DE3743167A1

DE3743167A1 - Fuelldraht zum erzeugen von schmelz-verbundschichten

Info

Publication number: DE3743167A1
Application number: DE19873743167
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl Ing Busse
Original assignee: SPRAYTEC OBERFLAECHENTECH
Current assignee: SPRAYTEC OBERFLAECHENTECH
Priority date: 1987-12-19
Filing date: 1987-12-19
Publication date: 1989-06-29

Description

Die Erfindung betrifft Fülldrähte zum Erzeugen von Schmelz-Verbundschichten, insbesondere für das ther mische Spritzen und Auftragschweißen.

Es ist bekannt, das durch thermisches Spritzen und Auftragschweißen insbesondere durch Flammspritzen und Plasma-Pulver-Auftragschweißen korrosions- und ver schleißbeständige Schmelz-Verbundschichten (selbst fließende Legierungen) auf Nickel- oder Kobaltbasis aufgetragen werden können (deutsche Patentschrift 0 24 32 061; Berichtsband "DVS Berichte 47", Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düsseldorf, Jahrgang 1977, Seiten 51 bis 59; Killing, R.: Handbuch der Schweiß verfahren, Bd. I, Deutscher Verlag für Schweißtechnik, 1. Auflage Düsseldorf, 1984, Seiten 134 bis 148).

Die zum Erzeugen von Schmelz-Verbundschichten verwen deten Legierungen mit "selbstfließenden Effekt" auf Nickelbasis weisen in der Regel 65-85 Gew.-% Nickel, 8-20 Gew.-% Chrom, 2-6 Gew.-% Bor bis zu 10 Gew.-% Eisen und Silizium sowie bis rd. 1 Gew.-% Kohlenstoff auf. Demgegenüber bestehen Kobaltbasis legierungen zum Erzeugen von Schmelz-Verbundschichten meist aus 40-70 Gew.-% Kolbalt, 10-30 Gew.-% Chrom, 2-4 Gew.-% Bor, 2-4 Gew.-% Eisen, 2-4 Gew.-% Silizium, 0,5-3 Gew.-% Kohlenstoff und bis zu 40 Gew.-% Nickel.

Kennzeichnend für alle diese Legierungen ist der Borgehalt. Dieser erfüllt zwei Aufgaben, zum einen bildet Bor zusammen mit Chrom sehr harte korro sions- und verschleißbeständige Chromboride, zum an deren bewirkt Bor zusammen mit dem Silizium den "selbstfließenden Effekt" (Berichtsband "DVS Berichte 47", Deutscher Verlag für Schweißtechnik, Düssel dorf, Jahrgang 1977, Seiten 51 bis 59). Legierungen mit Borgehalten ab rd. 2 Gew.-% und mehr als rd. 10 Gew.-% Chrom sind sowohl sehr verschleiß- als auch korrosionsbeständig.

Zum Auftragen von rißfreien, porenarmen, hoch bor- und chromhaltigen (ab rd. 3 Gew.-% Bor und rd. 15 Gew.-% Chrom) Schmelz-Verbundschichten durch thermisches Spritzen und Auftragschweißen ist es allerdings nö tig, diese Legierungen in Pulverform zu verarbeiten.

So ist Untersuchungen zum Lichtbogenspritzen von mit verschiedenen gemischten Pulvern aus Vorlegierungen und reinen Metallen, wie FeB, NiB, FeCrC, FeSi, Cr, Mn, Si und Ni gefüllten Hohldrähten zu entnehmen (Tagungsband "2nd Int. Conference on Surface Engineering", Stratford-upon-Avon, England, 1987, paper 22), daß die erzeugten Schutzschichten einen sich hinsichtlich der Oberflächengüte, Korrosions- und Verschleißwiderstand ungünstig auswirkenden hohen An teil von Rissen und Poren aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, rißfreie, porenarme, hoch verschleiß- und korrosionsbeständige Schmelz-Verbundschichten insbesondere mit hohen Bor- und Chromgehalten durch das thermische Spritzen und Auftragschweißen von Fülldrähten herzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Füllung des Hohldrahtes ein aus mehreren Komponen ten bestehendes Verbundpulver verwendet wird, das ent weder aus einem durch Verdüsung hergestellten Aus gangspulver, welches nachfolgend durch mechanische und/oder chemische Agglomeration mit anderen pulver förmigen Werkstoffen verbunden wird oder durch Sprüh trocknung hergestellt wird, so daß sich durch die metallurgische Umsetzung des Pulvers mit dem metal lischen Fülldrahtmantel während des thermischen Sprit zens oder Auftragschweißens rißfreie, porenarme, hoch verschleiß- und korrosionsbeständige Schutzschichten mit selbstfließenden Eigenschaften ergeben.

Um solche Schichten herstellen zu können, eignen sich besonders Fülldrähte, deren Mantel aus einer Nickel- oder Kobaltbasislegierung besteht und mindestens einen Gehalt von 75 Gew.-% der Elemente Kobalt oder Nickel aufweist.

Damit der Kobalt- und Nickelgehalt infolge der metal lurgischen Umsetzung des Fülldrahtmantels mit der Pul verfüllung in der Schmelz-Verbundschicht nicht zu groß wird und verschleißbeständige Schichten hoher Härte erhalten werden können, ist es notwendig, daß das in den Hohldraht gefüllte Verbundpulver weniger als 40 Gew.-% des Metalles Nickel oder Kobalt enthält und der Gesamtgehalt beider Elemente an der pulverförmigen Füllung 60 Gew.-% unterschreitet.

Zum Erreichen einer hohen Härte und Korrosionsbestän digkeit bei gleichzeitiger Freiheit vor Rissen und Poren sowie zum Erhalt der selbstfließenden Eigen schaften der Schmelz-Verbundschichten muß das Ver bundpulver mehr als 6 Gew.-% Silizium, mehr als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, mehr als 6 Gew.-% Bor, mehr als 2 Gew.-% Eisen und 15-60 Gew.-% Chrom aufweisen.

Durch die Zugabe von 5 bis 20 Gew.-% der Elemente Al, B, C, Cu, Mo, Nb, Si, Ta, Ti, V, W, Zr, vorzugsweise durch mechanische und/oder chemische Agglomeration zu dem durch Verdüsen hergestellten Ausgangspulver, kann sowohl die Korrosions- als auch Verschleißbeständig keit der Schmelz-Verbundschichten durch die gezielte Bildung von Lokalelementen und Karbiden, Boriden und Oxiden sowie zusätzlich die Haftfestigkeit der Schich ten gesteigert werden.

Zudem kann die Verschleißbeständigkeit der Schichten durch Anteile bis zu 65 Gew.-% an metallischen und nichtmetallischen Hartstoffen im Verbundpulver, wie B₄C, CrB₂, NbC, SiC, TiB₂, TiC, TiN, VC, WC und W₂C beträchtlich erhöht werden.

Ferner ist es vorzugsweise durch mechanische oder che mische Agglomeration dieser pulverförmigen Hartstoffe möglich, den Gehalt an Bor, Silizium und Kohlenstoff des Verbundpulvers in einfacher Weise zu steigern.

Die Gehalte an B, C, Co, Fe, Cr, Mn, Mo, Nb, Ni, Si, W in der Schmelz-Verbundschicht können in wirtschaft licher Weise auch dadurch erhöht werden, daß ein Teil des Verbundpulvers aus Vorlegierungen auf Eien- und Nichteisenbasis wie CoB, CrB, FeB, FeCr, FeCrC, FeMn, FeMo, FeNb, FeSi, FeW, MoNi, NbCr, NiB besteht.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen ins besondere darin, daß ausgehend von Fülldrähten durch thermisches Spritzen, z. B. Lichtbogenspritzen oder durch Auftragschweißen, z. B. Plasma-Heißdrahtschwei ßen, rißfreie, porenarme, hoch verschleiß- und korro sionsbeständige Schmelz-Verbundschichten erzeugt wer den können.

Hierdurch ist erstmals, im Gegensatz zum Verarbeiten von Pulvern, aufgrund der durch den Einsatz von Fülldrähten erzielbaren wesentlich höheren Auftrags raten, die Beschichtung von großen hochbelasteten Bau teilen, wie Papier-, Druck- und Kaltarbeitswalzen, mit hochwertigen selbstfließenden Schutzschichten in ko stengünstiger Weise möglich.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele wei ter erläutert.

Beispiel 1

Durch Verdüsen unter Schutzgas wurde zunächst ein le giertes Ausgangspulver mit 0,3 Gew.-% C, 0,6 Gew.-% B, 1,3 Gew.-% Si, 2,7 Gew.-% Cr, 0,9 Gew.-% Fe und 94,2 Gew.-% Ni in der Korngröße von 36 bis 106 µm herge stellt. Dieses Ausgangspulver wurde nachfolgend durch Agglomeration unter Verwendung von Polyvinylalkohol mit CrB₂, Korngröße 2-10 µm und der Vorlegierung FeSi, Korngröße 5-10 µm, verbunden. Hierdurch ergab sich eine mittlere chemische Zusammensetzung des zur Füllung der Hohldrähte verwendeten Verbundpulvers von 0,4 Gew.-% C, 10,5 Gew.-% Bor, 8,8 Gew.-% Si, 42,4 Gew.-% Chrom, 7,4 Gew.-% Fe und 30,5 Gew.-% Ni. Nach der Fertigung des Fülldrahtes aus reinem Nickelband wiesen die durch Lichtbogenspritzen und Plasma-Heiß drahtschweißen erzeugten riß- und porenfreien Schmelz- Verbundschichten eine mittlere Härte von HV 10 = 7600 bis 8100 Mpa auf. Beim Lichbogenspritzen wurde eine Auftragsrate von 28 kg/h und durch Plasma-Heißdraht schweißen eine Auftragsrate von 22 kg/h erreicht.

Beispiel 2

Durch Sprühtrocknung wurde ein Ausgangspulver mit 0,4 Gew.-% C, 10 Gew.-% B, 9 Gew.-% Si, 35,7 Gew.-% Cr, 9,7 Gew.-% Fe und 35,2 Gew.-% Ni mit einer Korngröße von 45-150 µm erzeugt. Dieses Ausgangspulver wurde nachfolgend mit 30 Gew.-% TiC, Korngröße 2-10 µm, durch Agglomeration unter Verwendung von Polyvinylal kohol verbunden. Die nach dem Lichtbogenspritzen des hiermit gefüllten Hohldrahtes (Mantel 85 Gew.-% Nickel, 15 Gew.-% Chrom) eingeschmolzene Schicht wies eine Makrohärte von HV 10 = 7600-7900 MPa und eine Mikrohärte HV 0,05 von bis zu 29 500 Mpa auf. Die Auftragsrate betrug während des Lichtbogenspritzens 26,5 kg/h.

Beispiel 3

Durch Verdüsen unter Schutzgas wurde zunächst ein le giertes Ausgangspulver mit 0,05 Gew.-% C, 4 Gew.-% B, 4 Gew.-% Si, 17 Gew.-% Cr, 4,1 Gew.-% Fe, 15 Gew.-% Ni und 55,85 Gew.-% Co mit einer Korngröße von 36-106 µm hergestellt. Dieses Ausgangspulver wurde nachfol gend durch Agglomeration unter Verwendung von Polyvi nylalkohol mit CrB₂, Korngröße 2-10 µm, der Vorle gierung FeSi, Korngröße 2-10 µm und Titan, Korngröße 20-45 µm, verbunden.

Die mittlere Zusammensetzung des zur Füllung der Hohl drähte verwendeten Pulvers war nach dem Agglomerieren 0,2 Gew.-% C, 10,5 Gew.-% B, 8,7 Gew.-% Si, 36 Gew.-% Cr, 8,6 Gew.-% Fe, 6,3 Gew.-% Ni und 29,7 Gew.-% Co. Der Mantel des gefertigten Fülldrahtes bestehend aus einer Kobalteisenlegierung mit 95,5 Gew.-% Co und 4,5 Gew.-% Eisen. Durch Plasma-Heißdrahtschweißen dieses Fülldrahtes wurde eine riß- und porenfreie, korro sions- und verschleißbeständige Schicht mit einer mittleren Härte von HV 10 = 5650 MPa erzeugt. Aufgrund von sich während des Schweißens bildender Titanboride (TiB₂) erreicht die Mikrohärte der Schichten bis zu HV 0,05 = 32 800 MPa. Die Auftragsrate betrug 18,5 kg/h.

Das Beispiel 3 ist zur näheren Erläuterung in der nachstehenden Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt beispielhaft einen Querschnitt durch das für die Füllung der Hohldrähte erzeugte Verbundpulver. Das durch Verdüsen unter Schutzgas hergestellte Aus gangspulver 1 ist durch Agglomeration unter Verwendung von Polyvinylalkohol mit Chromborid (CrB₂) 2, der pul verförmigen Vorlegierung FeSi 3 und Titanteilchen 4 verbunden.

Fig. 2 zeigt einen stark vergrößerten Ausschnitt des aus einer Kobalt-Eisen-Legierung bestehenden Hohldrah tes 5, welcher mit dem in Fig. 1 dargestellten Ver bundpulver 6 gefüllt ist.

Claims

1. Fülldraht zum Erzeugen von Schmelz-Verbundschichten insbesondere für das thermische Spritzen und Auf tragschweißen, dadurch gekennzeichnet, daß zur Füllung des Hohl drahtes ein aus mehreren Komponenten bestehendes Verbundpulver verwendet wird, das entweder aus einem durch Verdüsung hergestellten Ausgangspulver, welches nachfolgend durch mechanische und/oder chemische Agglomeration mit anderen pulverförmigen Werkstoffen verbunden wird oder durch Sprühtrock nung hergestellt wird, so daß sich durch die me tallurgische Umsetzung des Pulvers mit dem metal lischen Fülldrahtmantel während des thermischen Spritzens oder Auftragschweißens rißfreie, porenar me, hoch verschleiß- und korrosionsbeständige Schutzschichten mit selbstfließenden Eigenschaften ergeben.

2. Fülldraht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Mantel des Fülldrahtes aus einer Nickel- oder Kobaltbasis legierung besteht, welche mindestens einen Gehalt von 75 Gew.-% der Elemente Kobalt oder Nickel auf weist.

3. Fülldraht nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß das in den Hohldraht gefüllte Verbundpulver weniger als 40 Gew.-% der Metalle Nickel oder Kobalt enthält und der Gesamt gehalt beider Elemente an der pulverförmigen Fül lung 60 Gew.-% unterschreitet.

4. Fülldraht nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Füllung des Hohldrahtes verwendete Verbundpulver neben Kobalt und/oder Nickel
mehr als 6 Gew.-% Silizium,
mehr als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff,
mehr als 6 Gew.-% Bor,
mehr als 2 Gew.-% Eisen,
und 15 bis 60 Gew.-% Chrom aufweist.

5. Fülldraht nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Füllung verwen dete Verbundpulver einen Anteil von 5 bis 20 Gew.-% der Elemente Al, B, C, Cu, Mo, Nb, Si, Ta, Ti, V, W, Zr enthalten kann.

6. Fülldraht nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Füllung der Hohldrähte verwendete Verbundpulver aus bis zu 65 Gew.-% der metallischen und nichtmetallischen Hart stoffe, wie B₄C, CrB₂, NbC, SiC, TiB₂, TiC, TiN, VC, WC, W₂C besteht.

7. Fülldraht nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Verbund pulvers aus Vorlegierungen auf Eisen- und Nichtei senbasis, wie CrB, CoB, FeB, FeCr, FeCrC, FeMo, FeNb, FeMn, FeSi, FeW, MoNi, NbCr, NiB besteht.