DE69105623T2

DE69105623T2 - Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf einem Metall oder einen Verbundwerkstoff.

Info

Publication number: DE69105623T2
Application number: DE69105623T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Frederick Archer; John Rayment Nicholls; David John Stephenson
Original assignee: APV Corp Ltd
Current assignee: SPX Flow Technology Crawley Ltd
Priority date: 1990-05-10
Filing date: 1991-05-08
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2011-05-09
Also published as: ATE115196T1; US5593726A; EP0459637A1; EP0459637B1; DE69105623D1; JPH06228769A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer abrieb- und/oder korrosionsfesten Beschichtung auf mindstens einem Teil eines Gegenstands aus Metall und/oder Keramikwerkstoff.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf die Aufbringung einer Beschichtung aus Metallegierungen auf einen metallischen Gegenstand, die auch Verbindungen aus verschiedenen Metallen, aus Mischkeramik aus einer oxidischen und einer metallischen Komponente, sogenanntes Cermet-Material, oder aus Keramikwerkstoffen oder Kombinationen aus diesen enthalten kann. Ein Beschichtungsmaterial wird nachfolgend als spezielles Beschichtungsmaterial bezeichnet.
Zur Aufbringung einer abriebfesten Beschichtung auf Werkzeuge, beispielsweise Bohrmeißel wurden bereits verschiedene Vorschläge gemacht und unterschiedliche Verfahren entwickelt.
Die Beschreibung der GB-PS 867,455 befaßt sich mit einer Entwicklung eines Sprüh- bzw. Spritzschweißverfahrens, bei welchem ein Metall auf die zu beschichtende Oberfläche aufgesprüht und anschließend die Beschichtung aufgeschmolzen wird. Das aufzusprühende Material wird einer Erwärmungszone zugeführt, wo es schmelzflüssig bzw. unter Wärmeeinwirkung weich gemacht wird, und aus der es dann in fein verteilter Form in schmelzflüssigem oder thermisch plastischem Zustand auf die zu beschichtende Oberfläche ausgetrieben wird. Das der Erwärmungszone zugeführte Material kann in Pulverform oder in Form eines unter Bildung eines Drahts mittels eines mit Kunstsoffs verklebten Pulvers vorliegen. Der Schmelzvorgang erfolgt in einem Ofen oder mittels Heizbrennern, die direkt an die beschichteten Flächen angesetzt werden. Die vorstehend beschriebene Entwicklung sollte dazu dienen, in Verbindung mit einem in Form eines "schmelzflüssigen Aggregats" vorliegenden Karbid eine sich selbst mit Flußmittel versetzende Legierung verwenden zu können.
Man hat festgestellt, daß mit einem Flamm- oder Plasmasprühverfahren aufgebrachte Beschichtungen häufig porös waren und sich nicht immer gut mit dem Substrat bzw. dem Träger verbanden. Im Laufe vieler Jahre wurde verschiedentlich versucht, diese Schwierigkeiten zu mettern.
In der EP-PS 0,005,285 A wird ein Verfahren zum Aufbringen einer dichten, hatten und abriebfesten Schicht aus Cermet- oder keramischen Werkstoffen auf einem metallischen Gegenstand durch Aufsprühen eines Matrixmaterials und harter Teilchen aus Cermet- oder keramischem Material beschrieben, bei dem sich anschließend die aufgesprühte Schicht bei hoher Temperatur und hohem Druck verfestigt und bei dem die Verfestigung der aufgesprühten Schicht durch isostatische Verdichtung bei einer Temperatur von mindstens 1.000 ºC und einem Druck von mindestens 1.000 bar zumindest über einen Zeitraum von einer halben Stunde erfolgt.
Bei dem Verfahren gemäß EP-PS 0,005,285 A wird ein metallisches Bindemittel aus Kobalt und/oder Nickel eingesetzt.
Die vorliegende Erfindung leitet sich aus unserer Arbeit ab, verbesserte Beschichtungen und Beschichtungsverfahren zu entwikkeln, die in erster Linie für Maschinenbauelemente für die Nahrungsmittelindustrie dienen sollen. Bekanntlich bestehen im Zusammenhang mit den metallurgischen Gegebenheiten der Oberflächen, die mit Lebensmitteln in Berührung kommen, Beschränkungen. Hinsichtlich des Abrieb- und Korrosionsverhaltens im Betrieb können sich diese Maschinenbauteile stark von vielen anderen beschichteten Bauteilen unterscheiden.
In der US-PS A-3,754,968 wird ein Verfahren zur Herstellung erosions- und abriebfester Metallverbundstoffe beschrieben. Dabei wird eine erste Schicht dadurch aufgebracht, daß ein Metallpulver mit einer löslichen Lösung aus einem temporären oder flüchtigen Bindemittel z.B. aus einem synthetischen Polymeren, vermischt und diese Aufschlämmung dann auf die Trägeroberfläche aufgetragen wird, und das Material dann bei Temperaturen zwischen ca. 1750 ºF und 1900 ºF (954 - 1038 ºC) wärmebehandelt wird, woraufhin das beschichtete Material im kalten Zustand bei einem Druck über dem atmosphärischen Wert isostatisch verpreßt wird. Anschließend wird eine zweite Schicht aufgebracht, die dann ohne Verpressung bei einer Temperatur von ca. 1780 ºF bis 1900 ºF (971 - 1038 ºC) erwärmt wird.
Gemäß einem Aspekt unserer Erfindung schlagen wird ein Verfahren zur Herstellung einer abrieb- und/oder korrosionsbeständigen Beschichtung aus einem Metallegierungen enthaltenden Beschichtungsmaterial auf einem Träger aus Metall oder einem Keramikwerksoff unter Bildung einer festen Verbindung in dem pulverförmigen Beschichtungsmaterial mit einem organischen Bindemittel zur Erzielung einer Schicht aus mit dem organischen Bindemittel miteinander verbundenen Pulverkörnchen auf dem Träger vor, bei welchem die verbundene Schicht einer Erwärmung unterzogen wird, in deren Verlauf das Bindemittel zur Herstellung einer die Pulverkörnchen und zersetttes Bindemittel enthaltenden rudimentären Beschichtung zersetzt wird, und anschließend die rudimentäre Beschichtung mit isostatischem Druck über dem atmosphärischen Druck beaufschlagt wird, wobei sich dieses Verfahren durch einen zweiten Schritt der Erwärmung auszeichnet, der in Verbindung mit der Beaufschlagung mit einem über dem atmosphärischen Druck liegenden Druck ausgeführt wird, wobei der zweite Erwärmungsschritt bei höherer Temperatur als beim ersten Erwärmungsschritt stattfindet, und dadurch, daß die Bestandteile des Beschichtungsmaterials und die Arbeitsbedingungen während des zweiten Erwärmungsschritts so gewählt werden, daß während dieses zweiten Erwärmungsschritts im wesentlichen keine flüssige Phase vorliegt, während sich bei dem zweiten Erwärmungsschritt eine Sinterung in fester Phase ergibt.
Dabei kann zwischen dem ersten und zweiten Erwärmungsschritt ein Abkühlungsschritt vorgesehen sein oder auch nicht.
Unter einer "verbundenen Schicht" ist hier eine Schicht des pulverförmigen Materials zu verstehen, bei welchem die Pulverkörnchen selbst durch das organische Bindemittel miteinander verklebt sind. Häufig wird diese Schicht mit dem Metallsubstrat verbunden, doch muß sie nicht immer in dieser Weise angebracht werden. Die verbundene Schicht kann tatsächlich auch vor der Hersellung des zu beschichtenden Bauelements vorgeformt werden, und die sich so ergebende Vorform gelagert und dann verwendet werden kann, wenn das Bauteil vorliegt und beschichtet werden muß.
Das Bindemittel kann ein organischer Stoff sein, der das pulverförmige Beschichtungsmaterial verkleben kann. Häufig sind hierzu langkettige Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Polymere, geeignet. Der nach Zertetzung des Bindemittels entstehende Kohlenstoff kann sich günstig auf die Eigenschaften der Beschichtung auswirken, bzw. häufig auf die Außenschicht des Trägers bzw. Substrats (wobei allerdings zu berücksichtigen ist, daß nach dem Schritt der Erwärmung unter hohem Druck zwischen dem Trägermaterial und der Beschichtung selbst keine exakte Grenze mehr vorliegt). Die Festigkeit der erforderlichen temporären Verbindung hängt dabei vom Umfang jeder nachfolgenden Behandlung der verbundenen Schicht ab. Wenn die verbundene Schicht als Vorform zum späteren Aufbringen auf das Bauteii hergestelit wird, so muß natürlich die Verbindung vergleichsweise haltbar sein, damit das Vorformteil leichter gelagert und behandelt werden kann.
Die Verwendung eines organischen Bindemittels kann gegenüber dein Einsatz eines metallischen Binders, wie er bei dem üblichen Metsprühverfahren eingesetzt wird, erhebliche Vorteile erbringen, da das organische Bindemittel nur dazu dienen soll, dem sich dabei ergebenden beschichteten Substrat Kohlenstoff zuzuführen. Damit werden Bauteile für die Nahrungsmittelindustrie unproblematisch, wie es auch bei kompatiblen metallischen Bindemitteln für andere Einsatzbereiche als die Lebensmittelindustrie der Fall ware.
Ebenso erbringt das erfindungsgemäße Verfahren gegenüber den Flamm-/Plasmasprühtechniken beträchtliche Vorteile insofern, als bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Bildung der verbundenen Schicht im allgemeinen sehr viel einfacher zu steuern ist.
Bei den Flamm-/Plasmasprühtechniken geht ein großer Teil des aufgesprühten Materials verloren, entweder deshalb, weil es niemals auf den besprühten Gegenstand auftrifft oder weil es von dem metallischen Gegenstand abprallt. Im typischen Fall ist das aufgesprühte und sehr teure Material nur zu 30% an der Bildung der Beschichtung beteiligt, und unter den günstigsten Bedingungen läßt sich eine Ergiebigkeit von maximal nur 70% erreichen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann dagegen ohne Schwierigkeiten eine Verwendung des speziellen Beschichtungsmaterials im wesentlichen zur Gänze ergeben und damit erhebliche Kostenvorteile erbringen.
Zur Bildung der verbundenen Schicht aus Pulvermaterial können viele verschiedene Techniken herangezogen werden.
Wird die Schicht direkt auf dem zu beschichtenden metallischen Gegenstand hergesteilt, so bietet sich das Schlickergießverfahren als sehr günstige und billige Arbeitstechnik an. Dabei wird das pulverförmige Material mit dem organischen Bindemittel in einem geeigneten Binderträger vermischt, während der metallene Gegenstand einfach in das Gemisch eingetaucht wird und dabei eine Schicht diees Gemisches aufnimmt. Anschließend läßt man den Träger verdampfen, bei Bedarf unter Einsatz einer Zwangskonvektion und/oder Zwangserwärmung. Wenn nötig, können weitere Schichten desselben oder eines anderen Gemisches dieser Art aufgebracht werden.
Dies zeigt einen beträchtlichen Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, der darin besteht, daß eine Vielzahl von Schichten aus unterschiedlichen Beschichtungsstoffen ohne Schwierigkeiten zur Bildung einer kompletten Beschichtungslage aufgebracht werden, bei der sich mit der Tiefe die chemische Zusammensetzung schrittweise oder allmählich verändert.
Dabei wird der Vorteil geschätzt, daß sich eine recht komplexe Abstufung in Teilschichten einfach dadurch erreichen läßt, daß verschiedene Behälter vorgesehen sind, die unterschiedliche Gemische enthalten, in die das zu beschichtende Bauteil nacheinander eingetaucht wird.
Bei großen Bauelementen ließe sich eine Sprühtechnik zur Aufbringung des Gemisches einsetzen, bei weicher beispielsweise eine entsprechend modifizierterte Farbsprühpistole zum Einsatz kommt.
Das Gemisch kann auch mit einem Pinsel oder einer geeigneten Rolle, mittels eines Auftragballens oder einem anderen mechanischen Auftragsmittel aufgebracht werden.
Es wäre auch möglich, das Pulvermaterial auf einen metallenen Gegenstand rieseln zu lassen, der zuvor mit dem organischen Bindemittel benetzt wurde. Wenn eine Vielzahl von Schichten dieses Materials erforderlich wäre, so müßte zwischen den Berieselungsschritten der teilweise beschichtete Gegenstand wieder benetzt werden, wobei der bzw. die zwischengeschaltete(n) Benetzungsschritt(e) in jeder geeigneten Weise ausgeführt wird (werden), beispielsweise durch Aufsprühen des organischen Bindemittels mit einer Farbsprühpistole oder durch Eintauchen, mit anschließendem ersten Trocknen der zuvor aufgebrachten Schichten.
Ein anderes Verfahren zur Aufbringung des pulverförmigen Materials auf den Metallgegenstand könnte auch darin bestehen, eine Schicht aus einem Gemisch aufzupressen, weiches das Pulvermaterial und ein organisches Bindemittel enthält Gegebenenfalls könnte diese Schicht während des Abbindens des Bindemittels in ihrer Lage auf dem Metallgegenstand gehalten werden. Bei diesem Auftragsverfahren handelt es sich bei dem organischen Bindemittel vorzugsweise um ein Material, das sich ohne Verdampfung einer Binderkomponente verfestigt, beispielsweise um einen selbsthärtenden Klebstoff.
Ein solches Aufpressen kann stattdessen auf dem pulverförmigen Mateiral erfolgen, das in der Weise bereits behandelt wurde, daß sich eine Beschichtung aus organischem Bindemittel auf den einzelnen Pulverkörnchen gebildet hat.
Uns ist bewußt, daß bisher organische klebende Bindemittel eingesetzt wurden, um die Teilchen in einem einstückig gesinterten Bauteil vor der Sinterung zusammenzuhalten.
Ebenso ist uns bekannt, daß in der Beschreibung der GB-PS 1,248,503 die Herstellung einer Beschichtung auf einem Kolbenring vorgeschlagen wird, die eine Stärke von bis zu wenigen Zehntelmillimeter beträgt, wobei diese Beschichtung aufgesprüht oder elektrolytisch abgeschieden oder mittels eines Klebstoffs aufgebracht wird und die so aufgetragene Schicht anschließend mit einem Elektronenstrahl zum Schmelzen gebracht wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren könnte zwar unter bestimmten Umständen zur Aufbringung von Beschichtungen mit einer Stärke von nur wenigen Zehntelmillimeter eingesetzt werden, doch sind die Beschichtungen in der Mehrzahl der Fälle erheblich dicker. Die aufgebrachte Schicht hat häufig eine Stärke von mehreren Millimetern und könnte bei einigen Gegenständen sogar genauso dick wie das metallene Grundbauelement selbst sein. In vielen Fällen ist es wünschenswert, daß nach Abschluß des Beschichtungsvorgangs das so beschichtete Bauteil noch maschinell bearbeitet wird, und dementsprechend muß die Stärke der aufgebrachten Schicht eine ausreichende Zugabe für solche Zerspanung aufweisen.
Gemäß der GB-PS 1,354,262 wurde ein Aufsintern einer Beschichtung in flüssiger Phase vorgeschlägen, allerdings wurde kein Bezug zum Einsatz einer heißen isostatischen Verfahrensstufe hergestellt.
In der US-PS A-4,851,188 wird ein Verfahren zum Auftragen einer abriebfesten Schicht auf einer Oberfläche beschrieben, welche in Form eines Bandes oder Streifens aus Beschichtungsmaterial und aus einem Bindemittel aus Methocell (eingetragenes Warenzeichen) auf die Oberfläche aufgebracht und bei etwa 2170 ºC erwärmt wird.
Wird die Beschichtungslage in Form eines Vorformtelis hergestellt, so kann jedes geeignete Verfahren zur Bildung des Vorformlings herangezogen werden. Beispielsweise kann ein Formvorgang vorgesehen werden, doch kann auch jedes andere der vorgenannten Verfahren zum Aufbringen der Beschichtung herangezogen werden, wobei allerdings die Beschichtung auf ein Lehrenformteil aufgebracht wird, statt direkt auf den metallenen Gegenstand, und dieses Lehrenteil beispielsweise aus Metall, Kunstsoff oder keramischem Werkstoff bestehen kann. Dabei müßte natürlich ein geeignetes Mittel auf das Formteil aufgetragen werden, damit der Vorformling vom Formteil abgenommen werden kann.
Üblicherweise könnte das Vorformteil aus Vorformsegmenten bestehen, die auf der Oberfläche bzw. einem Oberflächenbereich des zu beschichtenden metallenen Gegenstands zusammengefügt werden können.
Es wird daraus deutlich, daß die Bildung der verbundenen Schicht üblicherweise bei normaler Temperatur bzw. zumindest ohne sehr hohe Temperaturen vorgenommen werden kann. Andererseits wirken beim Plasma-/Flammsprühen auf das versprühte Material sehr hohe Temperaturen ein. Je nach Zusammensetzung des aufgesprühten Materials kann der Einsatz sehr hoher Temperaturen zur Verflüchtigung oder chemischen Veränderung einiger Bestandteile führen, mit der Folge, daß die sich dabei ergebende Beschichtung an diesen Bestandteilen im wesentlichen verarmt oder in unerwünschter Weise verändert wird. Beispielsweise sind hiervon Wolfram, Molybdän, Niob, Tantal, Zirkon, Titan und Hafnium im allgemeinen betroffen bzw. erfolgt eine Verarmung an diesen Elementen. Mit den erfindungsgemäßen Verfahrensweisen ist es nun möglich, eine viel größere Palette an Werkstoffen zur Verwendung bei der Beschichtung einzusetzen, und dementsprechend liegt ein erheblicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens in diesem Aspekt.
Die isostatische Verpressung kann dadurch vorgenommen werden, daß der metaliene Gegenstand mit der verbundenen Schicht, oder zumindest ein zu beschichtender Oberflächenbereich, in einer abgedichteten Metallummantelung eingeschlossen wird, die anschließend bei hoher Temperatur und unter hohem Druck mit einem Edelgas beaufschlagt wird. Vorzugswesse ist die Ummantelung unter enger Passung auf den metalienen Gegenstand mit der spezielien Beschichtung aufgesetzt, doch wäre es in einigen Fällen auch möglich, den Gegenstand mit seiner speziellen Beschichtung in ein in der Ummantelung enthaltenes geeignetes inertes Medium zur Druckübertragung einzutauchen.
Wenn die Ummantelung unter enger Passung auf den Gegenstand mit der Beschichtung aufgesezt wird, übersteigt die Stärke der Ummantelung vorzugsweise im wesentlichen den Wert von 1,25 mm. Im typischen Fall wird eine Metallummantelung mit einer Dicke von 1,6 mm herangezogen.
Dabei ist es wesentlich, daß die Ummantelung gasdicht ist, damit der Vorgang der isostatischen Heißverpressung stattfinden kann. Es entspricht der üblichen Praxis, zuvor zur Prüfung der uneingeschränkten Funktionsfähigkeit der Ummantelung einen Prüfzyklus mit Erwärmung und Druckbeaufschlägung durchzuführen, und bei diesem vorgeschalteten Erwärmungsschritt zersetzt sich das Bindemittel ganz bequem. Auch wird die Ummantelung nach innen gespannt, um so die verbundene Schicht gegen den metallenen Gegenstand zu halten. Es ist günstig, wenn die Ummantelung eine ausreichende Stärke aufweist, damit sie nach Abschluß des vorge schalteten Zyklus mit Erwärmung und Druckbeaufschlägung die verbundene Schicht auf dem Gegenstand halten kann, während an die sein Gegenstand noch der Hauptarbeitsgang der isostatischen Heißverpressung vorzunehmen ist.
Häufig ist es erwünscht, daß vor dem Hauptverpressungszyklus die Ummantelung abgepumpt wird. Gemäß einem bevorzugten Merkmal der Erfindung kann der vorgeschaltete Arbeitsgang der Erwärmung während des Abpumpens ausgeführt werden, was den Vorteil einer gewissen Zeitersparnis und in entsprechenden Fällen der Entfernung bestimmter Binderrückstände mit sich bringt
Aus dem Material und/oder dem Bindemittel in der speziellen Beschichtung diffundieren eines oder mehrere Elemente in das Substrat- bzw. Trägermaterial ein. Diese Erscheinung läßt sich vorteilhatterweise dazu nutzen, die Zusammensetzung des Substrats zu verbessern. Beispielsweise läßt sich die Festigkeit des Substrats erhöhen. Damit kann der Einsatz eines leichter zu handhabenden Trägermaterials möglich werden, das bis zum Beschichtungsvorgang verwendet werden soll. Beispielsweise kann Kohlenstoff aus dem Bindemittel in das Substrat überdiffundieren.
Das Beschichtungsmaterial wird so gewählt, daß es sich zur Festsoffsinterung, im Gegensatz zur Sinterung in flüssiger Phase, geeignet ist. Bei Sinterung einer Beschichtung in flüssiger Phase, wie bei dem in der GB-PS 1,354,262 beschriebenen Verfahren, neigt die Beschichtung zur Ablösung von dem Bauelement, insbesondere bei Auftrag einer relativ dicken Beschichtung.
Das spezielle Beschichtungsmaterial, das zum Einsatz bei dem Verfahren gemäp einem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen ist, enthält vorzugsweise 6 bis 25 Gew.% Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Titan, Hafnium oder Zirkonium, oder auch ein Gemisch daraus, 0 bis 2 Gew.% Kohlenstoff in Pulverform (d.h. zusätzlich zu dem Kohlenstoff aus dem organischen Bindemittel), 0 bis 10 Gew.% oder äquivalente Mengen Silizium oder Eisen, 0 bis 3 Gew.% Silizium, 0 bis 10 Gew.% Aluminium, 0 bis 1 Gew.% eines Elements aus der Gruppe der seltenen Erden, beispielsweise Zer und Yttrium, und 0 bis 94 Gew.% eines partikelförmigen Stoffes wie Wolframkarbid, wobei der Rest Nickel, Kobalt oder Eisen ist.
Ein Beschichtungsmaterial dieser Art eignet sich insbesondere zur Sinterung in fester Phase, die wir für besonders wichtig halten.
Im allgemeinen wurde in der Vergangenheit lieber mit der Sinterung in flüssiger Phase gearbeitet als mit Sinterung in fester Phase, da sich bei Sinterung in flüssiger Phase eine Verdichtung erzielen läßt, ohne daß Druck von außen aufgebracht werden muß. Die Anwesenheit einer flüssigen Phase trug auch unterstützend beim Auftragen eines Pulvers auf einem Substrat mit einem Verfahren wie beispielsweise dem Flammsprühen, vor einem Schritt der Verdichtung, bei.
Wir vermeiden diese Schichtbiidung in flüssiger Phase, da die sich dabei ergebende Mikrostruktur häufig für viele Einsatzbereiche ungeeignet ist; auch werden die Eigenschaften der Beschichtung nicht optimal, während sich unerwünschte Phasen bilden können. Bei Einsatz eines Verfahrens der Sinterung in fester Phase wird es u.U. möglich, die sich dabei ergebende Mikrostruktur optimal zu be einflussen.
Bevorzugt arbeiten wir mit einem Verfahren der Sinterung mit fester Phase bei Temperaturen, die im wesentlichen so hoch wie möglich sind, bei denen aber dennoch die Bildung einer flüssigen Phase vermieden wird.
Somit arbeiten wir bevorzugt unter Bedingungen mit maximaler Temperatur, die allerdings so gewählt wird, daß nach der Verarbeitung im wesentlichen nichts auf die Anwesenheit einer flüssigen Phasen während der Verarbeitung schließen läßt, Dabei werden bei Versuchen zum Nachweis der Anwesenheit einer flüssigen Phase die Anwesenheit einer flüssigen Phase die üblichen Prüfmöglichkeiten eingesett, darunter auch die Erstellung einer Mikrografie.
Der Einsatz hoher Temperaturen regt zur Entwicklung bestimmter erwünschter Bestandteile der Beschichtungen an. Beispielsweise regt das Arbeiten bei hohen Temperaturen im wesentlichen zu einer gleichmäiigen Verteilung feiner Karbidstoffe in der Beschichtung an.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung weist ein beschichteter metallischer und/oder keramischer Gegenstand einen Träger aus Metall und/oder keramischem Werkstoff und eine abrieb- und/oder korrosionsbeständige Beschichtung aus einem Metallegierungen enthaltenden Beschichtungsmaterial auf dem Träger auf, das sich dadurch auszeichnet, daß die Beschichtung die Kristallstruktur eines mit fester Phase gesinterten Materials beszt und keinerlei Anzeichen dafür aufweist, daß während der Bildung der Beschichtung irgendeine flüssige Phase vorhanden war, und daß die Grenze zwischen der Beschichtung und dem Träger Anzeichen dafür zeigt, daß eine Eindiffundierung in fester Phase einer gewissen Menge Beschichtungsmaterial in den Träger stattgefunden hat.

BEISPIELE

Nachfolgend werden nun einige Beispiele für die Arbeitsbedingungen bei erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben.

Bindemittel

1. Polystyrol in einem Ethyläzetat-Träger
2. Polyvinylazetat (PVA) in einem Ethylazetat-Träger (bzw. einem Träger aus verschiedenen Alkoholen)
3. Polyvinylazetat in Wasser
4. Zellulose
5. Latex

Spezielles Beschichtungsmaterial

12 Gew.% Cr
2,5 Gew.% Bo
2,5 Gew.% Si
2,5 Gew.% Fe
35 Gew.% eines Bestandteils bestehend aus nickelplattiertem Wolframkarbid, wobei der Nickelanteil 8 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Bestandtells beträgt,
Rest: Ni
Nachfolgend wird nun die Palette möglicher Veränderungen der Zusammensetzung gegenüber dem speziellen Beispiel beschrieben, wobei alle Bestandteile der Reihe nach angesprochen werden.
Chrom kann in einer Menge im Bereich zwischen 6 und 25% vorliegen. Chrom bildet im Matrixmaterial der sich ergebenden Beschichtung Chromkarbide. Wenn Korrosionsbeständigkeit gefordert ist, so sollte Chrom in ausreichender Menge vorgesehen sein, damit zur Bildung eines passiven chromreichen Oxids Restchrom zugeführt wird. Das in der Matrix gebildete Chromkarbäd trägt natürlich zur Abriebfestigkeit bei. Außerdem bildet ein gewisser Chromanteil eine der intermetallischen Komponenten in der Matrix. Des weiteren trägt auch das Chromkarbid zur Abriebfestigkeit bei. Im allgemeinen erhöht sich durch Chrom die Festigkeit der Matrix.
Chrom kann ganz oder teilweise durch Molybdän, Wolfram, Niob, Titan, Hafnium oder Zirkonium, oder auch durch deren Kombinationen, ersetzt werden. Der zahlenmäßige Gewichtsanteil dieser Elemente müßte natürlich entsprechend dem Atomgewicht der substituierten Komponente eingestellt werden.
Bor kann in einem Anteil von 0 bis 5 % vorhanden sein. Bor bildet zähe Boridphasen auf der Grundlage von Nickel, Chrom, Eisen und Kobalt, sowie deren Kombinationen.
Bor kann ganz oder teilweise durch Silizium oder Eisen ersetzt werden, doch ist Bor besonders wertvoll, da alle Elemente, die zur Bildung von Karbiden fähig sind, auch Boride bilden können.
Kobalt könnte ebenso enthalten sein (allerdings nicht bei Bauteilen für Maschinen in der Nahrungsmittelindustrie), um die Festigkeit der Matrix zu erhöhen.
Silizium kann in einem Anteil zwischen 0 und 3 % (zusätzlich zu jeglichem Sillzium, das unter Umständen anstelle der Borkomponente eingesetzt wurde) vorhanden sein.
Silizide sorgen für Phasen mit hiedrigem Schmelzpunkt, und da wir keine flüssige Phase haben wollen, wird die Siliziummenge am besten so klein wie möglich gehalten. Allerdings hat das Silizium den Vorzug, daß es eine passive Schicht ergeben kann, um so die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern, was gelegentlich erwünscht sein mag.
Kohlenstoff kann in Pulverform in einer Menge von 0 bis 2 % vorhanden sein (zusätzlich zu dem Kohlenstoff, der aus dem organischen Bindemittel stammt). Der Kohlenstoff kann mit intermetallischen Komponenten Karbide bilden, insbesondere mit Chromzusätzen oder Zusätzen aus feuerfestem Metall.
Aluminium kann in einer Menge von 0 bis 10 % vorhanden sein. Aluminium kann die Festigkeit und Passivierung einer intermetalischen Phase erhöhen.
Partikelförmiges Material ist in einer Menge zwischen 0 und 94 % vorhanden. Während nickelplattiertes Wolframkarbid eingesetzt werden kann, ist die Nickelplattierung nicht immer erforderlich; unter bestimmten Umständen kann auch unplattiertes Wolframkarbid verwendet werden.
Auch kann Wolframkarbid mit einer Kobaltplattierung verwendet werden.
Es ist zu beachten, daß die Verarbeitung mit fester Phase, wie sie erfindungsgemäß vorgesehen ist, bedeutet, daß im Vergleich zu den Reaktionen, die abliefen, wenn die Matrix in die flüssige Phase überginge, hier zwischen der Matrix und dem partikelförmigen Material nur wenige Reaktionen ablaufen. Solche Reaktionen könnten sich nicht nur auf die Matrix, sondern auch auf das partikeiförmige Material nachtellig auswirken.
Rest. Der Rest, d.h. das Metall in der Matrix, kann aus Nickel, Kobait oder Eisen, oder auch aus Kombinationen aus diesen Elementen, bestehen.
Spurenelemente. In einer Menge zwischen 0 und 1 %, im typischen Fall von 0,3 %, können Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden vorhanden sein, beispielsweise Zer und Yttrium.
Ein weiteres Beispiel eines erfindungsgemäßen speziellen Beschichtungsmaterials sieht folgendermaßen aus:
11,85 Gew.% Cr
2,1 Gew.% B
2,2 Gew.% Si
2,3 Gew.% Fe
0,42 Gew.% C
35 Gew.% nickelplattiertes Wolframkarbid mit kleinstmöglichen Abmessungen, im typischen Fall mindestens 45 bis 150 um
Rest: Ni
Die beiliegende Zeichnung zeigt den Abzug einer unter dem Rasterelektronenmikroskop erstelltenn Abbildung einer Beschichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, und bei weicher eine Sinterung mit flüssiger Phase vermieden wurde.
Dabei ist festzustellen, daß die Kristallstruktur um die Karbidkristalle im wesentlichen gleichmäßig ausgebildet ist.
Beschichtungen, die gemäß dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt hergesteit wurden (mit Ausnahme der kobalthaltigen Beschichtungen) eignen sich besonders gut zur Verwendung auf Bauteilen von Maschinen für die Nahrungsmittelindustrie, beispielsweise auf der Trommelwandung einer Doppelschrauben-Strangpresse.

Isostatische Heißverfestigung - Vorlauf (Behälterprüfung und Umsetzung des organischen Bindemittels - typischer Zyklusablauf

Mit einer Geschwindigkeit von 4 ºC/Minute wird die Temperatur des Erwärmungs- und Druckofens bis zu einer Durchwärmungstemperatur von 700 ºC erhöht, woraufhn der Ofen 20 Minuten lang auf diesem Temperaturwert gehalten wird und anschließend die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von etwa 7 ºC/Minute wieder gesenkt wird. Dabei wird während des Durchwärmungszeraums bei der entsprechenden Temperatur ein Druck von 200 bar aufrechterhalten.

Hauptzyklusablauf (typischer Zyklus)

Es wird mit 4 ºC pro Minute auf eine Temperatur von 800 ºC bis 1.500 ºC erwärmt und dieser Temperaturwert wird bei einem Druck zwischen 500 und 1.500 bar über einen Zeitraum von 10 bis 100 Minuten beibehalten. Anschließend wird im typischen Fall mit einer Geschwindigkeit von 10 ºC pro Minute abgekühlt. Der genaue Zyklus hängt hinsichtlich der Temperatur und des Drucks von der jeweils verarbeiteten speziellen Beschichtung im Einzelfall ab.

Hauptzyklus (modifziert)

Wir schlagen nun auch Veränderungen an den vorgenannten Arbeitsbedingungen vor, wonach der zu beschichtende Gegenstand über einen Zeltraum von 30 bis 500 Minuten unter Druck auf einer Temperatur zwischen 900 ºC und 1.000 ºC gehalten wird, woraufhin der Gegenstand abgekühit wird, im typischen Fall mit einer Geschwindigkeit von 30 º C bis 2 ºC pro Minute.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer abrieb- und/oder korrosionsfesten Beschichtung aus einem Metallegierungen enthaltenden Beschichtungsmaterial auf einem Träger aus Metall oder einem Keramikwerkstoff unter Bildung einer festen Verbindung in dem pulverförmigen Beschichtungsmaterial mit einem organischen Bindemittel zur Erzielung einer Schicht aus mit dem organischen Bindemittel miteinander verbundenen Pulverkörnchen auf dem Träger, bei welchem die verbundene Schicht einer Erwärmung unterzogen wird, in deren Verlauf das Bindemittel zur Herstellung einer die Pulverkörnchen und zersetztes Bindemittel enthaltenden rudimentären Beschichtung zersetzt wird, und anschließend die rudimentäre Beschichtung mit isostatischem Druck über dem atmosphärischen Druck beaufschlägt wird, gekennzeichnet durch einen zweiten Schritt der Erwärmung, der in Verbindung mit der Beaufschlagung mit einem über dem atmosphärischen Druck liegenden Druck ausgeführt wird, wobei der zweite Erwärmungsschritt bei höherer Temperatur als beim ersten Erwärmungsschritt stattfindet, und dadurch, daß die Bestandteile des Beschichtungsmaterials und die Arbeitsbedingungen während des zweiten Erwärmungsschritts so gewahlt werden, daß während dieses zweiten Erwärmungsschftts im wesentlichen keine flüssige Phase vorliegt, während sich bei dem zweiten Erwärmungsschritt eine Sinterung in fester Phase ergibt

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die beim zweiten Erwärmungsschritt eingesettten Arbeitstemperaturen im wesentlichen so hoch wie möglich sind, wobei dennoch die Bildung einer flüssigen Phase vermieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Beschichtungsmaterial 6 bis 25 Gew.% Chrom, Molybdän, Wolfram, Tantal, Niob, Titan, Hafnium oder Zirkonium oder ein Gemisch hiervon, 0 bis 2 Gew.% Kohlenstoff (d.h. zusätzlich zum Kohlenstoff aus dem organischen Bindemittel), 0 bis 5 Gew.% Bor, oder Silizium bzw. Eisen in äquivalenten Mengen, 0 bis 3 Gew.% Silizium, 0 bis 10 Gew.% Aluminium, 0 bis 1 Gew.% eines oder mehrerer Elemente aus der Gruppe der seltenen Erden wie Zer und Yttrium, und 0 bis 94 Gew.% Materials aus Feststoffteilchen wie wolframkarbid, wobei der Rest Nickel, Kobalt oder Eisen ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem das Beschichtungsmaterial im wesentlichen die folgende (gewichtsmäßige) Zusammensetzung aufweist:

11,85 Cr

2,10 B

2,20 Si

2,30 Fe

0,42 C

35% Wolframkarbid mit Nickelplattierung, mit Mindestabmessungen im typischen Fall von mindestens 45 bis 150 um,

Rest N i

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das organische Bindemittel einen langketigen Kohlenwasserssoff enthalt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem das Bindemittel ein Polymer enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei welchem das Bindemittel ein Vinylpolymer enthält.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die fest verbundene Schicht an Ort und Stelle auf dem Träger gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei welchem aus dem organischen Bindemittel, dem Pulvermaterial und einem Lösungsmittel für das Bindemittel ein Gemisch hergestellt wird und bei welchem in einem Schlikkergießverfahren das Gemisch auf den Träger aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem eine Vielzahl übereinanderliegender Teilschichten aus Metallegierungen enthaltenden Beschichtungsmaterialien auf den Träger aufgebracht wird, wobei die Teilschichten in ihrer Zusammensetzung unterschiedlich sind.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem die Schicht aus fest miteinander verbundenen Pulverkörnchen als eigenständige Vorform hergestellt wird, und die Vorform anschließend vor den Erwärmungsschritten fest auf dem Träger angebracht wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Erwärmungsschritte ausgeführt werden, während der Träger mit der verbundenen Schicht in einer gasdichten Ummantelung angeordnet ist, wobei die Ummantelung zumindest während des zweiten Erwärmungsschritts dicht auf der verbundenen Schicht anliegt.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Stärke der fest verbundenen Schicht im wesentlichen mindestens 1 mm beträgt.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem die Stärke im wesentlichen mindestens 5 mm beträgt.

15. Beschichteter metallischer und/oder keramischer Gegenstand mit einem Träger aus Metall und/oder Keramikmaterial und einer abrieb- und/oder korrosionsfesten Beschichtung aus einem Metallegierungen enthaltenden Beschichtungsmaterial auf dem Träger, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung die Krisallstuktur eines mit fester Phase gesinterten Materials besitzt und keinerlei Anzeichen dafür aufweist, daß während der Bildung der Beschichtung irgendeine flüssige Phase vorhanden war, und daß die Grenze zwischen der Beschichtung und dem Träger Anzeichen dafür zeigt, daß eine Eindiffundierung in fester Phase einer gewissen Menge Beschichtungsmaterial in den Träger stattgefunden hat.

16. Gegenstand nach Anspruch 15, bei welchem in das Trägermaterial Kohlenstoff eingedrungen ist.

17. Gegenstand nach Anspruch 15, bei welchem die Beschichtung einige Elemente aufweist, die durch einen Flammspritzschritt sich verflüchtigt oder chemisch verändert hätten.