DE2161453A1

DE2161453A1 - Mit einem Überzug versehene Teile, insbesondere Reibelemente für Bremsen und Kupplungen sowie Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE2161453A1
Application number: DE19712161453
Authority: DE
Inventors: Jean Francis Paris. P Guyonnet
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Priority date: 1967-10-11
Filing date: 1971-12-10
Publication date: 1972-06-29
Also published as: DE2166949A1; DE2161453C3; DE2166949C3; DE2166949B2; DE2161453B2

Description

Mit einem Überzug versehene Teile, insbesondere Reibelemente für Bremsen und Kupplungen sowie Verfahren zu deren Herstellung (Zusatzanmeldung zu der Patentanmeldung P 18 02 377.3, Patent Nr. ....... ) Die Erfindung betrifft mit einem Überzug versehene Teile, insbesondere für Bremsen und Kupplungen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung nach der deutschen Patentanmeldung P 18 02 377.3 (Patent Nr. .......).
In der erwähnten Hauptanmeldung ist bereits vorgeschlagen worden, Reibüberzüge für Oberflächen, die dafür bestimmt sind, gegeneinandergepreßt zu werden, und zwar insbesondere für Vorrichtungen wie elektromagnetische Bremsen und Kupplungen, durch Ablagerung von Teilchen aus Metall, einer legierung oder Mischungen dieses Metalles und der legierungen, wie Oxyden und Kohlenstoffverbindungen, die eine hexagonale Struktur aufweisen, auf den Oberflächen mit hilfe eines Plasmastrahles herzustellen. Wie aus der Hauptanmeldung hervorgeht, lassen sich besonders vorteilhafte Ergebnisse mit Materialien erzielen, die eine hexagonale Struktur aufweisen, deren Vernetzungsverhältnis c sich dem Wert a 1,633 nähert (a = Abstand zwischen benachbarten Atomen in der gleichen Hexagonalebene; c = Abstand zwischen zwei benachbarten Atomen in zwei benachbarten Hexagonalebenen).
Die so hergestellten Überzüge werden durch feste, untereinander verschweißte Teilchen gebildet, die zum größten Teil einer Verschmelzung ihrer Massen unterworfen werden. Es hat sich gezeigt, daß die Qualität der Reibung dieser Überzüge auf diesen Effekt zurückgeführt werden kann.
Wenn es auch möglich ist, die Verschmelzung eines großen Teiles der Teilchen durch geeignete Regelung der Parameter der Arbeitsweise des zur Herstellung des Plasmastrahles verwendeten Generators zu erreichen, so ist es bis heute schwierig, sicherzustellen, daß alle Teilchen, die auf die zu übersiehende Oberfläche fallen, wirklich bis zum Kern hin aufschmelzen.
Die Brfindung ist auf eine Verbesserung der Bremsüberzüge der genannten Art gerichtet, und zwar in Bezug auf das erwähnte Verfahren auf eine Überwindung der genannten Schwierigkeiten, insbesondere darauf, daß alle Teilchen, die auf die zu überziehende Oberfläche fallen, vollständig aufgeschmolzen werden.
Ziel der Erfindung ist ebenfalls die Schaffung von derart erhaltenen Überzügen, die als solche die ursprünglichen kristallographischen Eigenschaften aufweisen.
In der Hauptanmeldung sind ebenfalls erfindungsgemäße Überzüge beschrieben worden, die eine Hexagonalstruktur mit einem Verhältnis c/a in der Nähe von 1,633 aufweisen, wobei diese Überzüge im übrigen magnetische Eigenschaften aufweisen, die sie für die Herstellung von elektromagnetischen Bremsen und Kupplungen geeignet machen. Die ferromagnetischen Eigenschaften dieser Überzüge sind dagegen zumeist weniger ausgeprägt als beispielsweise diejenigen verschiedener herkömmlicher legierungen mit Eisen, Kobalt und Nickel, die unterschiedliche icristalline Strukturen aufweisen.
Ziel der Erfindung ist es daher, Überzüge insbesondere für elektromagnetische Bremsen und Kupplungen herzustellen, bei denen die Eigenschaften der beiden Materialtypen auf denselben Berührungsoberflächen ausgenutzt werden.
Die erfindungsgemäßen Reibüberzüge, die durch feste, untereinander verschweißte Teilchen gebildet werden, die aus Metallen oder zusammengesetzten Metallmischungen bestehen, die dem hexagonalen Kristall-System angehören, sind dadurch gekennzeichnet, daß die 0001-Basisebenen des größten Teiles der Kristalle etwa parallel zu den Oberflächen angeordnet sind, auf denen die Überzüge ausgebildet werden.
Bei den bevorzugten Überzügen haben die Kristalle dieses Überzuges, die übereinandergreifen, Abmessungen zwischen etwa 10 und etwa 75 µ, und mehr als 80% dieser Kristalle sind mit der 0001-Basisebene etwa parallel zu der Reiboberfläche angeordnet.-Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung dieses Überzuges umfaßt eine Injektion der Teilchen, die aus Materialien bestehen, die für die Verschmelzung zur Herstellung des Überzuges geeignet sind, in den Plasmastrahl,der von einem Plasmagenerator ausgeht, der auf die Oberfläche gerichtet ist, auf der der Überzug ausgebildet werden soll, und ist dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsbereiche dieser Teilchen in dem Plasmastrahl bestimmt werden und daß die Geschwindigkeit des Austrittes des Plasmastrahles unter Berücksichtigung der Art des plasmagenen Gases und der leistungsfähigkeit des Generators so geregelt wird, daß die injizierten Teilchen in ihrer Tasse während der Dauer des Weges in dem Plasmastrahl geschmolzen werden können, und daß im übrigen eine gasförmige Barriere quer zu dem Austritt des Plasmas und der durch dieses geförderten Teilchen zwischen dem Ausgang des Generators und der Unterlage entsteht, und zwar mit einem Durchsatz und einer Geschwindigkeit, die dafür ausreichen, die warmen Gase des Plasmastromes zu trennen und abzulenken, ohne die mitgenommenen und auf die Unterlage geschleuderten geschmolzenen Teilchen - aufgrund ihrer kinetischen Bewegungsenergie - ebenfalls abzulenken. Die Abmessungen der in den Plasmastrahl injizierten Teilchen liegen vorzugsweise für den größten Teil zwischen 10 und 70, vorzugsweise zwischen etwa 20 und etwa 40 p.
Die Unterlage wird in einem Abstand von dem Generator gehalten, der größer als die Länge des sichtbaren Teiles des Plasmastrahles ist, und die gasförmige Barriere wird vorzugsweise etwa in Höhe des Endes des sichtbaren Teiles des Plasmastrahles vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, daß diese gasförmige Barriere zugleich die Entfernung derjenigen Teilchen der Materie gewährleistet, die tangential durch den Plasmastrahl mitgenommen werden und nicht in dessen Inneres eingedrungen sind, nicht geschmolzen sind und keine ausreichende kinetische Energie zum Durchdringen der gasförmigen Barriere ohne merkliche Ablenkung erteilt bekommen haben.
Ein wesentliches kennzeichnendes Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß der Überzug auf dem Untergrund im wesentlichen mit Hilfe von geschmolzenen Teilchen aus dem in Betracht kommenden Material gebildet wird.
Die erfindungsgemäßen Ablagerungen oder Überzüge, wie sie insbesondere durch Anwendung eines Verfahrens unter Verwendung von Materialien mit Hexagonalstruktur erhalten werden, weisen ein charakteristisches Merkmal auf, vor allem wenn die Teilchen total aufgeschmolzen worden sind. Eine systematische Untersuchung dieser Überzüge zeigt, daß ihre Oberflächen einen homogenen Anblick bieten und daß sie frei von starken Verschleißpunkten sind.
Die Untersuchung mit Röntgenstrahlen oder durch elektronische Diffraktion zeigt im übrigen, daß die bevorzugte Orientierung der Kristalle (das heißt die Orientierung von mehr als 75 oder sogar mehr als 80% der Kristalle) dieser Überzüge in Bezug auf ihre 0001-Grundebenen so beschaffen ist, daß diese etwa parallel zu der Oberfläche liegen, auf der sie abgelagert sind. Dieses Ergebnis ist besonders vorteilhaft, da diese IsIaterialien gerade bei dieser Orientierung ihrer Kristallebenen erfahrungsgemäß die besten Reibeigenschaften zeigen.
Diese Struktur verleiht den Überzügen die Fähigkeit, sich plastisch zu formieren und zugleich ständig unter dem Einfluß der Reibung auf Kosten einer relativ leichten Verschiebung der Atome zurückzubilden, da nicht nur die bevorzugten Gleitebenen 0001, sondern ebenfalls zahlreiche andere prismatische und pyramidische Ebenen, die diese Struktur charakterisieren, zum Einsatz gelangen.
Diese Eigenschaften zeigen ihren ganzen Wert,wenn die beiden in Reibeingriff stehenden Oberflächen Überzüge aus hexagonalen Materialien im Sinne der vorliegenden Erfindung aufweisen, wobei die bevorzugte Orientierung, die nunmehr bei beiden parallel und in den Grundebenen 0001 der jeweiligen Kristalle liegen, dazu führen, daß zwischen den beiden Reiboberflächen eine erhebliche Reibkupplungswirkung auftritt, die zu einer wesentlichen Reduzierung des beiderseitigen Verschleißes führt.
Es ist jedoch ebenfalls vorteilhaft, für die Bildung dieser Überzüge verschleißfeste Materialien mit einer großen Härte zu verwenden. Materialien mit einer Härte von 1000 HV oder darüber sind für die Verwendung geeignet.
Metalle oder Metall-Oxyde oder Kohlenstoffverbindungen, die besonders für die Bildung der Überzüge geeignet sind, sind in der unten stehenden Tabelle 1 zusammengestellt, In der Tabelle ist ebenfalls das Vernetzungsverhältnis c/a angegeben (Verhältnis des Abstandes c zwischen zwei benachbarten Ebenen, die parallel zu der Grundebene 0001 des Netzes liegen, zu dem Abstand a zwischen zwei nebeneinander in derselben Ebene dieser Art liegenden Atomen).
Tabelle I Material Kobalt 1,624 Magnesium 1,623 Neodym 1,612 Titan 1,587 Wolfram (hexagonale Form) 1,61 Yttrium 1,572 Nickel (hexagonale Form) 1,59 MO C 0,969 M02C 1,574 NbC 0,861 Nb20 Ta2C 1,59 WC 0,976 W2C 1,578 V2C 1,59 Cr2O3 2,761 TiO2 1,246 Die Reibüberzüge können durch diese Materialien im reinen Zustand oder durch Mischungen dieser Materialien gebildet werden.
Sie können ebenfalls mit Materialien kombiniert oder gemischt werden, die selbst nicht hexagonal aufgebaut sind, und die in einem Verhältnis verwendet werden, das es ermöglicht, die ursprüngliche hexagonale Kristallstruktur in den erhaltenen Phasen zu bewahren. Derartige nicht-hexagonale Materialien sind beispielsweise Metalle wie Molybdän, Chrom, Aluminium, Kupfer, Eisen, Nickel (nicht hexagonal) und Niob, Kohlenstoffverbindungen wie B4C, TaC, TiO, Or3C2, VC, ZrC, oder Oxyde wie ZrO2, Al203 usw.
Es hat sich gezeigt, daß die hexagonalen Körper, die die besten Reibqualitäten, das heißt das geringste Risiko eines Pressens ergeben, diejenigen sind, deren Vernetzungsverhältnis c/a in der Größenordnung oder in der Nähe des Wertes 1,633 liegt.
Die kristallographischen Eigenschaften eines ersten Materiales können vom Gesichtspunkt der Reibeigenschaften aus dadurch verbessert werden, daß ein zweites Material zulegiert wird, das das ursprüngliche Verhältnis c/a des ersten Materiales im Sinne einer Annäherung an den bevorzugten Wert 1,633 günstig beeinflußt und dies geschieht durch Einfügung oder Anfügung der Atome des zweiten Materiales in das Kristallnetz des ersten Materiales, oder durch Substitution der Atome des zweiten Materiales an die Stelle der Atome des ersten Materiales. Die Auswahl des zweiten Materiales (oder der zweiten Materialien) ergibt sich im Bedarfsfalle aus systematischen Untersuchungen der legierungen, die die verschiedenen Elemente untereinander bilden, wie beispielsweise diejenigen, die in der Veröffentlichung von Hansen, "Constitution of binary alloys", Mc Graw-Hill 1958 angegeben sind. Man kann auch gegebenenfalls entsprechend vorgehen und die Temperatur der allotropen Umwandlung der Hexagonalstruktur bestimmter als Überzug verwendbarer Materialien in eine kubische Struktur wiederherstellen, die ein Material mit Haftreibung schafft, das für den Verwendungszweck ungeeignet ist. Dies ist der Fall für wenigstens einige der in der Tabelle I genannten Elemente.
Beispielsweise weisen Kobalt, Neodym und Titan allotrope Umwandlungstemperaturen von 417, 862 und 882,5°C auf.
Der allotrope Umwandlungspunkt von beispielsweise Kobalt kann in Richtung höherer Temperaturen verschoben werden, indem dem Kobalt geringe Anteile von Metallen wie Aluminium, Niob, Titan, Wolfram und Molybdän zugemischt werden, die keine Veränderung des kristallinen Systemes bewirken. Diese Anteile können in Abhängigkeit von dem erwünschten Wert des allotropen Umwandlungspunktes gewählt werden, indem beispielsweise auf die Angaben in dem erwähnten Werk von Hansen bezüglich der Gleichgewichtsdiagramme von Kobalt und den genannten Metallen zurückgegriffen wird. So kann sichergestellt werden, daß die ursprüngliche Hexagonalstruktur der mit diesen Materialien hergestellten Reibüberzüge erhalten bleibt, und zwar selbst dann, wenn die Reibvorrichtungen mit erhöhten Temperaturen arbeiten.
Ebenso kann man die magnetischen Eigenschaften beispielsweise des Kobalt (insbesondere in dem Fall der Reibüberzüge für elektromagnetische Bremsen und Kupplungen) dadurch verbessern, daß man Neodym, Yttrium, Eisen oder Nickel in Anteilen zulegiert, bei denen in der erhaltenen Legierung die ursprüngliche hexagonale Struktur des Kobalt erhalten bleibt. Dies kann auch zur Anhebung des Curie-Punktes des erhaltenen Reibmateriales geschehen.
Weitere Merkmale der Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung eines Überzuges und zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in schematischer Form, wobei einige Teile im Schnitt gezeigt sind; Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines einzelnen Elementes dieser Vorrichtung; Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht in vergrößertem Maßstab eines Teiles der Vorrichtung gemäß Fig. 1; Fig. 4 ist eine elektronenmikroskopische Fotografie der freigelegten Teilchen eines Materiales, das für die Herstellung des erfindungsgemäßen Überzuges verwendet werden kann; Fig. 5 bis 7 sind elektronenmikroskopische Fotografien der freigelegten Teilchen desselben iwiateriales nach deren Injektion in den Plasmastrahl und ihrer Härtung in einer Flüssigkeit; Fig. 8 bis 11 sind elektronenmikroskopische Fotografien von Teilen eines Überzuges, der durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt worden ist; Fig. 12 und 13 sind Elektronendiffraktionsbilder, die mit den Kristallen des crfindungsgemäßen Reibüberzuges vor dessen Gebrauch für den Reibvorgang hergestellt worden sind; Fig. 14 ist eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Vernetzungsverhältnis c/a und dem Reibkoeffizienten einer bestimmten Anzahl von hexagonalen Materialien veranschaulicht; Fig. 15 ist eine graphische Darstellung, die die Veränderungen des Reibkoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur bei bestimmten erfindungsgemäßen Überzugsmaterialien zeigt; Fig. 16 bis 19 zeigen einen Teil einer Unterlage, auf die die Überzugsschicht aufgebracht wird, wie es in der Zeichnung schematisch in verschiedenen Bearbeitungsstufen dargestellt ist.
Fig. 1 zeigt, wie ein Überzug aus einem Reibmaterial auf eine Unterlage oder Halterung 2 aufgebracht wird, wobei die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch dargestellt ist. Diese Vorrichtung umfaßt einen Generator 4, der einen Plasmastrahl 6 erzeugt, und der mit einer schematisch unter der Bezugsziffer 8 angedeuteten Einrichtung, beispielsweise einem Vibrationssieb, für die Injektion eines Pulvers eines Materiales für die Bildung der Überzugsschicht in den Plasmastrahl 6 in Höhe oder in der Nähe des Ausganges 10 des Generators verbunden ist.
Der Plasmagenerator kann auf jede an sich bekannte Art ausgebildet sein. Er kann insbesondere entsprechend Fig. 1 aufgebaut sein. Er umfaßt einen Zentralblock 12, der über eine isolierende Halterung 14 die elektrische Isolierung zwischen dem Anodenbereich 16 und dem Kathodenbereich 18 bewirkt. Der Zentralblock weist'einen Diffusor 20 auf, der über eine Leitung 22 mit plasmagenem Gas versorgt wird, wobei der Diffusor das Gas in die Bogenkammer 24 leitet. Weiterhin ist eine Anodenleitung 25 für eine elektrische Versorgung vorgesehen.
Der Generator umfaßt im übrigen einen hinteren Block 26, der mit dem Zentralblock 12 über Schrauben 28 aus isolierendem Material verbunden ist. Die Kathode 18, die vorzugsweise durch eine mit Thorium überzogene Wolframstange gebildet wird, ist in dem hinteren Block über ein Klemmfutter 30 und einen Futterhalteblock 32 befestigt, die eine relative Längsverschiebung der Kathode und der Anode ermöglichen. Eine Mutter 34 sichert durch Ausschaltung des Spieles in dem Gewinde einen guten elektrischen Kontakt, wenn einmal die Stellung der Kathode festgelegt ist. Schließlich nimmt der hintere Block die Kathodenleitung 36 für eine elektrische Versorgung auf.
Der Generator umfaßt schließlich einen vorderen Block 38, der mit dem Zentralblock über Metallschrauben 40 fest verbunden ist.
Die Anode 16, die vorzugsweise aus Rotkupfer oder Kupfertellur besteht, ist in dem vorderen Block über einen Flansch 42 festgelegt.
Ein Kühlkreislauf 44, der über eine in der anodischen leitung 25 enthaltene Leitung versorgt wird, ermöglicht eine Zirkulation von Wasser in Berührung mit der Anode 16, wobei das Wasser anschließend den Zentralblock und dann den hinteren Block durchquert, wo es die Kühlung der Kathode bewirkt, bevor es über eine Leitung in der kathodischen Leitung 36 abgezogen wird.
Die Anode 16 bildet vorzugsweise zugleich die Düse für das Plasma und weist auf an sich bekannte Art ein inneres Profil auf, das abhängig ist von der Art des Plasmas, das verwendet werden soll, und den Geschwindigkeits- und Temperaturbedingungen, die erreicht werden sollen. Eine oder mehrere Einspritzdüsen 46 der Einspritzeinrichtung für das Pulver 8 münden, wie es später genauer beschrieben werden soll, in den Plasmastrahl in der Nähe des Ausganges der Düse, das heißt in dieser oder außerhalb dieser, wobei das Pulver in der oder den Einspritzdüsen mit Hilfe eines austretenden Gases mitgenommen wird, das vorzugsweise dieselbe Zusammensetzung wie das plasmagene Gas aufweist. Die durch die Düse oder Düsen 46 in den Plasmastrahl eingebrachten pulverförmigen Materialteilchen werden sodann durch den Plasmastrahl in Austrittsrichtung des Plasmastrahles mitgenommen.
Die Unterlage oder Halterung 2 kann durch jede geeignete Einrichtung quer zu der Bahn der durch den Plasmastrahl mitgenommenen Teilchen gehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellt die Halterung 2 ein Brems- oder Kupplungsorgan dar, das dafür bestimmt ist, in Reibberührung mit einem entsprechenden Element zu treten. In dem Falle, daß diese Elemente dafür vorgesehen sind, einen ringförmigen Reibbelag 48 (Fig. 1) aufzunehmen, umfassen die Einrichtungen zum Halten der Halterung 2 in der Bahn der durch den Plasmastrahl mitgenommenen Teilchen vorzugsweise eine schematisch mit 50 bezeichnete Achse, die die Halterung 2 in ihrem Mittelpunkt durchquert und dieser eine Drehung verleihen kann. Die Teile der Halterung, die im Normalfalle nicht durch das Überzugsmaterial bedeckt werden sollen, können während des Ablagerungsvorganges durch eine Abdeckung 5? abgedeckt werden, die schematisch in strichpunktierter Linie dargestellt ist.
Die Halterung 2 wird vor der Ablagerung des geschmolzenen Materiales sandgestrahlt oder entsprechend behandelt, damit sie eine gewellte und aufgerauhte Oberfläche erhält, die die mechanische Verankerung des Reibüberzuges auf der Oberfläche erle ichtert.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Injektionsgeschwindigkeit des Plasmas 6 einerseits und die Abmessung und Menge der Teilchen der in den Plasmastrahl eingeführten Materie andererseits derart in Bezug aufeinander unter Berücksichtigung der Art des plasmagenen Gases und der Leistung des Generators geregelt werden, daß die Teilchen in ihrer Masse wahrend der Dauer des Weges in dem Plasmastrahl, insbesondere bis hin zu der Spitze des Plasmastrahles, geschmolzen werden können, und daß im übrigen eine gasförmige Barriere 52 quer zu der Richtung des Plasmastrahles zwischen dem Ausgang 10 des Generators und der Unterlage 2 hergestellt wird, und zwar mit einem Durchsatz und einer Geschwindigkeit, die es ermöglichen, die warmen Gase des Plasmastrahles, der die geschmolzenen Teilchen mitführt und auf die Unterlage 2 schleudert, abzutrennen und abzulenken.
Vorzugsweise wird diese gasförmige Barriere etwa in Höhe des Endes 54 der Plasmastrahlspitze ausgebildet.
Die Einrichtungen 56 zur Herstellung dieser gasförmigen Barriere können durch jedes geeignete Organ gebildet werden, das einen Gasblasspalt 56a aufweist, der sich über eine bestimmte Länge erstreckt. Diese Einrichtungen können beispielsweise entsprechend Fig. 2 ausgebildet sein und durch ein röhrenförmiges Element mit Längsschlitz 56a gebildet werden, das durch eine nicht-gezeigte Gasquelle, insbesondere mit Druckluft, versorgt wird, wobei dieses Element so angeordnet ist, daß der Blasschlitz 56a eine gasförmige Barriere bildet, die etwa in einer Ebene senkrecht zu der Richtung des Plasmastrahles 6 liegt und etwa in Höhe des äußeren Endes der durch den Plasmastrahl gebildeten Flamme liegt.
Die Wirkung dieser gasförmigen Barriere besteht darin, daß das Gas des Plasmastrahles abgetrennt und das warme Gas abgelenkt wird, so daß die Erwärmung der Halterung 2 während des Ablagerungsvorganges verringert wird. Die gasförmige Barriere lenkt im übrigen die nicht-geschmolzenen Teilchen ab, die tangential von dem Plasmastrahl mitgenommen werden und die eine relativ geringe kinetische Energie aufweisen. Im Gegensatz dazu werden die geschmolzenen Teilchen, die in dem Plasmastrahl enthalten sind, mit einer beträchtlichen kinetischen Energie mitgeführt und durchqueren die gasförmige Barriere praktisch ohne Ablenkung.
Die Erfindung ermöglicht es folglich, die Erwärmung der Halterung 2 durch Eirniirkung der warmen, nicht abgelenkten Gase, die beim Auftreffen auf die Halterung noch eine Temperatur von mehreren tausend Grad aufweisen können, zu begrenzen. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung die Bildung einer homogenen Ablagerung aus einer homogenen, im wesentlichen in der Masse geschmolzenen materie auf der Halterung, wobei die Ablagerung eine Ringform 48 annimmt, wenn die Halterung in Drehung versetzt wird.
Es hat sich gezeigt, daß das Schmelzen der Teilchen in der Masse eine wesentliche Bedingung für die Erzielung einer Überzugsschicht mit der gewünschten Kohäsion ist. Um dahin zu gelangen, ist es erforderlich, die verschiedenen Parameter, die zur Regelung der Arbeitsbedingungen des Generators zur Verfügung stehen, insbesondere die Temperatur des Plasmastrahles zu beeinflussen.
Die Temperatur des Plasmastrahles hangt in an sich bekannter Weise von mehreren Parametern, insbesondere von der Zusammensetzung des plasmagenen Gases, der Durchsatzmenge des Generators in Bezug auf das plasmagene Gas, dem Profil der anodischen Düse 16, der elektrischen Leistung, die zwischen den Elektroden übergeht usw.
ab.
Es ist zweckmäßig, zur experimentellen Bestimmung der Werte dieser Parameter die Austrittsgeschwindigkeit des Plasmas zu berücksichtigen, die unter anderem eine Punktion der in den Generator abgegebenen Leistung ist, da diese Austrittsgeschwindigkeit die Mitnahme geschwindigkeit der in das Plasma eingegebenen Teilchen bestimmt, und damit die Zeit der Mitnahme der Teilchen in dem Plasma. Ein Plasma mit einer zu niedrigen Geschwindigkeit ist zu kalt und ermöglicht es nicht, die Teilchen vollständig zu schmelzen. Es gibt jedoch eine obere Grenzgeschwindigkeit für den Austritt des Plasmas. Oberhalb dieser Geschwindigkeitsgrenze wird das Plasma offenbar sehr heiß. Die Zeit des Weges der Teilchen in dem Strahl wird jedoch zu kurz zum Schmelzen der Teilchen. Es ist daher in jedem Falle notwendig, die untere und obere Grenze der Austrittsgeschwindigkeit des Plasmas festzulegen. Diese Grenzen hängen offensichtlich auch von dem Schmelzpunkt des verwendeten Materiales ab, da dieser Schmelzpunkt die Kalorienmenge bestimmt, die zum Schmelzen auf die Teilchen übertragen werden muß.
Ein anderer wesentlicher Parameter,der berücksichtigt werden muß, ist offenbar auch das mittlere Maß der Teilchen des Pulvers. Wenn die Abmessungen sehr klein sind, schmelzen die Teilchen und verflüchtigen sich vor der Ankunft auf der Halterung 2. Wenn die Abmessungen zu groß sind, können die Teilchen nicht vollkommen während der Dauer des Weges in dem Plasma geschmolzen werden.
Im Zusammenhang damit ist es notwendig, die Injektionsmenge des Pulvers in den Plasmastrahl zu regeln. Die Temperatur des Plasmastrahles hängt ebenfalls von dieser Menge ab.
In diesem Zusammenhang läßt sich sagen, daß für ein Plasma, das aus 20% Wasserstoff und 80C/<> Argon besteht, und ein Material, das zwischen etwa 1500 und etwa 30000 schmilzt, die Injektionsgeschwindigkeit der Teilchen zwischen etwa 100 und etwa 500 m/s liegen sollte, wobei das in den Plasmastrahl eingespritzte Pulver, vor allem wenn es einen sehr hohen Schmelzpunkt aufweist, in einer Menge von etwa 500 g bis zu 1 kg/h eingebracht werden und mittlere Teilchenabmessungen von etwa 20 bis 40 /u aufweisen sollte.
Hier sollte auch der Schmelzpunkt der zu schmelzenden Materialien berücksichtigt werden, insbesondere zur Bestimmung ihres Einspritzpunktes in den Plasmastrahl. Die Einspritzung kann noch in der Düse 16 über eine Injektionsdüse 46 erfolgen, die im Inneren der Düse mündet, wie es insbesondere in Fig. 1 gezeigt ist. Dies sollte insbesondere der Fall sein, wenn es sich um Materialien mit hohem Schmelzpunkt handelt. Andererseits kann die Einspritzung auch über eine Einspritzdüse 46a (Fig. 1 strichpunktiert) erfolgen, die in die Spitze des Plasmastrahles vor dem Ende der Düse 46 mit einem Abstand mündet, der auch noch größer sein könnte, wenn der Schmelzpunkt der zu schmelzenden Materie weniger hoch liegt. Außerdem kann eine Anzahl von Einspritzdüsen verwendet werden, insbesondere dann, wenn gleichzeitig mehrere dieser Materien in den Plasmastrahl eingebracht werden sollen.
Wenn beispielsweise ein Überzug auf der Basis von Wolframkarbid CW2, Kobalt oder Eisen abgelagert werden soll (die jeweils bei 2850, 1495 und 1100°C schmelzen), kann man das Wolframkarbid in das Innere der Düse einspritzen, das Kobalt dagegen über die Düse 46a im Abstand von 1 mm und das Eisen über eine Düse 46b (Fig. 3) im Abstand von 3 mm von dem Ende der Düse, Wenn ein Überzug aus einer Legierung hergestellt werden soll, kann man entweder (a) in die Düse oder in die Nähe des Ausganges der Düse eine Mischung der Bestandteile oder eine vorgeformte Legierung der Bestandteile einführen, oder (b) die Bestandteile durch getrennte Einspritzdüsen einführen, die in die Düse und die Plasmaflamme münden, wobei der Abstand zum Ende der Düse von den jeweiligen Schmelzpunkten abhängt.
Im Falle (b) bestimmt man jeweils experimentell die Anteile jedes Bestandteiles, die zur Erzielung eines Überzuges mit vorgegebener Zusammensetzung zweckmäßig sind, wobei die Zusammensetzung beispielsweise durch Castaing-Mikrosonden-Untersuchungen bestimmt werden kann. Die Anteile der eingespritzten Bestandteile können sich spürbar in Abhängigkeit von insbesondere der Zusammensetzung des plasmagenen Gases und der elektrischen Leistung des Generators ändern.
Beispielsweise können sich bei der Herstellung eines Überzuges mit 70% des Chromoxyds Cr2O3 und 30% einer Legierung des Wolframkarbids CW oder CW2 mit 20% Kobalt die Anteile der verschiedenen in den Plasmastrahl eingespritzten Bestandteile zwischen 50 und 90% für Chromoxyd, 10 bis 50% Wolframkarbid CW oder CW2 und 10 biss 30% Kobalt ändern.
Bei den gegebenen Anteilen der Bestandteile in dem in den Plasmastrahl eingespritzten Pulver ergibt sich ein Überzug mit derselben Menge an Wolframkarbid, weniger Chrom und Kobalt, wenn ein Plasma mit 70% Argon und 30% Stickstoff verwendet wird; denselben Mengen Chrom und Wolframkarbid, jedoch weniger Kobalt, wenn ein Plasma mit 70% Argon und 30% Wasserstoff verwendet wird; ebenso viel Chrom und weniger Wolframkarbid und Kobalt, wenn ein Plasma mit 70% Stickstoff und 30% Wasserstoff verwendet wird.
Im übrigen kann vorzugsweise eine Umhüllung 57 für den Plasmastrahl durch einen Strom eines neutralen Gases, wie Argon, gebildet werden. Diese gasförmige Umhüllung ermöglicht insbesondere die Verlängerung der Flamme oder der Spitze des Plasmas und aufgrund dessen ebenso die Dauer des Weges der in den Plasmastrahl in dessen wärmsten Bereich eingespritzten Teilchen.
Außerdem bewirkt diese Umhüllung einen Schutz des Plasmastrahles gegenüber der Umgebungsatmosphäre. Dies führt zu einer Verringerung der Turbulenzen in dem Plasmastrahl und ermöglicht es, in großem Umfange Reaktionen der durch den Plasmastrahl mitgeführten Teilchen mit der Umgebungsluft, insbesondere mit dem Sauerstoff der Luft, zu verneiden, die bei hohen Temperaturen möglich sind.
Diese gasförmige Umhüllung 57 kann durch jede geeignete Einrichtung, insbesondere mit Hilfe eines Gasstrahlsystemes 58, hergestellt werden, das in der Nähe des Ausganges 10 des Generators (oder der Düse 16) vorgesehen ist. Dieses System, das durch neutrales Gas zur Herstellung der gasförmigen Umhüllung versorgt wird, weist vorzugsweise eine ringförmige Austrittsöffnung oder eine Anzahl von Austrittsöffnungen 59 auf, die in einer ringförmigen Scheibe vorgesehen sind, die den Ausgang des Plasmastrahles umgibt.
Der Schutz des Plasmastrahles wird weiterhin dadurch stark verbessert, daß eine Hülse 60 den Plasmastrahl umgibt und eine Öffnung 60a aufweist, die dem Düsenausgang gegenüberliegt, wobei diese Hülse Einrichtungen zur Kühlung (schematisch unter Bezugsziffer 61 dargestellt) aufweist, die insbesondere eine zwangsgesteuerte Wasserzirkulation ausnutzen.
Entsprechend einer abgewandelten Ausführungsform kann man in einem dichten Behalter arbeiten, den man leergepumpt und mit einem Inertgas wie Argon gefüllt hat.
Entsprechend einer anderen abgewandelten Ausführungsform erfolgt die Ablagerung in einem Vakuumbehälter. Der mittlere freie Weg der Moleküle wird so vergrößert.
Man erhält auf diese Weise ein Verfahren und eine Vorrichtung, die es ermöglicht, auf einer Halterung eine Ablagerung von geschmolzenen Tröpfchen auszubilden. Man kann auf einfache Art den Schmelzgrad der Teilchen des in das Plasma eingespritzten Pulvers bestimmen und folglich die Arbeitsbedingungen des Generators regeln, insbesondere, wenn die geschmolzenen Teilchen in einem mit Wasser gefüllten Behälter aufgefangen werden, in dem sie abgeschreckt werden. Wenn sie zuvor in ihrer Masse geschmolzen waren, verfestigen sie sich zu kugelförmigen Teilchen. Die Fig. 4 bis 7 sind elektronenmikroskopische Fotografien, die die auf diese Art erhaltenen Kugelteilchen 63 zeigen.
Das Material, aus dem die in den Fig. 5 bis 7 sichtbaren Kugelteilchen gebildet werden, ist Chromoxyd Cr203. Fig. 4 ist eine elektronenmikroskopische Fotografie der ursprünglichen Teilchen 64 dieses Chromoxyds, die durch ein lamellenförmiges Aussehen gekennzeichnet sind, das auf die ursprüngliche hexagonale kristalline Struktur zurückgeht. Nach dem Schmelzen im Plasmastrahl und der Verfestigung in dem Wasser verlieren die Teilchen, die etwa ihre mittleren Äbmessungen beibehalten, das lamellenförmige Aussehen und bilden kleine Pacetten 66, wenn sie richtig aufgeschmolzen sind. In Fig. 7 ist ein Teilchen 68 dargestellt, das nicht richtig geschmolzen worden ist. In der Masse dieses Teilchens zeigen sich starke Brüche und Sprünge. Man erkennt insbesondere unter der Bezugsziffer 70 die Bereiche dieses Teilchens, die nicht geschmolzen sind, da sie ihr ursprüngliches, lamellenförmiges Aussehen beibehalten haben. Überzüge, die aus solchen Teilchen gebildet werden, ermöglichen nicht die gewünschte Kohäsion Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Ablagerungen bieten bei richtigem Schmelzgrad der Tröpfchen einen charakteristischen Anblick. Eine systematische Untersuchung hat gezeigt, daß die Oberfläche des Überzuges nicht körnig ist. Die Kügelchen des geschmolzenen Materiales überdecken einander und fließen über die Oberfläche der Unterlage oder Halterung.
Elektronenmikroskopische Fotografien des durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Überzüge werden in den Fig. 8 bis 11 dargestellt. Die verfestigten Teilchen sind praktisch frei von Spalten und weisen die Konturen 72 auf, die im ganzen gleichmäßig sind. Die verfestigten Teilchen überlappen einander. Eine Analyse der Ablagerung mit IIilfe von Ultraschall zeigt keine Kohäsionsfehler auf der Fläche zwischen der Halterung und der Überzugsschicht.
Die Untersuchung der Ablagerungen mit Hilfe von Röntgenstrahlen läßt im übrigen erkennen, daß bei einer hexagonalen Kristallinstruktur des die Überzugsschicht bildenden Materiales eine bevorzugte Orientierung der Kristalle in ihren Grundebenen 0001 parallel zu der Oberfläche auftritt, auf der die Ablagerung vorgenommen wird.
Fig. 12 zeigt insbesondere ein elektronisches Diffraktionsbild, das anhand eines Kristalles von der Oberfläche eines erfindungsgemäßen Uberzuges vor dem Reibeingriff hergestellt worden ist.
Die Verteilung der Lichtpunkte auf der Fotografie entsprechend regelmäßigen Sechsecken zeigt die Orientierung dieses Kristalles entsprechend seiner 0001-Grundebene. Fig. 13 zeigt ein elektronisches Diffraktionsbild, das anhand desselben Kristalles nach einer bestimmten Anzahl von Reibvorgängen hergestellt worden ist.
Dieses letztere Bild läßt eine der Pyramidenebenen der Kristallstruktur erkennen. Unter der Einwirkung des Reibeingriffes ist das Kristall einer plastischen Vcrformung unterworfen worden, die an die Stelle der ursprünglichen Gleitebene 0001 eine Pyramiden-Gleitebene gesetzt hat. Das Abziehen von Oberflächen-Mikro fragmenten des Überzuges stellt nur eine letzte Stufe des Verschleißprozesses dar, die nur eintritt, wenn der Überzug zu hart geworden ist.
Diese plastischen Verformungen finden nur auf der Oberfläche statt. Wenn man die metallographische Politur der harten Oberflächenschicht fortsetzt, findet man von neuem die bevorzugte Orientierung der Grundebene 0001 parallel zu der Oberfläche.
Es hat sich gezeigt, daß wenigstens in erster Annäherung für hexagonale Materialien eine Beziehung zwischen ihrem Vernetzungsverhaltnis c/a und ihrem Reibungskoeffizienten besteht. Diese Beziehung erscheint in der Tabelle der Fig. 14, in die die Werte der Reibungskoeffizienten F (Ordinate) der verschiedenen hexagonalen Materialien in Abhängigkeit von ihrem Vernetzungsverhältnis (Abscisse) dargestellt sind.
Die Messungen sind im Hochvainium (10-11 Torr) mit Hilfe von zwei Scheiben erfolgt, die mit Überzügen versehen sind, die unter den oben beschriebenen Bedingungen aufgebracht worden sind, und die unter einer Drucklast von 5 kg/cm² und bei einer relativen Geschwindigkeit von 1 m/s miteinander in Reibeingriff gebracht worden sind. Aus dieser Fig. 14 geht hervor, daß die Materialien mit einem Vernetzungsverhältnis c/a um 1,61 bis 1,63 einen besonders niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, aus d allem s sich ein minimales Risiko eines Fressens im Traufe der Reibung der entsprechenden Überzüge gegeneinander ergibt.
Zur Erzielung von Überzügen, die einen möglichst niedrigen Reibungskoeffizienten aufweisen, kann man natürlich ebenfalls Bestandteile verwenden, die im reinen Zustand eine kristalline, hexagonale Struktur aufweisen, deren Vernetzungsverhältnis beträchtlich von dem Wert 1,633 entfernt ist, indem man diese Bestandteile insbesondere mit anderen Bestandteilen in Verhältnissen legiert, durch die man Legierungen oder feste Lösungen erhält, die ein Vernetzungsverhältnis aufweisen, das dem Idealwert von 1,633 beträchtlich näher kommt als es das Vernetzungsverhältnis der hexagonalen Bestandteile in reinem Zustand ist.
Ebenfalls ist es möglich, bei der Herstellung dieser Legierungen oder festen Lösungen andere Faktoren zu berücksichtigen, deren Berücksichtigung unerläßlich ist, wenn man einen Überzug mit wirksamer Reibwirkung erhalten will. Insbesondere kann einer der Bestandteile eine große Härte, der andere eine geringere Härte aufweisen.
Der härtere Bestandteil vergrößert die Festigkeit der Berührung, oder in anderen Worten, die elastische Verformung der Unebenheiten der Oberflächen beim Reibvorgang. Die Frequenz der Vibrationen, die mit der Reibung verbunden sind, während des Ablaufes eines Reibungsvorganges, ist umso höher, je größer die Härte der Reibungsmaterialien ist. Es ist daher möglich, durch Verwendung eines harten Bestandteiles in dem Überzug die Frequenz der mit dem Reibvorgang verbundenen Vibrationen in einen Wertebereich zu verlegen, der ausreichend von der Eigenfrequenz der in Reibberührung tretenden Organe entfernt ist und so Frequenzen zu vermeiden, die zu einer Verstärkung der Eigenfrequenz der Anordnung führen würden.
Der welche Bestandteil kann in gewissem Ausmaß die Rolle eines Ausgleichsmittels, das heißt eines Schmiermittels spielen.
Eine beispsielsweise Legierung aus Chromoxyd Cr2O3 (c/a = 2,761), Kobalt (c/a = 1,624) und Wolframkarbid W2C (c/a = 1,578) in den in der folgenden Tabelle II angegebenen Mengenverhältnissen weist ein Verhältnis c/a von etwa 1,633 auf. Im übrigen erhöht in dieser Legierung das Chromoxyd, das hart ist, die Berührungsfestigkeit, während das weichere Kobalt die Vibrationen ausgleicht und die Rolle eines Schmiermittels übernimmt.
In der folgenden Tabelle sind bestimmte Legierungen angegeben, die vorteilhaft auf die Herstellung von Überzügen anwendbar sind und alle weiter oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
In der senkrechten Spalte sind die jeweiligen Prozentsätze der Legierungsanteile angegeben, die sich in waagerechten Reihen zu der Gesamtzusammensetzung addieren.
Tabelle II

Co % CW2 Cr3C2

(oder CW) % Cr2O3 % (oder Cr) % Mo % Ni %

75

65 35 25

75 25

15 70 15

70 15 15

70 17 13

45 20 35

50 20 10 20

6 24 70

14 56 30

10 40 50

Vorzugsweise weisen die Überzugsmaterialien einen ausreichend hohen allotropen Umwandlungspunkt auf, damit nicht während des Reibungsvorganges die allotrope Umwandlung erfolgt. Wenn erforderlich, hebt man den allotropen Umwandlungspunkt des Materiales des Reibüberzuges durch Zulegieren eines zweiten Materiales, das dazu dient, in das Kristallnetz des ersten Metalles einen bestimmten Anteil von Substitutionsatomen unter Beibehaltung der gewünschten hexagonalen Kristallinstruktur einzufügen, die zu einer Erhöhung dieses allotropen Umwandlungspunktes führen. Beispielsweise führt eine Zugabe von Molybdän zu Kobalt, dessen allotroper Umwandlungspunkt bei 417°C liegt zu einer Legierung mit einem erheblich erhöhten allotropen Umwandlungspunkt. Beispielsweise weist eine Legierung von 75% Kobalt und 25% Molybdän einen allotropen Umwandlungspunkt der Größenordnung von 980°C auf.
Diese Wirkung auf den allotropen Umwandlungspunkt einer Legierung auf Kobaltbasis wird durch die ICurven der Fig.15 verdeutlicht die die Veränderung des Reibkoeffizienten F (Ordinat) in Abhängigkeit von der Temperatur (Grad Celsius, Abscisse) für die Überzüge zweier in Reibeingriff stehender Scheiben wiedergeben, deren eine feststeht, wobei auf die Scheiben eine Last von 5 kg/cm2 bei einer relativen Geschwindigkeit von 1 m/s unter einem Vakuum von 10-11 Torr einwirkt. Die Temperatur wird mit Hilfe eines Thermoelementes gemessen, das in unmittelbare Nshe der Reiboberfläche der feststehenden Scheibe gebracht wird.
Die Kurve A bezieht sich auf die Veränderungen des Reibungskoeffizienten unter diesen Bedingungen bei einem Überzug, der 70 Gewichts-% Kobalt und 30 Gewichts-% Wolframkarbid W2C enthält.
Die Kurve B bezieht sich auf die Reibeigenschaften eines Überzuges, der durch eine Legierung gebildet wird, die 60 Gewichts-% Kobalt, 20 Gewichts-% W2C und 20 Gewichts-% Molybdän enthält.
Diese beiden Legierungen besitzen normalerweise eine Hexagonalstruktur. Wie aus der Figur hervorgeht, unterliegt der Reibungskoeffizient einer plötzlichen Veränderung bei einer Temperatur von etwa 4700C für die Legierung CO/W2C (Kurve A) und bei einer Temperatur etwas oberhalb von 80000 für die andere, Molybdän enthaltende LegierunG (Kurve B). Diese Veränderungen des Reibungskoeffizienten fallen mit der allotropen Umwandlung der hexagonalen Struktur in eine kubische Struktur zusammen. Die in Frage stehenden Überzüge weisen nach einer Abkühlung wieder die ursprünglichen geringen Reibungskoeffizienten auf.
Die Kurven der Fig. 15 zeigen die Wirkung des Molybdäns auf den allotropen Umwandlungspunkt einer Legierung aus Kobalt und Wolframkarbid W2C. Sie verdeutlichen im übrigen, daß die Reibungskoeffizienten entsprechender Legierungen mit kubischen Strukturen wesentlich höher liegen, so daß kein gleichmäßiger und progressiver Eingriff ohne Fressen der in Reibeingriff stehenden Oberflächen ermöglicht wird.
Wie bereits oben angegeben wurde, führen die Reibungsüberzüge mit hexagonaler Struktur entsprechend der vorliegenden Brfindung zu besonders vorteilhaften Ergebnissen, wenn sie mit anderen Überzügen mit derselben Strukturcharakteristik zusammenwirken. Die Herstellungsmaterialien von zwei in Reibeingriff stehenden Überzügen sind jedoch vorzugsweise unterschiedlich, und zwar unter dem Gesichtspunkt ihrer chemischen Natur und insbesondere nicht gegenseitig löslich, damit jede mögliche Adhäsion eines Überzuges auf dem anderen vermieden wird. Folglich fügt man vorzugsweise Überzüge auf Karbidbasis mit Überzügen auf Oxydbasis zusammen.
Im allgemeinen ist die Verwendung von wärmebeständigen Oxyden und Karbiden mit hexagonaler Kristallinstruktur sehr vorteilhaft aufgrund der kompakten Art ihrer Kristallinstruktur und vor allem wenn ihr Vernetzungsverhältnis c/a in der Nähe von 1,633 liegt. Die Vorteile liegen in - ihrer Härte, die zu der kompakten Art ihrer Kristallinstrukturen und zu interatomaren, die Atome miteinander verbindenden Kräften führt, - der verringerten plastischen Verformungsarbeit der Oberflächenschichten aufgrund der bevorzugten Orientierung der Basisebenen 0001, vor allem bei einem Vernetzungsverhältnis c/a in der Nähe von 1,633 und - der leichten Kontaktadhäsion.
Zur weiteren Erläuterung und nicht zur Einschränkung der Brfindung werden im folgenden beispielsweise Werte der verschiedenen Parameter gegeben, bei denen auf einer Halterung oder Unterlage, die zuvor sandgestrahlt worden ist, Überzüge ausgezeichneter Qualität erzielt werden können, wenn die in der obigen Tabelle angegebenen Legierungen verwendet werden0 Die Bestandteile der Legierung werden in den Plasmastrahl durch die drei oben erwähnten Verfahren eingespritzt, das heißt - durch Einspritzen einer Pulvermischung, - durch getrenntes Einspritzen der Bestandteile der Legierung, - durch Einspritzen einer zuvor hergestellten Legierung.
Der Durchmesser der Austrittsöffnung der Anodendüse 16 des Plasmagenerators beträgt 6 bis 10 mm; der Abstand der Halterung oder Unterlage vom Ende der Plasmaflamme liegt in der Größenordnung von 5 cm; Zusammensetzung des plasmagenen Gases: Mischung Argon/Wasserstoff oder Argon/Stickstoff oder Stickstoff/Wasserstoff; beispielsweise I;Iischung Ar/H2 im Verhältnis von 71 1 Argon und 16 1 Wasserstoff; Durchsatz des plasmagenen Gases: 75 l/mn Ar 16 l/mn H2 Austrittsgeschwindigkeit der Teilchen: 10 bis 500 m/s In den Plasmastrom eingebrachte Leistung: 24 bis 28 Kilowatt (beispielsweise 310 A bei 80 V oder 620 A bei 45 V oder 800 A bei 30 V) Mittlerer Teilchenabmesser des in den Plasmastrom eingespritzten Pulvers: 20 bis 40 µ Stündliche Gewichtsmenge des in den Plasmastrom eingebrachten Pulvers: 500 bis 1000 g/h Zufuhrdruck des Gases in dem Organ 56 der gasförmigen Barriere 52: 3 bar Durchsatz des Gases in dieser gasförmigen Barriere: 30 bis 50 m3/h Zusammensetzung des Gases der gasförmigen Umhüllung 61: Argon Durchsatz des Düsenorganes 60 der gasförmigen Umhüllung: 5 bis 15 1/h Die Dauer eines Ablagerungsvorganges schwankt zwischen einigen Sekunden und einigen Minuten, je nach der gewünschten Dicke des Überzuges, wobei diese Dicke zwischen einigen Hundertstel und einigen Zehntel mm liegt.
Das zuvor beschriebene Beispiel ist vor allem auf die Herstellung von Überzügen aus Materialien mit hexagonaler Kristallstruktur gerichtet. Das erfindungsgemäße Verfahren ist jedoch offensichtlich auch auf die Herstellung von Überzügen aus beliebigen anderen Materialien anwendbar. Es ist auch insbesondere vorteilhaft auf die Herstellung von Ablagerungen aus mehreren Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung oder auf Ablagerungen, deren Zusammensetzung sich progressiv ändert, abwendbar. Die Ablagerungen können insbesondere leicht hergestellt werden, wenn mehrere Pulverdüsen 46, 46a, 46b usw. mit regelbaren Zufuhrdurchsätzen verwendet werden, die alternativ oder zusammen eingesetzt werden können, wobei die Zufuhr bei einigen unter ihnen im Verlaufe des Vorganges eingeschaltet oder unterbrochen werden kann.
In dem Falle, daß die Halterung oder Unterlage nicht eben ist und beispielsweise in Bezug auf die übrige Oberfläche vorspringende Bereiche aufweist, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren gegebenenfalls, nach dem Ablagerungsvorgang eine zusätzliche Stufe des Ausgleiches und Polierens der gebildeten Überzugsschicht mit Hilfe insbesondere einer Diamantenschleifscheibe einzusetzen und so ebene Oberflächen zu erhalten, die ein unterschiedliches Anhaften von Materialien von einem Bereich zum anderen der Halterung aufweisen.
Dieses Verfahren ist insbesondere vorteilhaft, wenn es darum geht, Reibungsoberflächen insbesondere auf Zusatzankern für elektromagnetische Kupplungen oder Bremsen vorzusehen, wobei diese Reibungsoberflächen, wie in der Stammanmeldung beschrieben wird, einerseits möglichst günstige Reibungseigenschaften beim Eingreifen des Zusatzankers aufweisen müssen, andererseits zur Schließung des magnetischen Kreises, der bestrebt ist, die Zusatzanker gegeneinanderzudrücken, beitragen sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, die Qualitäten der beiden Legierungen auf denselben Berührungsoberflächen auszunutzen, insbesondere, indem Teile der Art verwendet werden, wie sie in Fig, 19 gezeigt sind, in der ein Schnitt durch einen Bereich 80 eines Rotors (im Falle einer Kupplung) oder eines ringförmigen Induktors (im Falle einer Bremse) dargestellt ist, deren Achse schematisch durch die strichpunktierte Linie 81 wiedergegeben wird, und die auf an sich bekannte Art mit einer Spule 82 zum Anziehen und Antreiben oder Bremsen, wenn die Spule unter Spannung gesetzt wird, zusammenwirken, sowie einen Anker 84, der teilweise schematisiert in strichpunktierten Linien in Fig. 19 dargestellt ist, und dessen Oberfläche mit einem Überzug derselben Art wie der des Rotors oder des Induktors versehen ist.
Entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sieht man auf den Überzügen der ringförmigen, in Reibeingriff tretenden Oberflächen ringförmige innere und äußere Schichten vor, die aus einem Material wie Eisen oder Fe-Co-Ni-Legierungen bestehen, die die gewünschten ferromagnetischen Eigenschaften aufweisen, um dadurch den bestmöglichen Durchgang der Kraftlinien des Magnetfeld es zwischen dem Rotor und der Scheibe sicherzustellen, wobei der Rest dieser Uberzüge, insbesondere die ringförmigen Zwischenschichten, im Gegensatz dazu aus einem Material bestehen, wie die oben beschriebenen Legierungen, die die bestmöglichen Reibungseigenschaften bieten.
Diese speziellen Überzugsschichten können auf der Ankerhalterung ausgebildet werden, die ringförmige innere und äußere Vorsprünge 86a, 86b aufweist, wobei das erfindungsgemäße Verfahren verwendet wird, dessen Zwischenphasen in den Fig. 16 bis 18 unter Bezugnahme auf das entsprechende Teil des Rotors dargestellt sind.
Entsprechend diesem Verfahren stellt man zugleich auf den ringförmigen Vorsprüngen 86a, 86b und auf dem Zwischenbereich 87 der Ankerhalterung 80, die in Fig. 16 dargestellt ist, eine erste Ablageschicht 88 aus einem Material her, das die gewünschten magnetischen Eigenschaften aufweist und eine Dicke besitzt, die vorzugsweise geringer als die Höhe der Vorsprünge 86a, 86b (Fig. 17) ist. Sodann bringt man eine zweite Schicht 19 aus Material mit den gewünschten Reibeigenschaften auf, deren Dicke so bemessen ist, daß die Summe der ersten und zweiten Ablageschichten größer als die Höhe der ringförmigen Vorsprünge 86a, 86b ist (Fig. 18). Schließlich gleicht man mit einer nicht gezeigten Diamantschleifscheibe und durch eine Politur die beschichtete Oberfläche, die durch die beiden Ablagerungen 88 und 90 gebildet wird, aus, bis eine ebene Oberfläche entsteht und auf den ringförmigen Vorsprüngen 86a, 86b das Material der ersten Schicht 88 aufliegt. Der endgültige, ebene Überzug (Fig. 19) umfaßt nunmehr die ringförmigen Auflageschichten 92a, 92b aus magnetischem Material, die einen leichten Durchgang der Kraftlinien des Magnetfeldes der Spule 82 und damit eine feste Kupplung ermöglichen, und eine Zwischenauflage 94 aus dem Material der zweiten Ablagerung, die die günstigsten Reibungseigenschaften bei einem Eingriff der gegenüberliegenden Oberflächen der Anker aufweist. Das Reibungsmaterial der Zwischenauflage 94 ist härter und verschleißfester als das der ringförmigen Auflagen 92a, 92b, damit wechselnde Verschleißvorgänge zwischen den ersten und zweiten Auflage schichten vermieden werden.
Die in Frage stehenden Ablagerungen können leicht kontinuierlich hergestellt werden, insbesondere, wenn man Vorrichtungen der beschriebenen Art verwendet, die getrennte Einspritzdüsen 46a, 46b für jedes Material aufweisen, die alternativ in Gang gesetzt werden. Es ist ebenfalls möglich, insbesondere, wenn man-in Höhe der ersten Schicht eine Mischung aus einem magnetischen Material und einem Material mit guten Reibungseigenschaften aufbringen will, die beiden Einspritzdüsen in der ersten Phase zu beschicken und die Zufuhr des magnetischen Materiales in der zweiten Phase der Herstellung des Überzuges zu unterbrechen.
Auf diese Art erhält man Reibungsüberzüge mit zahlreichen Vorteilen, die zum Teil bereits im Laufe der vorangegangenen Beschreibung erwähnt worden sind. Die wesentlichen Vorteile liegen darin, daß die Reibungsüberzüge eine hohe Verschleißfestigkeit im Vergleich zu den bekannten organisch-metallischen Materialien bieten und daß sie unter sehr hohen Temperaturen ohne eine Gefahr der Zerstörung verwendet werden können.
Wenn diese Überzüge auf der Oberfläche der Unterlage selbst angebracht werden sollen, ist die Herstellung dieser Unterlage oder Halterung sehr einfach. Es sind keine Halteeinrichtungen erforderlich, wie dies bei den herkömmlichen Bremsorganen, beispielsweise vom Typ Perodo, der Fall ist. Diese Halterungen oder Unterlagen können durch sehr einfache Gußteile gebildet werden.
Die Reibungsüberzüge können ebenfalls ohne Zerstörung in korrodierender Atmosphäre und in fetthaltigen Atmosphären, beispielsweise in Öldunst, arbeiten. Die Verringerungen des Reibungskoeffizienten, die im letzteren Falle gelegentlich beobachtet werden können, sind nur zeitlich begrenzt und geringfügig. Die Erwärmung der Re ib oberflächen während dieser verringerten Kupplungswirkung führt zu einem Zerplatzen der Ölblasen zwischen den Reiboberflächen und damit zu einer schnellen Rückkehr der ursprünglichen Klemm- oder Bremswirkung. Die Reiboberflächen der vorliegenden Erfindung werden daher nicht durchtränkt.
Allgemein ist die Erfindung auf Motorbremsen und elektromagnetische Kupplungen und Bremsen, auf drehende, trockene oder geschmierte Reibverbindungen, auf die Segmente und Statoren von Drehsystemen (Rotations-Verbrennungsmotoren, Kompressoren, Vakuumpumpen usw. ) Reibungs-Ausgleichskupplungen, Fahrzeugbremsen, auf Reibüberzüge für Hochvakuumteile usw. anwendbar.
Obwohl die vorliegende Erfindung entsprechend einer bevorzugten Ausführungsform auf die Herstellung von Reibüberzügen gerichtet ist, ist sie ebenfalls anwendbar auf andere Uberzugsvorgänge, beispielsweise auf die Herstellung von Isolierüberzügen auf Aluminiumbasis, auf dünne Ablagerungen auss Halbleiterkörpern usw.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Reibüberzug aus Metallen auss der Gruppe der Metalle und der aus diesen gebildeten Legierungen, die ein hexagonales Kristallsystem aufweisen, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die 0001-Grundebenen des größten Teiles der Kristalle dieses Überzuges so orientiert sind, daß sie etwa parallel zu der Reibungsoberfläche liegen, auf der der Überzug vorgesehen ist.

2. Reibüberzug nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kristalle dachziegelartig ineinandergefügt sind und Abmessungen zwischen etwa 10 und etwa 75 P aufweisen, wobei die 0001-Hauptebene von mehr als 80% der Kristalle etwa parallel zu der Reibungsoberfläche angeordnet ist.

3. Reibüberzug nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Kristalle Abmessungen zwischen etwa 20 und etwa 4-0 P haben.

4. Reibüberzug nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Vernetzungsverhältnis der in dem Überzug enthaltenen Phasen zwischen etwa 1,6 und etwa 1,633 liegt.

5. Reibüberzug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Materialien eine Härte von wenigstens 1000 HV aufweisen.

6. Reibüberzug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Reibüberzug aus Kobalt hergestellt ist, das mit einem oder mehreren Bestandteilen der Gruppe der Wolframkarbide CW, OW2, sowie Molybdän, Nickel, Chrom, Cr2O3 und Cr3C2 legiert ist

7. Reibüberzug nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Kobalt mit Wolframkarbid CW2 und Chromoxyd Cr2O3 kombiniert ist.

8. Reibüberzug nach Anspruch 6, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß das Kobalt mit Wolframkarbid CW2 und Molybdan kombiniert ist.

9. Reibeinrichtung, die für einen Reibvorgang mit einer entsprechenden Reibeinrichtung vorgesehen ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sie eine ringförmige Halterung, deren Oberfläche mit dem Reibüberzug überzogen ist, wobei die Oberfläche wenigstens einen ringförmigen Vorsprung aufweist, eine erste Auflage aus einem magnetischen Material, das die gesamte Oberfläche und den ringförmigen Vorsprung bedeckt und die Überzugs oberfläche des ringförmigen Vorsprunges einebnet, und eine zweite Auflage aus einem Reibmaterial, die aus einem Material besteht, dessen im wesentlichen sämtliche Phasen ein hexagonales Kristallsystem bilden, wobei die 0001-Grundebenen des größten Teiles der Kristalle dieses Reibüberzuges etwa parallel zu der Oberfläche des Überzuges orientiert sind und auf den Flächen außerhalb des ringförmigen Vorsprunges aufliegen.

10. Reibeinrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e k e n nz e i c h n e t, daß die Halterung zwei ringförmige Vorsprünge aufweist, die konzentrisch angeordnet sind und zwischen sich einen ausgesparten Bereich bilden, wobei die erste Auflage auf der Überzugs oberfläche einschließlich der beiden ringförmigen Vorsprünge aufliegt und die zweite Auflage auf der Überzugsoberfläche des ausgesparten Bereiches der Halterung aufliegt.

11. Reibeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e -t, daß das Material der ersten Auflage durch eine Legierung aus Kobalt, Eisen, Nickel gebildet wird, und daß die zweite Auflage aus Kobalt, legiert mit einem oder mehreren der Bestandteile der Gruppe der Materialien CW, CW2, Cr2O3, Cr3C2, Cr und Mo besteht.

12. Verfahren zur Herstellung eines Überzuges auf einer Halterung, der aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt besteht, wobei Teilchen aus einer Materie, die durch Verschmelzung den Überzug bilden können, in einen auf die Halterung gerichteten Plasmastrahl eingespritzt werden, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Einspritzbereich dieser Teilchen in den Plasmastrahl festgelegt wird, daß die Austrittsgeschwindigkeit des Plasmastrahles so geregelt wird, daß unter Berücksichtigung der Art des plasmagenen Gases und der Leistung des Generators die eingespritzten Teilchen in ihrer Masse während der Dauer des Weges in dem Plasmastrahl geschmolzen werden, und daß man eine gasförmige Barriere quer zu dem Austritt des Plasmas und der Bahn der durch das Plasma mitgenommenen Teilchen zwischen dem Austritt des Generators und der Halterung vorsieht, die einen Durchsatz und eine Geschwindigkeit aufweist, die für eine Trennung und Ablenkung der warmen Gase des Plasmastrahles geeignet sind.

13. Verfahren nach Anspruch 12, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Halterung in einem Abstand von dem Austritt des Generators vorgesehen ist, die größer als die Länge der Spitze des Plasmastrahles ist, und daß die gasförmige Barriere etwa in Höhe des Endes der Spitze des Plasmastrahles vorgesehen wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die in den Plasmastrahl eingespritzten Teilchen Abmessungen von etwa 10 bis etwa 70 µ aufweisen und daß die Austrittsgeschwindigkeit des Plasmastrahles zwischen etwa 100 und etwa 500 m/s liegt.

15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die Abmessungen der Teilchen zwischen etwa 20 und etwa 40 µ liegen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die in den Plasmastrahl eingeführte pulverförmige Materie Bestandteile enthalt, die durch Verschmolzen in dem Plasmastrahl Zusammensetzungen oder Legierungen bilden können, deren im wesentlichen sämtliche Phasen ein hexagonales Kristallsystem bilden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die pulverförmige Materie Kobalt, Chrom oxyd und Wolframkarbid CW2 oder CW enthält.

18. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die pulverförmige Materie 50 bis 90% Chromoxyd Cr203 und 10 bis 50% einer Legierung aus Wolframkarbid CW oder CW2 mit 10 bis 30% Kobalt enthält.

19. Verfahren nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t, daß die pulverförmige Materie aus einer Legierung gebildet wird, die 10 bis 50% Chromoxyd Cr2O3 und 50 bis 90% eines Wolframkarbids CW oder CW2 mit durch Kobalt im Verhältnis von 10 bis 3O/a Kobalt in Bezug auf das Wolframkarbid überzogenen Körnern enthalt.

20. Verfahren nach Anspruch 12 in Anwendung auf eine Halterung, die auf der zu überziehenden Oberfläche in Bezug auf den Rest der Oberfläche vorspringende Bereiche aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man in den Plasmastrahl eine erste Materie einspritzt, daß man auf. der Oberfläche einschließlich der vorspringenden Bereiche einen ersten Überzug eines Materiales mit magnetischen Eigenschaften erhält, daß man sodann eine zweite Materie einspritzt, die durch Verschmelzen in dem Plasmastrahl ein Material bilden kann, dessen im wesentlichen sämtliche Phasen eine hexagonale Kristallstruktur aufweisen, daß ein zweiter Überzug fertiggestellt ist, wobei die Summe der Dicken des ersten und zweiten Uberzuges größer als die Höhe der vorspringenden Bereiche ist, und daß man die Überzugsoberfläche einebnet, bis eine ebene Oberfläche entsteht und das erste Material auf den vorspringenden Bereichen der Halterung aufliegt.

21. Vorrichtung zur Durchführung des Überzuges einer Halterung, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h einen Plasmagenerator, der mit einer Einspritzvorrichtung zum Einspritzen von Pulver in den Plasmastrahl des Generators in Höhe oder in der Nähe des Austritts des Generators verbunden ist, und durch Halteeinrichtungen, die die Halterung quer zu der Bahn der von dem Plasmastrahl mitgenommenen Teilchen festhalten, sowie durch eine mit einem Druckgas versorgte Einrichtung, die einen Schlitz oder dergleichen für das Gas mit einer Länge, die größer als der Durchmesser des Plasmastrahles ist, aufweist, wobei diese Einrichtung so angeordnet ist, daß der durch den Schlitz austretende Strom eine gasförmige Barriere quer ZU der Bahn der von dem Plasmastrahl mitgenommenen Teilchen zwischen dem Austritt des Generators und der Halterung bildet.