DE3406418A1

DE3406418A1 - Verfahren zum aufbringen eines abriebbestaendigen und/oder korrosionsbestaendigen ueberzuges auf einem gegenstand mit unregelmaessiger oberflaeche

Info

Publication number: DE3406418A1
Application number: DE19843406418
Authority: DE
Inventors: Norman E. Mentor Ohio Alber; Manek R. Cleveland Ohio Dustoor; Dennis E. Salem Ind. Shewell
Original assignee: Imperial Clevite Inc
Current assignee: Clevite Industries Inc
Priority date: 1983-02-28
Filing date: 1984-02-22
Publication date: 1984-08-30
Also published as: GB2135698B; SE8305712L; SE8305712D0; JPS59193273A; FR2541610A1; GB8330833D0; GB2135698A; CA1228455A

Description

■^:" "TlSCHER, KERN & BREHM

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Albert-Rosshaupter-Strasse 65 D 8000 Mönchen 70 Telefon (089) 7605520 Telex_5-212284 patsdjrelegramme^Kernpatent München

IMPERIAL CLEVITE INC. 22. Februar 1984

2550 Golf Road, Suite 200 IC-34

Rolling Meadows, Illinois 60008
U.S.A.

Verfahren zum Aufbringen eines abriebbeständigen und/oder korrosionsbeständigen Überzuges auf einem Gegenstand mit unregelmäßiger Oberfläche

Beschreibung;

Die vorliegende Erfindung betrifft die Befestigung von Überzugsmaterial an einer unregelmäßig geformten Oberfläche.

Mehr im einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufbringung von festem, teilchenförmigen Hart- bzw. Vergütungsmaterial an wenigstens einem Abschnitt einer unregelmäßig geformten Oberfläche.

In der einschlägigen Industrie ist es gängige Praxis, derartige Hart- bzw. Vergütungsmaterialien auf verschiedenen Gegenständen aufzubringen; beispielsweise ist in diesem Zusammenhang die Auftragschweißung von Verschleißschichten (hardfacing)bekannt. Sofern jedoch angestrebt wird, einen Überzug aus solchen Mate-

rialien möglichst gleichmäßig auf einem Gegenstand mit unregelmäßig geformter Oberfläche aufzubringen, dann treten häufig verschiedene Schwierigkeiten auf.

In diesem Zusammenhang sind verschiedene elektrolytische Beschichtungsverfahren bekannt, um Oberflächen zu überziehen; diese Verfahren sind jedoch auf solche Situationen beschränkt, wo lediglich eine relativ dünne Materialschicht aufgebracht werden soll. Um gerade diese Schwierigkeiten zu überwinden, sind Sprühverfahren vorgeschlagen worden, um dickere Schichten zu erzeugen. Der wesentliche Nachteil dieses Vorschlages liegt darin,.daß sich Sprühstrahlen geradlinig vom Sprühkopf zum zu beschichtenden Gegenstand bewegen, so daß die Dicke des erhaltenen Überzuges bei unregelmäßig geformten Oberflächen recht ungleichmäßig sein kann. Ein anderer Vorschlag zur Abscheidung dicker Schichten besteht darin, einen Belag aufzuschweißen. Hier tritt jedoch ebenfalls die Schwierigkeit auf, daß dann, wenn kein einfacher Zugang zu den Oberflächenkonturen des zu beschichtenden Gegenstandes gegeben ist, die Schweißraupe keine gleichmäßige Dicke aufweisen wird.

Davon ausgehend besteht die wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Maßnahmen zum Aufbringen eines relativ dicken, gleichmäßigen Überzugs aus Hart- bzw. Vergütungsmaterial auf einer unregelmäßig geformten Oberfläche anzugeben.

Weitere Aufgaben und Besonderheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich für Fachleute aus dem Studium der nachstehenden Beschreibung und der Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist ein Verfahren mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen dieses erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus den Unteransprüchen.

In erster Linie ist die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren gerichtet, abriebbeständiges und/oder korrosionsbeständiges Vergütungsmaterial auf einer unregelmäßigen Oberfläche eines vorgegebenen Gegenstandes aufzubringen. Dieses Verfahren weist die nachstehenden Verfahrensschritte auf:

es wird ein Gegenstand mit einer unregelmäßigen Oberfläche bereitgestellt, die mit dem Hart- bzw. Vergütungsmaterial (hardfacing material) beschichtet werden soll;

es wird ein Hartlötmittel vorgesehen, das in Kontakt mit wenigstens einem Teil dieser unregelmäßigen Oberfläche kommen und diese überziehen soll; ein Flächengebilde, das in einer Matrix aus faserförmigem Polytetrafluorethylen verteilt Hart- bzw. Vergütungsmaterial enthält, wird in enge Nachbarschaft, jedoch nicht in einen völligen, direkten Kontakt zu dieser unregelmäßigen Oberfläche gebracht, die beschichtet werden soll; der Gegenstand mit der unregelmäßigen Oberfläche wird zusammen mit dem so angeordneten Hart-Lötmittel und dem Flächengebilde in einem Gehäuse aus unter Druckeinwirkung nachgiebigem Material eingeschlossen; auf die Außenwand dieses Gehäuses wird Druck ausgeübt, so daß die Gehäusewand nachgibt und dabei dieses Flächengebilde in direkten Kontakt mit der unregelmäßigen Oberfläche bringt; und daraufhin wird der so behandelte Gegenstand einer ausreichend hohen Temperatur ausgesetzt, um das Polytetrafluoräthylen zu verflüchtigen, und um aus dem Hart- bzw. Vergütungsmaterial und dem Hart-Lötmittel eine kohärente Masse zu bilden, die an der unregelmäßigen Oberfläche dieses Gegenstandes haftet.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in verschiedener Weise verwirklicht werden. Nachstehend wird die Erfindung im einzelnen anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert; diese zeigen:

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignete Vorrichtung; und

Fig. 2 in einer vergrößerten Querschnittsdarstellung einen Abschnitt eines Gewindeschaftes eines Stahlbolzens, der einen abriebbeständigen Überzug trägt, welcher entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht worden ist.

Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachstehend anhand der Beschichtung des Gewindeabschnittes eines 1/2" Stahlbolzens erläutert, der mit einem Wolframcarbid-Material in einer nickelreichen Lotmaterial-Legierung beschichtet werden soll.

Beispiel:

Ein 2" (ca. 5 cm) langer Stahlbolzen mit einem Durchmesser von 1/2" (ca. 12 mm) wurde durch Sandstrahlen seiner Oberfläche gesäubert. Auf einer Länge von 1 cm wies der Gewindeabschnitt dieses Stahlbolzens ca. 5,1 Gewindegänge auf.

Eine Lage aus dem das Hart- bzw. Vergütungsmatorial enthaltenden Flächengebilde 10 wurde lose über die Gewindegänge 12 des Bolzens 14 gezogen. Das Flächengebilde 10 war eine Matrix aus fibrilliertem Polytetrafluorethylen, das seinerseits festes, teilchenförmiges Material einschloß; das feste teilchenförmige Material bestand zu 65 Vol.-% aus Wolframcarbid

und zu 35 Vol.-% aus einer nickelreichen Legierung, deren Zusammensetzung im wesentlichen der AMS-Spezifikation 4775 entsprach. Dieses Flächengebilde wurde mit Hilfe eines Klebemittels 16 am vorgesehenen Ort gehalten, welches Klebemittel leicht längs des Flächengebilde-Umfanges aufgebracht worden war. Es ist jedoch nicht wesentlich, ein solches Klebemittel zu verwenden. Das Flächengebilde kann auch einfach auf dem Gegenstand aufgelegt werden, dort, wo dieser beschichtet werden soll.

Nachdem das Flächengebilde um den Bolzen herumgewickelt worden war, wurde die gesamte Anordnung in eine Form aus biegsamem Gummimaterial gebracht. Die Öffnung 20 der Form wurde mit einem geeigneten Gummistopfen 22 verschlossen. Auf die Form wurde daraufhin von außen in einer (nicht dargestellten) Vorrichtung Druck ausgeübt. Im vorliegenden Fall erfolgte diese Druckausübung in einer isostatischen Presse, in der als Druckübertragungsmedium Wasser diente. Ersichtlich könnten auch andere Mittel und Maßnahmen zur Druckausübung von außen auf das Gehäuse vorgesehen werden, in dem sich der mit dem Flächengebilde bedeckte, zu beschichtende Gegenstand befindet. Weil diese Mittel und Maßnahmen der Druckausübung keinen eigenständigen Bestandteil der vorliegenden Erfindung darstellen, sollen derartige alternative Mittel und Maßnahmen hier nicht im einzelnen erläutert werden.

Nach der Druckausübung weist der Gewindebolzen eine Schicht oder Lage aus Hart- bzw. Vergütungsmaterial und aus Hart-Lötmittel auf, welche Lage oder Schicht sich in unmittelbarem Kontakt mit den Gewindegängen befindet. Dieser Schraubenbolzen wurde daraufhin in einen Ofen gebracht und im Vakuum auf eine Temperatur von angenähert 1093⁰C (2000⁰F) erhitzt, um das Polytetrafluoräthylen zu zersetzen, und um das Hart-bzw. Vergütungsmaterial und das Hart-Lötmittel in Form einer kohärenten Masse an die Oberfläche zu binden.

- ίο -

Das erfindungsgemäße Verfahren kann vorgesehen werden, um Vergütungsmaterial auf irgendeinen Gegenstand aufzubringen, der eine unregelmäßige Oberfläche aufweist, und der sich bei der vorgesehenen Temperatur, um das Vergütungsmaterial zu binden oder zur Haftung zu bringen, nicht zersetzt oder nennenswert erweicht. Typische Beispiele für derartige Substratmaterialien sind Stähle, Nickel, Kobalt, Titan und deren entsprechende Legierungen.

Mit der Bezeichnung "Flächengebilde, das das Hart- bzw. Vergütungsmaterial enthält" soll ein solches Material bezeichnet werden, wie es im einzelnen in der US-Patentschrift 4 194 040 beschrieben ist. Mit der Bezugnahme auf diese US-Patentschrift 4 194 040 soll deren Inhalt ausdrücklich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht werden. Im einzelnen besteht derartiges Flächengebilde im wesentlichen aus etwa 85 bis etwa 99 Vol.-% festem, teilchenförmigen Material, das im wesentlichen gleichmäßig und einheitlich in einer Matrix aus fibrilliertem Polytetrafluoräthylen-Harz verteilt ist. Der Anteil an diesen Polytetrafluorathylen-Fibrillen macht etwa 1 bis etwa 15 Vol.-% des gesamten Flächengebildes aus. Diese Polytetrafluoräthylen-Fibrillen sind ineinander verschlungen und schließen das teilchenförmige fiaterial ein, so daß das gesamte Flächengebilde eine zusammenhängende, flexible Lage bildet.

Ein geeignetes Verfahren zur Herstellung derartiger Flächengebilde, die zur Anwendung im Verfahren nach der vorliegenden Erfindung brauchbar sind, ist im einzelnen in der US-Patentschrift 3 864 124 angegeben. Mit der Bezugnahme auf diese US-Patentschrift 3 864 124 soll deren Inhalt ausdrücklich auch zum Bestandteil der vorliegenden Unterlagen gemacht werden. Im einzelnen kann dieses Flächengebilde dadurch erhalten werden, daß ein Gemisch aus Polytetrafluorathylen und der teilchenförmigen Substanz mechanisch bearbeitet wird, bei-

li -

spielsweise durch Walzen, durch Behandlung in einer Kugelmühle, durch Strecken, durch Recken und Dehnen, durch Ausbreiten und dgl., um schließlich ein Flächengebilde in Form einer Lage oder Matte zu erhalten, die eine hohe Rohfestigkeit und einen geringen Elastizitätsmodul aufweist. Diese Lage oder Matte kann daraufhin in die gewünschte Gestalt gebracht werden und wird daraufhin auf eine solche Temperatur erhitzt, wo Diffusion und/oder Schmelzen auftritt. Das Polytetrafluoräthylen wird in die Form einer Matrix aus Fibrillen gebracht, indem das Polytetrafluoräthylen unter den genannten Bedingungen mechanisch zerkleinert und bearbeitet wird. Diese Fibrillen haben einen Durchmesser kleiner als 10 ρ und weisen zumeist ein Verhältnis von Länge zu Durchmesser von 10 zu 1 bis 100 zu 1 oder noch größer auf. Die auf diese Weise erzeugte Lage oder Matte ist gekennzeichnet durch einen niedrigen Elastizitätsmodul; d.h., diese Lage oder Matte weist eine gute, stoffähnliche Drapierbarkeit und Biegsamkeit auf, so daß dieses Flächengebilde recht eng anliegend an Gegenstände mit verschiedenen und abwechselnden Formen und Konturen angepaßt werden kann, trotz seiner hohen Beladung mit teilchenförmigen! Material. In dem flexiblen, in Form eines Vlieses oder Filzes (non woven) vorliegenden Flächengebildes sind die Füllstoffteilchen nicht chemisch oder metallurgisch miteinander verbunden.

Die mechanische Bearbeitung der Mischung in der oben angegebenen Weise führt dazu, daß das Polytetrafluoräthylen fibrilliert wird, und die auf diese Weise erzeugten Fibrillen fangen die Feststoffteilchen ein und verbinden diese miteinander, um eine Vlies-förmige Lage oder Matte zu bilden, die gute Flexibilität und hohe Rohfestigkeit aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt, durch die oben erläuterte mechanische Bearbeitung des genannten Gemisches wird eine dreidimensionale Matrix aus miteinander verwobenen und untereinander verbundenen und

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verschlungenen Fibrillen erzeugt, in welcher das teilchenförmige Material gleichmäßig verteilt und festgehalten ist.

Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung eingesetzte feste teilchenförmige Material kann intermetallisches Material hoher Abriebfestigkeit sein und aus der Gruppe der Carbide, Nitride, Boride, Silicide und Mischungen dieser Stoffe ausgewählt werden. Darüberhinaus kann das feste teilchenförmige Material eine Hart-Lotlegierung einschließen.

Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorzugsweise vorgesehen, daß das abriebbeständige Material ein Carbid ist, das aus der Gruppe der nachstehenden Carbide, nämlich Wolframcarbid, Chromcarbid, Tantalcarbid, Titancarbid, Molybdäncarbid, Siliciumcarbid, Borcarbid und deren Gemische ausgewählt ist.

Zu geeigneten Hartlotlegierungen gehören Legierungen auf der Basis von Nickel, Cobalt oder Eisen; vorzugsweise werden solche Legierungen verwendet, die eine Rockwell-Härte mit einem Wert von wenigstens 40 auf der C-Skala aufweisen. Zusätzlich können Legierungen auf der Basis von Nickel, Cobalt, Kupfer Oder Silber verwendet werden, deren Schmelzpunkt unterhalb 1200⁰C liegt; auch in diesem Falle werden gute Ergebnisse erhalten. In jedem Falle ist es nicht wesentlich, eine ganz bestimmte Hartlotlegierung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens auszuwählen, weil Hartlotlegierungen in der Fachwelt gut bekannt sind. Es ist lediglich erforderlich, daß die Hartlotlegierung eine hochfeste Matrix bildet, und das Hart- bzw. Vergütungsmaterial einbettet und/oder fest an die unregelmäßig geformte Oberfläche bindet.

In bestimmten Anwendungsfällen kann ein und die gleiche Substanz, z.B. ein Hybrid-Lötmittel, sowohl die Funktion des abriebbeständigen Materials wie die Funktion des Hartlötmittels über-

nehmen. Zu typischen Beispielen für solche Hybrid-Hartlötmittel gehören Hartlote auf der Basis von Nickel von der Art, wie sie in den Spezifikationen AMS-4775, 4776 und 4777 beschrieben sind.

Das Hartlötmittel kann entweder direkt auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden, oder es kann in einem Flächengebilde enthalten sein, wie es in der US-Patentschrift 4 194 040 beschrieben wird. Das heißt, das Hartlötmittel kann zusammen mit dem Hart- bzw. Vergütungsmaterial innerhalb der Matrix aus den Polytetrafluoräthylenfibrillen verteilt sein. Weiterhin kann das Hartlötmittel als getrennte Lage aus Flachmaterial auf der zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht werden. Schließlich kann das Hartlötmittel in einem Flachmaterial eingearbeitet sein, welches Flachmaterial zusammen mit dem das Hart- bzw. Vergütungsmaterial enthaltende Flächengebilde ein Laminat bildet.

Aus obiger Beschreibung wird deutlich, daß das erfindungsgemäße Verfahren ein einzigartiges Verfahren zur Aufbringung von abriebbeständigem Material auf der Oberfläche eines unregelmäßig geformten Gegenstandes darstellt, um die physikalischen Eigenschaften dieser Oberfläche zu verbessern. Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise angewendet werden, um Werkzeugkanten, -schneiden oder -spitzen und dgl. zu behandeln, um deren Standfestigkeit zu verbessern.

Wie dargelegt, ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert worden. Für Fachleute ist jedoch ersichtlich, daß verschiedene Abwandlungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne vom wesentlichen Kern der Erfindung abzuweichen. Es ist deshalb beabsichtigt, daß die vorliegende Erfindung auch derartige Abweichungen und Modifizierungen umfassen soll, solange sie sich unter den Gegenstand der Patentansprüche und deren Äquivalente subsummieren lassen.

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Claims

KERN & BREHM

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IMPERIAL CLEVITE INC. 22. Februar 1984

Golf Road , Suite 200 IC-34

Rolling Meadows, Illinois 60008
U. S. A.

Verfahren zum Aufbringen eines abriebbeständigen und/oder korrosionsbeständigen Überzuges auf einem Gegenstand mit unregelmäßiger Oberfläche

Patentansprüche:

\l. JEin Verfahren zum Aufbringen einer abriebbeständigen Vergütungs- ^-^ schicht auf einem Gegenstand mit unregelmäßiger Oberfläche, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte;

es wird ein Gegenstand mit einer unregelmäßigen Oberfläche bereitgestellt, die mit hartem, verschleißbeständigem Material beschichtet (vergütet) werden soll; es wird ein Hart-Lötmittel vorgesehen, das in Kontakt mit wenigstens einem Teil dieser unregelmäßigen Oberfläche kommen und diese überziehen soll; ein Flächengebilde, das in einer Matrix aus faserförmigem Polytetrafluoräthylen verteilt Hart- bzw. Vergütungsmaterial enthält, wird in enge Nachbarschaft, jedoch

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nicht in einen völligen, direkten Kontakt zu dieser unregelmäßigen Oberfläche gebracht;

der Gegenstand mit der unregelmäßigen Oberfläche wird zusammen mit dem Hart-Lötmittel und mit diesem Flächengebilde in einem Gehäuse aus unter Druckeinwirkung nachgiebigem Material eingeschlossen;

auf die Außenwand dieses Gehäuses wird Druck ausgeübt, so daß die Gehäusewand nachgibt und dabei dieses Flächengebilde in direkten Kontakt mit der unregelmäßigen Oberfläche bringt; und

daraufhin wird der so behandelte Gegenstand einer ausreichend hohen Temperatur ausgesetzt, um das Polytetrafluorethylen zu verflüchtigen und um aus dem Hart- bzw. Vergütungsmaterial und dem Hart-Lötmittel eine kohärente Masse zu bilden, die an der unregelmäßigen Oberfläche dieses Gegenstandes haftet.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß

das Flächengebilde besteht im wesentlichen aus ungefähr 85 bis Vol.-% festem, teilchenförmigem Material, das im wesentlichen einheitlich in einer Matrix verteilt ist, welche Matrix etwa 1 bis Vol.-% des gesamten Flächengebildes ausmacht, und aus fibrilliertem Polytetrafluoräthylen-Harz besteht, wobei diese PoIytetrafluoräthylen-Fibrillen die Materialteilchen einschließen und untereinander verbinden, so daß das Flächengebilde zusammenhängend und flexibel ist.

3. Das Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß

das teilchenförmige Material ein intermetallisches Material hoher Abriebbeständigkeit ist, das aus der Gruppe der Carbide, Nitride, Boride, Silicide und Gemischen dieser Materialien ausgewählt ist.

Das Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das intermetallische Material hoher Abriebbeständigkeit ein Carbid ist, das aus der Gruppe umfassend Wolframcarbid, Chromcarbid, Tantalcarbid, Titancarbid, Molybdäncarbid, Siliciumcarbid, Borcarbid oder Gemischen dieser Carbide ausgewählt wurde.

5. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hart-Lötmittel eine Legierung ist, die aus der Gruppe der Nickel-, Cobalt- oder Eisen-Legierungen ausgewählt wurde.

6. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kart-Lötmittel eine Nickel-, Cobalt-, Kupfer- oder Silber-Legierung ist.

7. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Hart-Lötmittel neben seiner Funktion als Bindemittel und/ oder Einbettungsmaterial auch als Vergütungsmittel wirkt.

8. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Hart- bzw. Vergütungsmaterial zu beschichtende Oberfläche zuerst mit einer Hartlötlegierung beschichtet wird,

9. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß Hart-Lötmittel in dem Flächengebilde enthalten ist

10. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet/ daß

das Hart-Lötmittel auf der unregelmäßigen Oberfläche in Form eines getrennten Flächengebildes aufgebracht wird, das seinerseits aus einer Matrix aus fibrilliertem Polytetrafluorathylen besteht, in welchem teilchenformiges Hart-Lötmittel verteilt ist.

11. Das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß

das Hart-Lötmittel auf der unregelmäßigen Oberfläche in Form eines Flächengebildes aufgebracht wird, das zusammen mit dem weiteren Flächengebilde ein Laminat bildet, wobei das weitere Flächengebilde das teilchenförmige Hart- bzw. Vergütungsmaterial in einer Matrix aus fibrilliertem Polytetrafluorathylen enthält.