DE3801958A1

DE3801958A1 - Verfahren zur herstellung von hartstoffschichten auf metallischen unterlagen

Info

Publication number: DE3801958A1
Application number: DE3801958A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Muerrle; Karl-Anton Starz; Andreas Szulczyk; Juergen Nauber
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1987-01-30
Filing date: 1988-01-23
Publication date: 1988-08-11
Also published as: ATE65725T1; ZA879094B; DE3771862D1; DE3801958C2; EP0276381A3; JPS63192802A; EP0276381A2; ES2023652B3; GR3002407T3; JP2672314B2; EP0276381B1

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

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.