DE102006060021A1

DE102006060021A1 - Preparing heavy-duty coating composition containing e.g. tin, useful to coat on e.g. bearings, comprises introducing an input stock of the composition into a cold gas spraying system, cold gas spraying of metal layers on a base metal

Info

Publication number: DE102006060021A1
Application number: DE102006060021A
Authority: DE
Inventors: Rolf Koring
Original assignee: ECKA Granulate GmbH and Co KG
Current assignee: ECKA Granulate GmbH and Co KG
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2006-12-19
Publication date: 2008-06-26

Abstract

Preparing heavy-duty coating composition (A) containing e.g. tin (0.6-91 wt.%), aluminum (75-94 wt.%), copper (0.7-82 wt.%), lead (0-27 wt.%), antimony (6-30 wt.%), zinc (0-2 wt.%), nickel (0-1 wt.%), arsenic (0-1 wt.%), silver (0-0.2 wt.%), bismuth (0-2 wt.%), indium (0-5 wt.%) and optionally urea, comprises providing an input stock of the above composition, introducing the input stock into a cold gas spraying system, cold gas spraying of one or more metal layers on a base metal by a cold gas spraying system and optionally finishing the obtained heavy-duty coating. Preparation of heavy-duty coating composition (A) containing tin (0.6-91 wt.%), aluminum (75-94 wt.%), copper (0.7-82 wt.%), lead (0-27 wt.%), antimony (6-30 wt.%), zinc (0-2 wt.%), nickel (0-1 wt.%), arsenic (0-1 wt.%), silver (0-0.2 wt.%), cadmium (0-1.2 wt.%), selenium (0-0.1 wt.%), chromium (0-0.2 wt.%), bismuth (0-2 wt.%), indium (0-5 wt.%), optionally urea, solid lubricants, auxiliary welding agents, auxiliary processing agents such as free-flowing agents and pressing agents, comprises providing an input stock of the above composition, introducing the input stock into a cold gas spraying system, cold gas spraying of the one or more metal layers onto a base metal by a cold gas spraying system and optionally finishing the obtained heavy-duty coating.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Sn-haltigen hochbelastbaren Beschichtung auf Metallunterlagen und die Verwendung der Beschichtung.The The invention relates to a process for producing an Sn-containing heavy duty coating on metal substrates and the use of Coating.

Hochbelastbare Metall-Beschichtungen werden als Verbund mit metallischen Trägermaterialien hergestellt. Dafür werden spezielle hochbelastbare metallische Werkstoffe verwendet, welche auf die metallischen Trägermaterialien (Stützkörper) aufgebracht werden. Häufig werden hochbelastbare Werkstoffe auf Sn Basis eingesetzt, die gute Gleit-, Einlauf-, Einbett- und Notlaufeigenschaften haben. Falls die Beschichtung thermisch stärker belastet oder die statische und dynamische Belastung der Beschichtung hoch ist, wie bei stoß- und schlagbeanspruchten Lagern, müssen Zusatzelemente eingesetzt werden. Typische Anwendungen sind hochbelastete Lager in Verdichtern, Kolben und Expansionsmaschinen und Walzanlagen.Heavy duty Metal coatings are produced as a composite with metallic substrates. For that will be special heavy-duty metallic materials used which on the metallic substrates (Support body) applied become. Often high-strength materials based on Sn are used, the good ones Slip, run-in, embedding and emergency running properties have. if the Coating thermally stronger loaded or the static and dynamic loading of the coating is high, as in the case of and impact-loaded bearings, additional elements must be used become. Typical applications are highly loaded bearings in compressors, Pistons and expansion machines and rolling mills.

Nachfolgend wird unter „Metall" sowohl ein einzelnes Metall als auch Metallegierungen als auch Komposite mit einem überwiegenden Metallanteil verstanden. Unter Metallmischungen werden sowohl Pulvermischungen als auch verpresste Pulver oder Komposite verstanden.following under "metal" is both a single Metal as well as metal alloys as well as composites with a predominant Metal part understood. Under metal mixtures are both powder mixtures as well as compressed powder or composites understood.

Da die Stützkörper der hochbelastbaren Beschichtung zumindest an ihrer Oberfläche aus Metall oder einer Metalllegierung bestehen, muss ein Verbund zwischen dem hochbelastbaren Beschichtungsmaterial und der Stützkörperoberfläche hergestellt werden. Generell können verschiedenste Verfahren zur Herstellung eines Verbundes zwischen metallischen Schichten eingesetzt werden – Standguss-, Schleuderguss, Gießplattieren, Walzplattieren, galvanische Beschichtung, Lötverfahren, Schweißverfahren etc. Dabei ist es wichtig, dass das Material der hochbelastbaren Beschichtung gut auf dem Trägermaterial haftet und möglichst hohe Belastungsfähigkeit aufweist. Zur Beschichtung metallischer Stützkörper werden häufig Sn-haltige Schichten – bspw. Sn-Gusslegierungen nach DIN ISO 4381, UNI 4515, ASTM B23, wie bspw. SnSb12Cu6 oder andere Sn-Legierungen sowie Kupferlegierungen nach DIN ISO4382, wie bspw. CuPb20Sn5 oder andere Cu-Legierungen, wie sie dem Fachmann bekannt sind, eingesetzt, oder aber solche auf Aluminium-Basis, wie bspw. AlSn20Cu1.There the supporting body of the highly durable coating at least on its surface Metal or a metal alloy must be a bond between the heavy duty coating material and the support body surface become. Generally speaking various methods for producing a bond between metallic Layers are used - cast, Centrifugal Casting, Casting Plating, Roll cladding, electroplating, soldering, welding etc. It is important that the material of heavy duty Coating well on the substrate liable and if possible high load capacity having. For coating metallic support bodies are often Sn-containing Layers - eg. Sn cast alloys according to DIN ISO 4381, UNI 4515, ASTM B23, such as. SnSb12Cu6 or other Sn alloys as well as copper alloys DIN ISO4382, such as CuPb20Sn5 or other Cu alloys, such as they are known to those skilled in the art, or used, or based on aluminum, such as AlSn20Cu1.

Bisher mussten zur Sicherung des Metallverbundes zwischen dem Material der hochbelastbaren Beschichtung und dem metallischen Stützkörper enge Grenzen für die Legierungsmetalle des hochbelastbaren Beschichtungswerkstoffs berücksichtigt werden. So ist bisher bei allen bewährten, bleifreien Zinn-Gusslegierungen der Sb-Gehalt auf maximal 14 Gew.% eingeschränkt, der Cu-Gehalt auf maximal 9 Gew.% begrenzt – nur so konnte ein gutes Kristallgefüge, zufriedenstellende Homogenität und insbesondere die erforderliche Bindung (ohne Seigerungen) erzielt werden. Durch diese beim Gussverfahren vorgegebenen Grenzen war einer Werkstoffentwicklung bisher enge Grenzen auferlegt. Als Zinn-Gusslegierung wird eine Werkstoffgruppe bezeichnet, die sich bspw. zum Ausguss von Lagern eignet, die maximal 91 Gew.% Sn und maximal 14% Sb und max. 9% Cu, sowie ggf. geringe Anteile an weiteren Elementen wie z. B. Cd, Zn, Ni, As, Ag, Se, Cr, Bi, In aufweist.So far had to secure the metal composite between the material the heavy duty coating and the metallic support body close Limits for the alloying metals of the heavy-duty coating material be taken into account. So far, in all proven, Lead-free tin-casting alloys, the Sb content to a maximum of 14 wt.% limited, The Cu content is limited to a maximum of 9% by weight - only then could a good crystal structure, satisfactory homogeneity and in particular the required binding (without segregation) achieved become. By these limits in the casting process was a material development hitherto imposed strict limits. As a tin casting alloy is a group of materials referred to, for example, the spout of bearings which are not more than 91% by weight Sn and not more than 14% Sb and Max. 9% Cu, and possibly small amounts of other elements such. B. Cd, Zn, Ni, As, Ag, Se, Cr, Bi, In.

Um die Kristallisation zu verbessern, wurden verfeinernde Elemente, wie As oder Ag zu den Zinnlegierungen zugegeben, wobei As ein Umweltproblem hervorruft und Ag relativ teuer ist. Geeignete Legierungen sind bspw. SnSb12Cu6Zn0,6Ag0,1.Around to improve crystallization, have been refining elements, such as As or Ag added to the tin alloys, with As being an environmental problem causes and Ag is relatively expensive. Suitable alloys are for example, SnSb12Cu6Zn0.6Ag0.1.

Ein anderes Material für hochbelastbare Metall-Beschichtungen sind Kupferlegierungen. Sie weisen >50% Cu, bis zu 20 Gew.% Sn, und bis zu 27% Pb auf und zeichnen sich durch gute Beständigkeit in zahlreichen Medien aus. Zwischen Kupferlegierungen und Sn-Gusslegierungen besteht ein Übergangsbereich, denn beide Materialien weisen viele gemeinsame Bestandteile, aber in anderen Mengenverhältnissen auf. Typische Vertreter derartiger Metalle für hochbelastbare Beschichtungen sind CuPb10Sn10, CuPb20Sn5.One other material for Heavy-duty metal coatings are copper alloys. she > 50% Cu, until to 20 wt% Sn, and up to 27% Pb on and are characterized by good resistance in numerous media out. Between copper alloys and Sn casting alloys there is a transition area, because both materials share many common components, but in other proportions on. Typical representatives of such metals for heavy duty coatings are CuPb10Sn10, CuPb20Sn5.

Schließlich werden Sn-haltige Aluminiumlegierungen als hochbelastbare Schichten eingesetzt. So werden bspw. AlSn20, AlSn20Cu, AlSn6Cu zur Herstellung von Lagern verwendet.Finally Sn-containing aluminum alloys used as heavy-duty layers. So For example, AlSn20, AlSn20Cu, AlSn6Cu are used to make bearings used.

Bisher war wegen des Haftproblems eine Vorbehandlung der Bindeoberfläche des metallischen Stützkörpers notwendig, um einen guten Verbund zwischen den me tallischen Schichten zu erzielen. Z. B. werden Beizmittel oder eine Verzinnung der Bindeoberfläche Voraussetzung für einen Verbundguss zwischen metallischem Grundkörper, wie Stahl, Stahlguss, Grauguss, Bronze und Sn-haltigen Beschichtungswerkstoffen benötigt, was zu aufwendigen, kostenintensiven und häufig auch umweltbelastenden Verfahrensschritten führt. Bei einigen Verfahren und Werkstoffpaarungen sind zusätzliche metallische Zwischenschichten notwendig, was erheblichen Aufwand mit sich bringt.So far was due to the sticking problem a pretreatment of the binding surface of the metallic supporting body necessary, to achieve a good bond between the metallic layers. For example, mordants or tinning of the bonding surface are required for one Composite casting between metallic base body, such as steel, cast steel, Cast iron, bronze and Sn-containing coating materials needed what to elaborate, costly and often polluting Procedural steps leads. Some procedures and material pairings are additional metallic intermediate layers necessary, causing considerable effort brings with it.

Bisher werden derartige Beschichtungen meistens gegossen. Ein Guss derartiger Beschichtungsmaterialien ist aufwendig. Er erfordert eine genaue Temperaturkontrolle und häufig eine Vorbehandlung des Stützmaterials mit meist toxischen Beizen, wie Zink-Chlorid-Verbindungen. Dies setzt außerdem eine gießfähige Legierung voraus, die ohne Seigerungen oder andere Entmischungsphänomene auf dem Trägermaterial aufbringbar ist. Bei Gussverfahren ist noch dazu eine definierte Erwärmung des Stützkörpers und definierte Kühlung nach dem Ausguss notwendig, um eine gute Qualität des Kristallgefüges, hohe Homogenität und Bindung durch gleichmäßige Temperaturführung in beiden Schichten zu erzielen. Nach dem Aufbringen der zinnhaltigen Metallschicht ist sodann eine spanabhebende Nachbehandlung notwendig, um der Beschichtung ihre endgültige Form zu verleihen.So far, such coatings are usually cast. Casting such coating materials is expensive. It requires a precise temperature control and often a pretreatment of the support material with mostly toxic pickling, such as zinc chloride compounds. This also requires a castable alloy that can be applied to the substrate without segregation or other segregation phenomena. At Gussver In addition, a defined heating of the support body and defined cooling after the spout is necessary in order to achieve a good quality of the crystal structure, high homogeneity and bonding through uniform temperature control in both layers. After the tin-containing metal layer has been applied, a subsequent metal-removing treatment is then necessary to give the coating its final shape.

Dies bedeutete beim Stand der Technik das Vorsehen einer Gussanlage und dementsprechender Überwachungs- und Nachbearbeitungseinrichtungen. Bei komplexen Stützkörpern mit stark schwankenden Materialdicken ist es in der Praxis oft schwierig zu bewerkstelligen, eine gleichmäßige zufriedenstellende hochbelastbare Metallschicht aufzugießen. Auch bei andern o. g. Verfahren ist die Einhaltung verschiedener Parameter Voraussetzung für einen guten Verbund und hing bisher stark von den jeweiligen Verarbeitungsbedingungen ab – das Verfahren war schwierig zu normieren.This meant in the prior art, the provision of a casting plant and corresponding monitoring and post-processing facilities. For complex support bodies with In many cases, it is often difficult to vary greatly in thickness to accomplish a uniform satisfactory pour on heavy-duty metal layer. Also with other o. G. Procedure is compliance with various parameters requirement for a good one Verbund and so far relied heavily on the respective processing conditions off - that Procedure was difficult to normalize.

Ein anderes Verfahren zur Aufbringung insbesondere dünner hochbeanspruchbarer Metallschichten war eine Galvanik Beschichtung zur Herstellung von Mehrschicht Verbundwerkstoffen.One Another method for applying in particular thin heavy-duty metal layers was a galvanic coating for the production of multilayer composites.

Die dünne Beschichtung kann auch durch Walzplattieren hergestellt werden, auf Basis von Sn-, Al-, Cu-Legierungen hoher Festigkeit und einer Dicke von meistens unter einem Millimeter.The thin coating can also be made by roll cladding, based on Sn, Al, Cu alloys of high strength and a thickness of mostly below a millimeter.

Bei dünnen hochbelastbaren Metallbeschichtungen steigt die Belastbarkeit der Beschichtung – sowohl die Druckfestigkeit als auch die dynamische Belastbarkeit der Beschichtung.at thin heavy duty metal coatings increases the load capacity of the Coating - both the compressive strength as well as the dynamic load capacity of the coating.

Im Gegensatz zu allen anderen genannten Werkstoffen besitzen die Sn-Gusslegierungen in Kontakt mit einem Gleitpartner gute Notlaufeigenschaften und zeigen ein besonders gutmütiges Verhalten im Schadenfall wobei der Gleitpartner nicht beschädigt wird. Sn-Gusslegierungen sind relativ weich, können Verunreinigungen einbetten. Sie sind bisher wegen der erforderlichen größeren Schichtdicken (Gießverfahren) nicht so hoch belastbar. Kupferlegierungen, die ebenfalls eingesetzt werden, sind relativ hart und führen infolge dessen im Versagensfalle auch zu großen Schäden am Gleitpartner.in the Contrary to all other materials mentioned have the Sn-casting alloys in contact with a sliding partner good emergency running properties and show a particularly good-natured Behavior in the event of damage whereby the sliding partner is not damaged. Sn cast alloys are relatively soft, can embed contaminants. You are so far because of the required larger layer thicknesses (casting method) not so strong. Copper alloys also used are, are relatively hard and lead as a result, in the event of failure, also to great damage to the sliding partner.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein vereinfachtes Verfahren zur Herstellung von Sn-haltigen hochbelastbaren Metall-Beschichtungen zu schaffen.It It is therefore an object of the invention to provide a simplified method for Production of Sn-containing heavy-duty metal coatings to accomplish.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Schritten des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.The The object is achieved by a Method solved by the steps of claim 1. advantageous Further developments emerge from the dependent claims.

Überraschenderweise ist es nun möglich, dass aufgrund der erfindungsgemäßen neuen Verarbeitungsmethoden diese Materialien, die den herkömmlichen Gußverfahren nicht zugänglich waren, für hochbelastbare Beschichtungen auf metallischen Unterlagen eingesetzt werden können. Da bisher aufgrund der Verfahren ein extrem eingeschränktes Verhalten als gussfähige Legierung notwendig war, konnten diese Zusammensetzungen, die keine zufriedenstellenden Gusseigenschaften haben, nicht für hochbelastbare Beschichtungen verwendet werden und es herrschte die Vorstellung, man könne sie daher nicht einsetzen.Surprisingly is it possible for that now? due to the new invention Processing methods these materials, the conventional casting process inaccessible were, for heavy duty coatings used on metallic substrates can be. Because so far due to the procedure an extremely restricted behavior as castable Alloy was necessary, these compositions could not have satisfactory casting properties, not for heavy duty Coatings were used and there was a notion that you could do not use them.

Durch die Kaltgasspritzverfahren ist es nun möglich, auch schlecht oder nicht gussfähige Materialzusammensetzungen, wie Legierungen oder aber Verbunde – bspw. mit festen Schmierstoffen wie MoS2 oder Graphit – Komposite etc. auf metallische Unterlagen aufzutragen und da keine Gussbedingungen zu berücksichtigen sind, auch ohne aufwändiges Erwärmen der Stützkörper und Abkühlen gearbeitet werden.By the cold spraying process is now possible, even bad or not castable Material compositions, such as alloys or composites - eg. with solid lubricants such as MoS2 or graphite composites, etc. on metallic substrates apply and there are no casting conditions to consider, even without elaborate heating of the Supporting body and cooling down to be worked.

Eine sinnvolle Materialzusammensetzung ist eine derartige Sn-reiche hochbelastbare Materialzusammensetzung wobei der Gehalt an Sn 40–91%; Cu 3–30 Gew.%; Sb 6–30 Gew.% beträgt.A meaningful material composition is such a Sn-rich heavy duty Material composition wherein the content of Sn 40-91%; Cu 3-30% by weight; Sb 6-30 % By weight.

Eine günstige Sn-reiche hochbelastbare Materialzusammensetzung, hat einen Gehalt an Sn 61–83%; Cu 3–9%; Sb>14–30%; Zn 0,1–1%.A favorable Sn-rich heavy-duty material composition, has a content at Sn 61-83%; Cu 3-9%; Sb> 14-30%; Zn 0.1-1%.

Eine weitere vorteilhafte Legierungsuntergruppe der Sn-reichen hochbelastbaren Materialzusammensetzungen hat einen der Gehalt an Sn 56–85 Gew.%; Cu>9–30 Gew.%; Sb 6–14%; Zn 0,1–1 Gew.%. Alternativ kann auch eine Sn-reiche hochbelastbare Materialzusammensetzung eingesetzt werden mit Sn 40–77 Gew.%; Cu>9–30 Gew.%; Sb>14–30 Gew.%; Zn 0,1–1 Gew.%.A Another advantageous alloy subgroup of Sn-rich heavy duty Material compositions have a content of Sn 56-85 wt.%; Cu> 9-30% by weight; Sb 6-14%; Zn 0.1-1 wt.%. Alternatively, an Sn-rich heavy duty material composition may also be used can be used with Sn 40-77 Wt.%; Cu> 9-30% by weight; Sb> 14-30% by weight; Zn 0.1-1 wt.%.

Typische geeignete Sn-reiche hochbelastbare Materialzusammensetzungen können, sind aber nicht eingeschränkt auf SnSb7Cu7Zn0,8; SnSb7Cu12Zn0,8; SnSb7Cu18Zn0,8; SnSb12Cu6Zn0,8; SnSb12Cu12Zn0,8; SnSb12Cu18Zn0,8, SnSb8Cu4.typical suitable Sn-rich heavy duty material compositions may be but not limited on SnSb7Cu7Zn0.8; SnSb7Cu12Zn0,8; SnSb7Cu18Zn0,8; SnSb12Cu6Zn0,8; SnSb12Cu12Zn0,8; SnSb12Cu18Zn0.8, SnSb8Cu4.

Eine weitere Untergruppe der Sn-Zusammensetzungen sind Cu-reiche; dabei empfehlen sich solche mit einem Gehalt an: Sn 0,6–20 Gew.%; Cu 50–82 Gew.%; Pb 0–27 Gew.%.A another subgroup of the Sn compositions are Cu-rich; there those with a content of: Sn 0.6-20% by weight are recommended; Cu 50-82 Wt.%; Pb 0-27 Wt.%.

Typische Cu-reiche Sn-Zusammensetzungen haben einen Gehalt an Sn 0,6–11%; Cu 78–82 Gew.%; Pb 9–27 Gew.%. Typische Cu-reiche Sn-Zusammensetzungen sind; CuPb10Sn10, CuPb17Sn5, CuPb25Sn4, CuPb24Sn1, auf welche die Cu-reichen Sn-Materialzuammensetzungen gemäss der Erfindung aber keinesfalls eingeschränkt sind.Typical Cu-rich Sn compositions have a content of Sn of 0.6-11%; Cu 78-82% by weight; Pb 9-27% by weight. Typical Cu-rich Sn compositions are; CuPb10Sn10, CuPb17Sn5, CuPb25Sn4, CuPb24Sn1, to which the Cu-rich Sn material compositions according to the invention but are by no means limited.

Sn-haltige Al-reiche Materialzusammensetzungen haben einen Anteil an Sn 5–23 Gew.%; Al 75–94 Gew.%; Cu 0,7–2 Gew.%; Ni 0,1–1,5 Gew.%. Typische Vertreter, auf welche die erfindungsgemäßen Al-reichen Sn-haltigen Materialzusammensetzungen aber keineswegs eingeschränkt sind, umfassen AlSn20Cu, AlSn6CuSn-containing Al-rich material compositions have a content of Sn 5-23 wt.%; Al 75-94 Wt.%; Cu 0.7-2 Wt.%; Ni 0.1-1.5 Wt.%. Typical representatives to which the Al-rich invention Sn-containing material compositions are by no means limited, include AlSn20Cu, AlSn6Cu

Es ist günstig, wenn die Sn-haltige hochbelastbare Materialzusammensetzung in Form eines Pulvers, auch eines verdichteten Pulvers, wie eines Pulverpresslings oder reibverschweißten Pulverpresslings vorliegt.It is cheap, when the Sn-containing heavy-duty material composition in the form a powder, also a compacted powder, such as a powder compact or friction welded Powder compact is present.

Unter Kaltgasspritzen oder Prallbeschichten werden im Zusammenhang mit der Erfindung alle Verfahren verstanden, welche einen Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial aufbringen. Dazu wird ein warmes Prozeßgase auf so hohe Geschwindigkeit – bspw. Überschallgeschwindigkeit – beschleunigt und die Pulverpartikel in den Gasstrahl injiziert. Diese werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie ohne Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden. Ein typisches Verfahren ist bspw. in EP484533B1 bzw. der DE69016433T beschrieben – eine neuere Variante desselben bspw. in der DE10119288A1 , auf die zur Vermeidung von Wiederholungen in vollem Umfang bezug genommen wird.Under cold gas spraying or impact coating are understood in the context of the invention, all methods which apply a coating material in powder form at very high speed on the substrate. For this purpose, a warm process gas is accelerated to such a high speed - for example supersonic speed - and the powder particles are injected into the gas jet. These are accelerated to such a high speed that they form a dense and firmly adhering layer without melting on impact with the substrate. A typical method is, for example, in EP484533B1 or the DE69016433T described - a newer variant of the same example. In the DE10119288A1 which are fully referenced to avoid repetition.

Die Kaltgasspritzanlage muss so eingestellt werden, dass sie es ermöglicht, einen gleichmäßigen Materialauftrag zu erhalten.The Cold gas spraying system must be adjusted so that it allows a uniform material application to obtain.

Das Verfahren ist relativ einfach, zumal sich Pulver recht konstant zuführen lässt. Das Pulver kann aus reinem Pulver, einer Pulvermischung oder Legierungspulver oder Mischungen der vorgenannten bestehen.The Process is relatively simple, especially since powder is quite constant respectively leaves. The powder may be pure powder, a powder mixture or alloy powder or mixtures of the above.

In vielen Fällen, wie dem Fachmann offensichtlich, findet das Kaltgasspritzen unter Schutzgasatmosphäre statt, um unerwünschte Oxidation oder Reaktionen mit anderen Luftbestandteilen, wie Feuchtigkeit, Stickstoff oder CO2, zu vermeiden. Es kann bevorzugt sein, dass aus dem Vormaterial ein Komposit gebildet wird.In many cases, As is obvious to the person skilled in the art, the cold gas spraying takes place Protective atmosphere instead of unwanted Oxidation or reactions with other air constituents, such as moisture, Nitrogen or CO2, to avoid. It may be preferred that from the starting material a composite is formed.

Eine typische Schichtdicke der mit den erfindungsgemäßen Sn-haltigen Materialzusammensetzungen aufgebrachten Schichten ist 0,05 bis 3 mm.A typical layer thickness of the invention with the Sn-containing material compositions applied layers is 0.05 to 3 mm.

Durch die erfindungsgemäß verwendete Kaltgasspritztechnik ist es möglich, dünnere hochbelastbare Metall-Beschichtungen auf Sn-Basis guter Qualität mit neuen Zusammensetzungen auf metallische Stützkörper aufzubringen, wobei vorteilhaf terweise und überraschend jegliche Vorbehandlung der Bindeoberfläche vermieden werden kann. Dadurch kann die bisher bei Gussverfahren notwendige Vorbehandlung mit ökologisch bedenklichen Beizmitteln oder aber auf eine Verzinnung verzichtet werden. Das aufwendige Gussverfahren mit eingeschränkter, ungleichförmiger Qualität kann durch ein einfaches Kaltgasspritzen ersetzt werden. Auch die bisher notwendige Vorwärmung/Kühlung der Werkstoffe bei den Gießverfahren kann nun vermieden werden, die bisher zur Erzielung eines guten Kristallgefüges mit guter Homogenität und Bindung notwendig war. Ferner wird das Ergebnis nicht mehr von der Form des beschichteten Körpers beeinflusst und das Verfahren kann nach wiederholbaren Parametern normierbar durchgeführt werden. Sogar eine Reparatur hochbelastbarer Beschichtungen oder aber eine Neubeschichtung von Metallträgern vor Ort ist mit mobilen Kaltgasspritzgeräten möglich, wobei das Ergebnis nur von den Schweißparametern bestimmt wird.By the cold gas spraying technique used according to the invention Is it possible, thinner heavy duty Sn-based metal coatings of good quality with new ones Apply compositions to metallic support body, wherein advantageously terweise and surprisingly Any pretreatment of the binding surface can be avoided. This allows the previously necessary in casting process pretreatment with ecological questionable pickling agents or dispensed with a tinning become. The elaborate casting process with limited, non-uniform quality can by a simple cold gas spraying can be replaced. Also the previously necessary Preheating / cooling the Materials in the casting process can now be avoided, which so far to achieve a good crystal structure with good homogeneity and binding was necessary. Furthermore, the result is no longer from the shape of the coated body influenced and the method can be repeated according to parameters normalized performed become. Even a repair of heavy duty coatings or but a re-coating of metal supports on site is possible with mobile cold spraying equipment, wherein the result only from the welding parameters is determined.

Beim Einsatz von Kaltgasspritzverfahren werden je nach Bedarf dünne oder dicke Schichten, in jedem Falle homogen und feinkristallin erzielt und somit eine sehr schnelle wirtschaftliche Beschichtung höchster Qualität erreicht.At the Use of cold spraying methods are thin or as needed thick layers, in each case homogeneous and finely crystalline and thus achieved a very fast economic coating of the highest quality.

Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Materialgrenzen des Gussverfahrens, das schmelzfähige Legierungen voraussetzt, beim Kaltgasspritzen nicht mehr gelten. Es können nun Legierungen und Komposite lasergeschweißt werden, die dem Gussverfahren wegen Entmischungsphänomenen und Kristallisationsproblemen nicht zugänglich waren und es kann auch auf Verfeinerungsagentien verzichtet werden, da durch das Aufbringen eine Verfeinerung stattfindet. Bspw. unterliegen die Gehalte an Sb und Cu bei den Sn-Gusslegierungen keinen prozessbedingten Beschränkungen und kristallfeinende Elemente wie As und Ag sind nicht mehr zwingend erforderlich.Surprisingly it was found that the material limits of the casting process, the meltable Alloys requires, no longer apply during cold gas spraying. It can Now alloys and composites are laser-welded, the casting process because of segregation phenomena and crystallization problems were inaccessible and it can too refinement agents are dispensed with because of the application a refinement is taking place. For example. subject to the contents Sb and Cu in the Sn cast alloys have no process limitations and crystal-fine elements such as As and Ag are no longer mandatory required.

Somit können also Sn-haltige, bleifreie Metallbeschichtungen im wesentlichen bestehend aus den Basiselementen Sn, Sb, Cu

a) mit Sb bis 14 Gew.% und Cu bis 9 Gew.%, ggf. mit weiteren Elementen wie z. B. Ni von 0 bis 1 Gew.%, As von 0 bis 1 Gew.%, Ag 0–0,2 Gew.%, Cd 0–1,2 Gew.%, Se 0–0,1 Gew.%, Cr 0–0,2 Gew.%, Bi 0–2 Gew.%, In 0–5 Gew.%, bevorzugt mit Zn 0,1–1 Gew.% oder aber auch
b) mit Sb>14 Gew.% und Cu bis 9 Gew.%, ggf. mit weiteren Elementen wie z. B. Ni von 0 bis 1 Gew.%, As von 0 bis 1 Gew.%, Ag 0–0,2 Gew.%, Cd 0–1,2 Gew.%, Se 0–0,1 Gew.%, Cr 0–0,2 Gew.%, Bi 0–2 Gew.%, In 0–5 Gew.%, bevorzugt mit Zn 0,1–1 Gew.%
c) mit Sb bis 14 Gew.% und Cu>9 Gew.%, ggf. mit weiteren Elementen wie z. B. Ni von 0 bis 1 Gew.%, As von 0 bis 1 Gew.%, Ag 0–0,2 Gew.%, Cd 0–1,2 Gew.%, Se 0–0,1 Gew.%, Cr 0–0,2 Gew.%, Bi 0–2 Gew.%, In 0–5 Gew.%, bevorzugt mit Zn 0,1–1 Gew.%
d) mit Sb>14 Gew.% und Cu>9 Gew.% ggf. mit weiteren Elementen wie z. B. Ni von 0 bis 1 Gew.%, As von 0 bis 1 Gew.%, Ag 0–0,2 Gew.%, Cd 0–1,2 Gew.%, Se 0–0,1 Gew.%, Cr 0–0,2 Gew.%, Bi 0–2 Gew.%, In 0–5 Gew.%, bevorzugt mit Zn 0,1–1 Gew.% hergestellt und als Beschichtung verwendet werden.

Thus, therefore, Sn-containing, lead-free metal coatings consisting essentially of the basic elements Sn, Sb, Cu

a) with Sb to 14 wt.% And Cu to 9 wt.%, Optionally with other elements such. % From 0 to 1% by weight, from 0 to 1% by weight, Ag 0-0.2% by weight, Cd 0-1.2% by weight, Se 0-0.1% by weight, Cr 0-0.2% by weight, Bi 0-2% by weight, In 0-5% by weight, preferably with Zn 0.1-1% by weight or else
b) with Sb> 14 wt.% And Cu to 9 wt.%, Optionally with other elements such. % From 0 to 1% by weight, from 0 to 1% by weight, Ag 0-0.2% by weight, Cd 0-1.2% by weight, Se 0-0.1% by weight, Cr 0-0.2% by weight, Bi 0-2% by weight, In 0-5% by weight, preferably with Zn 0.1-1% by weight
c) with Sb to 14 wt.% And Cu> 9 wt.%, Optionally with other elements such. From 0 to 1% by weight, As from 0 to 1% by weight, Ag 0-0.2% by weight, Cd 0-1.2% by weight, Se 0-0.1% by weight, Cr 0-0.2% by weight, Bi 0-2% by weight, In 0-5% by weight, preferably with Zn 0 , 1-1% by weight
d) with Sb> 14 wt.% And Cu> 9 wt.%, Where appropriate, with other elements such. % From 0 to 1% by weight, from 0 to 1% by weight, Ag 0-0.2% by weight, Cd 0-1.2% by weight, Se 0-0.1% by weight, Cr 0-0.2% by weight, Bi 0-2% by weight, In 0-5% by weight, preferably prepared with Zn 0.1-1 wt.% And used as a coating.

Aber auch Sn-haltigen Metallbeschichtungen auf Cu-Basis mit Sn-Gehalt bis 20 Gew.% oder auch Sn-haltige Metallbeschichtungen auf Al-Basis mit Sn-Gehalt bis 23 Gew.% können vorteilhaft mit den Kaltgasspritzverfahren besser, einfacher und in meist erheblich besserer Qualität aufgebracht werden. Alle diese Legierungen können ggf. mit weiteren Legierungselemente in geringen Mengen, ggf. Komposite, festen Schmierstoffen, Schweißhilfsstoffen aufweisen Durch diese Erweiterung des Beschichtungsmaterialspektrums ist eine deutliche Verbesserung der technologischen Eigenschaften der Beschichtungen möglich und eine bisher nicht erkannte Verbesserung der hochbelastbaren Beschichtungen mit Sn-haltigen Werkstoffen realisierbar.But also Sn-containing metal coatings based on Cu with Sn content up to 20% by weight or else Sn-containing metal coatings based on Al with Sn content up to 23 wt.% Can advantageous with the cold gas spraying method better, easier and be applied in usually much better quality. All these Alloys can if necessary, with further alloying elements in small quantities, if necessary composites, solid Lubricants, welding aids By this extension of the coating material spectrum is a significant improvement in technological properties the coatings possible and a previously unrecognized improvement of heavy duty Coatings with Sn-containing materials can be realized.

Bisherige Risiken für Inhomogenitäten der Werkstoffe beim Giessen entfallen.Previous Risks for inhomogeneities The materials omitted during casting.

Gemäss den Patenten DE 44 40 477 bzw. EP 0717121 kann bei Weißmetallen durch das Zusatzelement Zn eine Verbesserung der technologischen Daten erzielt werden. Diese Verbesserung bezieht sich nicht nur auf die Druckfestigkeit, sondern auch auf die Kriechfestigkeit. Dies bedeutet, dass Sn-haltige Werkstoffe mit Zn-Zusatz unter hohen Belastungen besonders hohe geometrische Formstabilität besitzen und daher eine hohe Langzeitbeanspruchbarkeit aufweisen – ähnlich dem Spannungs/Dehnungs-Diagramm von Stahl – das Material kriecht weniger – hat also weniger plastische rissfreie Verformung bei erhöhter Temperatur und Druck. Dadurch wird die Lebensdauer verlängert, bspw. kann auch die Lauffläche verringert, bessere Standzeiten und bessere Belastbarkeit, als bei solchen ohne Zn erzielt werden und bspw. bei gleichem technischem Verhalten der Bauraum für das jeweilige Lager stark verkürzt werden.According to the patents DE 44 40 477 respectively. EP 0717121 In the case of white metals, the additional element Zn can be used to improve the technological data. This improvement relates not only to compressive strength but also to creep resistance. This means that Sn-containing materials with Zn addition under high loads have particularly high geometric shape stability and therefore have a high long-term durability - similar to the stress / strain diagram of steel - the material creeps less - so has less plastic crack-free deformation at elevated Temperature and pressure. As a result, the service life is extended, for example. Can also reduce the tread, better service life and better load capacity, as can be achieved without such Zn and, for example, be greatly reduced with the same technical behavior of the space for each camp.

Da sich praktisch jede Variation der Werkstoffzusammensetzungen als Pulver herstellen und verarbeiten lässt, können alle Werkstoffe auf Sn-, Al- und Cu-Basis verwendet werden, sofern sie sich als hochbelastbare Beschichtungen eignen. Somit können auch Komposite Lasergeschweißt werden, die gegenüber den bekannten Sn-haltigen Beschichtungen stark verbesserte Eigenschaften haben. Beim Pulver kann dieses aus nur einem Material, der Legierung, oder aber aus verschiedenen Bestandteilen bestehen, die eine gewünschte Endzusammensetzung ergeben.There Virtually every variation of the material compositions as Powder can be prepared and processed, all materials on Sn, Al and Cu base are used, provided they are highly resilient Coatings are suitable. Thus, you can also composites laser welded be opposite the known Sn-containing coatings greatly improved properties to have. With the powder, this can be made of only one material, the alloy, or consist of various constituents which are a desired final composition result.

Durch Zusatz von Zn werden die Beschichtungseigenschaften der Sn-haltigen Werkstoffe weiter verbessert – dabei kann längere Lebensdauer erzielt werden. Das Spannungs-Dehnungs-Diagramm der Legierung verändert sich und wird stahlartiger, das Material kriecht weniger (plastische rissfreie Verformung unter Temperatur und Druck). Je weniger ein Material kriecht, um so länger wird die Lebensdauer der entsprechenden hochbelastbaren Beschichtung.By Addition of Zn will increase the coating properties of Sn Materials further improved - at the same time can be longer Lifespan can be achieved. The stress-strain diagram of the Alloy changed itself and steelier, the material creeps less (plastic crack-free deformation under temperature and pressure). The less a material creeps, the longer will increase the life of the corresponding heavy-duty coating.

Mit dem Gießverfahren konnten z. B. bei hochbelastbaren Beschichtungen, bleifrei auf Sn-Basis, nur bis 14% Sb und bis 9% Cu eingesetzt werden, bevorzugt 12% Sb, 6% Cu – je mehr Sb und Cu, desto höher belastbar. Durch das neue Verfahren können nun in einfachster Weise Materialzusammensetzungen im Sn/Cu-System verarbeitet werden, die den bisherigen Verfahren nicht zugänglich waren und erheblich bessere Eigenschaften aufweisen. Dadurch, dass nun auch Komposite verarbeitet werden können, ist es möglich, feste Schmierstoffe in die Lagermetallschicht einzubringen und so deren Eigenschaften zusätzlich zu verbessern.With the casting process could z. B. in heavy duty coatings, lead-free Sn-based, only up to 14% Sb and up to 9% Cu are used, preferably 12% Sb, 6% Cu - ever more Sb and Cu, the higher resilient. Thanks to the new procedure can now in the simplest way Material compositions are processed in the Sn / Cu system, the not accessible until now were and have significantly better properties. As a result of that Now also composites can be processed, it is possible to fix To introduce lubricants into the bearing metal layer and so their Properties in addition to improve.

Es kann so ein fließender Übergang zwischen Sn-Gusslegierungen und Kupferlegierungen in Mischungsverhältnissen hergestellt werden, wobei diese Materialien in verschiedensten Anwendungen äußerst vorteilhaft sind.It can be such a flowing transition between Sn casting alloys and copper alloys in mixing ratios be prepared, these materials extremely advantageous in a variety of applications are.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Beispiele, auf die sie aber keinesfalls eingeschränkt ist, näher erläutert.following the invention will be described by way of preferred examples, to which, however not restricted is, closer explained.

Beispiel 1:Example 1:

Aufbringen einer Beschichtung durch KaltgasspritzenApplying a coating by cold gas spraying

Es wurde eine Kaltgasspritzmaschine mit Zufuhr eines Pulvers der allgemeinen Zusammensetzung SnSb8Cu4 mit Schutzgas betrieben. Mit diesem Werkstoff wurde ein Stahlträger beschichtet. Es bildete sich eine glatte, gut haftende Schicht einer Dicke von 3 mm aus mehreren Schweißlagen, die nachbearbeitet wurde. Es konnte qualitativ hochwertiger, schneller und weniger aufwendig als durch das an sich übliche Gussverfahren Axial-Lagersegmente für eine Turbine hergestellt werden.It was a cold gas spraying machine with the supply of a powder of the general Composition SnSb8Cu4 operated with inert gas. With this material became a steel beam coated. It formed a smooth, well-adherent layer of one Thickness of 3 mm from several welding layers, which are reworked has been. It could be higher quality, faster and less consuming than by the usual Casting Process Axial bearing segments made for a turbine become.

Beispiel 2Example 2

Aufbringen einer Beschichtung durch Kaltgasspritzen mit PulverzufuhrApplying a coating by cold gas spraying with powder feed

Es wurde eine Kaltgasspritzmaschine mit einem Pulver der Zusammensetzung SnSb12Cu6Zn0,6Ag0,1 mit Schutzgas betrieben. Mit diesem Werkstoff wurde ein Stahlträgermaterial durch Kaltgasspritzen beschichtet. Es bildete sich eine glatte, gut haftende Schicht von 1 mm Es konnte eine Lagerschicht qualitativ hochwertiger, schneller und weniger aufwendig als durch das an sich übliche Gussverfahren hergestellt werden. Dadurch, dass der Schritt der Drahtherstellung umgangen wurde, ist es möglich, auch wenig duktile Materialien, die sich schlecht zu Draht ziehen lassen, als Ausgangsverfahren einzusetzen.It was a cold gas spraying machine with a powder composition SnSb12Cu6Zn0,6Ag0,1 operated with inert gas. With In this material, a steel carrier material was coated by cold gas spraying. It formed a smooth, well-adherent layer of 1 mm It was a bearing layer of higher quality, faster and less expensive to produce than by the usual casting method. By circumventing the wire-making step, it is possible to use even less ductile materials, which are difficult to wire, as a starting method.

Beispiel 3Example 3

Auf die Beschichtung des Beispiel 2 wurde mit veränderten Schweißparametern eine weitere Schicht im Kaltgasspritzen einer Dicke von 3 mm in einem Arbeitsgang aufgebracht Es konnte qualitativ hochwertiger, schneller und weniger aufwendig als durch das an sich übliche Gussverfahren auch eine dickere Beschichtung hergestellt werden. Es ist so möglich, auch größere Materialmengen mit gleichmäßiger Geschwindigkeit kontinuierlich zuzuführen.On The coating of Example 2 was modified with welding parameters another layer in cold gas spraying a thickness of 3 mm in one Operation applied It could be higher quality, faster and less expensive than by the usual casting method and a thicker Coating be made. It is possible, even larger amounts of material at a steady speed continuously feed.

Obwohl die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist dem Fachmann offensichtlich, dass verschiedenste alternative Ausführungsformen bestehen, so dass der Schutzumfang der Erfindung durch die Ansprüche und nicht durch die spezielle Beschreibung begrenzt ist.Even though the invention described with reference to preferred embodiments it is obvious to the person skilled in the art that the most diverse alternative embodiments exist so that the scope of the invention by the claims and not limited by the specific description.

Claims

Process for the preparation of a heavy-duty coating of a composition Sn: 0.6-91% by weight al 75-94% by weight Cu 0.7-82% by weight pb 0-27% by weight sb 6-30% by weight Zn 0-2% by weight Ni 0-1% by weight ace 0-1% by weight Ag 0-0.2% by weight CD 0-1.2% by weight se 0-0.1% by weight Cr 0-0.2% by weight Bi 0-2% by weight In 0-5% by weight

if applicable, hard materials, solid lubricants, welding aids and processing aids such as flow aids, pressing aids, the sum of all percentages always being 100%, comprising: - presenting a starting material of this composition; - Introducing the starting material in a cold gas spraying system; - Applying one or more metal layers with the cold gas spraying on a metallic lower layer; and - if necessary, reworking of the highly durable coating thus produced.

A method according to claim 1, characterized in that the Sn-containing heavy-duty material composition comprises a content sn 40-91% by weight Cu 3-30% by weight sb 6-30% by weight

having.

The method of claim 2, wherein the content of sn 61-83% by weight Cu 3-9% by weight sb > 14-30% by weight Zn 0.1-1% by weight

is.

The method of claim 2, wherein the content of sn 56-85% by weight Cu > 9-30% by weight sb 6-14% by weight Zn 0.1-1% by weight

is

The method of claim 2-4, wherein the content of sn 40-77% by weight Cu > 9-30% by weight sb > 14-30% by weight Zn 0.1-1% by weight

is.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the Sn-containing heavy-duty material composition selected is selected from the group consisting of SnSb7Cu7Zn0.8; SnSb7Cu12Zn0,8; SnSb7Cu18Zn0,8; SnSb12Cu6Zn0,8; SnSb12Cu12Zn0,8; SnSb12Cu18Zn0.8, SnSb8Cu4.

Process according to claim 1, characterized in that the content of sn 0.6-20% by weight Cu 50-82% by weight pb 0-27% by weight

is

The method of claim 7, wherein the content of sn 0.6-11% by weight Cu 78-82% by weight pb % 9-27Gew.

is

Method according to claims 7-8, characterized that the Sn-containing heavy-duty material composition is selected from the group consisting of CuPb10Sn10, CuPb17Sn5, CUPb25Sn4, CuPb24Sn1.

A method according to claim 1, characterized in that the Sn-containing heavy-duty material composition sn 5-23% by weight al 75-94% by weight Cu 0.7-2% by weight Ni 0.1-1.5% by weight

having.

Method according to claim 10, characterized in that that the composition is selected is from the group consisting of AlSn20Cu, AlSn6Cu.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the Sn-containing heavy-duty material composition in the form of a powder, also a compacted powder.

Process for the preparation of a heavy-duty coating of a composition sn 0.6-85% by weight al 75-94% by weight Cu 0.7-82% by weight pb 0-27% by weight sb 6-30% by weight Zn 0-2% by weight Ni 0-1% by weight ace 0-1% by weight Ag 0-0.2% by weight CD 0-1.2% by weight se 0-0.1% by weight Cr 0-0.2% by weight Bi 0-2% by weight In 0-5% by weight

the sum of all percentages always being 100%, in particular according to one of the preceding claims, comprising: - presenting a starting material of this composition; - Introducing the starting material in a cold gas spraying system; - Cold gas spraying of one or more metal layers with the cold gas spraying system on a metallic lower layer; and - if necessary, reworking of the highly durable coating thus produced.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the cold gas spraying takes place under a protective gas atmosphere.

Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that a layer thickness of 0.05 to 3 mm applied becomes.

Use of the coating prepared according to one of the preceding claims as heavy-duty coating on metal substrates, bearings.