DE3785885T2

DE3785885T2 - Zusammengesetzter draht fuer verschleissfeste ueberzuege.

Info

Publication number: DE3785885T2
Application number: DE8787107208T
Authority: DE
Inventors: Anil Bansal; Frank N Longo; Joseph D Reardon
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 1986-05-20
Filing date: 1987-05-18
Publication date: 1993-08-26
Anticipated expiration: 2007-05-19
Also published as: EP0246596B1; EP0246596A3; DE3785885D1; JPS6353250A; CA1313927C; US4741974A; CN87103718A; EP0246596A2; BR8702546A; JPH0796700B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Draht, der verwendbar ist für Lichtbogen-Spritzverfahren. Die Erfindung betrifft insbesondere einen Verbundstoffdraht, der eine Umhüllung aus Eisen, Nickel oder Cobalt und einen Kern aufweist, der ein borhaltiges Pulver einschließt.
Ein thermisches Spritzverfahren, auch bekannt als Flammspritzverfahren, schließt das Erweichen eines hitzeschmelzbaren Materials wie beispielsweise eines Metalls oder einer Keramik unter Hitzeeinfluß und das Schleudern der erweichten Materials in Teilchenform auf eine Fläche ein, die beschichtet werden soll. Die erhitzten Teilchen treffen auf die Fläche auf und werden darauf gebunden. Eine herkömmliche Pistole zum thermischen Spritzen wird für den Zweck verwendet, die Teilchen sowohl zu erhitzen als auch aufzuschleudern.
Eine Pistole zum thermischen Spritzen bedient sich üblicherweise einer Verbrennungsflamme, einer Plasmaflamme oder eines elektrischen Lichtbogens, um die Hitze zum Schmelzen des Spritzmaterials zu erzeugen. Ein Fachmann in diesem Bereich der Technik erkennt jedoch, daß auch andere Heizvorrichtungen verwendet werden können, wie beispielsweise Widerstandsheizvorrichtungen oder Induktionsheizvorrichtungen. Diese können allein oder in Kombination mit anderen Heizerformen verwendet werden.
Das Material kann in die Aufheizzone in Form eines Pulvers oder eines Stabs oder Drahtes eingeführt werden. Bei thermischen Spritzpistolen des Typs, die mit einem Draht betrieben werden, wird der Stab oder Draht des aufzuspritzenden Materials der Heizzone zugeführt, die von einer Flamme oder dergleichen, beispielsweise einer Verbrennungsflamme, gebildet wird. Dort wird er geschmolzen oder wenigstens unter Hitzeeinfluß erweicht und atomisiert, üblicherweise mittels eines komprimierten Gases, und danach in feinverteilter Form auf die zu beschichtende Fläche geschleudert. Bei einer Lichtbogen-Spritzpistole werden zwei Drähte in einem elektrischen Lichtbogen geschmolzen, der zwischen den Drahtenden gespannt ist. Das geschmolzene Metall wird durch ein komprimiertes Gas, üblicherweise durch Luft, atomisiert und auf das zu beschichtende Werkstück gespritzt. Der Stab oder Draht kann auf herkömmliche Weise geformt sein, beispielsweise durch Ziehen, oder kann durch Zusammensintern eines Pulvers oder durch Abbinden des Pulvers mittels eines organischen Bindemittels oder eines anderen geeigneten Bindemittels hergestellt sein, welches in der Hitze der Aufheizzone zerfällt und dadurch das aufzuspritzende Pulver in feinverteilter Form freisetzt. Bei anderen Formen kann der Draht eine Beschichtungshülle aus einer Komponente und einen Kern aus anderen Komponenten aufweisen oder kann hergestellt sein durch Verwinden von Strängen der Komponenten.
Die EP-A 0 118 307 (Tenkula) offenbart einen Verbundstoffdraht, der zum Lichtbogenspritzen verwendet werden kann und eine Umhüllung umfaßt, die aus einem weichen Metall hergestellt ist, wie beispielsweise einem weichlegierten Stahl, und einen Kern umfaßt, der aus einem Metallpulver oder einer Mischung eines Metallpulvers und "speziellen Carbiden" und/oder Oxiden besteht. In der Tenkula-Druckschrift sind Beispiele der speziellen Carbide Carbide des Chroms, Wolframs, Vanadiums, Titans, Niobs, Siliciums, Molybdäns, Bors und dergleichen. Es wird gelehrt, daß Beispiele der Hauptzusammensetzung des Kerns C, Cr, Si, Mn, V, B, W, Mo, Nb, Ni, Co, Cu, Ti, Al und Fe sind. Die Korngröße des Pulvers im Kern wird als 20 bis 300 um angegeben.
In gleicher Weise lehrt die US-A 3,332,752 das Flammspritzen eines gefüllten Rohrs, das Pulver aus Metallen, Legierungen, Oxiden, Carbiden und Schmierstoffen enthält. Die Korngröße des Pulvers ist größer als 20 um.
Elektroden zum Schweißen können in Form eines Verbundstoffes aus einer Umhüllung und einem aus Pulver bestehenden Kern vorliegen. Die Erfordernisse für den Schweißvorgang sind etwas verschieden von denen für Lichtbogen-Spritzverfahren, indem der Schweißprozeß das Material schmilzt und unmittelbar auf das Werkstück fließen läßt. Daher schließen für diesen Zweck geeignete Elektroden im allgemeinen ein Fließmittel wie beispielsweise ein aktives Metallfluorid ein. Die US-A 3,627,979 gibt ein typisches Beispiel für den Stand der Technik bei Schweißelektroden an. Die Druckschrift offenbart eine Umhüllung aus einem Stahl, einer Nickellegierung oder einer Cobaltlegierung, die mit Teilchen einer größeren Feinheit als 800 um gefüllt ist. Der Kern kann hochtemperaturbestandige Carbide von Chrom, Wolfram, Titan und Vanadium einschließen.
Ein Stand der Technik wie der oben beschriebene, der carbidhaltige Verbundwerkstoffdrähte für Lichtbogen-Spritzverfahren, Verbrennungs-Flammspritzverfahren oder Schweißverfahren einschließt, ist in breiter Weise darauf gerichtet, Beschichtungen herzustellen, die das Carbid enthalten. Um dieses Ergebnis zu erzielen, geben die oben zitierten Druckschriften an, daß die Pulverteilchen des Kerns relativ grob sind, im allgemeinen wenigstens 20 um, wenn ein unterer Grenzwert angegeben ist. Solch ein unterer Grenzwert für die Korngröße des Pulvers ist im allgemeinen auch für beliebige Pulver des Kerns einschließlich für Metalle angegeben (beispielsweise in der EP-A 0 118 307).
Bestimmte Zubereitungen von Verbundmaterialien enthalten keine Carbidteilchen, ergeben jedoch trotzdem Beschichtungen, die recht hart und verschleißfest sind. Beispielsweise offenbart die US-A 3,991,240 ein Verbundstoffpulver mit einem Gußeisenkern, der mit Molybdän- und Borteilchen umhüllt ist. Ein derartiges Material ist für solche Anwendungen wie Beschichtungen von Kolbenringen verwendbar und stellt eine potentielle Verbesserung gegenüber der in der Industrie standardmäßig verwendeten Beschichtung aus thermisch aufgespritztem Molybdän dar. Es sind jedoch weitere Verbesserungen erwünscht, um die Lebensdauer von Maschinenteilen und dergleichen zu verlängern.
Selbstgehende Legierungspulver aus Nickel und Cobalt sind allgemein verbreitet für harte Deckschichtbeschichtungen. Sie enthalten Bor und Silicium, die als Fließmittel während des Beschichtungsvorgangs und als Härtungsmittel in der Beschichtung dienen. Üblicherweise werden selbstgehende Legierungen in zwei Schritten aufgebracht: Sie werden nämlich in üblicher Weise thermisch aufgespritzt und danach in situ mit einem Sauerstoff-Acetylen- Schweißbrenner, mit einem Induktor (induction coil), in einem Ofen oder degleichen aufgeschweißt. Die Fließmittel führen dazu, daß der Aufschweißschritt praktisch im Freien durchgeführt werden kann. Die Legierungen können jedoch auch thermisch mittels eines Verfahrens wie beispielsweise eines Plasmaspritzverfahrens aufgespritzt werden, ohne daß ein Aufschweißschrltt erforderlich ist. Die Beschichtungen sind jedoch nicht ganz so dicht oder verschleißfest. Im allgemeinen werden Beschichtungen aus selbstgehenden Legierungen zur Ausbildung harter Oberflächen verwendet, um Verschleißfestigkeit hervorzurufen, insbesondere dort, wo ein gutes Oberflächenfinish erforderlich ist, da das Aufschweißen zu einer Beschichtung führt, die eine sehr geringe Porosität aufweist. Typische Pulverzubereitungen für selbstgehende Legierungen sind in der US-A 2,868,639 und der US-A 2,936,229 offenbart.
Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Verbundstoffdraht bereitzustellen, der in einem Lichtbogen-Spritzverfahren verwendbar ist.
Eine andere Aufgabe ist, einen neuen Draht zur Herstellung thermisch aufgespritzter Beschichtungen bereitzustellen, die eine außergewöhnliche Härte und Verschleißfestigkeit aufweisen.
Eine weitere Aufgabe ist, einen neuen Draht zur Herstellung thermisch aufgespritzter Beschichtungen bereitzustellen, die legiertes Bor und Kohlenstoff enthalten.
Eine weitere Aufgabe ist ein verbessertes Lichtbogen-Spritzverfahren, das die Verwendung eines neuen Verbundstoffdrahtes einschließt.
Diese Aufgaben werden gelöst mit einem Verbundstoffdraht, wie er in den Ansprüchen 1, 4, 17 und 18 beansprucht wird.
Die genannten Aufgaben, und auch noch weitere Aufgaben, ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verbundstoffdraht bereitgestellt, der in Lichtbogen-Spritzverfahren verwendet werden kann und gebildet ist aus einer Legierungsumhüllung, die ein Metall umfaßt, das aus der aus Eisen, Nickel, Cobalt und deren Kombinationen bestehenden Gruppe gewählt ist, und aus einem Kern, der ein borhaltiges Pulver aus wenigstens einer Borsubstanz umfaßt, die aus der aus Bor und Borcarbid bestehenden Gruppe gewählt ist, wobei das borhaltige Pulver eine Teilchengröße von weniger als 20 um aufweist, so daß das Bor in einer Beschichtung gelöst ist, die durch Lichtbogenspritzen des Verbundstoffdrahtes hergestellt wird.
Wenn die Borsubstanz Bor einschließt, sollte der Kern außerdem feines Kohlenstoffpulver einer Teilchengröße von weniger als 20 um umfassen, das mit dem Borpulver gemischt ist. Vorzugsweise ist das Kohlenstoffpulver in einer Menge von etwa 5 bis 40 Gew.-% des Borpulvers zugegen.
Die Erfindung betrifft auch einen Verbundstoffdraht, der für Lichtbogen-Spritzverfahren verwendbar ist und gebildet ist aus einer Legierungsumhüllung, die ein Metall umfaßt, das aus der aus Eisen, Nickel und Cobalt bestehenden Gruppe gewählt ist, und einem Kern, der ein borhaltiges Pulver aus Borcarbid umfaßt, dessen Teilchengröße geringer ist als 20 um, so daß das Borcarbid in einer Beschichtung gelöst ist, die durch Lichtbogen-Sprttzen des Verbundstoffdrahtes hergestellt wird.
In einer in besonderer Weise wünschenswerten Ausführungsform ist die Umhüllung geblldet aus weichem, unlegiertem Stahl, und der Kern umfaßt zusätzlich ein Ferromolybdän- Legierungspulver. Dieses Ferromolybdän-Legierungspulver wird in besonders bevorzugter Weise zugesetzt, wenn der Kern Borcarbid umfaßt.
Der Verbundstoffdraht gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einer Umhüllung aus einer Legierung hergestellt, die wenigstens eines der Metalle Eisen, Nickel und Cobalt umfaßt. Der Kern des Verbundstoffdrahtes wird gebildet aus einem Pulver, das ein borhaltiges Pulver aus Bor und/oder Borcarbid einschließt, dessen Teilchengröße ausreichend fein ist, damit das Bor in einer Beschichtung gelöst ist, die durch Lichtbogenspritzen des Verbundstoffdrahtes hergestellt wird. Die Teilchengröße ist nämlich geringer als 20 um. In dem Fall, in dem das borhaltige Pulver nichtlegiertes Borpulver einschließt, ist es wünschenswert, feines Kohlenstoffpulver mit dem Bor zu mischen. Feines Borcarbid ist jedoch bevorzugt.
Der Kern kann auch Pulver anderer legierender Bestandteile enthalten, die für die durch thermisches Spritzen des Drahts hergestellte Beschichtung erwünscht sind.
Der Draht ist insbesondere verwendbar für thermisches Spritzen mit dem mit zwei Drähten durchgeführten Lichtbogen-Spritzverfahren. Die hergestellten Beschichtungen sind hart und verschleißfest aufgrund des Lösens des Bors und Kohlenstoffs oder des Borcarbids, die in der Beschichtung gut dispergiert und einheitlich legiert sind.
Der Draht wird hergestellt durch jedes beliebige bekannte oder erwünschte Verfahren. Beispiele sind das Füllen eines Rohrs des Umhüllungsmetalls mit den Pulvern für den Kern und Verstrecken auf eine für das thermische Spritzen geeignete Größe. Wünschenswerterweise ist die Umhüllung aus einem Metallstreifen in der Weise geformt, wie es bei der Herstellung von Schweißelektroden üblich ist und wie es beispielsweise in der US-A 4,396,820 beschrieben ist. Gemäß diesem Verfahren wird das Pulver in eine Vertiefung des Streifens gefüllt, wenn dieser durch Rollen zu einem Rohr geformt wird. Das gefüllte Rohr wird dann in abwechselnden Schritten weiter gerollt oder gereckt und getempert, bis die endgültige Größe erhalten wird.
Es ist im allgemeinen höchst praktisch, wenn das Metall der Umhüllung weich genug ist, daß es in einfacher Weise in Standardwalz- und -reckverfahren geformt werden kann. So sollte das Metall der Umhüllung relativ rein oder wenigstens arm an Legierungselementen sein. Beispielsweise ist weicher, unlegierter Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt wie in AISI 1008 zufriedenstellend.
Die Gesamtzusammensetzung der Drahthülle und des Drahtkerns ist so, daß sie eine Legierungsbeschichtung der gewünschten Zusammensetzung bildet. Beispiele können eine Umhüllung aus weichem, unlegiertem Stahl und ein Kern aus Eisen-, Molybdän- und Borcarbidpulver zur Bildung einer Eisen-Molybdäh-Legierung oder eine Umhüllung aus Nickel oder Cobalt und ein Kern aus Nickel- (und/oder Cobalt-), Chrom-, Silicium- und Borcarbidpulver zur Bildung selbstgängiger Legierungen sein.
Obwohl die Legierungsbestandteile des Kerns als elementare Metalle wie beispielsweise Eisenpulver und Molybdänpulver zugegen sein können, wurde gefunden, daß es wünschenswert ist, die Bestandteile im Pulver des Kerns in Form einer Legierung zu kombinieren. Beispielsweise können Eisen und Molybdän im Kern als Ferromolybdän-Legierungspulver zugegen sein. Solch eine Legierung kann Molybdän im Mengenbereich von 50 bis 95 Gew.- %, beispielsweise etwa 62 Gew.-%, enthalten. In gleicher Weise können Nickel und Chrom als Nickel-Chrom-Legierung zugegen sein, wobei der Chromgehalt 1 bis 30 %, typischerweise 20 %, beträgt. Wenn die Bestandteile in Legierungsform vorliegen, führt dies zu einer einheiflicheren Legierung in der am Ende vorliegenden thermisch aufgespritzten Beschichtung. Außerdem ist häufig die Legierung die wirtschaftlichste Form der Bestandteile. Weitere elementare Metalle können zugesetzt werden, um die gewünschte Zusammensetzung für die Beschichtung zu erhalten.
Die Teilchengröße des Pulvers im Kern, mit Ausnahme des borhaltigen Pulvers und des Kohlenstoffs, sollte im Bereich zwischen etwa unter 40 und über 325 mesh (unter 420 und über 44 um) und vorzugsweise zwischen unter 80 und über 200 mesh (unter 177 und über 74 um) liegen. Die mesh-Angaben der Größe beziehen sich auf US-Standard-mesh. Ein Draht mit einer Pulverfüllung einer Teilchengröße von größer als 40 mesh kann nicht ordentlich gereckt werden. Pulver mit Teilchengrößen, die feiner als 325 mesh sind, fließen nicht ausreichend gut, um eine einheitliche Füllung zu ergeben. Auch besteht bei einem derart feinen Pulver die Neigung dazu, daß es weggeblasen wird, ohne daß es während des Spritzvorgangs einlegiert oder in die Beschichtung eingebaut wird. Überraschenderweise tritt dieses Problem bei dem feinen borhaltigen Pulver und Kohlenstoff nicht auf, wenn diese in das andere, relativ grobe Kernpulver eingemischt werden.
Die Teilchengröße des Borpulvers oder Borcarbidpulvers sollte geringer sein als 20 um. Vorzugsweise sollte sie zwischen etwa 1 und etwa 15 um, beispielsweise im Mittel bei 7 um, liegen. Der Kohlenstoff sollte in gleicher Weise sehr fein sein; seine Teilchengröße sollte geringer als 20 um sein. Er kann in Form von graphitischem Kohlenstoff mit einer Teilchengröße geringer als 5 um vorliegen. Die Menge an Kohlenstoff steht in einem Verhältnis zur Menge an elementarem Bor und sollte etwa 5 bis 40 %, vorzugsweise etwa 20 bis 28 %, sein, bezogen auf das Bor.
Um Bor und Kohlenstoff in den Draht einzubringen, werden diese Elemente gemäß der Erfindung bevorzugt in den Kern in Form von Borcarbidpulver eingebracht, das eine Teilchengröße unter 20 um hat, damit sie in den anderen metallischen Bestandteilen des Kerns und der Umhüllung während des Lichtbogen-Spritzverfahrens gelöst oder mit diesen legiert werden. Die resultierende Beschichtung ist also praktisch frei von bestimmbaren Borcarbidkörnchen, wenigstens dann, wenn eine Beschichtung im metallurgischen Querschnitt mittels optischer Standardmikroskopie angeschaut wird.
Die Borcarbidverbindung ist typischerweise die Verbindung mit der Zusammensetzung B&sub4;C. Der Borgehalt kann jedoch im allgemeinen im Bereich von etwa 70 und 78 Gew.-% liegen. Es wurde gefunden, daß das feinteilige Borcarbidpulver besonders wirksam in der Hinsicht ist, daß es das gewünschte Legieren von Bor und Kohlenstoff mit den anderen metallischen Bestandteilen der aufgespritzten Beschichtung erlaubt.
Das feinteilige borhaltige Pulver sollte einheitlich mit den anderen Bestandteilen des Pulvers für den Kern vermischt werden, bevor die Kombination während des Formens des Drahts in das Rohr eingebracht wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wurde gefunden, daß überlegene Ergebnisse erhalten wurden, wenn das Borcarbid oder die Mischung aus Bor und Kohlenstoff auf das andere, grobere Pulver des Kerns aufgebracht wird, beispielsweise auf die Ferromolybdänteilchen. Das Aufbringen kann mittels eines Bindemittels erfolgen, vorzugsweise eines organischen Bindemittels, das während des Aufspritzvorgangs abbrennen kann. Ein Beispiel hierfür ist in der oben erwähnten US-A 3,991,240 beschrieben. Das Bindemittel ist vorzugsweise in einer Menge von etwa 1 bis 3 Gew.-% der Gesamtmenge des mit der aufgebrachten Mischung beschichteten Pulvers zugegen.
Das Material des Bindemittels zum Aufbringen kann jedes beliebige bekannte oder herkömmliche Bindemittelmaterial sein, das zur Ausbildung einer Beschichtung oder zum Binden von Teilchen untereinander oder auf eine Oberfläche verwendet werden kann. Das Bindemittel ist vorzugsweise organisch und kann ein Lack sein, der ein Harz als Lackfeststoff enthält. Es kann auch alternativ ein Harz enthalten, bei dem es bei der Ausbildung eines abgebundenen oder gehärteten Films nicht auf eine Verdampfung des Lösungsmittels ankommt. Das Bindemittel kann also ein katalysiertes Harz als Lackfeststoff enthalten. Beispiele von Bindemitteln, die verwendet werden können, schließen die herkömmlichen phenolischen, Epoxy- oder Alkydlacke, trocknende Öle wie beispielsweise Tungöl und Leinsamenöl enthaltende Lacke, Kautschuk- und Latexbindemittel und dergleichen ein. Bei den Bindemitteln kann es sich alternativ um solche des wasserlöslichen Typs handeln. Beispiele hierfür sind Bindemittel des Polyvinylpyrrolidon-Typs oder Polyvinylalkohols-Typs. Zusätzlich zu organischen Bindemitteln können anorganische Bindemittel verwendet werden. Beispiele hierfür sind Natriumsilicat, Borsäure, Borax, Magnesium- (oder andere lösliche) carbonate, -nitrate, -oxalate oder -oxichloride oder Oxide enthaltende kolloidale Suspensionen.
Die Beschichtung des Kernmaterials mit dem Bindemittel, das die Teilchen enthält, kann in jeder beliebigen bekannten oder gewünschten Weise herbeigeführt werden. Es ist einfach erforderlich, die pulverförmigen Bestandteile zusammenzumischen, während man das Bindemittel aushärten und trocknen läßt. Dies führt zu einem recht gut freifließenden Pulver, das aus dem Kern besteht, der mit dem Überzug aus Borcarbid oder der Mischung aus Bor und Kohlenstoff beschichtet ist.
Die Drähte sollten übliche Größen und Genauigkeitstoleranzen für Drähte für thermische Spritzverfahren haben. Die Größe kann also beispielsweise im Bereich zwischen 6,4 mm und 0,8 mm schwanken. Für Lichtbogen-Spritzverfahren ist die Größe des Drahts vorzugsweise zwischen 2,4 mm und 1,6 mm (11 bis 14 gauge).
Der Anteil des Kerns sollte im allgemeinen im Bereich von etwa 10 bis 50 Gew.-% des Drahts liegen. Der Kern sollte mit einer Dichte von wenigstens 60 % der vollen theoretischen Dichte gepackt sein oder vorzugsweise von ausreichender Dichte sein, um lockeres Pulver im Kern zu vermeiden. Ein bevorzugter Drahttyp hat eine Umhüllung aus weichem, unlegiertem Stähl, die mit Ferromolybdänpulver einer Teilchengröße von unter 80 bis über 200 mesh (unter 177 bis über 74 um) und mit Borcarbidpulver (B&sub4;C) mit einer mittleren Teilchengröße von 7 um gefüllt ist. Der Molybdängehalt sollte 5 bis 50 Gew.-% des Drahts sein, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-%. Der Borcarbidgehalt sollte 1 bis 10 % sein, vorzugsweise 2 bis 4 %.
Ein weiterer wünschenswerter Draht des selbstfließenden Typs umfaßt eine Nickelumhüllung, die mit Nickel-Chrom-Pulver einer Teilchengröße von unter 80 bis über 200 mesh (unter 177 bis über 74 um) und mit Borcarbidpulver B&sub4;C mit einer mittleren Teilchengröße von 7 um gefüllt ist. Der Chromgehalt sollte 5 bis 50 Gew.-% des Drahts betragen, vorzugsweise 10 bis 30 Gew.-% des Drahts. Der Borcarbidgehalt sollte 1 bis 10 % sein, vorzugsweise 2 bis 4 %. Siliciumpulver einer Teilchengröße von unter 270 bis über 5 mesh (unter 53 bis über 5 um) ist ebenfalls in einer Menge von etwa 0,5 bis 5,0 % zugegen. Cobalt kann anstelle der Gesamtmenge des Nickels oder eines Teils davon im Kern und/oder in der Umhüllung eingesetzt werden.
Die Drähte des selbstfließenden Typs werden in herkömmlicher Weise gespritzt, vorzugsweise mit einer Zweidrahtlichtbogen-Spritzpistole für das thermische Spritzen. Die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Beschichtungen haben eine hohe Dichte, eine hohe Härte und eine niedrige Reibung und zeigen eine exzellente Kombination der Verschleißfestigkeit bei Abrieb und Reibung. Die Beschichtungen können gegebenenfalls danach hitzebehandelt und schmelzbehandelt werden. Die Beschichtungen gemäß der vorliegenden Erfindung sind ausgezeichnet geeignet als Lager- und Verschleißschichten auf Maschinenteilen, insbesondere dort, wo korrosive Bedingungen herrschen. Beispiele hierfür sind Beschichtungen für petrochemische Produktionsanlagen wie beispielsweise Pumpenkolben, Pumpenstangen-Kupplungen, Laufbuchsen, Schlammpumpen-Buchsen und Kompressorstangen, Umfänge von Kolbenringen für Kraftfahrzeug- und Dieselmotoren und Zylinderwandungen, die Innenflächen von Rauchgasnaßreinigern in der Stromerzeugungs- und verfahrenstechnischen Industrie, Anlagen zur Verarbeitung von Pulpe und Papier wie beispielsweise Zellstoffkocher, Entrindungsmaschinen und Wiedergewinnungskocher, Glasverarbeitungsanlagen wie beispielsweise Gußformen, Modellplatten, Druckkolben und Grundringe, Wasserkesselwandungen, Schrägrohre, Kontrollventile und Pumpenkomponenten für Anlagen zur Stromerzeugung, Gasturbinenanlagen-Komponenten wie beispielsweise Düsenteile und Turbinenschaufelteile, Führungsbahnen für Maschinen, Druckwalzen, Vorrichtungen für das Elektroplattieren, Trochoiden, Dichtungen und Endplatten für Turbomaschinen, Kurbelwellen für Motoren, Lagerzapfen für Walzen, Lagerbuchsen, Laufradwellen, Getriebezapfen, Kraftstoffpumpenrotoren, Schneckenförderer, Draht- oder Fadenwinden, Schaltgabeln, Rakel, landwirtschaftliche Werkzeuge, Antriebswellen für Motoren, Drehbank- und Schleifmaschinenspitzen und Nockenstößel.

Beispiel 1

Ein mit Pulver gefüllter Draht wurde unter Verwendung eines 0,28 mm dicken und 12,4 mm breiten Stahlstreifens (AISI 1008) hergestellt. Dieser wurde mit Pulver gefüllt, zu einem röhrchenförmigen Draht gewalzt und in der Weise gereckt, wie dies in der US-A 4,396,820 beschrieben ist. Der Kern bestand aus einem Ferromolybdän-Legierungspulver aus Eisen und 62 % Molybdän und zusätzlich Borcarbidpulver (B&sub4;C). Die Teilchengröße des Ferromolybdänpulvers lag zwischen unter 420 und über 74 um, und die Teilchengröße des Borcarbidpulvers lag im Mittel bei 7 um.
Die Pulver wurden zuerst hergestellt, indem man das Borcarbid in der nachfolgend beschriebenen Weise auf das Ferromolybdän aufplattierte:
Es wurde eine Polyvinylpyrrolidon-(PVP-)Bindemittellösung hergestellt, die 250 g PVP pro 750 ml Wasser enthielt. Angenähert 400 ml dieser Lösung wurden 4000 g des Ferromolybdän-Legierungspulvers für den Kern zugesetzt, und die Mischung wurde gut vermischt. Dieser Mischung wurden etwa 250 g des Borcarbidpulvers langsam zugesetzt, und die Mischung wurde sorgfältig mit weiterem Wasser vermischt. Der Mischvorgang wurde fortgesetzt, bis das Bindemittel getrocknet war. Es blieb ein völlig freifließendes Pulver zurück, in dem alle Legierungsteilchen des Kern mit einem trockenen Film beschichtet waren, der die Borcarbidteilchen enthielt. Das Pulver wurde auf etwa 120 ºC erwärmt, um eine vollständige Trocknung sicherzustellen. Das so gebildete Pulver umfaßte Teilchen eines Kerns aus einer Ferromolybdänlegierung mit feinen Borcarbidteilchen, die auf dem Kern mittels des Bindemittels befestigt waren.
Der fertige Draht enthielt 27,5 Gew.-% Molybdän und 3,00 Gew.-% Borcarbid. Dies entspricht 2,35 % Bor und 0,75 % Kohlenstoff. Die Drahtdicke betrug 2,4 mm.
Der Draht wurde mit einer Lichtbogenpistole des allgemeinen Typs, wie er in der US-A 3,632,952 beschrieben ist, und unter den folgenden Parametern hitzegespritzt:
Drahtzufuhrgeschwindigkeit: 5 kg/h;
Strom: 200 A;
Luftdruck: 4 bar (zum Atomisieren) und 2,7 bar (als Luft-Abdeckung (air cap)); und
Spritzentfernung: 15 cm.
Ausgezeichnete Beschichtungen wurden auf einem Substrat aus weichem, unlegiertem Stähl hergestellt, das in üblicher Weise durch Sandstrahlen hergestellt worden war.
Bei Uberprüfung des Querschnitts der Beschichtung war offensichtlich, daß die Beschichtungen, die Bor und Kohlenstoffzusätze enthalten, geringere Mengen an Oxiden aufweisen im Vergleich zu Eisen-Molybdän-Beschichtungen, die diese Zusätze nicht aufweisen. Obwohl der Mechanismus nicht vollständig verstanden wird, wird angenommen, daß der Zusatz von Kohlenstoff und Bor (B&sub4;C) zu einer sehr "reinen" Beschichtung mit niedrigen Oxidgehalt führt. Aus einer metallurgischen Querschnittsanalyse sowie einer Untersuchung der Mikrohärte und des Abriebs ergibt sich, daß Bor und Kohlenstoff in den Zwischenräumen über die gesamte Beschichtungsmatrix dispergiert sind.

Beispiel 2

Weitere Drähte verschiedener Mengenverhältnisse der Komponenten wurden in gleicher Weise hergestellt und mit der Lichtbogenpistole hitzegespritzt. Diese Drähte hatten die in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen; Tabelle 1 schließt Beispiel 1 zu Vergleichszwecken ein. Alle diese Drähte hatten eine Hülle aus weichem, unlegiertem Stahl und einen Kern aus borhaltigen und Ferromolybdänpulvern, wie in Beispiel 1 beschrieben. Tabelle 1 Draht Nr. Pulverform Rest Aufplattiert

Anmerkungen:

(1) Zugabe als B&sub4;C
(2) Beispiel 1
(3) Mittlere Teilchengröße 7 um (B&sub4;C)
(4) Einschließlich Hülle

Beispiel 3

Ein weiterer Satz von Drähten, die nicht im Rahmen der vorliegenden Erfindung liegen, wurde mit den in Tabelle 2 gezeigten Zubereitungen hergestellt. Alle diese Drähte hatten eine Hülle aus weichem, unlegiertem Stahl sowie Ferromolybdänpulver im Kern, wie dies in Beispiel 1 beschrieben ist. Die anderen Bestandteile des Kern schlossen jedoch anstelle von Borcarbid elementaren Kohlenstoff, Titancarbid (TiC) und Eisenoxid (Fe&sub3;O&sub4;) und Siliciumcarbid (SiC) ein. Tabelle 2 Draht Nr. Rest

Anmerkungen:

(1) Zugabe als TiC mit einer Teilchengröße von kleiner 44 um
(2) Einschließlich Hülle
(3) Zugabe als SiC mit einer Teilchengröße von kleiner 60 um
(4) Zugabe als Fe&sub3;O&sub4; mit einer Teilchengröße von kleiner 20 um
Die Abriebbestandigkeit für bestimmte oben genannte Beispiele wurde in der Weise gemessen, daß man beschichtete Proben in Gleitbewegung gegen eine Gußeisenplatte mit einer Aufschlämmung von 150 g Aluminiumoxid-Schleifpulver (Teilchengröße zwischen 53 und 15 um) in 500 ml Wasser brachte. Ein Gewicht von 3,3 kg/cm wurde aufgebracht, und die Oberflächenbewegung betrug 122 cm/s für die Zeitdauer von 20 Minuten.
Abriebbeständigkeitsdaten wurden als Verhältnis des Dickeverlustes der Beschichtung zum Dickeverlust eines Molybdändrahtes angegeben, der in standardisierter Weise mit einer Verbrennungspistole aufgespritzt worden war. Solche Molybdänbeschichtungen werden in weitem Umfang auf Kolbenkompressionsringen für Kraftfahrzeuge verwendet.
Die Gleitverschleißbestandigkeit der Legierung des Beispiels wurde mit einer Alpha-LFW-1- Reibungs- und Verschleißtestmaschine bestimmt, die von der Firma Fayville-Levalle Corp., Downers Grove, Illinois, vertrieben wird. Es wurde ein Testring mit einem Durchmesser von 3,5 cm verwendet; die Belastung betrug 45 kg bei 197 Upm über 12000 Umdrehungen. Die Oberfläche des Rings bestand aus Gußeisen.
Vergleichsergebnisse für Beschichtungen der oben genannten Beispiele sind in Tabelle 3 angegeben. Eingeschlossen sind auch Ergebnisse für das Verbundstoffpulver, das im Kern Gußeisenpulver umfaßt, das mit Molybdän- und Borpulver plattiert ist und das plasmagespritzt wurde, wie es in Beispiel 1 der US-A 3,991,240 beschrieben ist. Tabelle 3 Gleitverschleißbeständigkeit Beschichtung Nr. Dicke (mm) Härte (Rc) Abriebbeständigkeit Reibungskoeffizient Beschichtungsverlust (mg) Verlust Gußeisenring (mg)

Anmerkung:

(1) Verbundstoffpulver gemäß US-A 3,991,240, Beispiel 1
Im allgemeinen zeigten die Drähte gemäß der vorliegenden Erfindung bei Vergleich mit dem Eisen-Molybdän-Verbundstoff (Beschichtung 15) und Molybdändrähtbeschichtungen eine ausgezeichnete Kombination von Eigenschaften wie beispielsweise Härte, Dickenbegrenzung und Verschleißbeständigkeit. Die TiC, SiC, Fe&sub3;O&sub4; und elementaren Kohlenstoff enthaltenden Beschichtungen ohne Bor (Beschichtungen 9 bis 14) wurden als nicht annehmbar bewertet. Dies beruht auf der niedrigen Härte und/oder einer schlechten metallurgischen Mikrostruktur.

Beispiel 4

Unter Einsatz derselben Verfahrensweisen, wie sie in Beispiel 1 beschrieben sind, wurde ein mit Pulver gefüllter Draht hergestellt. Man verwendete dazu einen AISI 1008-Stahlstreifen mit einer Dicke von 0,28 mm und einer Breite von 12,4 mm. Der Kern bestand aus einem Ferromolybdän-Legierungspulver aus Eisen und 62 Gew.-% Molybdän. Diesem war 4,5 Gew.-% Bor und 1,5 Gew.-% graphitischer Kohlenstoff zugesetzt. Die Teilchengröße der Ferromolybdän-, Bor- und Graphitpulver lagen oberhalb von 74 bis unterhalb von 420 um, unterhalb von 20 um bzw. unterhalb von 20 um.
Die Pulverfüllung wurde in der gleichen Weise hergestellt wie in Beispiel 1, mit der Ausnahme, daß 140 g und 410 g Bor 4000 g des Ferromolybdän-Legierungspulvers für den Kern zugesetzt und gut eingemischt wurden.
Die Zusammensetzung des letzten Endes erhaltenen Drahtes betrug nominell 27,5 Gew.-% Molybdän, 2,25 Gew.-% Bor und 0,25 Gew.-% Kohlenstoff. Ein Aufspritzen dieses Drahtes in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise führte zu Eigenschaften der Beschichtungen, die vergleichbar mit denen waren, über die in Beispiel 1 berichtet wurde.

Beispiel 5

Ein weiterer Draht des selbstgehenden Typs wurde in ähnlicher Weise hergestellt und mit der Lichtbogenpistole thermisch aufgespritzt. Es wurde eine Nickelhülle verwendet. Das Pulver des Kerns bestand aus einer Pulvermischung aus 35 % Chrom, 6,5 % Molybdän, 8 % Silicium und 8 % Borcarbid. Alle Angaben zur Umhüllung, zu den Teilchengrößen der Pulver, zum Herstellungsverfahren und zu den Spritzparametern sind so, wie sie in Beispiel 1 beschrieben sind. Es wurde eine ausgezeichnete, gut gebundene Beschichtung erhalten.

Claims

1. Für ein Lichtbogen-Spritzverfahren geeigneter Verbundstoffdraht, der aus einer Legierungsumhüllung, die ein aus der aus Eisen, Nickel, Cobalt und deren Kombinationen bestehenden Gruppe gewähltes Metall umfaßt, und aus einem Kern gebildet ist, der ein borhaltiges Pulver aus wenigstens einer Borsubstanz umfaßt, die aus der aus Bor und Borcarbid bestehenden Gruppe gewählt ist, wobei das borhaltige Pulver eine Teilchengröße von weniger als 20 um aufweist, so däß das Bor in einer Beschichtung, die durch ein Lichtbogen-Spritzverfahren mit dem Verbundstoffdraht hergestellt ist, gelöst ist.

2. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin die Borsubstanz Borpulver einschließt und der Kern außerdem ein Kohlenstoffpulver umfaßt, dessen Teilchengröße geringer ist als 20 um und das mit dem Borpulver vermischt ist.

3. Verbundstoffdraht nach Anspruch 2, worin das Kohlenstoffpulver in einer Menge von etwa 5 bis 40 Gew.-%, bezogen auf das Borpulver, zugegen ist.

4. Für ein Lichtbogen-Spritzverfahren geeigneter Verbundstoffdraht, der aus einer Legierungsumhüllung, die ein aus der aus Eisen, Nickel und Cobalt bestehenden Gruppe gewähltes Metall umfaßt, und aus einem Kern gebildet ist, der ein borhaltiges Pulver aus Borcarbid, dessen Teilchengröße geringer ist als 20 um, umfaßt, so daß das Borcarbid in einer Beschichtung, die durch ein Lichtbogen-Spritzverfahren mit dem Verbundstoffdraht hergestellt ist, gelöst ist.

5. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin das borhaltige Pulver eine Teilchengröße zwischen etwa 15 um und etwa 1 um hat.

6. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin der Durchmesser des Drahts zwischen etwa 0,8 mm und etwa 6,4 mm liegt.

7. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin der Kern außerdem eines oder mehrere Kernelemente umfaßt, die aus der aus dem Umhüllungsmetall, Chrom und Molybdän bestehenden Gruppe gewählt ist.

8. Verbundstoffdraht nach Anspruch 7, worin der Kern etwa 10 bis 50 Gew.-% des Drahts umfaßt.

9. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin die Umhüllung aus weichem, unlegiertem Stanl gebildet ist und der Kern zusätzlich Ferromolybdän-Legierungspulver umfaßt.

10. Verbundstoffdraht nach Anspruch 9, worin das Bor in dem borhaltigen Pulver in einer Menge von etwa 1 bis 10 % zugegen ist, und worin das Molybdän in dem Ferromolybdän in einer Menge von zwischen etwa 5 und etwa 50 % zugegen ist, wobei die Prozentangaben auf das Gewicht des Drähtes bezogen sind.

11. Verbundstoffdraht nach Anspruch 7, worin die Kernelemente in dem Pulver des Kerns mit einer Größe zwischen 420 um und 44 um enthalten sind.

12. Verbundstoffdraht nach Anspruch 11, worin der Draht außerdem ein organisches Bindemittel umfaßt und aus einem Verbundstoffpulver hergestellt wird, das das Pulver des Kerns umfaßt, das mit dem borhaltigen Pulver plattiert ist, welches in dem organischen Bindemittel enthalten ist.

13. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin die Umhüllung Nickel umfaßt und der Kern zusätzlich Chrom umfaßt.

14. Verbundstoffdraht nach Anspruch 1, worin die Umhüllung aus Nickel gebildet ist und der Kern zusätzlich ein Nickel-Chrom-Legierungspulver umfaßt.

15. Verbundstoffdräht nach Anspruch 14, worin der Kern außerdem Silicium umfaßt.

16. Verbundstoffdraht nach Anspruch 15, worin das Bor in dem borhaltigen Pulver in einer Menge von etwa 0,75 bis 7,5% zugegen ist, und worin das Chrom in einer Menge von etwa 5 bis 50 % zugegen ist, und worin das Silicium in einer Menge von etwa 0,5 bis 5,0 % zugegen ist, bezogen auf das Gewicht des Drahtes.

17. Für ein Lichtbogen-Spritzverfahren geeigneter Verbundstoffdraht, der aus einer Umhüllung aus weichem, nicht legiertem Stahl und einem Kern gebildet ist, wobei der Kern Borcarbidpulver mit einer Teilchengröße zwischen etwa 15 um und 1 um und Ferromolybdänpulver mit einer Teilchengröße zwischen etwa 420 um und etwa 44 um umfaßt, wobei das Bor in dem Borcarbid in einer Menge von etwa 1 bis 10 % zugegen ist und das Molybdän in dem Ferromolybdän in einer Menge von etwa 5 bis 50 % zugegen ist, wobei die Prozentangaben auf den Draht bezogene Gewichtsangaben sind.

18. Für ein Lichtbogen-Spritzverfähren geeigneter Verbundstoffdraht, der aus einer Umhüllung aus Nickel und einem Kern gebildet ist, wobei der Kern Borcarbidpulver mit einer Teilchengröße zwischen etwa 15 um und 1 um, ein Nickel-Chrom-Legierungspulver mit einer Teilchengröße zwischen etwa 420 um und etwa 44 um und Siliciumpulver mit einer Teilchengröße zwischen etwa 10 um und etwa 1 um umfaßt, wobei das Bor in dem Borcarbid in einer Menge von etwa 0,75 bis 7,5 % zugegen ist, das Chrom in dem Legierungspulver in einer Menge von etwa 5 bis 50 % zugegen ist und das Silicium in einer Menge von etwa 0,5 bis 5 % zugegen ist, wobei die Prozentangaben auf das Gewicht des Drahtes bezogene Angaben sind.