DE3801958A1 - Verfahren zur herstellung von hartstoffschichten auf metallischen unterlagen - Google Patents
Verfahren zur herstellung von hartstoffschichten auf metallischen unterlagenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von
Hartstoffschichten auf metallischen Unterlagen durch
Aufbringen von flexiblen Formkörpern aus Kunststoffen,
die Hartstoffe und Lotpulver enthalten, und Erhitzen
unter Vakuum oder Schutzgas auf die Arbeitstemperaturen
der verwendeten Lote.
Verschleißschutzschichten auf metallischen Gegenständen
finden in vielen Bereichen der Technik Anwendung. Dazu
werden beispielsweise keramische oder intermetallische
Hartstoffe, wie Oxide, Carbide, Boride, Nitride und/oder
Silicide, auf die metallischen Grundkörper aufgetragen.
Der Auftrag erfolgt mittels bekannter Verfahren, wie
Flammspritzen, Auftragschweißen oder Löten.
Aus der US-PS 38 76 447 ist ein Verfahren zur Herstellung
von Hartstoffschichten auf metallischen Unterlagen
bekannt, indem aus Polytetrafluoräthylenpulver und
Hartstoffpulver bzw. aus Polytetrafluoräthylenpulver
und Lotpulver flexible Formteile erzeugt werden, diese
übereinander auf die metallische Unterlage aufgebracht
und auf höhere Temperaturen, je nach der Arbeitstemperatur
der verwendeten Lote, erhitzt werden, wobei der Kunststoff
sich thermisch zersetzt und das geschmolzene Lot die
Bindung zwischen den Hartstoffteilchen und der metallischen
Unterlage bewirkt. Dieses Verfahren hat aber den
Nachteil, daß beim Erhitzen stark saure Zersetzungspro
dukte entstehen, die unter anderem den Schutzgasofen
korrosiv angreifen und daß die thermische Zersetzung des
Polytetrafluoräthylens nur relativ langsam abläuft.
In der DE-PS 21 15 358 wird ein gattungsgemäßes
Verfahren beschrieben, bei dem zwei Kunststoff-Form
körper auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebracht
wird, wobei der eine Formkörper nur den Hartstoff und
der andere Formkörper nur das Lotpulver enthält. Als
Kunststoff wird auch hier bevorzugt Polytetrafluoräthy
len eingesetzt, neben Polyacrylat oder Polymethacrylat.
Die beiden Formkörper können dann miteinander verklebt
werden. Auch hier entstehen korrosive Zersetzungsprodukte
beim Löten bzw. es erfolgt keine rückstandsfreie
Zersetzung des Kunststoffanteils.
Es war daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten auf
metallischen Unterlagen zu entwickeln, durch
Aufbringung von flexiblen Formkörpern aus Kunststoffen,
die Hartstoffe und Lotpulver enthalten, und Erhitzen
unter Vakuum oder Schutzgas auf die Arbeitstemperaturen
der verwendeten Lote, bei dem keine korrosiven
Zersetzungsprodukte entstehen und bei dem die thermische
Zersetzung der Kunststoffe möglichst rasch und
vollständig erfolgt. Außerdem sollten die Kunststoffe
ein großes Aufnahmevermögen für das Hartstoff- bzw.
Lotpulver besitzen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
als Kunststoff Ethylen-Vinylacetat-Copolymere,
Ethylen-Propylen-Copolymere und/oder Butylkautschuk
verwendet werden, und daß die Formkörper neben 5 bis
40 Vol.-% Kunststoff 5 bis 40 Vol.-% Poren, Rest Hartstoffe
bzw. Lotpulver enthalten. Der Hartstoff- bzw. Lotanteil
beträgt normalerweise 35 bis 75 Vol.-%.
Vorzugsweise enthalten die Formkörper 40 bis 70 Vol.-%
Hartstoffe oder Lote, 10 bis 25 Vol.-% Kunststoff und
15 bis 35 Vol.-% Poren.
5 bis 40 Vol.-% Kunststoffanteil entsprechen etwa 0,5
bis 10 Gew.-%.
Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, auf die
metallische Unterlage ein Formteil aufzubringen, das
durch Zusammenpressen oder Zusammenwalzen je eines
Formkörper aus Lotpulver/Kunststoff und Hartstoff/
Kunststoff gefertigt ist.
Der Porenanteil ist für das erfindungsgemäße Verfahren
sehr wichtig, da er die schnelle und rückstandsfreie
Zersetzung des Kunststoffs fördert. Die Poren müssen
möglichst gleichmäßig über den Formkörper verteilt und
möglichst nach außen offen sein. Außerdem sollte ihr
Durchmesser zwischen 1 und 200 µm liegen.
Die keramischen oder intermetallischen Hartstoffpartikel
werden in ein Matrix aus Ethylen-Propylen-Kautschuk,
Butylkautschuk oder Ethylen-Vinylacetat eingelagert.
Die Einlagerung der Hartstoff- bzw. der Lotpulverpartikel
in den Kunststoff ist auf verschiedene Arten möglich.
Eine Möglichkeit besteht darin, den Kunststoff mittels
Lösungsmittel zu erweichen und zähflüssig zu machen,
um dann in einer Knetmaschine durch Zugabe von Hartstoff-
bzw. Lotpulverteilchen eine hartstoff- bzw. lotpulver
haltige Kunststoffmasse zu erzeugen. Diese verschieden
artigen Massen werden zwischen zwei Walzkörpern flach
gewalzt. Nach vollständigem Abdampfen des Lösungsmittels
werden beide Walzmassen übereinandergelegt und zwischen
den Walzkörpern miteinander verwalzt. Es entsteht ein
flexibler Formkörper dessen eine Seite aus Kunststoff
besteht, der Hartstoffpulverteilchen enthält und dessen
zweite Seite aus Kunststoff besteht, der Lotpulverteilchen
enthält.
Die weitere Möglichkeit flexible Formkörper herzustellen
ist, den Kunststoff und das Hartstoffpulver oder den
Kunststoff und das Lotpulver unter Ausnutzung der
thermoplastischen Eigenschaften des Kunststoffes in
einer beheizten Knetmaschine ohne Zugabe von Lösungs
mitteln zu erwärmen und dabei das Hartstoff- bzw. das
Lotpulver in den Kunststoff einzubringen.
Beide Massen werden zwischen zwei Walzkörpern flach
gewalzt. Anschließend werden beide Walzmassen überein
ander gelegt und zwischen den Walzkörpern miteinander
verwalzt. Es entsteht ein flexibler Formkörper dessen
eine Seite aus Kunststoff besteht, der Hartstoff
pulverteilchen enthält und dessen zweite Seite aus
Kunststoff besteht, der Lotpulverteilchen enthält.
Der Vorteil dieses Verfahrens ist es, einen für die
Handhabung einfachen flexiblen Formkörper zu erhalten,
der Hartstoff- und Lotpulverteilchen gleichermaßen
enthält. Die verwendeten Kunststoffe besitzen die
Eigenschaft, sich miteinander kalt verschweißen zu
lassen. Damit ist es möglich, einen flexiblen Formkörper
zu erzeugen, der ohne Verwendung eines Klebstoffes in
Schichten Hartstoffe und Lotpulver enthält. Die auf
diese Weise hergestellten Formteile haben Dicken von
0,5 bis 3 mm. Je nach Anwendungsfall können somit
Verschleißschutzschichten verschiedener Dicke bereitge
stellt werden.
Vorzugsweise wird auf die Unterlage die Formteilseite
aufgelegt, die das Hartstoffpulver enthält.
Der Vorteil eines solchen flexiblen Formkörpers besteht
darin, daß dessen Fixierung zur Herstellung einer
verschleißfesten Schicht auf einer metallischen Unterlage
weniger Schwierigkeiten verursacht und damit wirtschaft
licher ist als die Fixierung von zwei flexiblen Form
körpern auf einer metallischen Unterlage, von denen einer
den Hartstoff und der andere das Lot enthält.
Die verwendeten thermoplastischen Kunststoffe Ethylen-
Propylen-Kautschuk, Butylkautschuk oder Ethylen-
Vinylacetat zeichnen sich dadurch aus, daß sie sich
bis zum Erreichen der Löttemperatur rückstandsfrei
zersetzen. Ein besonders günstiges Verhalten wird dabei
unter Wasserstoff erzielt. Ethylen-Vinylacetat,
Butylkautschuk und Ethylen-Propylen-Kautschuk zersetzen
sich ohne Entstehung aggressiver Zersetzungsprodukte,
die zur Verringerung der Lebensdauer der Ofenmuffeln
führen werden. Beschichtungen, die nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt sind, weisen
weder kohlehaltige Einschlüsse noch Rückstände auf
der Oberfläche auf, die durch eine Nachbehandlung
entfernt werden müssen. Sie zeichnen sich auch durch
eine geringe Rauheit aus.
Folgende Beispiele sollen das erfindungsgemäße Verfahren
näher erläutern:
- 1. 3 kg Wolframcarbid-Pulver der Körnung kleiner 10 Mikrometer wurden mit 45 g Ethylen-Vinylacetat und 60 g Xylol für 30 Min. in einem Kneter geknetet. Die zähviskose Masse wurde dem Kneter entnommen und zwischen zwei Stahlwalzen zu einem flächigen Vorprodukt gewalzt. Nach einer Lagerung von 16 Stunden in einem Lösungsmittelschrank wurde das Vorprodukt auf eine Enddicke von 2 mm gewalzt. Die Dichte des Produkts lag bei 10,5 g/cm3 und besaß 19 Vol.-% Restporosität. Das Vorprodukt konnte auf eine Rolle mit 10 cm Durchmesser gewickelt werden und zeichnete sich durch eine hohe Flexibilität und Reißfestigkeit aus.
- 2. 3 kg Chromcarbidpulver der Körnung kleiner 5 µm wurden mit 50 g Ethylen-Vinylacetat und 110 g Xylol 30 Min. lang geknetet. Die zähviskose Masse wurde dem Kneter entnommen und zwischen zwei Stahlwalzen zu einem flächigen Vorprodukt gewalzt. Nach einer Lagerung von 16 Stunden wurde das Vorprodukt auf eine Enddicke von 2,5 mm fertiggewalzt. Die Dichte des Produkts lag bei 4,6 g/cm3 und besaß eine Restporosität von 22 Vol.-%. Das Vorprodukt konnte auf eine Rolle gewickelt werden und zeichnete sich durch hohe Flexibilität und Reißfestigkeit aus.
- 3. 2,5 kg Lotpulver der Zusammensetzung 82,6 Gew.-% Ni, 7 Gew.-% Cr, 3 Gew.-% Fe, 4,5 Gew.-% Si, 2,9 Gew.-% B wurden mit 40 g Ethylen-Vinylacetat für 30 Min. in einem Kneter bei einer Temperatur von 130°C geknetet. Nach der Entnahme der formlosen Masse aus dem Kneter wurde diese zwischen zwei Stahlwalzen auf eine Enddicke von 2,5 mm Dicke gewalzt. Das Produkt zeichnet sich durch große Flexibilität und eine relativ hohe Festigkeit aus. Das Formteil besaß eine Porosität von 30% und bestand aus 56,5 Vol.-% Lot und 13,5 Vol.-% Kunststoff.
- 4. Einzelne Formteile aus Beispiel 1 und 2, bzw. Formteile aus Beispiel 2 und 3 wurden übereinander gelegt und zusammenliegend zwischen zwei Stahlwalzen auf eine Gesamtdicke von 1 mm, 2 mm und 3 mm gewalzt. Beide Formteile verschweißten dabei gleichmäßig miteinander. Beide Schichten ließen sich nur mühevoll mit einem Messer teilweise wieder voneinander trennen. Durch den beschriebenen Walzvorgang entstanden flexible Form körper, die zur Herstellung von verschließfesten Schichten geeignet waren.
- 5. Ein blechförmiges Substrat aus Stahl C 35 (2 × 6 cm2) wurde entfettet und mit einem flexiblen Cr3C2- und lotpulverhaltigen Formkörper gemäß Beispiel 4 von 1 mm Dicke belegt. Das so vorbeschichtete Substrat wurde sodann auf eine Temperatur von 1120°C während 5 Minuten unter strömendem Wasserstoff erhitzt. Nach dem Erhitzen war das Substrat mit einer glatten, riß freien Chromcarbid/Lot-Verbundschicht von 1 mm Dicke beschichtet. Die Härte betrug 940 HV 30.
- 6. Ein blechförmiges Substrat aus C 35 (2 × 6 cm2) wurde entfettet und mit einem flexiblen WC- und lotpulverhal tigen Formkörper gemäß Beispiel 4 von 2 mm Dicke belegt. Das so vorbeschichtete Substrat wurde sodann auf eine Temperatur von 1120°C unter strömendem Wasserstoff erhitzt. Nach dem Löten war das Substrat mit einer glatten, rißfreien Wolframcarbid/Lot-Verbundschicht von 2 mm Dicke überzogen. Die Härte betrug 1100 HV 30.
- 7. Ein 4 mm dickes Blech von 5,5 cm Kantenlänge aus Chrom-Nickel-Stahl wurde mit einem 1 mm dicken hart stoff- und lotpulverhaltigen flexiblen Formkörper gemäß Beispiel 4 belegt. Es wurde Wolframcarbidpulver der Korngröße kleiner 10 µm verwendet. Der Volumen anteil an Wolframcarbid betrug in der hartstoffhaltigen Formkörperseite 50%, der Kunststoffanteil 16% und die Restporosität 34%. Das so vorbeschichtete Substrat wurde in einem Vakuumofen bei 1110°C und einem Rest druck von 5 × 10 -2 mbar geglüht. Es entstand eine rißfreie Beschichtung.
- 8. Eine Rundmaterialscheibe aus St37, Durchmesser 60 mm, Dicke 10 mm wurde mit einer 3 mm dicken chromcarbid- und lotpulverhaltigen flexiblen Formkörperschicht gemäß Beispiel 4 belegt. Es wurde Cr3C2-Pulver der Korngröße 4-6 µm verwendet. Der Volumenanteil an Chromcarbid betrug in der hart stoffhaltigen Formkörperseite 60%, der Kunststoffan teil 12% und die Restporosität 28%. Das so vorbe schichtete Substrat wurde in einem Vakuumofen bei 1110°C und einem Restdruck von 2 × 10 -3 mbar geglüht. Es entstand eine rißfreie Chromcarbid/Lot-Verbundschicht. Die ermittelte Härte dieser Beschichtung betrug 920 HV 30.
Die Poren entstehen durch das Walzen der kalt vorgepreßten
Formkörper. Durch die dabei entstehende Reibungswärme
nimmt die Viskosität des Kunststoffes ab und es kommt zu
einer Verstreckung einzelner Kunststoffäden zwischen den
eingelagerten Hartstoff- bzw. Lotpulverteilchen. Dabei
erweisen sich die speziell verwendeten Kunststoffe als
besonders günstig, da sie bereits bei relativ niedrigen
Temperaturen erweichen. Dadurch erreicht man eine hohe,
gleichmäßig verteilte, zur Oberfläche hin offene Porosität
innerhalb des Formkörpers, durch die eine schnelle und
rückstandsfreie Zersetzung des Kunststoffs beim Erhitzen
gefördert wird.
Claims (3)
1. Verfahren zur Herstellung von Hartstoffschichten auf
metallischen Unterlagen, durch Aufbringung von
flexiblen Formkörpern aus Kunststoffen, die Hartstoffe
und Lotpulver enthalten, und Erhitzen unter Vakuum
oder Schutzgas auf die Arbeitstemperatur der verwendeten
Lote,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kunststoff Ethylen-Vinyl-acetat-Copolymere,
Ethylen-Propylen-Copolymere und/oder Butylkautschuk
verwendet werden und daß die Formkörper neben 5 bis
40 Vol.-% Kunststoff 5 bis 40 Vol.-% Poren, Rest
Hartstoffe und/oder bzw. Lotpulver enthalten.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Formkörper 40 bis 70 Vol.-% Hartstoffe und/oder
Lotpulver, 10 bis 25 Vol.-% Kunststoff und 15 bis
35 Vol.-% Poren enthalten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Formkörper durch Zusammenpressen oder
Zusammenwalzen je eines Formkörpers aus Lotpulver/
Kunststoff und Hartstoff/Kunststoff gefertigt sind.
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