DE102010022593A1

DE102010022593A1 - Verfahren zum Kaltgasspritzen einer Schicht mit einer metallischen Gefügephase und einer Gefügephase aus Kunststoff, Bauteil mit einer solchen Schicht sowie Verwendungen dieses Bauteils

Info

Publication number: DE102010022593A1
Application number: DE102010022593A
Authority: DE
Inventors: Dr. Jensen Jens Dahl; Dr. Stier Oliver; Dipl.-Ing. Ullrich Raymond
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2010-05-31
Filing date: 2010-05-31
Publication date: 2011-12-01
Also published as: US20130078450A1; CN102918181B; WO2011151205A1; CN102918181A; EP2576862B1; US9610605B2; EP2576862A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen einer Schicht, wobei zu diesem Zweck Beschichtungspartikel (17) in einer Kaltspritzdüse (11) beschleunigt werden und erfindungsgemäß diese Partikel (17) mit einer Ummantelung aus Kunststoff versehen werden. Auf diese Weise wird der Kunststoff zusammen mit dem metallischen Werkstoff auf dem Substrat abgeschieden, wodurch sich insbesondere Schichtzusammensetzungen mit guten Gleiteigenschaften, Schmutz abweisende Eigenschaften oder Schmiereigenschaften ausbilden. Ebenso unter Schutz gestellt ist eine solche Beschichtung, wobei auch die Verwendungen einer solchen Beschichtung als Lagerbauteil eines Gleitlagers, als Strömungsbauteil, insbesondere als Rotorblatt von Windkraftanlagen oder Karosserieteile von Verkehrsmitteln, oder als Verkleidungsbauteile von Bauwerken unter Schutz gestellt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kaltgasspritzen einer Schicht auf einem Substrat, bei dem Beschichtungspartikel mit einer konvergent-divergenten Düse in einem Kaltgasstrahl beschleunigt und auf dem Substrat abgeschieden werden. Dabei weist die erzeugte Schicht eine metallische erste Gefügephase aus einem Metall oder einer Metalllegierung auf und eine zweite Gefügephase aus einem Kunststoff.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil, das eine Schicht mit einer metallischen ersten Gefügephase aus einem Metall oder einer Metalllegierung und eine zweite Gefügephase aus Kunststoff aufweist und vorzugsweise durch Kaltgasspritzen hergestellt wurde.
Ein Verfahren sowie ein Bauteil der eingangs angegebenen Art ist beispielsweise aus der US 2007/0042218 A1 bekannt. Das Verfahren, das zur Herstellung dieser Schicht angewendet wird, ist ein Kaltgasspritzverfahren. Hierbei werden Partikel eines die Matrix des Schichtgefüges ausbildenden Metalls sowie u. a. Partikel eines Kunststoffs, welche eine weiche Phase in der Matrix ausbilden soll, gemeinsam durch das Kaltgasspritzverfahren verarbeitet. Die fertige Schicht weist dann eine geschlossene Matrix des Metalls aus, in der sich die einzelnen Partikel der weichen Phase aus Kunststoff erkennen lassen.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein Verfahren zum Erzeugen einer Schicht mit einer metallischen ersten Gefügephase und einer zweiten Gefügephase aus Kunststoff anzugeben, mit der sich vergleichsweise viele unterschiedliche Materialien verarbeiten lassen und der Füllgrad an Kunststoff in der erzeugten Schicht in einem vergleichsweise großen Bereich eingestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem eingangs genannten Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass Beschichtungspartikel verwendet werden, die aus einem die metallische Gefügephase bildenden Werkstoff bestehen und mit einer Umhüllung aus Kunststoff versehen sind. Demgemäß werden also keine einzelnen Kunststoffpartikel verwendet, sondern es wird der Kunststoff, der die zweite Gefügephase bilden soll, fest an die zu verarbeitenden metallischen Partikel gebunden. Dies hat den Vorteil, dass der Kunststoff, der eine wesentlich geringere Dichte hat als das Metall der Partikel, fest an den metallischen Partikeln anhaftet. Deswegen wird auch der Kunststoff in dem Kaltgasspritzverfahren in gleicher Weise beschleunigt und profitiert von der hohen Einschlaggeschwindigkeit, die die Metallpartikel mit der wesentlich höheren Dichte erreichen. Hierdurch ist vorteilhaft eine unproblematischere Abscheidung von Kunststoff in der zu bildenden Schicht möglich. Dies ist anders, als wenn er wie in der eingangs erwähnten US 2007/0042218 A1 gesondert als Partikel dem Kaltgasstrahl zugeführt wird, und nur bis zu einer gewissen Grenzkonzentration in dem metallischen Gefüge der Schicht untergebracht werden kann. Darüber hinaus fallen die Kunststoffpartikel von der zu beschichtenden Oberfläche ab und werden nicht in diese eingebaut. Die erfindungsgemäß vorliegenden Beschichtungspartikel können dabei selbst aus einer Metalllegierung bestehen, wobei diese dann im Wesentlichen in der Zusammensetzung der Partikel in der Schicht abgeschieden wird. Die Beschichtungspartikel können aber auch aus unterschiedlichen Metallen gemischt werden, wobei eine Legierungsbildung dann während des Schichtbildungsprozesses, einer nachträglichen Wärmebehandlung oder während der Benutzung zustande kommt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass als Kunststoff ein thermoplastisches Fluorpolymer zum Einsatz kommt. Insbesondere PTFE (Teflon) und/oder PFA und/oder PFEP und/oder FTFE und/oder ECTFE und/oder PVDF. Thermoplastische Fluorpolymere weisen vorteilhaft besonders gute Gleiteigenschaften, Antihafteigenschaften bzw. Hydrophobieeigenschaften auf und eignen sich daher beispielsweise hervorragend als Trockenschmierstoffe. Zudem sind diese Polymere auch verhältnismäßig temperaturstabil, je nach Zusammensetzung bis zu 400°C. Sie besitzen eine sehr hohe chemische Beständigkeit. Diese Eigenschaften können auch in einem Kompositmaterial, wie dies die erfindungsgemäße Beschichtung darstellt, genutzt werden. So können beispielsweise Nickel-PTFE-Kompositbeschichtungen mit der oben angegebenen Gefügezusammensetzung hergestellt werden.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Beschichtungspartikel einen mittleren Partikeldurchmesser von mindestens 5 μm und höchstens 10 μm, bevorzugt mindestens 7 μm und höchstens 8 μm, gemessen ohne die Umhüllung, aufweisen. Hierbei hat es sich herausgestellt, dass metallische Partikel dieser Größe sich unproblematisch durch Kaltgasspritzen abscheiden lassen. Auf der anderen Seite besitzen diese noch eine Größe, die gering genug ist, damit sich eine feine Verteilung der zweiten Gefügephase aus Kunststoff herstellen lässt. Damit können die oben angegebenen Vorteile bestmöglich genutzt werden.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass die Beschichtungspartikel mit dem Grundstoff beschichtet werden, bevor diese der Düse oder einer dieser vorgelagerten Stagnationskammer zugeführt werden. Damit werden mit dem Kaltgasspritzen Partikel verarbeitet, die durch spezialisierte Anbieter vorkonfektioniert werden können. Es werden beispielsweise PTFE-Dispersionen (zum Beschichten) und Pulver von der Fa. Dyneon (3M) angeboten. Vorteilhaft lässt sich die Beschaffenheit der Partikel genau bestimmen, wodurch das Kaltgasspritzen vorteilhaft mit besonders gleichmäßigen Schichtergebnissen durchgeführt werden kann.
Es ist jedoch vorteilhaft auch möglich, dass die Beschichtungspartikel ohne eine Umhüllung der Düse oder einer dieser vorgelagerten Stagnationskammer zugeführt werden und gleichzeitig eine Dispersion von Kunststoffpartikeln (in DE 10 2006 047 101 A1 beschrieben) zugeführt wird, wobei sich die Kunststoffpartikel an die Beschichtungspartikel anlagern, bevor diese auf das Substrat auftreffen. Dabei verdampft die Flüssigkeit, die die Dispersion mit den Kunststoffpartikeln bildet, so dass lediglich die Kunststoffpartikel auf den Beschichtungspartikeln haften bleiben und so deren Umhüllung bilden. Hierbei sollten die Kunststoffpartikel vorzugsweise geringere Abmessungen aufweisen als die Beschichtungspartikel, deren Teil sie durch Anlagerung werden. Vorzugsweise sind die Kunststoffpartikel Nanopartikel. Diese können als Dispersion vorteilhaft besonders gut verarbeitet werden. Der Vorteil einer Durchführung des Beschichtungsverfahrens mit Kunststoffdispersionen ist, dass eine größere Vielfalt von verschiedenen Werkstoffzusammenstellungen verarbeitet werden kann, ohne dass hierbei eine erhöhte Lagerhaltung an vorgefertigten Partikeln notwendig ist. Als Dispersion für Kunststoffe kommen beispielsweise Dispersionen mit PTFE Nanopartikeln in Frage, die beispielsweise von der Firma Dyneon vertrieben werden und mit den Handelsnamen PTFE 5032R, PTFE 5035R und PTFE 5050R bezeichnet werden.
Um die Beschichtungspartikel vor dem Verarbeiten durch Kaltgasspritzen bereits mit der Umhüllung aus Kunststoff zu versehen, können die Beschichtungspartikel beispielsweise mit PTFE-Pulver gemahlen werden, wobei sich die Partikel des Kunststoffes an die Beschichtungspartikel anlagern. Hierfür kommt beispielsweise das Mikropulver TF 9205 PTFE mit einer Partikelgröße von 8 μm in Frage, wie es durch die Firma Dyneon vertrieben wird. Allerdings müssen in diesem Falle auch die Beschichtungspartikel größer sein, damit eine Anlagerung der Kunststoffpartikel mit großer Ausbeute möglich ist.
Die oben angegebene Aufgabe wird weiterhin durch ein Bauteil gelöst, bei dem die zweite Gefügephase aus Kunststoff in der Schicht als zusammenhängendes Netzwerk ausgebildet ist. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die zweite Gefügephase aus Kunststoff als Umhüllung der die erste Gefügephase aus Metall ausbildenden Beschichtungspartikel aufgebracht ist. Hierdurch ist vorteilhaft eine sehr feine Verteilung des Kunststoffes in dem Gefüge der hergestellten Schicht möglich.
Vorteilhaft ist es im Übrigen, wenn die erste metallische Gefügephase als zusammenhängende Matrix ausgebildet ist, wobei sich in jedem Fall die Matrix der metallischen Gefügephase und das Netzwerk der zweiten Gefügephase aus Kunststoff gegenseitig durchdringen. Die räumlichen Strukturen liegen somit ineinander verschränkt vor. Dies hat den Vorteil, dass bei gleichzeitig feiner Verteilung der zweiten Gefügephase aus Kunststoff ein fester Zusammenhalt der ersten metallischen Gefügephase gewährleistet ist.
Welche räumliche Struktur die Gefügephasen in der Schicht aufweisen, hängt in erster Linie von den Parametern der Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht ab. Wird die Schicht auf dem Bauteil durch Kaltgasspritzen hergestellt, kann beispielsweise die kinetische Energie verändert werden, mit der die Beschichtungspartikel verspritzt werden. Wenn diese geringer auffällt, so verformen sich die Beschichtungspartikel beim Auftreffen auf das Bauteil nicht so stark, so dass die Umhüllung weitgehend erhalten bleibt und so ein zusammenhängendes Netzwerk ausbildet, welches die Beschichtungspartikel zumindest noch weitgehend umgibt. Die sich aus den Beschichtungspartikeln bildende erste metallische Gefügephase ist daher im Wesentlichen nicht zusammenhängend.
Um die erste metallische Gefügephase als zusammenhängende Matrix herzustellen, kann die kinetische Energie erhöht werden, mit der die Beschichtungspartikel verarbeitet werden. Hierdurch wird der Kunststoff der Umhüllung beim Auftreffen der Beschichtungspartikel auf das Bauteil stärker verdrängt bzw. aufgrund der starken lokalen Erhöhung auch teilweise verdampft, so dass benachbarte metallische Beschichtungspartikel zusammenbacken und hierdurch insgesamt eine zusammenhängende Matrix ausgebildet wird. Allerdings bleibt beispielsweise außerhalb der Auftreffzone der Partikel noch genügend Kunststoffmaterial der Umhüllung übrig, so dass auch dieses ein zusammenhängendes Netzwerk ausbilden kann.
Eine weitere Möglichkeit, die Schichtzusammensetzung und die Ausbildung der Gefügephasen zu beeinflussen, liegt darin, die Dicke der Umhüllung zu modifizieren. Je dünner die Umhüllung ist, desto weniger Kunststoff ist in das Gefüge der Schicht eingebaut und desto eher bildet sich auch eine zusammenhängende Matrix der ersten metallischen Gefügephase aus. Andersherum wird dies verhindert, wenn die Umhüllung der Beschichtungspartikel mit einer größeren Dicke ausgeführt wird.
Das Bauteil kann vorteilhaft als Lagerbauteil einer Gleitlagerung verwendet werden. Hierbei kann die Schicht auf dem Bauteil ihre hervorragenden Trockenschmiereigenschaften voll zum Einsatz bringen.
Eine andere Verwendung des Bauteils ist die Verwendung als Strömungsbauteil. Damit sind Bauteile gemeint, die insbesondere von einem flüssigen oder gasförmigen Medium umströmt werden. Hierbei ist die erfindungsgemäße Schicht von Vorteil, da diese die Neigung zur Anhaftung von Eis oder Schmutz verringert, die gebildeten Oberflächen leicht zu reinigen sind, und durch geringere Reibung beispielsweise abrasiver Partikel auch der Verschleiß vermindert wird, da die Oberfläche der erfindungsgemäßen Schicht hervorragende tribologische Eigenschaften aufweist. Zuletzt verringert sich auch die Korrosionsgefahr bei Umwelteinflüssen, weil z. B. Regentropfen abperlen und sich daher keine Lokalelemente ausbilden können, die beispielsweise eine Lochfraßkorrosion begünstigen würden. Als mögliche Strömungsbauteile sind Rotorblätter von Windkraftanlagen sowie Karosserieteile von Verkehrsmitteln zu nennen. Der Ausdruck „Verkehrsmittel” ist dabei breit zu verstehen. Es sind Fahrzeuge, Flugzeuge, Schiffe und auch Züge hiermit gleichermaßen gemeint.
Auch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bauteils als Verkleidungsbauteil insbesondere von Bauwerken, wie zum Beispiel als Fassadenelement, ist vorteilhaft. Hierdurch lassen sich leicht zu reinigende Fassaden erzeugen, die seltener oder gar nicht von Schmutz befreit werden müssen. Auch hier kann eine Korrosionsneigung der Verkleidungsbauteile verringert werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
1 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine hierzu geeignete, modifizierte Kaltgasspritzdüse mit Stagnationskammer,
2 und 3 Ausführungsbeispiele von Beschichtungspartikeln, wie sie in dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsatz kommen können, als Querschnitte und
4 und 5 Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Bauteils mit der erfindungsgemäßen Schicht als Teilschnitte.
Das erfindungsgemäße Kaltgasspritzverfahren kann mit einer Kaltgasspritzdüse 11 gemäß 1 durchgeführt werden. Diese weist einen konvergenten Abschnitt 12 und einen divergenten Abschnitt 13 und eine Kehle 14 auf. Eine solche Düse wird als konvergent-divergente Düse bezeichnet. Der konvergente Anteil 12 der Kaltspritzdüse 11 steht in Verbindung mit einer Stagnationskammer 15, in die verschiedene Zuführungsrohre münden.
Ein Partikelzuführrohr 16 für Beschichtungspartikel 17 mündet zentral in die Stagnationskammer. Weiterhin ist ein Kranz von Suspensionszuführrohren 18 in der Stagnationskammer angeordnet, durch die eine Suspension, bestehend aus einem Suspensionsmittel, beispielsweise Wasser, und Kunststoffpartikeln, in Richtung der angedeuteten Pfeile 19 in die Stagnationskammer eingeführt werden kann. Die Dispersion vermischt sich mit den Beschichtungspartikeln 17, so dass die Kunststoffpartikel 20 auf den Beschichtungspartikeln 17 angelagert werden können und dadurch eine Umhüllung 21 bilden (3).
Vorher wird das Beschichtungspartikel 17, wie 2 zu entnehmen ist, jedoch zunächst von der die Kunststoffpartikel 20 Dispersion 22 benetzt. Das Dispersionsmittel verdampft jedoch spätestens nach der Entspannung des Kaltgasstrahls im divergenten Teil 13 der Düse 11 recht schnell, so dass die Partikel 17 mit der Umhüllung 21 aus den Kunststoffpartikeln 20 übrig bleiben. Die Kunststoffpartikel 20 weisen Abmessungen im Nanometerbereich auf, während die metallischen Anteile der Beschichtungspartikel 17 einen mittleren Durchmesser von ungefähr 8 μm aufweisen.
Ein Bauteil 23 gemäß 4 besteht aus einem Substrat 24, auf dem eine Schicht 25 abgeschieden ist. Die Schicht 25 weist eine erste Gefügephase aus Metall 26 auf, die in eine zweite Gefügephase 27 aus Kunststoff eingebettet ist. Die Gefügephase 27 aus Kunststoff bildet somit ein zusammenhängendes Netzwerk in der Schicht 25.
Bei dem Bauteil 23 gemäß 5 ist die Schicht 25 etwas anders aufgebaut. Hier bilden die Beschichtungspartikel eine zusammenhängende Matrix aus, so dass auch die erste metallische Gefügephase 26 ein zusammenhängendes Netzwerk ergibt. Dieses ist durch das Netzwerk der zweiten Gefügephase 27 aus Kunststoff durchdrungen, so dass beide Gefügephasen sozusagen verschränkt oder mit anderen Worten miteinander verwoben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2007/0042218 A1 [0003, 0005]
DE 102006047101 A1 [0009]

Claims

Verfahren zum Kaltgasspritzen einer Schicht (25) auf einem Substrat (24), bei dem Beschichtungspartikel (17) mit einer konvergent-divergenten Düse (11) in einem Kaltgasstrahl beschleunigt und auf dem Substrat abgeschieden werden, wobei die erzeugte Schicht (24) eine metallische erste Gefügephase (26) und eine zweite Gefügephase (27) aus einem Kunststoff aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass Beschichtungspartikel (17) verwendet werden, die aus einem die metallische Gefügephase bildenden Werkstoff bestehen und mit einer Umhüllung (21) aus dem Kunststoff versehen sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunststoff ein thermoplastisches Flourpolymer zum Einsatz kommt, insbesondere PTFE und/oder PFA und/oder FEP und/oder ETFE und/oder ECTFE und/oder PVDF.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungspartikel (17) einen mittleren Partikeldurchmesser von mindestens 5 μm und höchstens 10 μm, bevorzugt mindestens 7 μm und höchstens 8 μm, gemessen ohne die Umhüllung, aufweisen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungspartikel (17) mit dem Kunststoff beschichtet werden, bevor diese der Düse (11) oder einer dieser vorgelagerten Stagnationskammer (15) zugeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungspartikel (17) ohne eine Umhüllung der Düse (11) oder einer dieser vorgelagerten Stagnationskammer (15) zugeführt werden und gleichzeitig eine Dispersion von Kunststoffpartikeln (20) zugeführt wird, wobei sich die Kunststoffpartikel an die Beschichtungspartikel anlagern, bevor diese auf das Substrat auftreffen.
Bauteil mit einer Schicht (24), wobei die Schicht (24) eine metallische erste Gefügephase (26) und eine zweite Gefügephase (27) aus einem Kunststoff aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Gefügephase (27) aus Kunststoff in der Schicht als zusammenhängendes Netzwerk ausgebildet ist.
Bauteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste metallische Gefügephase (26) als zusammenhängende Matrix ausgebildet ist, wobei die Matrix und das Netzwerk einander durchdringen.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 6 oder 7 als Lagerbauteil eines Gleitlagers.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 6 oder 7 als Strömungsbauteil, insbesondere als Rotorblatt von Windkraftanlagen oder als Karosserieteil von Verkehrsmitteln.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 6 oder 7 als Verkleidungsbauteil insbesondere von Bauwerken.