DE102010022597A1

DE102010022597A1 - Verfahren zum Herstellen einer Schicht mittels Kaltgasspritzen und Verwendung einer solchen Schicht

Info

Publication number: DE102010022597A1
Application number: DE102010022597A
Authority: DE
Inventors: Axel Arndt; Dr. Doye Christian; Dr. Stier Oliver; Dipl.-Ing. Ullrich Raymond
Original assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Current assignee: Siemens AG; Siemens Corp
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-01
Also published as: EP2576863A1; US8993048B2; WO2011151313A1; US20130142950A1; EP2576863B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer gegen abrasiven Verschleiß beständigen Schicht (13) auf einem Substrat (11). Diese Schicht (13) besteht erfindungsgemäß aus Partikeln (14) eines duktilen Metalls, insbesondere Zn, wobei die Parameter des Kaltgasspritzens so eingestellt werden, dass ein vergleichsweise lockerer Schichtverbund mit Poren (15) durch die Spritzpartikel (14) gebildet wird. Dieser weist vorteilhaft und überraschenderweise einen hohen Widerstand gegen abrasiven Verschleiß (beispielsweise durch ein Partikel (16)) auf, da die Schicht (13) durch plastische Verformung und Schließen der Poren (15) dem Angriff durch das Partikel (16) ausweichen kann, wodurch ein abrasiver Schichtabtrag vorteilhaft gering ausfällt. Gegenstand der Erfindung ist auch eine Verwendung einer kaltgasgespritzen Schicht als Schutzschicht gegen abrasiven Verschleiß.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer gegen abrasiven Verschleiß, beispielsweise Partikelerosion, beständigen Schicht auf einem Werkstück durch Kaltgasspritzen. Bei diesem Verfahren werden Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche des Substrates hin beschleunigt und bleiben an der Auftreffstelle am Substrat haften. Auf diesem Wege entsteht eine kaltgasgespritzte Schicht, wobei die Erfindung weiterhin eine Verwendung einer solchen porösen Schicht betrifft. Vorzugsweise wird zum Kaltgasspritzen, welches auch als kinetisches Spritzen bezeichnet wird, eine Kaltgasspritzanlage verwendet, die eine Gasheizeinrichtung zum Erhitzen eines Gases aufweist. An die Gasheizeinrichtung wird eine Stagnationskammer angeschlossen, die ausgangsseitig mit einer konvergent-divergenten Düse, vorzugsweise einer Lavaldüse verbunden wird. Konvergent-divergente Düsen weisen einen zusammenlaufenden Teilabschnitt sowie einen sich aufweitenden Teilabschnitt auf, die durch einen Düsenhals verbunden sind. Die konvergent-divergente Düse erzeugt ausgangsseitig einen Pulverstrahl in Form eines Gasstroms mit darin befindlichen Partikeln mit hoher Geschwindigkeit, so dass die kinetische Energie der Partikel ausreicht, damit diese auf der zu beschichtenden Oberfläche haften bleiben.
Die Herstellung einer gegen abrasiven Verschleiß beständigen Schicht ist beispielsweise durch R. S. Lima et al., „Microstructural Characteristics of Cold-Sprayed Nanostructured WC-Co-Coatings", Thin Solid Films 416 (2002), S. 129–135 beschrieben. Die dort beschriebene Schicht weist ein feines Gefüge auf, welches als nanostrukturiertes WC-Co-Coating bezeichnet wird. Dieses lässt sich durch Kaltgasspritzen auf einem Substrat abscheiden, wobei wegen des Gefügeanteils WC eine hohe Härte und damit ein hoher Widerstand gegen abrasiven Verschleiß entsteht.
Allerdings ist der Verschleiß einer solchen harten Schicht in erster Linie davon abhängig, wie hart die Teilchen in dem abrasiven Medium sind. Sofern das abrasive Medium selbst eine ähnliche Härte wie WC aufweist, ist bei Verwendung von WC enthaltenen Verschleißschutzschichten ebenfalls ein vergleichsweise hoher abrasiver Verschleiß festzustellen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer gegen abrasiven Verschleiß beständigen Schicht anzugeben, mit dem sich Schichten erzeugen lassen, die einen vergleichsweise hohen abrasiven Verschleißwiderstand aufweisen.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Partikel aus Zn und/oder Sn und/oder Cu und/oder Al und/oder Ti und/oder einer zumindest eines dieser Metalle als Hauptbestandteil enthaltenen Legierung bestehen. Außerdem wird die Geschwindigkeit der auf das Substrat auftreffenden Partikel so eingestellt, dass die sich aus diesen Partikeln ausbildende Schicht porös ist und die Korngröße des Schichtgefüges im Wesentlichen der Partikelgröße entspricht. Damit liegen die Poren, die sich im Gefüge der Schicht ausbilden, genau zwischen den Partikeln, während die Partikel durch Einstellung der Verfahrensparameter beim Kaltgasspritzen in ihrer Form weitgehend erhalten bleiben. Durch die vergleichsweise hohe Porosität des Beschichtungsergebnisses entsteht sozusagen ein lockeres Metallgefüge, wobei die ausgewählten Metalle ein duktiles Verhalten an den Tag legen. Wird die beständige Schicht im Folgenden beispielsweise durch Partikelerosion beansprucht, so kommt es zunächst zu einer plastischen Verformung der Partikel in der Schicht, die zwar zu einer Verfestigung des Gefüges und zu einer Verringerung von dessen Porosität führt, jedoch gewährleistet, dass durch den Angriff der abrasiven Partikel nur ein geringer Materialabtrag der Schicht zu beobachten ist. Man kann die Beanspruchung der beständigen Schicht durch die Partikel also als eine Art Mikroschmieden bezeichnen, wobei die plastische Verformung der Partikel im Gefüge der beständigen Schicht dazu führt, dass ein Materialabtrag weitgehend vermieden wird.
Hierin liegt ein überraschender Effekt, der der erfindungsgemäß hergestellten porösen Schicht mit einer hohen Duktilität zugrunde liegt. Anstatt, wie durch R. S. Lima et al. angegeben, eine Verschleißschutzschicht mit einer möglichst hohen Härte zur Verfügung zu stellen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein gegenteiliger Weg beschritten, nämlich die beständige Schicht so auszuführen, dass eine Beanspruchung durch ein abrasives Medium eine Verformung der Schicht erlaubt, um einen abrasiven Verschleiß dieser Schicht durch ein plastisches Ausweichen der betroffenen Schichtpartikel zu unterbinden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Partikel eine mittlere Partikelgröße von 1 bis 10 μm, bevorzugt 2 bis 5 μm, aufweisen. Als Partikelgröße im Sinne der Erfindung soll der mittlere Durchmesser der Partikel verstanden werden, welcher sich nach bekannten Verfahren statistisch ermitteln lässt. Auch Partikel, die nicht rund sind, weisen einen solchen mittleren Durchmesser auf, so dass deren Partikelgröße angegeben werden kann. Die Wahl von verhältnismäßig feinen Partikeln führt vorteilhaft zu einer Mikroporosität der Schicht, so dass diese nach dem oben beschriebenen Mechanismus durch plastische Verformung des porösen Partikelverbundes besonders wirkungsvoll einer Partikelerosion widerstehen kann.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass vor dem Aufbringen der Schicht eine Haftvermittlerschicht, insbesondere eine Schicht aus Ni, auf das Substrat aufgebracht wird, welche die Schicht durch Ausbildung gemeinsamer Diffusionszonen oder intermetallischer Phasen festhält. Hiermit lässt sich vorteilhaft die Haftung der Schicht auf dem Substrat durch Ausbildung von Diffusionszonen oder intermetallischen Phasen verbessern, damit die Beanspruchung durch das abrasive Medium nicht zu einem Abplatzen der Schicht führt. Diese Maßnahme ermöglicht insbesondere auch die Aufbringung der beständigen Schicht auf Substraten, welche an sich für die ausgewählten Metalle einen schlechten Untergrund bilden. Auf der Haftvermittlerschicht, welche selbst gut auf dem Substrat haftet, lässt sich dann die beständige Schicht mit einer guten Haftung abscheiden.
Weiterhin wird die eingangs angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass eine poröse kaltgasgespritzte Schicht, die aus Zn und/oder Sn und/oder Cu und/oder Al und/oder Ti und/oder einer zumindest eines dieser Metalle als Hauptbestandteil enthaltenen Legierung besteht, als Schutzschicht auf einem gegen abrasiven Verschleiß zu schützenden Werkstück verwendet wird, wobei sich zwischen den kaltgasgespritzten Partikeln Poren befinden. Eine solche Verwendung beinhaltet also, dass die Schicht auf dem betreffenden Werkstück durch Kaltgasspritzen hergestellt wird. Mit der Verwendung der kaltgasgespritzten Schicht im Sinne der Erfindung werden die oben bereits genannten Vorteile erreicht. Hierbei wird, wie bereits erwähnt, der Weg beschritten, dass als beständige Schicht gegen abrasiven Verschleiß eine vergleichsweise weiche, duktile Schicht verwendet wird und nicht eine harte Verschleißschutzschicht, wobei der überraschende Effekt ausgenutzt wird, dass eine weiche, duktile Schicht dem Angriff durch das abrasive Medium durch plastische Verformung ausweichen kann, weswegen ein Schichtabtrag vorteilhaft verringert wird.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Werkstück aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, das/die edler ist als das Material der Partikel. Mit anderen Worten soll das Metall oder die Metalllegierung des Werkstücks in der elektrochemischen Spannungsreihe ein größeres Standardwasserstoffelektrodenpotential aufweisen als das Material, aus dem die Partikel sind. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, dass die erfindungsgemäße Schicht gleichzeitig einen sog. kathodischen Korrosionsschutz für das Substrat darstellt. Auch wenn die Schicht durch den fortschreitenden abrasiven Verschleiß an einigen Stellen des Werkstücks vollständig abgetragen sein sollte, so gewährleistet die verletzte Schicht weiterhin einen Korrosionsschutz, da diese dann als Opferanode wirkt. Mit anderen Worten wird ein elektrochemischer Angriff des Werkstücks dadurch verhindert, dass sich das unedlere Metall der Schicht auflöst, wodurch das Material des Werkstücks geschützt wird.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind in den einzelnen Figuren mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schicht und
2 bis 4 Aufsichten auf die Oberfläche eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Schicht, die verschiedene Verschleißstadien der Oberfläche Partikelerosion darstellen.
Anhand von 1 lassen sich die Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens darstellen. Auf einem Werkstück 11 ist mittels Kaltgasspritzens zunächst eine Haftvermittlerschicht 12 aufgebracht worden, die aus Nickel besteht. Alternativ könnte diese Schicht auch elektrochemisch aufgebracht werden. In einem weiteren Schritt wird durch Kaltgasspritzen eine beständige Schicht 13 aufgebracht, welche aus Partikeln 14 besteht. Diese lassen sich in ihrer Kontur im Schnitt gemäß 1 noch deutlich erkennen, da die Parameter des Kaltgasspritzens so eingestellt werden, dass die Partikel 14 sich beim Aufprall auf das Werkstück 11 (Substrat) kaum verformen. Allerdings ist der kinetische Energieeintrag in die Partikel genügend groß, damit diese auf der Haftvermittlerschicht 12 bzw. auf benachbarten Partikel 14 haften bleiben. Zwischen den Partikeln bilden sich Poren 15 aus, welche zu einem lockeren Schichtgefüge führen.
Der 1 lässt sich weiterhin schematisch der Mechanismus entnehmen, wie die Schicht 13 auf eine Beanspruchung durch ein abrasives Teilchen 16 reagiert. Dieses verformt die beanspruchten Partikel 14 plastisch, wobei gleichzeitig die Poren zwischen diesen Partikeln geschlossen werden. Es verbleibt eine Vertiefung 17 in Form eines Kraters oder Kratzers, wobei jedoch hierbei das Schichtmaterial nicht oder nur kaum abgetragen wird, sondern der Beanspruchung durch das abrasive Teilchen 16 unter plastischer Verformung ausweicht.
Unter Verwendung eines sogenannten HZO-Farbenzinkstaubs superfein der Fa. Norzinco GmbH mit Partikelgrößen zwischen 2 und 5 μm wurde durch Kaltgasspritzen eine beständige Schicht hergestellt. Die hergestellte Oberfläche lässt sich 2 entnehmen. Zu erkennen sind an der Oberfläche noch die Partikel 14, wobei auch Poren zwischen den Partikeln erkennbar sind.
Die erzeugte Schichtoberfläche wurde durch Sandstrahlen behandelt, wobei Korund mit einer mittleren Partikelgröße von 120 μm verwendet wurde. Wie 3 zu entnehmen ist, bewirken die ersten Korund-Partikel 16, die die Oberfläche streifen, Kratzer 18, welche Vertiefungen 17 erzeugen, wie sie in 1 schematisch dargestellt sind.
Wird die Oberfläche über einen längeren Zeitraum durch Sandstrahlen beansprucht, so entsteht ein Oberflächenbild gemäß 4. Es wird deutlich, dass die verschiedenen Kratzer 18, die durch die Korund-Partikel 16 erzeugt werden, sich überlagern und überschneiden. Hierdurch wird deutlich, dass auch eine mehrfache plastische Verformung des Schichtwerkstoffes möglich ist, auch wenn die ursprüngliche Oberflächenbeschaffenheit, bestehend aus Partikeln 14, nach einem längeren Angriff durch das abrasive Medium nicht mehr zu erkennen ist. Dennoch ist auch in diesem Stadium der Beanspruchung der abrasive Abtrag an Zink noch relativ gering.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

R. S. Lima et al., „Microstructural Characteristics of Cold-Sprayed Nanostructured WC-Co-Coatings”, Thin Solid Films 416 (2002), S. 129–135 [0002]
R. S. Lima et al. [0006]

Claims

Verfahren zum Erzeugen einer gegen abrasiven Verschleiß widerstandsfähigen Schicht (13) auf einem als Substrat verwendeten Werkstück (11) durch Kaltgasspritzen, bei dem Partikel (14) zur zu beschichtenden Oberfläche des Substrates hin beschleunigt werden und an der Auftreffstelle am Substrat haften bleiben, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (14) • aus Zn und/oder Sn und/oder Cu und/oder Al und/oder Ti und/oder einer zumindest eines dieser Metalle als Hauptbestandteil enthaltenden Legierung bestehen, und • mit einer Geschwindigkeit auf das Substrat auftreffen, dass die sich ausbildende Schicht porös ist und die Korngröße des Schichtgefüges im wesentlichen der Partikelgröße entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (14) eine mittlere Partikelgröße von 1 bis 10 μm, bevorzugt 2 bis 5 μm aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Schicht (13) eine Haftvermittlerschicht (12), insbesondere eine Schicht aus Ni, auf das Substrat aufgebracht wird.
Verwendung einer porösen kaltgasgespritzten Schicht, die aus Zn und/oder Sn und/oder Cu und/oder Al und/oder Ti und/oder einer zumindest eines dieser Metalle als Hauptbestandteil enthaltenden Legierung besteht und bei der sich zwischen den kaltgasgespritzten Partikeln (14) Poren (15) befinden, als Schutzschicht auf einem gegen abrasiven Verschleiß zu schützenden Werkstück (11).
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel (14) eine mittlere Partikelgröße von 1 bis 10 μm, bevorzugt 2 bis 5 μm aufweisen.
Verwendung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück (11) aus einem Metall oder einer Metalllegierung besteht, das oder die elektrochemisch edler ist als das Material der Partikel.