EP0132494A2 - Galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an electrodeposited dispersion layer 'with a cobalt matrix and a non-metallic disperse phase and a method for producing such a layer.
- the object of the present invention is to provide a generic dispersion layer which offers even higher resistance to fretting corrosion than previously known dispersion layers, specifically in a temperature range which, if possible, includes temperatures from 200 to 300 ° C.
- the layer should be easy to produce in terms of process technology, be easily heat-treatable and be usable for higher temperatures without a reaction of the matrix metal Co with the embedded solid.
- the object is achieved in that, in the case of a generic dispersion layer, the disperse phase consists of Cr 2 0 3 particles. Cr 2 0 3 is resistant to oxidation, temperature and reaction to cobalt.
- the best results with regard to fretting corrosion could be achieved if the installation rate of the disperse phase is 20 to 50%, preferably 30%, by volume of the layer material.
- the particle size of the chromium oxide particles should be less than 10 ⁇ m, preferably between 3 and 6 ⁇ m.
- the invention relates to a process for preparing a marked Dis above - persions slaughter, in which in a cobalt ion-containing electrolyte, the disperse phase is suspended.
- a method is characterized in that the electrolyte has a pH value of 4.5 to 4.9 and at a temperature of 40 to 60 ° C preferably 50 ° C and a current density of 1 A / dm 'to 6 A. / dm 2 , preferably 3.5 A / dm 2 is deposited.
- the method according to the invention best results were achieved both in terms of the homogeneity of the deposited layer and in terms of the adhesive strength.
- the electrolyte should preferably be an aqueous solution of the following composition:
- the method according to the invention undergoes further development in that the electrolytically deposited dispersion layer is subjected to such a heat treatment which brings about an oxidation of the matrix.
- the oxidation of the cobalt to Co304 / Co0 is influenced by the Cr 2 0 3 present (embedded). In contrast to the oxidation of pure Co, these oxide layers are thinner and adhere well. This can increase the adhesive strength of the oxide layer in particular.
- the heat treatment is preferably carried out at a temperature of 500 ° C. to 700 ° C. and for a period of 7 to 9 hours. Within these limits, the optimal conditions are 600 ° C and a duration of 8 hours.
- the invention relates to a pair of components that is subject to wear, in particular to friction corrosion, the components of which are made of a base material such as a nickel-based alloy (e.g. Inconel 100, C 263, Nimonic 80) or a titanium-based alloy z. B. 6% Al, 5% Zr, 0.8% Mo, 0.2% Si, balance Ti or chrome or chrome-nickel steels.
- a nickel-based alloy e.g. Inconel 100, C 263, Nimonic 80
- Ti chrome or chrome-nickel steels.
- the frictional corrosion behavior of such a component pairing is improved accordingly in that one of the component surfaces is provided with a dispersion layer, as disclosed in patent claims 1 to 3 and / or 8. It has been shown that the use of a Co / Cr 2 O 3 dispersion layer according to the invention on only one component also reduces the wear of the uncoated component to a minimum.
- the frictional wear is shown in mm 3 as a function of the temperature load in ° C. Both curves shown apply to the frictional wear of the dispersion layer against the dispersion layer.
- the solid curve shows an example with a dispersion layer made of Co / Cr 3 C 2
- the dashed curve which is much lower, especially in a temperature range below 400 ° C, refers to dispersion layers Co / Cr 2 O 3 .
- This comparison shows that, especially in the range from 200 to 300 ° C., the wear values for the dispersion layers according to the invention are only 1/5 to 1/10 of the wear values for previously known Co / Cr3C2 layers.
- the curve for the Co / Cr 3 C 2 dispersion layer is taken from the magazine Kobalt, 1973, issue 3, page 5, picture 4.
- the diagram shown in Fig. 2 is the comparison of the fretting an uncoated component pairing of the material Nimonic 80 with a mating component, is coated in the one of the component surfaces with the inventive dispersion layer Co / Cr 2 0 3. Again the wear is shown in mm 3 , the temperature load in ° C.
- the upper solid curve applies to the frictional wear of the uncoated component pairing. Of the dashed curves, which are very close to each other, the upper indicates the wear of the Co / Cr 2 0 3 coating, the lower the wear of the uncoated component surface made of Nimonic 80.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf eine galvanisch abgeschiedene Dispersionsschicht'mit einer Kobaltmatrix und einer nichtmetallischen dispersen Phase und auf ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Schicht.
- Aus der GB-PS 13 58 538 sind Schichten der vorgenannten Gattung bekannt, bei denen in eine Kobaltmatrix Hartstoffphasen, wie z. B. Chromkarbid, Wolframkarbid oder Siliziumkarbid eingelagert sind. Es hat sich gezeigt, daß diese Dispersionsschichten als Verschleißschutzschichten auf temperaturbelasteten Teilen geeignet sind, weil sie große Härte aufweisen und weil die elektrochemische Abscheidung die Beschichtung auch kompliziert geformter Werkstücke zuläßt. Bei einem Vergleichstest zeigte das System Kobalt/Chromkarbid in einem Temperaturbereich von etwa 400 °C bis 600 °C besonders niedrige Verschleißwerte infolge Reibkorrosion. Nachteile dieses vorbekannten Verbundsystems aus einer Kobaltmatrix und einer Chromkarbidphase sind darin zu sehen, daß sich bei einer der galvanischen Abscheidung nachfolgenden Wärmebehandlung zur Erzielung einer Diffusion das Chromkarbid zersetzt und ein komplexes Chrom-Kobalt-Karbid entsteht. Weiterhin ist die Verarbeitung von Chromkarbid schwierig, weil es ein relativ hohes spezifisches Gewicht hat und deshalb besondere Maßnahmen verlangt, um es im Elektrolyten in Suspension zu halten und weil es relativ gut elektrisch leitend ist und daher dendritsches Wachstum in der abgeschiedenen Schicht entsteht.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Dispersionsschicht zu schaffen, die noch höheren Widerstand gegen Reibkorrosion bietet als vorbekannte Dispersionsschichten und zwar in einem Temperaturbereich, der möglichst schon Temperaturen ab 200 bis 300 °C einschließt. Dabei soll die Schicht verfahrenstechnisch einfach herstellbar sein, problemlos einer Wärmebehandlung unterziel.bar sein und für höhere Temperaturen einsetzbarsein, ohne daß eine Reaktion des Matrixmetalls Co mit dem eingelagerten Feststoff stattfindet.
- Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß bei einer gattungsgemäßen Dispersionsschicht die disperse Phase aus Cr203-Partikeln besteht. Cr203 ist oxidationsbeständig, temperaturbeständig und gegenüber Cobalt reaktionsbeständig.
- In Reibkorrosionstestskonnte nachgewiesen werden, daß die erfindungsgemäße Dispersionsschicht unter denselben Versuchsbedingungen noch erheblich geringerem Verschleiß unterliegt als bislang bekannte galvanische KobaltChromkarbid-Verbundschichten. Besonders vorteilhaft ist dabei, daß die hohe Verschleißbeständigkeit bereits bei Temperaturen von 300 °C beginnt,.wogegen vergleichbare Werte mit dem Verbundsystem Kobalt/Chromkarbid erst ab 400 °C erreichbar sind. Schließlich bietet das Verbundsystem Kobalt/Chromoxid verfahrenstechnische Vorteile, indem Chromoxid ein relativ niedriges spezifisches Gewicht aufweist und dadurch leicht im Elektrolyten zu suspendieren ist und indem Chromoxid darüber hinaus aufgrund seines hohen spezifischen Widerstands eindeutig als elektrisch nichtleitend anzusprechen ist, wodurch der Einbaumechanismus verändert wird. Es bilden sich keine dentritischen Auswachsungen (wie bei Cr3C2 möglich).
- Beste Ergebnisse im Hinblick auf Reibkorrosion konnten erzielt werden, wenn die Einbaurate der dispersen Phase 20 bis 50 %, vorzugsweise 30 % Vol. des Schichtmaterials beträgt. Die Partikelgröße der Chromoxidpartikel soll dabei unter 10 um, vorzugsweise zwischen 3 und 6 µm liegen.
- Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer vorstehend gekennzeichneten Dis- persionsschicht, bei dem in einem kobaltionenhaltigen Elektrolyten die disperse Phase suspendiert ist. Erfindungsgemäß ist ein solches Verfahren dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt einen PH-Wert von 4,5 bis 4,9 aufweist und bei einer Temperatur von 40 bis 60 °C vorzugsweise 50 °C und einer Stromdichte von 1 A/dm' bis 6 A/dm2, vorzugsweise 3,5 A/dm2 abgeschieden wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren konnten sowohl, was die Homogenität der abgeschiedenen Schicht als auch was die Haftfestigkeit anlangt, beste Ergebnisse erzielt werden.
- Vorzugsweise soll der Elektrolyt eine wässrige Lösung folgender Zusammensetzung sein:
- Beste Ergebnisse im Hinblick auf Beständigkeit gegen Reibkorrosion können bei Bauteilen für thermische Turbomaschinen erzielt werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einer Verschleißschutzschicht in einer Schichtdicke von 10 bis 300 um beschichtet werden.
- Im weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine auf Verschleiß, insbesondere auf Reibkorossion beanspruchte Bauteilpaarung, deren Bauteile aus einem Grundwerkstoff wie einer Nickelbasislegierung (z. B. Inconel 100, C 263, Nimonic 80) oder einer Titanbasislegierung z. B. 6 % Al, 5 % Zr, 0,8 % Mo, 0,2 % Si, Rest Ti oder Chrom- oder Chrom-Nickel-Stählen bestehen. Erfindungsgemäß wird das Reibkorrosionsverhalten einer solchen Bauteilpaarung dadurch entsprechend verbessert, daß eine der Bauteiloberflächen mit einer Dispersionsschicht, wie sie in den Patentansprüchen 1 bis 3 und/oder 8 offenbart ist, versehen ist. Es hat sich gezeigt, daß die Anwendung einer erfindungsgemäßen Co/Cr203-Dispersionsschicht auf nur einem Bauteil auch den Verschleiß des nicht beschichteten Bauteils auf ein Minimum reduziert.
- Anhand der beigefügten Zeichnungen wird die Verschleißschutzwirkung erfindungsgemäßer Dispersionsschichten dargestellt. In den Zeichnungen zeigt
- Fig. 1 einen Vergleich des Verschleißverhaltens einer Bauteilpaarung, bei der beide Bauteiloberflächen mit Dispersionsschichten versehen sind, in einem Fall mit einer Co/Cr203-Dispersionsschicht, im anderen Fall mit einer Co/Cr3C2-Dispersionsschicht, .
- Fig. 2 einen Vergleich des Verschleißverhaltens einer Bauteilpaarung des Grundwerkstoffs Nimonic 80 in einem Fall unbeschichtet, in den beiden anderen Fällen mit einer Bauteiloberfläche mit einer erfindungsgemäßen Dispersionsschicht versehen.
- Bei dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm ist der Reibverschleiß in mm3 in Abhängigkeit von der Temperaturbelastung in °C dargestellt. Beide eingezeichnete Kurvenzüge gelten für den Reibverschleiß Dispersionsschicht gegen Dispersionsschicht. Die durchgezogene Kurve zeigt ein Beispiel mit einer Dispersionsschicht aus Co/Cr3C2, während die vor allem in einem Temperaturbereich unterhalb 400 °C sehr viel niedriger liegende strichlierte Kurve sich auf _ Dispersionsschichten Co/Cr2O3 bezieht. Aus dieser Vergleichsdarstellung ergibt sich, daß vor allem im Bereich von 200 bis 300 °C die Verschleißwerte für die erfindungsgemäßen Dispersionsschichten nur 1/5 bis 1/10 der Verschleißwerte für vorbekannte Co/Cr3C2-Schichten betragen. Der Kurvenzug für die Co/Cr3C2-Dispersionsschicht ist aus der Zeitschrift Kobalt, 1973, Heft 3, Seite 5, Bild 4, übernommen.
- Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm dient dem Vergleich des Reibverschleisses einer unbeschichteten Bauteilpaarung aus dem Werkstoff Nimonic 80 mit einer Bauteilpaarung, bei der eine der Bauteiloberflächen mit der erfindungsgemäßen Dispersionsschicht Co/Cr203 beschichtet ist. Es ist wiederum der Verschleiß in mm3, die Temperaturbelastung in °C aufgetragen. Die obere durchgezogene Kurve gilt für den Reibverschleiß der unbeschichteten Bauteilpaarung. Von den strichlierten Kurven, die sehr nahe beieinander liegen, gibt die obere den Verschleiß der Co/Cr203-Beschichtung an, die untere den Verschleiß der unbeschichteten Bauteiloberfläche aus Nimonic 80.
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