DE2632739C3

DE2632739C3 - Verfahren zum thermischen Aufspritzen eines selbsthaftenden Nickel-Aluminium- oder-Nickel-Titan-Überzugs auf ein Metallsubstrat

Info

Publication number: DE2632739C3
Application number: DE2632739A
Authority: DE
Inventors: Henry S. Shaker Heights Ohio Rondeau
Original assignee: Individual
Current assignee: Rondeau Virginia C Shaker Heights Ohio Us
Priority date: 1975-07-24
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1982-02-25
Also published as: US4027367B1; JPS5224134A; FR2333054A1; FR2333054B1; DE2632739A1; GB1517606A; BE851077A; US4027367A; DE2632739B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Aufspritzen eines selbsthaftenden Oberzugs aus einer Nickel-Aluminium-Legierung oder einer Nickel-Titan-Legierung auf ein Metallsubstrat und den dabei erhaltenen Formkörper; die Erfindung betrifft insbesondere das thermische Aufspritzen von Nickel-AIuminium-Legierungen oder Nickel-Titan-Legierungen auf ein Metallsubstrat, die variierende Prozentsätze an intermetallischen Verbindungen von Nickel und Aluminium bzw. Nickel und Titan enthalten, wobei einer mit elektrischem Lichtbogen arbeitenden thermischen Spritzpistole ein Draht aus einer Nickel-AIuminium-Le gierung oder einer Aluminium-Titan-Legierung zugeführt und die Legierung in Form einer Schicht auf das Substrat aufgesprüht wird.

In den letzten Jahren werden in großem Umfange thermisch aufgespritzte Überzüge auf Substrate aufgebracht, beispielsweise um sie zu schützen, für kryogene oder refrakterische Zwecke, um Teile davon zu reparieren, um ein Substrat gegen Oxydation oder gegen andere schädliche Umwelteinflüsse zu schützen und für viele andere Zwecke. Die Suche nach neuen Materialien, die zum Aufspritzen verwendet werden können, und nach neuen Aufspritzmethoden geht jedoch ständig weiter in dem Bemühen, noch bessere Überzüge zu erhalten, die für neue Anwendungszwecke geeignet sind, Und um zeitsparende Methoden zu entwickeln, insbesondere um die Vorbehandlung der Unterlage oder des Substrats und/oder die Nachbehandlung und die Grundierbehandlung zu vermeiden.

Es sind bereits mehrere Typen von thermischen Spritzpistolen bekannt, darunter z. B. Verbrennungsflammen-Spritzpistolen, wie solche vom Oxytreibgas-Typ, Plasmalichtbogen-Spritzpistolen und elektrische Lichtbogen-Spritzpistolen (nachfolgend kurz als »Lichtbogen-Spritzpistolen« bezeichnet). Verbrennungsflammen-Spritzpistolen erfordern die Verwendung einer Brennstoffquelle, wie Acetylen und Sauerstoff, und die darin erzeugten Temperaturen smd in der Regel verhältnismäßig niedrig und häufig ist es damit nicht möglich, Materialien mit Schmelzpunkten von mehr als

to 2732°C durch Spritzen auf Substrate aufzubringen. Plasmalichtbogen-Spritzpistolen (vgl. z. B. BE-PS 6 82 316) sind in der Regel die teuersten und sie liefern viel höhere Temperaturen als diejenigen vom Verbrennungstyp, beispielsweise Temperaturen bis zu etwa 16 632"C. Außerdem machen Plasmalichtbogen-Spritzpistolen die Verwendung einer Inertgasquelle, wie Argon, zur Erzeugung des Plasmas, erforderlich und die Gasströmungsgeschwindigkeit und die dafür erforderliche elektrische Energie erfordern eine extrer.i genaue Kontrolle (Überwachung), um eine richtige Arbeitsweise zu erzielen. Plasmalichtbogen-Spritzpistolen sind somit wegen unerwünscht hoher Anschaffiüigs- und Betriebskosten nachteilig (vgl. z.B. AT-PS 3 07 845). Andererseits macht eine elektrische Lichtbogen-Spritzpistole nur die Verwendung einer elektrischen Energiequelle und eines Vorrats an komprimierter Luft erforderlich, um das geschmolzene Material in dem Lichtbogen zu zerstäuben und auf das Substrat aufzusprühen.

Unter Anwendung von thermischen Spritzverfahren können viele verschiedene metallische Unterlagenoder Trägermaterialien beschichtet werden, z. B. Eisen- und Nichteisenmaterialien, wie Eisen, Stahl, Aluminium und dgl. Beim Aufspritzen der meisten konventionellen Beschichtungsmaterialien, ob sie nun ursprünglich in Form eines Drahtes, in Form eines Stabes oder in Form eines Pulvers vorliegen, muß jedoch das Trägermaterial (Substratmaterial) einer beträchtlichen Vorbehandlung unterzogen werden, beispielsweise einer Aufrauhung durch Sandstrahlen oder dpi., dui h Unterschneiden, Vorerwärmen und dgl., um eine ausreichende Haftung des aufgespritzen Überzugs an dem Trägermaterial zu gewährleisten. Manchmal ist eine Behandlung nach dem Aufspritzen, wie z. B. ein Schmelzen oder Sintern, erforderlich, um eine gute Bindung zwischen dem Überzug und dem Substrat zu erzielen.

Eine neuere Entwicklung auf dem Gebiet der Spritzbeschichtung ist die Verwendung eines exothermen Spritzmaterials in Form eines Pulvers, wobei jedes Teilchen des Pulvers ein Verbundmaterial darstellt, das aus Nickel und Aluminium besteht. Bei diesem Material tritt jedoch dann, wenn es in einer thermischen Spritzvorrichtung aufgespritzt wird, eine exotherme Reaktion auf und es tritt eine ausreichend gute Haftung an einer sauberen, glatten, d. h. nicht-aufgerauhten Trägermaterialoberfläche auf. die mit letzterem beschichtet wird. Ein Problem, das bei dem Verfahren des thermischen Aufspritzens eines solchen exothermen Pulvermaterials auftritt, besteht darin, daß es schwierig ist, die erforderlichen speziellen zusammengesetzten Pulverteilchen herzustellen. Es wurde gefunden, daß ein einfaches Aufspritzen einer Mischung aus gepulverten Aluminiumteilchen und gepulverten Nickelteilchen nicht geeignet ist, um die erforderliche, im wesentlichen vollständige exotherme Reaktion zu erzielen, die zur Erreichung einer guten Bindung an einem nicht-vorbehandelten Trägermaterial ohne weitere Behandlung des beschichteten Trägermaterials erforderlich ist. Ein

anderer Nachteil dieses Verfahrens, bei dem zusammengesetzte Teilchen (Verbundteilchen) aufgespritz werden, besteht darin, daß in dem Lichtbogen/der Flamme eine unvollständige Reaktion auftritt, so daß nicht-urngesetzte Teilchen plus freies Nickel plus freies ϊ Aluminium, beides ziemlich schwache Materialien, verglichen mit ihren Produkten, abgeschieden werden.

Erfindungsgemäß wird eine Nickel-Aluminium-Legierung in Drahtform (der hier verwendete Ausdruck »Draht« umfaßt ein langgestrecktes Material von einem dünnen Strang bis zu einem verhältnismäßig dicken Stab) als Ausgangsmaterial verwendet, das unter Verwendung einer elektrischen Lichtbogen-Spritzpistole (nachfolgend als »Lichtbogen-Spritzpistole« bezeichnet) auf ein Substrat ocier Trägermaterial, z. B. Stahl oder Aluminium, in Form einer Schicht aufgespritzt wird. Je nach den relativen Gewichtsprozentsätzen von Aluminium und Nickel in der Legierung können darin, d. h. in dem Draht, auch noch variierende Prozentsätze an intermetallischen Verbindungen von Nickel und Aluminium, wie NiAl oder NijAI, enthalten sein, was aus einem Phasendiagramm von Nicke! und Aluminium hervorgeht. Wenn nachfolgend von einer Nickel-Aluminium-Legierung oder von einer Nickel-Titan-I.egierung die Rede ist, so ist darunter stehts ein Legierungsmate- 2ϊ rial zu verstehen, das auch noch intermetallische Verbindungen von Nickel und Aluminium bzw. Nickel und Titan enthalten kann.

Nach dem Aufschmelzen, Zerstäuben (Versprühen) und Aufspritzen unter Verwendung einer Lichtbogen- jo Spritzpistole wird das Nickel-Aluminium-Legierungsmaterial, das möglicherweise noch intermetallische Verbindungen enthält, bei Temperaturen, die normalerweise oberhalb 760⁰C liegen, auf ein kühles, sauberes, glattes oder geschliffenes Substrat oder Trägermaterial aufgebracht. Das aufgespritzte Material haftet in der Regel gut an sauberen, glatten oder geschliffenen Trägermaterialien unter Bildung eines Überzugs mit Adhäsions- und Kohäsionsparametern, die etwa gleich oder größer sind als die Parameter eines Überzugs, der durch thern..sches Aufspritzen eines exotherm reagierenden Pulvers aufgebracht worden ist. Die analytischen Testergebnisse der mit einem mittels einer 1 ichtbogen-Spritzpistole in Form eines Drahtes aufgespritzten Nickel-Aluminium-Legierungsüberzug versehenen Trägermaterialien zeigen, daß die feste Haftung zwischen dem Träger und dem Überzug auf die Atomdiffusion oder auf metallurgische Einflüsse zurückzuführen ist, wobei Atome des aufgebrachten Überzugs in das Trägermaterial oder Substrat und Atome des Substrats in den aufgebrachten Überz-ig wandern. Erfindungsgemäß kann auch eine Nickel-Titan-Legierung auf G<e gleiche Weise verwendet werden, wobei ähnliche Ergebnisse wie bei der Nickel-Aluminium-Legierung erhalten werden; die Erfindung wird jedoch nachfolgend in erster Linie im Hinblick auf das Aufspritzen eines Nickel-Aluminium-Legierungsdrahtes mittels einer Lichtbogen-Spritzpistole näher erläutert.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. bei dem ein Draht aus einer Nickel-Aluminium-Legierung einer Lichtbogen-Spritzpistole zugeführt und mit dieser Spritzpistole ein Überzug auf ein Trägermaterial lüfgespritz wird, wird eine Reihe von bedeutenden Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik erzielt. Erstens wird in dem Verfahren eine Lichtbogen-Spritzpistole verwendet, die wirtschaftlicher arbeitet als eine ■ndefe thermische Spritzvorrichtung. Zweitens wird das aufzuspritzende MatefAil in Form eines Drahtes zugeführt, was bequemer ist als die Verwendung eines Pulvers, wobei es sich bei dem Draht um einen dünnen Strang bis zu einem verhältnismäßig dicken Stab handeln kann, so lange er für das Aufspritzen unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole geeignet ist. Drittens kann der Draht leicht hergestellt werden aus einer Legierung aus den beiden Hauptmaterialien Nickel und Aluminium oder Nickel und Titan, die, wie oben erwähnt, möglicherweise auch noch die jeweiligen intermetallischen Verbindungen und variierende Mengen an zusätzlichen Härter- und Flußmittelzusätzen enthalten kann. Viertens sind die Kohäsions-, Adhäsions- und Härteeigenschaften des Überzugs auf einem Formkörper, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt worden ist, im allgemeinen gleichwertig oder besser als die entsprechenden Eigenschaften eines Überzugs auf einem Formkörper, der mit anderen thermischen Spritzvorrichtungen unter Verwendung eines Pulvers aufgespritz worden ist.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen besteht das Hauptziel der vorliegenden Erfindung darin, ein in bezug auf die oben angegebenen Aspekte verbessertes Lichtbogen-Aufspritzverfahren anzugeben. Ziel der Erfindung ist es ferner, einen selbsthaftenden, auf Eisensubstrate und Nichteisensubstrate uufgespritzen Überzug anzugeben, der fest an dem Substrat haftet, ohne daß irgendeine wesentliche Vorbehandlung erforderlich ist. Ziel der Erfindung ist es ferner, unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole einen Draht aus einer Legierung, die mindestens zwei Materialien enthält, so auf ein Trägermaterial oder ein Substrat aufzuspritzen, daß er fest daran haftet, insbesondere unter Verwendung eines Drahtes aus einer Legierung, die Nickel und Aluminium oder Nickel und Titan sowie möglicherweise zusätzlich die jeweiligen intermetallischen Verbindungen enthält. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin, einen Formkörper anzugeben, der aus einem Träger oder Substrat besteht, das mindestens zum Teil mit einer Legierung aus Nickel und Aluminium oder einer Legierung aus Nickel und Titan überzogen ist, die unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole und unter Anwendung eines vorlegierten Nickel-Aluminium-Drahtes oder eines vorlegierten Nickel-Titan-Drahtes auf eine Oberfläche des Trägers oder Substrats aufgespritz worden ist. Ziel der Erfindung ist es schließlich, ein bequemes, verhältnismäßig unkompliziertes, verhältnismäßig wirtschaftliches und wirksames Verfahren zum Aufspritzen eines selbsthaftenden Materials unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole auf ein Träger- oder Substratmaterial und den dabei erhaltenen Formkörper anzugeben.

Diese und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der folgenden näheren Beschreibung der Erfindung hervor.

Die vorstehend /rsnannten Ziele werden ί. findungsgemäß dadurch erreicht, daß die nachfolgend näher beschriebenen und in den beiliegenden Zeichnungen im Detail an Hand einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung angegebenen Erfindungsmerkmale eingehalten werden, es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf die nachfolgend beschriebenen Details keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in Vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wii'd.

Die Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Lichtbo-

gen-Spritzpistolenvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines auf ein Träger- oder Substratmaterial aufgespritzten selbslhaftenden Überzugs,

F i g. 2 eine 250fach vergrößerte Ansicht eines Teils eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörpers, die die Grenzflächen zwischen einem aufgespritzen Überzug und einem Stahlsubstral zeigt,

Fig.3 ein Diagramm, welches eine unter Verwendung eines Elektronenabtastmikroskops angefertigte Mikrosondenanalyse an der Grenzfläche zwischen der mit einer Lichtbogen-Spritzpistole aufgespritzen Nikkel-Aluminium-Legierung und dem Stahlsubstrat zeigt, welche die Atomdiffusion erläutert, und

Fig.4 eine 250fach vergrößerte Ansicht eines Teils eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Formkörpers, welche insbesondere die Grenzfläche zwischen einem aufgespritzen Nickel-Aluminium-Uberzug und einem Stahlsubstrat erläutert.

Ein Draht, bestehend aus einer Nickel-Aluminium-Legierung oder einer Nickel-Titan-Legierung, die möglicherweise noch variierende Prozentsätze an intermetallischen Verbindungen enthält in Abhängigkeit von den jeweiligen Gewichtsprozentsätzen an Nickel und Aluminium oder an Nickel und Titan, je nach den jeweiligen Phasendiagrammen, wird in eine Lichtbogen-Spritzpistole eingeführt. Die zugeführte Drahtlegierung kann aus etwa 80 bis etwa 98 Gew.-°/o Nickel und etwa 20 bis etwa 2 Gew.-% Aluminium bestehen und sie besteht vorzugsweise aus etwa 90 bis etwa 95 Gew.-% Nickel und etwa 6 bis etwa 4 Gew.-% Aluminium. Es können auch Härter- und Flußmittelzusätze, wie Kohlenstoff, Mangan, Schwefel, Silicium, Titan. Kupfer und Eisen in jeweils variierenden Mengen darin enthalten sein. Die Drahtlegierung enthält vorzugsweise mindestens 93 Gew.-% Nickel, 4 bis 5,2 Gew.-% Aluminium, 0,25 bis 1,00 Gew.-% Titan und nicht mehr als höchstens 0.25 Gew.-% Kupfer. 0.50 Gew.-% Mangan, 0,60 Gew.-% Eisen. 1,7 Gew.-% Silicium. 0,3 Gew.-°/o Kohlenstoff und 0.01 Gew.-% Schwefel.

Obgleich der Draht aus einer bereits fertigen Legierung besteht, wobei während seiner Herstellung die intermetallischen Verbindungen gebildet werden können, sind die jeweils in der Legierung gebildeten Verbindungen nicht genau bekannt, es wird jedoch angenommen, daß die jeweiligen Verbindungen, die in der Legierung enthalten sind, für die Selbsthaftung des unter Verwendung des Legierungsdrahtes auf ein Trägermaterial thermisch aufgespritzen Überzugs nicht kritisch sind.

Bei Verwendung eines Nickel-Titan-Legierungsdrahtes enthält die Drahtlegierung etwa 40 bis etwa 70 Gew.-% Nickel und etwa 60 bis etwa 30 Gew.-% Titan, vorzugsweise enthält sie etwa 54 bis etwa 56 Gew.-% Nickel und etwa 46 bis etwa 44 Gew.-% Titan. Wie oben angegeben, können auch Härter- und Flußmittelzusätze darin enthalten sein.

Der Draht wird in dem in der Lichtbogen-Spritzpistole erzeugten elektrischen Lichtbogen geschmolzen und die geschmolzenen Teilchen prallen unter dem Einfluß eines Luftstromes auf eine Oberfläche eines Trägeroder Substratmaterials auf, wodurch diese damit beschichtet wird. Während dieses Aufspritzverfahrens wird die Nickel-Aluminium-Legierung oder die Nickel-Titan- Legierung auf Temperaturen oberhalb der Schmelzpunkte ihrer Bestandteile oder ihrer Legierungen überhitzt und der Überzug haftet von selbst an dem Substrat oder Trägermetall.

Erfindungsgemäß liegt das aufzuspritzende Material in Form eines Drahtes vor, der aus einer Nickel-Aluminium-Legierung oder einer Nickel-Titan-Leigierung besteht, nicht in Form Von Verbundteilchen, nicht in Form von dicht miteinander verbundenen Teilchen und nicht in Form von sie aufbauenden zwei verschiedenen Materialien bzw. nicht in Form von verschiedenen Strängen eines Mehrfachstrang-Drahtes. Die Nickel-Aluminium-Legierung oder die Nickel-Titan-Legierung wird in dem Lichtbogen einer Lichtbogen-Spritzpistole geschmolzen oder mindestens im wesentlichen weich gemacht. Das heiße Material prallt dann unter dem Einfluß eines Luftgebläses auf die Oberfläche eines Trägers oder Substrats auf, wodurch diese damit beschichtet wird. Wie aus der weiter unten folgenden näheren Beschreibung hervorgeht, haftet das erfindungsgemäß aufgespritzte Material gut an der geschliffenen, sauberen und glatten Oberfläche eines Trägers.

offenbar in erster Linie als Folge einer Atomdiffusion an der Grenzfläche.

Bei der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung werden einer konventionellen Lichtbogen-Spritzpistole 10 von zwei Drahtrollen 13, 14 zwei Drähte 11, 12 und elektrische Energie von einer Energiequelle 15 zugeführt. Jeder der Drähte 11, 12 besteht aus einer Nickel-Aluminium-Legierung, die möglicherweise noch intermetallische Verbindungen von Nickel und Aluminium sowte möglicherweise weitere Flußmittel- und Härterzusätze enthält In der Nähe des Ausgangs oder der Düse 16 der Spritzpistole 10 wird ein elektrischer Lichtbogen erzeugt durch die aus der Energiequelle 15 zugeführte Energie, die den Enden der beiden Drähte zugeführt werden kann, die auf an sich bekannte Weise miteinander vereinigt werden können unter Erzeugung des elektrischen Lichtbogens. Die Enden der Drähte werden vorzugsweise in der Wärme des Lichtbogens geschmolzen und durch einen Luftstrahl, der durch von außen zugeführte Preßluft (die entsprechende Vorrich-

■40 tung ist nicht dargestellt) erzeugt wird, kann das Material in dem Lichtbogen zerstäubt werden und das aufgeschmolzene Material prallt auf die Oberfläche 17 des Träger- oder Substratmaterials 18 auf unter Erzeugung eines Überzuges 19 darauf. Durch einen Zuführungsmechanismus in der Spritzpistole 10 werden die Drähte 11, 12 von den Rollen 13, 14 dem Lichtbogenbereich zugeführt, um auf übliche Weise dort eine Drahtzufuhr aufrechtzuerhalten. Der aufgespritzte Überzug haftet gut an vielen Eisensubstraten und

so Nichteisensubstraten, ohne daß die Substrate einer wesentlichen Vorbehandlung unterzogen werden »nüssen mit Ausnahme der Tatsache, daß sie gereinigt werden, beispielsweise unter Verwendung eines Schmirgeltuches.

Die zugeführten Drähte 11,12 können auch aus einer Nickel-Titan-Legierung bestehen, die ebenfalls in zufriedenstellender Weise von selbst an der glatten sauberen Oberfläche der Eisensubstrate und Nichteisensubstrate haftet, wenn sie unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole auf diese in Form eines Überzugs aufgespritz wird. Bei Verwendung einer Drahtbeschickung aus einer Nickel-Titan-Legierung besteht der Draht zu etwa 40 bis etwa 70 Gew.-% aus Nickel und zu etwa 60 bis etwa 30 Gew.-% aus Titan, vorzugsweise zu etwa 54 bis etwa 56 Gew.-% aus Nickel und zu etwa 46 bis etwa 44 Gew.-% aus Titan. Wie im Falle der Nickel-Aluminium-Legierung kann der zugeführte Draht auch intermetallische Verbindungen sowie

zusätzliche Härter- und FluBmittelzusätze enthalten.

In den nachfolgenden Beispielen 1 bis 4 und 6 bestand der auf das Substrat aufgespritzte Nickel-Alurilinium-

Tabelle I

Legierungsdrahl aus den nachfolgend in Gew.*% angegebenen Materialien:

Element

C Mil

Si

Ni

Ti

Cu

ΛΙ

Fe

Ni Al-Legierungsdraht

0,14 0,26 0,005 0,49 94,29 0,42 0,10 4,31 0,05

Beispiel 1

Zum Aufspritzen eines Oberzugs auf verschiedene Substratmaterialien, nämlich gehärtete (Mindesthärte Rc 50) AISI-19O5-Stahl- Und Aluminiumproben, wurde eine Lichtbogen-Spritzpistole verwendet, in die ein h!ickci-A!iuniniuni-Le'ⁱicrun^orsdraht sinoeführt wurde.

Vor dem Aufspritzen des Überzugs wurden alle Substratproben glattgeschliffen, um die Oberflächenunregelmäßigkeiten zu entfernen, und die Hälfte der Substratproben wurde dann durch Sandstrahlen mit 0,83 mm großen Aluminiumoxidteilchen aufgerauht. Nach dieser Vorbehandlung wurden sowohl auf die glattgeschliffenen als auch auf die aufgerauhten Substratproben unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole 0,64 bis 0,76 cm dicke Überzüge aus dem Nickel-AIuminium-Legierungsdraht aufgespritzt

Mit den beschichteten Substraten wurden dann Haftufjslests gemäß ASTM C 633-69, »Adhesion or Cohesive Strength of Flame Sprayed Coatings« durchgeführt Die dabei gemessene Haft- bzw. Zugfestigkeit des Überzugs ist in der folgenden Tabelle II angegeben.

Tabelle II

förmigen Teilchen, die durch Oxide voneinander getrennt waren, mit dazwischen angeordneten Hohlräumen. An der Grenzfläche waren jedoch auch Unterschiede erkennbar. Die Überzug-Substrat-Grenzfläche war extrem dicht und an einigen Punkten entlang der Grenzfläche an der Susbstratseite trat eine Änderung

o/v /-for martpnctticphpn drulrtiir auf u/ac ptwac ranhic \mm

Substrat
Material

Zugfestigkeit/Haftfestigkeit in N/mm²

Zustand

Einzelwert

Mittelwert

Stahl geschliffen

aufgerauht

Aluminium geschliffen
aufgerauht

31,6
34,5
34,5

34,5
42,2
37,3

19,0
10,5
23,2

38,0
47,1
42,2

33,47

38,0

17,6

42,53

Ein Querschnitt durch eine der beschichteten, nichtaufgerauhten Substratproben wurde im Lichtmikroskop untersucht In struktureller Hinsicht war der Überzug, wie aus der Fig.2, insbesondere der oberen Hälfte der Fig.2, hervorgeht, den anderen thermisch aufgespritzten Materialien morphologisc

Zentrum entlang und unterhalb der Grenzflächenlinie erkennbar ist. Offenbar bewirkten die heißen, geschmolzenen Nickel-Aluminium-Teilchen, die auf den Strahl aufprallten (vgl. die untere und dunklere Hälfte der F i g. 2), daß der Martensit in die oberen Umwandlungsprodukte umgewandelt wurde, wobei wahrscheinlich der Austenit und etwas schwach getemperter Martensit beibehalten wurden; um diese Umwandlung zu erzielen, hätte der Stahl auf einer Temperatur oberhalb seiner kritischen Temperatur von etwa 76O⁰C erhitzt werden müssen. Es trat jedoch kein Anzeichen des Schmelzens öder einer gebundenen Legierungsschicht an der Grenzfläche auf, was vermuten läßt, daß die erzielte Selbsthaftung des Überzugs an dem Substrat nicht chemisch oder metallurgisch war, sondern auf eine Atomdiffusion zurückzuführen sein könnte.

Es wurde eine qualitative spektrographische Analyse des aufgespritzten Überzugs angefertigt, wobei das nachfolgend angegebene Ergebnis erhalten wurde:

Tabelle III

Mn dicke Linie

Cr
Ni
Ti
Mo
Fe

dicke Linie
dicke Linie
Hauptlinie
Nebenlinie
dicke Linie
dicke Linie
sehr dünne Linie
nachweisbar

Al

Co

Cu

Zr

Ag

Pb

Sn

Nebenlinie
dünne Linie
Linie

dicke Linie
dünne Linie
nachweisbar dünne Linie
Linie

Beispiel 2

Auf die Oberfläche eines 30,5 cm langen Stahlstabes mit einem Durchmesser von 2,54 cm, der aus einem gehärteten AISI-1095-Stahl (Mindesthärte Rc 50) bestand und dessen Oberfläche wärmebehandelt und glattgeschliffen worden war, wurde unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole, in die der vorstehend beschriebene Nickel-Aluminium-Legierungsdraht eingeführt wurde, ein 0381 cm dicker Oberzug aufgespritzt Die Makrohärte des Oberzugs wurde nach der Rockwell B-Skala unter Verwendung eines '/ie BaIl-Druckkörper mit einer Belastung von 100 kg gemessen und die dabei ermittelte Makrohärte lag innerhalb des

UCl CtUlIUO TUtI VJ L»I3

/ 1. /"VUIJCl UOIlI WUlUC UIIlCl

er bestand aus wellenförmig angeordneten plättchen- Verwendung eines rhomboidalen Diamant-Druckkör-

pers und unter Anwendung einer Belastung von 100 g die Mikrohärte der Probe (KHNioo) bestimmt. Bei dem zuletzt genannten Test war es möglich, die Härte der Einzelteilchen zu isolieren und zu ermitteln, wobei die Durchschnittsmessung der Härte 179 KHNioo betrug, was einem Wert Rb von 85 entspricht. Die Differenz zwischen der Übiirzugshärte und der Teilchenhärte war auf Hohlräume und Oxide innerhalb des Überzugs zurückzuführen, die bei Belastung mit dem Druckkörper zusammenfallen. Außerdem wurde die Dichte des Überzugs gemessen und sie betrug 0,441 g/cm³.

Beispiel 3

In eine Lichtbogen-Spritzpistole wurde ein Nickel- Tabelle IV Aluminium-Legierungsdraht eingeführt und die Pistole wurde zum Aufspritzen eines Überzugs auf ein Substrat tüs einem Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt »erwendet. Das beschichtete Substrat wurde vorbereitet für die metallopgraphische Betrachtung unter

V„„..„„,!..„„„:„„_ AU»„,»„i„u> :i l iccui i»i trennung uiiibj rtt/ici.jii»ii»fvii ν/ιΐΐΊΐιιιιΐιΐ \jjt^\jyj y\jLiiiij. zu

Das Diagramm der beiliegenden Fig.3 zeigt die Mikrosondenanalyse entlang der Überzug-Stahl-Grenzfläche. In dem Diagramm, das von rechts nach inks zu lesen ist, beginnend bei etwa 3 μίτι unterhalb der Oberfläche des Stahlsubstrats, ist der Eisengehalt auf •einem Maximalwert während praktisch kein Nickel darin zu finden ist. In entsprechender Weise ist bei einer Tiefe etwa 3 μπι in dem Überzug, beginnend auf der Inken Seite des Diagramms, der Nickelgehalt im wesentlichen auf seinem Maximalwert und es ist praktisch kein Eisen zu finden. An der Grenzfläche jedoch besteht eine scharf definierte Grenzlinie; daraus geht ganz klar hervor, daß eine verhältnismäßig große Anzahl von Eisenatomen oder Eisenteilchen in den Nickelüberzug und eine große Anzahl von Nickelatomen oder Nickelteilchen in das Eisensubstrat hineindiffundiert sind. Diese Atomwanderung oder Diffusion bis zu einer Tiefe von etwas weniger als 1 μπι in das Substrat und in den Überzug scheint der Grund für die hohe Haftfestigkeit (Zähigkeit) oder Affinität des mit einer Lichtbogenspri'.zpistole aufgespritzten Überzugs an dem Substrat zu sein.

Die chemische Zusammensetzung des Überzugsmaterials wurde durch Naßanalyse bestimmt und die dabei erhaltenen Werte in Gew.-% sind nachfolgend angegeben:

Mn

0,06
0,21
0,003

Si
Ni
Ti

0,34

92,80

0,65

Cu
Al
Fe

0,008

5,45

0,043

Beispiel 4

Es Wurde die Haftung eines Überzugs, aufgebracht durch Aufspritzen eines Nickel-Aluminium-Legierungsdrahtes unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole, an verschiedenen technischen Metallen untersucht. Jede der Substratproben war sauber und nicht aufgerauht und auf jede wurde unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole der Nickel-Aluminium-Legierungsdraht aufgespritzt Die Haftfestigkeitstests wurden wie oben in Beispiel 1 angegeben für die nachfolgend genannten Materialien durchgeführt Und die dabei erhaltene Adhäsions/Kohäsions-Festigkeit zwischen dem Überzug und dem Substrat ist nachfolgend angegeben:

Tabelle V

Substratmalerial

Adhäsions/Kohäsions-Festigkeit

Einzelwert Durchschnittswert

in N/mm² in N/mm²

AISI 4330-Stahl
geglüht, R_B 96

36,45

37,15

gehärtet, R_c 48

33,08

33,1

Carburierter AISI 1010-StahI
F_c 62

34.4

Nitriertes Nitralloy 135 G
Rc 48

32,45

35,4

Fortsetzung

Subslratniiiterial	\dlusions/l\olusicm	^-Festigkeit
	Ein/eluen	Durchschnittswert
	in N/mnr	in Vmnr
Rostfreier 18-8-Slahl
Rd 75	28.95	20.5
	30.5
	29.1
Martensitischer rostfreier AISl 43 !-Stahl
Rc 44	27.3	2S.S
	28.8
	30.45
Alterungshärtbarer Stahl
i7-4pH, R_c 42	3ί.ό ■	34.15
	34.25
	33.6
Aluminium
1100-0	22.5	16.2
	12.7
	13.5
2024-T6	15.5	15.6
	16.4
	13.7
6061-T6	19,0	18,2
	16,75
	18.75
Magr.ssium
AZ80-T6	12.6	?3.0
	12.7
	13.7
Graugußeisen	30.05	25.6
	22,25
	24,3
Titan
Ti6Al4V	23,35	23,9
	27,4
	20,85
Kupfer
OFHC	14,1	9,8
	kein Test
	5,48

Aus den wie in Beispiel 4 beschrieben durchgeführten Tests geht hervor, daß ein mit einer Lichtbogen-Spritzpistole aufgespritzter Oberzug aus einem Nickel-Aluminium-Legierungsdrahtmaterial nicht sehr gut an einem Kupfersubstrat haftet Die Haftung an verschiedenen Typen von Eisenmaterialien sowie Nichteisenmaterialien einschließlich Aluminium, Magnesium und Titan ist jedoch eindeutig erkennbar.

Beispiel 5

Drei verschiedene Nickel-Aluminium-Legierungsdrähte wurden unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole auf Substrate aufgespritzt, um festzustellen, ob Änderungen in bezug auf die Adhäsionsfestigkeit und in bezug auf die Kohäsionsfestigkeit sowie in bezug auf die Mikrohärte und die Makrohärte der jeweils

aufgespritzten Oberzüge auftraten, wenn das jeweilige Verhältnis von Nickel zu Aiuminium und die Menge der Härter-, Flußmittel- und anderen Zusätzen variiert wurden. Zuerst wurden drei Nickel-Aluminium-Legierungsdrähte, nachfolgend mit »H«, »I« und »W«

bezeichnet, auf nassem Wege chemisch analysiert, urn ihre Zusammensetzung in Gew.-% zu bestimmen unc die bei der Durchführung dieser Analyse erhaltener Ergebnisse sind nachfolgend angegeben:

Tabelle Vl	Element C	Mn	S	Si	Ni	Ti	Cu	AI	Fe
Drahtprobe	0,005 0,040 0,003	0,23 0,23 0,27	-	1,68 0,47 1,02	92,397 93,636 92,82	0,44 0,40 0,40	0,08 0,08 0,72	5,06 5,05 5,14	0,108 0,094 0,275
»H« »W«

Die Testverfahren und die Vorbehandlung der Proben wurden ähnlich wie vorstehend unter Bezugnahme auf die Beispiele 1 und 2 angegeben durchgeführt und die. jeweiligen Probesubstrate bestanden aus Aluminium, Eisen oder Kupfer.

Jedes der jeweiligen Probesubstrate wurde unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole mit einem der oben mit »H«, »I« oder »W« bezeichneten Nickel-Aluminium-Legierungsdrähten beschichtet (bespritzt). Es wurde eine Lichtbogen-Spritzpistole mit den folgenden Parametern verwendet:

Elektroden
Spritzluftdruck
Stromstärke
Spannung

3,81 μΐη

6,47 bar

260 bis 275 Ampere

34VoIt

Die Zugfestigkeit/Haftfestigkeit der Substrate mit den jeweils aufgespritzen Überzügen und das Versagen wurden jeweils wie oben angegeben bestimmt und die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in der folgender Tabelle VII angegeben. In der Spalte »Art de; Versagens« sind der Ort des Versagens und die Art de: Versagens angegeben. Zum Beispiel bedeutet dei Ausdruck »Grenzfläche/Adhäsion«, daß an der Grenzfläche zwischen dem aufgespritzten Überzug und den Substrat ein Versagen auftrat und daß es sich bei derr Versagen um ein Versagen in bezug auf die Haftung de; Überzugs an dem Substrat handelte. Der Ausdrucl »Überzug/Kohäsion« bedeutet, daß ein Versagen nur ir

dem Überzug selbst auftrat und daß es sich bei den Versagen um ein Versagen in bezug auf die Kohäsioi des Überzugsmaterials selbst handelte. Der Ausdrucl· »Epoxyversagen« bedeutet, daß das Versagen in derr Epoxymaterial auftrat, mit dem die Testprobe an dei

!5 Testvorrichtung befestigt war.

Tabelle VII

Material
Überzug

Substrat

Aluminium

Eisen

Kupfer

Aluminium

Eisen

Zugfestigkeit/Haftfestigkeit	DV/*i	Art des Versagens
Einzelv ert	in S/mm²	Ort/Art
in N/mm²	43,6
47.1		Grenzfläche/
		Adhäsion
39.4		desgl.
44.3	34,2	desgl.
33.7		Überzug/Kohäsion
39.4		desgl.
29.5	15,2	desgl.
kein Test
desgl.
45,7		Grenzfläche/
	41.2	Adhäsion
47.1		Grenzfläche/
		Adhäsion
42,2		desgl.
34,5	40,25	desgl.
36,6		Überzug/Kohäsion
45,7		desgl,
38,7	desgl.

Fortsetzung	Substrat	Zugfestigkeit/Haftfestigkeit	Art des Versagens
Material		Einzelwert DW*)	Ort/Art
Überzug	Kupfer	in N/mm' in N/mm²
		kein Test
I		desgl.
	Aluminium	desgl.
		49,2 52,95	Epoxy-Versagen
W		57,7	desgl.
		52,0	Grenzfläche/
	Eisen		Adhäsion
		36,6 40,25	Überzug/Kohäsion
		45,7	desgl.
	Kupfer	38.7	desgl.
		kein Test
		desgl.
		desgl.

*) DW = Durchschnittswert.

Keines der aufgespritzten Materialien haftete gut an den Kupfersubstraten. Bei jedem der Eisensubstrate war die Art des Versagens eine solche kohäsiver Natur, d. h. das aufgetretene Versagen war eher eine Folge des Brechens des Überzugs als eine Ablösung an der Grenzfläche. In allen außer zwei der mit Aluminium beschichteten Substrate war das Versagen ein solches adhäsiver Natur, d. h. das Versagen trat an der Grenzfläche auf. In beiden Fällen der mit Aluminium beschichteten Substrate trat das Versagen an der in diesen Tests angewendeten Epoxykupplung auf.

Aus den Ergebnissen der vorstehenden Tabelle geht hervor, daß der Nickel-Aluminium-Legierungsdraht, der auf glatte Oberflächen von Aluminium- und Eisensubstraten unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole aufgespritzt wurde, von selbst extrem gut an diesen Substraten haftete. Unter Verwendung des rhomboidalen Knoop-Druckkörpers bei einer Belastung von 50 g wurde die Mikrohärte des Überzugs für jede der Proben einschließlich der beschichteten Substrate bestimmt. Die Makrohärte wurde ermittelt bei einer Belastung von 1 kg und unter Verwendung der Vickers-Härte-Testvorrichtung (DPH), wobei die unter Verwendung der zuletzt genannten Testvorrichtung erhaltenen Meßwerte zur Erleichterung des Vergleichs in der folgenden Tabelle VIII an der Spalte Rc in die Rockwell C-Skala umgewandelt wurden. Die Ergebnisse der Mikrohärte- und Makrohärte-Messungen sind nachfolgend angegeben:

Tabelle	VIII	KIIN₅₀	DPII	Rc4Jriv Wandlung
Material Überzug	Substrat	449 562 562	283
M	Aluminium Eisen Kupfer

30 Material	Substrat	KHNs₀	DPH	R(-Um wandlung
Überzug	Aluminium Eisen Kupfer	631 618 605	316 311 292	31,9 31,2 28,9
I 35	Aluminium Eisen Kupfer	605 670 710	279 283 293	27,0 27,7 28,9
W

Aus den vorstehend angegebenen beiden Tabellen dieses Beispiels geht hervor, daß ein Nickel-Aluminium-Legierungsdraht mit variierenden Mengenanteilen an Flußmittel und Härter und mit einer gewissen Variation in bezug auf das Verhältnis von Nickel zu Aluminium gute Selbsthaftungseigenschaften aufweist, wenn er unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole auf Stahl- oder Aluminiumsubstrate pufgespritzt wird.

so Durch Änderungen in bezug auf das Verhältnis von Nickel zu Aluminium und in bezug auf die Menge der Zusätze wird die Haftfestigkeit nicht wesentlich herabgesetzt. Darüber hinaus wird durch Ändern oder Verschieben der Flußmittel- und Härterzusätze in dem Nickel-Aluminium-Legierungsdraht die Härte des dabei erhaltenen aufgespritzten Überzugs beeinflußt.

Die Mikroslruktur der jeweiligen Stahlproben mit glatten oder geschliffenen Oberflächen, auf welche die jeweiligen Nickel-Aluminium-Legierungsdrähte »H«.

so »I« und »W« aufgespritzt wurden, wurde untersucht. Es wurde eine mikropholographische Aufnahme von der Grenzfläche des auf ein gehärtetes, getempertes, geschliffenes, glattes Marlensitsubstrat aufgebrachten NickeUAlumiriium-Legierungsdrahtes »I« angefertigt,

fiä die in der F ί g. 4 erläutert ist. Der Untere, dunklere Teil der Figur stellt den Marlerisil dar, während der obere, plätlchenförmige und heller gefärbte Bereich den aufgespritzten Überzug darstellt, An einer Stelle etwas

rechts vom Zentrum der Figur befindet sich ein aufgehellter Martensit-Bereich, der sich in einem Bereich eines nicht-getemperten Martensits befindet, der offensichtlich auf die Wärme des Nickelaluminidüberzugs zurückzuführen ist, wenn dieser auf den Martensit aufgebracht wird.

Beispiel 6

Proben eines Nickel-Aluminium-Legierungsdrahtes, wie in der obigen Tabelle I angegeben, wurden unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole jeweils auf Stahl- und Aluminiumsubstrate aufgespritzt und diese wurden anschließend wie nachfolgend angegeben wärmebehandelt:

Aluminium — 12 Stunden bei 510°C, mit Wasser abgeschreckt, 6 Stunden bei 274° C gelagert (gealtert)

Stahl — 8 Stunden bei 649°C, im Ofen abgekühlt.

Abgesehen von der ausgezeichneten Wärmebeständigkeit gegenüber Wärmeschock wiesen die Proben eine höhere als eine normale Haftfestigkeit auf. Beim Test gemäß Beispiel 1 trat ein Bruch nicht in dem Überzug, sondern in der Epoxybindung auf. Die dabei erzielten Ergebnisse waren folgende:

Aluminium

Stahl

65,4 N/mm²
7532 N/mm²
78,74 N/mm²
76,63 N/mm²
80,0 N/mm²

Durch das vorstehend bescnriebene Behandlungsverfahren einschließlich der Lagerung (Alterung) v/erden die Gesamtfestigkeit des Überzugs Und die Überzug-Substrat-Haftfestigkeit erhöht Daraus geht ferner hervor, daß die Gesamtintegrität des Überzugs durch Wärmebehandlung und/oder Lagerung (Alterung) verbessert werden kann.

10

15

20

30

35 Obgleich die vorstehenden Beispiele und die vorstehende Diskussion sich nur auf das Aufspritzen einer Nickel-Aluminium-Legierung in Drahtform unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole zum Beschichten eines glatten Substrats in der Weise beziehen, daß der Überzug an der glatten Oberfläche des Substrats selbst haftet, können erfindungsgemäß auch andere Legierungsmaterialien verwendet werden, die selbst haften, wenn sie unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole aufgespritzt werden. Wie vorstehend angegeben, ist ein derartiges Material eine Nickel-Titan-Legierung, die aus etwa 40 bis etwa 70 Gew.-°/o Nickel und etwa 60 bis etwa 30 Gew.-% Titan, vorzugsweise aus etwa 54 bis etwa 56 Gew.-% Nickel unc etwa 46 bis etwa 44 Gew.-% Titan besteht

Es wurde daher gefunden, daß eine Nickel-Aluminium-Legierung in Drahtform, die unter Verwendung einer Lichtbogen-Spritzpistole auf ein sauberes glattes Substrat aufgespritzt worden ist, von selbst an dem Substrat haftet, ohne daß eine exotherme Reaktion auftritt Andererseits haftet ein vorlegiertes Nickel-Aluminium-Pulver nicht gut an einem solchen Substrat, wenn es in einem Plasma oder Verbrennungsgas aufgespritzt wird, auch ein Nickel-AIuminium-Legierungsdraht haftet nicht gut an einem solchen Substrat, wenn er mit einem Verbrennungsgas aufgespritzt wird.

Es wurde auch gefunden, daß vorlegierte Nickel-AIuminium-Drähte dann, wenn sie mit einer Lichtbogen-Spritzpistole aufgespritzt werden, die angegebenen Eigenschaftswerte von Verbundmaterialien übertreffen, die durch andere thermische Spritzverfahren beschichtet worden sind. Außerdem sind die Lichtbogen-Spritzpistolen-Spritzgeschwindigkeiten und der Wirkungsgrad der Ablagerung, insbesondere bei Verwendung eines Nickel-Aluminium-Legierungsdrahtes oder eines Nickel-Titan-Legierungsdrahtes, gemäß der Erfindung deutlich höher und führen zu besseren Überzügen bei geringeren Kosten als bei Verwendung von thermischen synergistischen, exothermen Aufspritzaaterialien.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zum thermischen Aufspritzen eines selbsthaftenden Nickel-Aluminium- oder Nickel-Titan-Überzugs auf ein Metallsubbtrat, dadurch gekennzeichnet, daß einer mit elektrischem Lichtbogen arbeitenden thermischen Spritzpistole ein Draht aus einer Nickel-Aluminium-Legierung oder einer Nickel-Titan-Legierung zugeführt und die Legierung in Form einer Schicht auf das Substrat aufgespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht verwendet wird, der aus einer Legierung aus 80 bis 98 Gew.-% Nickel und 2 bis 20 Gew.-% Aluminium besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht verwendet wird, der aus einer Legierung aus 90 bis 95 Gew.-°/o Nickel und 4 bis 6 Gew.-% Aluminium besteht.

4. Verfan.en nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht verwendet wird, der aus einer Legierung aus 40 bis 70 Gew.-% Nickel und 30 bis 60 Gew.-% Titan besteht.

5. Verfahren nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß ein Draht verwendet wird, der aus einer Legierung aus 54 bis 56 Gew.-°/o Nickel und 44 bis 46 Gew.-% Titan besteht

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das beschichtete Substrat zusätzlich einer Wärmebehandlung unterworfen wird.