thermischen Spritzens einer selbsthaftenden Schicht auf
einem Grundmaterial .
Bei zahlreichen Legierungen, die durch thermisches Spritzen
auf ein Werkstück aufgetragen werden sollen, um auf diesem eine Schutzschicht zu bilden, erweist es sich als
notwendig, zunächst eine Zwischenschicht auf das Grundmaterial aufzubringen um die Haftung zwischen" diesem und der
Schutzschicht zu verbessern.
, ' ■ '
Derartige Zwischenschichten zur Verbesserung der Haftung
auf dem Grundmaterial werden ebenfalls durch thermisches Spritzen von pulverförmigen Werkstoffen erhalten, die üblicher
Weise aus Mo, Ni Al, Ni Cr Al oder Ni Al Mo bestehen.
Insbesondere bei Verwendung von Nickellegierungen mit. Zusätzen von Al, Mo und Cr können Haftzugfestigkeiten von
2
mehr als 20 N/mm erreicht werden.
mehr als 20 N/mm erreicht werden.
Es wurde ferner versucht zur Herstellung von Haftschichten
oder selbsthaftenden Schichten Werkstoffe auf Fe', C07 und
Cu-Basis anstelle von Nickellegierungen zu verwenden, jedoch gelang es nicht,mit diesen Materialien eine ausreichende
Adhäsionskraft (Haftzugfestigkeit) gegenüber dem
Grundmaterial zu erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Werkstoff zum Flammspritzen zu schaffen, der die Herstellung einer selbsthaf-
2 '
tenden Schicht mit einer 20 N/mm übersteigenden Haftzugfestigkeit auf einem Grundmaterial ermöglicht, wobei der
Werkstoff kein oder maximal 10 Gew.-I Nickel enthält. Insbesondere
zielt die Erfindung auf die Herstellung von Haftschichten und selbsthaftenden Schutzschichten ab, die
eine hohe Heißgaskorrosionsfestigkeit speziell in Gegen-
wart von Schwefelderivaten aufweisen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß zur Herstellung
der Schicht mittels thermischem Spritzen ein Flammspritzwerkstoff verwendet wird, der ein Pulver enthält,
das gemäß der Erfindung hergestellt worden ist. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß aus einer
Legierung der Zusammensetzung, in Gewichtsprozent, 10 bis 30 % Chrom, 1 bis 25 % Aluminium, weniger als 0,5 % Kohlenstoff,
weniger als 10 % Nickel, Rest Eisen, durch Verdüsen aus der schmelzflüssigen Phase mit einer Abkühlgeschwindigkeit
von mindestens 400°C/sec ein Pulver im Korngrößenbereich von -150 bis +27 μπι hergestellt wird, dessen spezifi-
■ ■ ■ 2
sehe Oberfläche mehr als 500 cm /g beträgt. Vorteilhafterweise
liegt die Abkühlgeschwindigkeit zwischen 600 und 5000°C/sec. Ebenfalls vorteilhafterweise beträgt die spezifische
Oberfläche des Pulvers mehr als 750 /g. Vorzugsweise' enthält die Legierung, in Gewichtsprozent, bis zu 2 %
eines oder mehrerer der Elemente Zr, Ce, Y. Die Legierung kann auch vorzugsweise, in Gewichtsprozent, 0,5 bis 5 %
Molybdän und/oder 0,5 bis 5 % Titan oder Tantal enthalten. Vorteilhafterweise enthält der Flammspritzwerkstoff in
Mischung mindestens 20 Gew.-% des durch das erfindungsgemäße
Verfahren hergestellten Pulvers und bis 80 Gew.-% mindestens
eines pulverförmigen Hartstoffes. Dieser Hartstoff
ist vorteilhafterweise aus den Metalloxiden und Metallkarbiden ausgewählt.
Vorteilhafterweise enthält der erfindungsgemäße Werkstoff
in. Mischung wenigstens 20 Gew.-% des genannten Pulvers und bis zu 80 Gew.-% eines Metallpulvers, das aus der Gruppe
ausgewählt ist, die die folgenden Elementen umfaßt: W, Mo, Ta, Ti und Cr. Der erfindungsgemäße Werkstoff kann auch
vorteilhafterweise bis zu 80 Gew.-% einer Legierung auf
Eisenbasis, Nickelbasis oder Kobaltbasis enthalten. Unter "Legierung auf Eisenbasis, Nickelbasis oder Kobaltbasis"
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Legierung verstanden, die 50 bis 99 Gew.-% Eisen, Nickel oder Kobalt
aufweist und wenigstens ein anderes Element und deren Zu
sammensetzung in den folgenden Grenzen angegeben ist (aus gedrückt in Gewichtsprozent):
Legierung auf Eisenbasis:
Eisen: 50 bis 99
Chrom: 0 bis 30
Kohlenstoff: 0 bis 2
Nickel: 0 bis 25
Silizium: 0 bis 4
Aluminium: 0 bis 10
Wolfram: 0 bis 5
Molybdän: 0 bis 5
andere Elemente
(Gesamtmenge): 0 bis 5
Legierung auf Nickelbasis:
Nickel : 50 bis 99
Chrom: 0 bis 3 0
Silizium: 0 bis 4
Eisen: 0 bis 10
Wolfram: 0 bis 6
Molybdän: 0 bis 10
Aluminium: 0 bis 10 andere Elemente
(Gesamtmenge): 0 bis 5
Legierung auf Kobaltbasis:
Kobalt: 50 bis 99
Chrom: 0 bis 35
Wolfram: 0 bis 15
Molybdän: 0 bis 10 '
Nickel: 0 bis 30
Silizium: 0 bis 4 andere Elemente
(Gesamtmenge): 0 bis 5
, Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die durch thermisches Spritzen des erfindungsgemäßen Werkstoffes erhaltenen
Schutzschichten eine Haftzugfestigkeit gegenüber
dem Grundmaterial aufweisen, die den oben angegebenen Wert
2
p. von 20 N/mm erheblich überschreitet. Bei Schichten hingegen, die in analoger Weise aus Pulvern hergestellt wurden, die durch die herkömmlichen Verdüsungsverfahren erhalten wurden, konnte dieser Minimalwert nicht erhalten werden. Der durch die Erfindung erzielte entscheidende Effekt beruht wahrscheinlich auf der Tatsache der sehr großen Kühlgeschwindigkeit beim Verdüsen aus der Flüssigphase, die eine starke Verschiebung des Gleichgewichtszustandes der Phasen bewirkt, wodurch eine Verbesserung des Reaktionsvermögens der Legierungselemente erzielt wird. Insbesondere während des thermischen Spritzens der Werkstoffteilchen 5
p. von 20 N/mm erheblich überschreitet. Bei Schichten hingegen, die in analoger Weise aus Pulvern hergestellt wurden, die durch die herkömmlichen Verdüsungsverfahren erhalten wurden, konnte dieser Minimalwert nicht erhalten werden. Der durch die Erfindung erzielte entscheidende Effekt beruht wahrscheinlich auf der Tatsache der sehr großen Kühlgeschwindigkeit beim Verdüsen aus der Flüssigphase, die eine starke Verschiebung des Gleichgewichtszustandes der Phasen bewirkt, wodurch eine Verbesserung des Reaktionsvermögens der Legierungselemente erzielt wird. Insbesondere während des thermischen Spritzens der Werkstoffteilchen 5
entstehen exotherme Reaktionen, durch die diese Teilchen nicht nur auf den Schmelzpunkt der Legierung, sondern auf
eine wesentlich höhere Temperatur erhitzt werden, bevor sie auf das Grundmaterial auftreffen.
Neben der Abkühlgeschwindigkeit von 400°C/sec und vorzugsweise
zwischen 600 und 5000°C/sec werden auch die anderen Verdüsungsparameter derart gewählt, daß das erhaltene PuI-
2
ver eine spezifische Oberfläche von mehr als 500cm /g und
ver eine spezifische Oberfläche von mehr als 500cm /g und
vorzugsweise von mehr als 750 cm /g aufweist, was einer 25
unregelmäßigen Form der Teilchen entspricht, z.B. einer Form, bei der die Teilchenoberfläche zahlreiche Unebenheiten
aufweist, die eine Verbesserung der Wärmeaufnahme der Teilchen gegenüber einer kugeligen Teilchenform
bewirkt.
30
30
Zur Durchführung der Verdüsung (Verdüsung aus der Flüssigphase)
kann eine übliche Produktionsanlage verwendet werden, bei der die Einstellung der verschiedenen Parameter in
gewünschter Weise erfolgen kann um so den Erhalt der oben 35
genannten Eigenschaften zu beeinflussen. In diesem
Zusammenhang sei auf das Buch von John Keith Beddow verwiesen "The Production of Metal Powders by Atomization",
herausgegeben vom Verlag Heyden & Son Ltd., 1978, sowie
auf die darin genannten weiteren Literaturstellen.
Die wichtigsten Parameter, die den Erhalt der oben genannten Eigenschaften insbesondere beeinflussen, sind der
Durchmesser sowie die Ausgestaltung der Einführöffnung des
Metalls in den Düsenraum, die Temperatur des schmelzenden Metalls in seiner in die Einführöffnung mündenden Vorratskammer (wobei diese Temperatur vorzugsweise mehr als 200
bis 3000C oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung liegt)
der hydrostatische Druck im Metall nach der Einführöffnung, die Wahl des Kühlfluids (z.B. Wasser oder Gas) des
Metalls im Düsenraum, der Druck und die Geschwindigkeit des Kühlfluids, der Flugabstand (die vom Metall zurückgelegte
Strecke zwischen seinem Austritt aus der Einführungsöffnung in den Raum und sein Auf treffen auf die Kühlfluidströmung,
wobei diese Strecke vorzugsweise zwischen 5 und 35 cm beträgt, wenn das Kühlfluid ein Gas ist, wie z.B.
Luft und zwischen 5 und 25 cm beträgt, wenn das Kühlfluid Wasser ist) und der Auftreffwinkel der Kühlfluidströme auf
den Metallstrom.
Ausführliche Beispiele für die Beziehung zwischen den genannten Parametern und den Eigenschaften des durch Verdüsung
erhaltenen Pulvers sind insbesondere in den Kapiteln 2 (Seiten 10 bis 26), 4 (Seiten 44 bis 65) und 5 (Seiten
66 bis 75) des oben genannten Buches angegeben.
Der pulverförmige Werkstoff, der auf die oben angegebene
Art hergestellt wird, kann als solcher allein zur Herstellung einer Haftschicht oder einer selbsthaftenden Schutzschicht
verwendet werden. Dieser Werkstoff kann auch in Mischung mit einem anderen pulverförmigen Werkstoff verwendet
werden. Insbesondere können bis zu mindestens 20 Gew.-% des als Matrix dienenden Pulvers, bis zu 80 Gew.-%
eines pulverförmiger! Hartstoffes, der vorzugsweise aus den
Metalloxiden ausgewählt ist, wie z.B. Zirkonoxid, Aluminiumoxid etc. oder feuerfesten Metallkarbiden, wie die des
Wolfram, des Molybdän, des Tantal, des Titan, des Chrom
1 oder auch feuerfeste Metallpulver zugemischt werden.
Die Legierung , aus welcher der erfindungsgemäße pulverförmige
Werkstoff hergestellt wird, enthält vorzugsweise bis zu 2 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Cr, Ce, Y,
insbesondere um die Reaktionsfreudigkeit des Pulvers zu erhöhen, wenn die Verwendungsbedingungen der durch thermisches
Spritzen dieses Pulvers erhaltenen Schicht den Einsatz dieser Zusatzstoffe erlauben. Ferner können im Zusammenhang
mit den erwünschten Eigenschaften der Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit und insbesondere im Hinblick
auf deren Abstimmung aufeinander, Legierungszusätze von
0,5 bis 5 Gew.-% Molybdän und/oder Titan oder Tantal vorgesehen werden.
Mit einer Verdüsungsanlage wird aus dem Schmelzfluß mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 800°C/sec eine Legierung
verdüst mit der folgenden Zusammensetzung in Gewichtsprozent:
25,0 Cr
7,0 Al
1/5. Ni
7,0 Al
1/5. Ni
weniger als 0,1 C
Rest Fe.
Rest Fe.
Das so erhaltene Pulver weist eine spratzige Kornform auf; nach dem Absieben entsprechend dem Kornbereich von -150
bis +27 μΐη wurde nach der in der Pulvermetallurgie üblichen
Methode die spezifische Oberfläche des Pulvers bestimmt. Die so erhaltenen Werte der spezifischen Oberflä-
2
ehe lagen zwischen 700 bis 750 cm /g.
ehe lagen zwischen 700 bis 750 cm /g.
Das so hergestellte Pulver wurde mit Hilfe einer Flammspritzanlage
üblicher Bauart (hier vom Typ CDS 20000 der Änrnelderin) auf zwei Probestücke aus Stahl St37 zur Bestim-
•1 rnung der Haftzugfestigkeit der erhaltenen Schicht nach
DIN 50160 aufgespritzt. Die danach durchgeführten Zugversuche
ergaben Werte der Haftzugfestigkeit zwischen 28,0 und 30,0 N/mm2.
Das Pulver gemäß Beispiel 1 wurde mit Al-O-, .■ Pulver der
Korngröße -75 + 37 μΐη im Gewichtsverhältnis 50 : 50 gemischt
und auf die Oberfläche eines Teiles gespritzt, das als Ofenteil bestimmt war zur Verwendung in einer Umgebung
mit hoher Oxidationsbelastung und schwefelhaltiger Atmosphäre. Es ergab sich eine selbsthaftende Schicht mit einer
Haftzugfestigkeit von 25 N/mm , die sich im Betrieb als
sehr beständig erwies.
Claims (11)
1. Verfahren zur Herstellung eines pulverförmigen Werkstoffes zum Flammspritzen, dadurch gekennzeichnet, daß aus
einer Legierung der Zusammensetzung, in Gewichtsprozent^ 10 bis 30 % Chrom, 1 bis 25 % Aluminium, weniger als
0,5 % Kohlenstoff, weniger als 10 % Nickel, Rest Eisen, durch Verdüsen aus der schmelzflüssigen Phase mit einer
Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 400°C/sec, ein Pulver mit einem Korngrößenbereich von -150 bis +27 μΐη
hergestellt wird, dessen spezifische Oberfläche mehr als 500 cm2/g beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlgeschwindigkeit zwischen 600 und 5000°C/sec
liegt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die spezifische Oberfläche des Pulvers mehr
als 750 cm /g beträgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung in Gewichtsprozent bis zu 2 % eines oder mehrerer der Elemente Zr, Ce, Y enthält.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die Legierung in Gewichtsprozent 0,5 bis 5 % Molybdän und/oder 0,5 bis 5 % Titan enthält.
6. Werkstoff zum Flammspritzen, der ein nach dem Verfahren
gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 hergestelltes Pulver enthält.
7. Werkstoff nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
er in Mischung mindestens 20 Gew.-% des genannten Pulvers und bis zu 80 Gew.-% mindestens eines pulverförmigen
Harnstoffes enthalt.
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8. Werkstoff nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hartstoff aus den Metalloxiden und Metallkarbiden
ausgewählt ist.
9. Werkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,
daß er in Mischung mindestens 2 0 Gew.-i des genannten Pulvers und bis zu 80 Gew.-% eines Metallpulvers enthält, das aus der Gruppe der folgenden Elemente
ausgewählt ist: W, Mo, Ta, Ti, Cr.
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10.Werkstoff nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß er bis 80 Gew.-% einer Legierung auf
Eisenbasis, Nickelbasis oder Kobaltbasis enthält.
11.Verwendung des Werkstoffes nach einem der Ansprüche 6
bis 9 zum Aufbringen mittels thermischen Spritzens einer selbsthaftenden Schicht auf einem Grundmaterial.
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