DE4339345A1 - Plasma spray coating of substrates - Google Patents
Plasma spray coating of substratesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auftragen einer Hartstoffschicht aus einem Spritzpulver auf Basis von Metallen, Metallegierungen und/oder Carbiden, Boriden, Siliciden oder Nitriden von Metallen oder Gemischen hiervon auf ein Substrat durch Plasmaspritzen mittels eines Plasmabrenners, in dem Gase, wie Argon, Wasserstoff und/oder Stickstoff so hoch aufgeheizt werden, daß sie ionisiert und elektrisch leitend werden und als Plasmaflamme aus dem Plasmabrenner austreten und bei dem das Spritzpulver der Plasmaflamme zugeführt, von der Plasmaflamme aufgeschmolzen bzw. angeschmolzen und auf das Substrat aufgespritzt wird.The invention relates to a method for applying a Hard material layer from a wettable powder based on metals, Metal alloys and / or carbides, borides, silicides or Nitrides of metals or mixtures thereof on a substrate by plasma spraying using a plasma torch, in which gases, as high as argon, hydrogen and / or nitrogen be that they become ionized and electrically conductive and as Plasma flame emerge from the plasma torch and in which the Spray powder supplied to the plasma flame from the plasma flame melted or melted and onto the substrate is sprayed on.
Plasmabrenner sind bekannte Geräte, in denen Gase, wie Argon, Wasserstoff, Stickstoff oder Luft durch Lichtbogenentladungen so hoch aufgeheizt werden, daß sie ionisiert und so elektrisch leitend werden. Das Plasma erreicht Temperaturen bis zu 20 000 Kelvin. Das Gas wird dem Entladungsraum bzw. den Elektroden radial oder axial von außen unter Druck zugeführt, durch eine durchbohrte Elektrode aus dem Entladungsraum herausgeblasen und tritt als sehr heiße Plasmaflamme aus dieser Bohrung aus. Man verwendet den Plasmabrenner, um hochschmelzende Substanzen, die im zugeführten Gas zerstäubt oder in der Plasmaflamme aufgeschmolzen werden, auf kalte Werkstücke aufzuspritzen, sogenannte Plasmapistole und so einen zusammenhängenden Überzug zu erzeugen. Plasmabrenner werden auch zum Trennen oder Schweißen von hochschmelzenden Metallen unter anderem eingesetzt.Plasma torches are known devices in which gases such as argon, Hydrogen, nitrogen or air due to arcing are heated so high that they are ionized and so electric become a leader. The plasma reaches temperatures up to 20,000 Kelvin. The gas becomes the discharge space or the Electrodes supplied radially or axially from outside under pressure, through a pierced electrode from the discharge space blown out and emerges as a very hot plasma flame Bore out. The plasma torch is used to high-melting substances that atomize in the supplied gas or melted in the plasma flame on cold Spraying on workpieces, so-called plasma gun and so on to produce a coherent coating. Become a plasma torch also for cutting or welding high-melting metals used among other things.
Plasmen können auch mit einem Hochfrequenz-Plasmabrenner erzeugt werden, bei dem die Gasentladung im Inneren einer Spule oder eines Hohlraumresonators brennt und der Gasstrahl durch ein Quarzrohr stabilisiert wird, aus dessen Mündung die Plasmaflamme austritt.Plasmas can also be used with a high frequency plasma torch generated in which the gas discharge inside a coil or a cavity resonator burns and the gas jet through a quartz tube is stabilized, from the mouth of which Plasma flame emerges.
Das Plasmaspritzen, das Aufbringen auf Metalle von Überzügen aus sehr hochschmelzenden Metallen oder anorganischen Verbindungen, die in einem Plasma aufgeschmolzen werden, wird üblicherweise unter Schutzgas, zum Beispiel Argon, durchgeführt. Das Plasma wird hierbei durch Einschnürung eines Lichtbogens erzeugt. Auf diese Weise lassen sich hoch verschleißfest und korrosionsbeständige Hartstoffschichten erzeugen. Die Schichten haben üblicherweise eine Dicke zwischen 50 bis 300 µm.Plasma spraying, application of metal to coatings made of very high-melting metals or inorganic Compounds that are melted in a plasma usually under protective gas, for example argon, carried out. The plasma is constricted by a Arc generated. This way you can get high wear-resistant and corrosion-resistant hard material layers produce. The layers usually have a thickness between 50 to 300 µm.
Es ist auch bekannt, die aus dem Plasmabrenner austretende Plasmaflamme mittels eines Schutzrohres, das mit Inertgas gespült wird oder mit Wasser gespült wird, abzuschirmen.It is also known to exit the plasma torch Plasma flame using a protective tube filled with inert gas shielded or rinsed with water.
Bei den bekannten Methoden zum Aufbringen von Hartstoffschichten mittels Plasmaspritzen treten jedoch stets in den gespritzen Hartstoffschichten, beispielsweise Titannitridschichten oder Zirkonnitridschichten deutliche Gehalte an Titandioxyd bzw. Zirkondioxyd auf. Dies rührt daher, daß der Auftreffbereich der Plasmaflamme zusammen mit dem Spritzpulver auf das zu beschichtende Substrat sich in der Atmosphäre befindet und daher nicht zu vermeiden ist, daß sich atmosphärischer Sauerstoff mit dem Spritzpulver, d. h. den metallischen Bestandteilen des Spritzpulvers, wie beispielsweise Titan, Zirkon unter anderem, zu dem entsprechenden Oxyd verbindet.In the known methods of applying However, hard material layers by means of plasma spraying always occur in the sprayed hard material layers, for example Titanium nitride layers or zirconium nitride layers clear Contain titanium dioxide or zirconium dioxide. This is because that the impact area of the plasma flame together with the Spray powder on the substrate to be coated in the Atmosphere and therefore it cannot be avoided that atmospheric oxygen with the wettable powder, d. H. the metallic components of the wettable powder, such as for example titanium, zirconium among others, to the corresponding oxide connects.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Hartstoffschichten mittels des Plasmaspritzens auf Substrate aufzubringen, wobei die Bildung unerwünschter Oxydverbindungen infolge atmosphärischen Sauerstoffs möglichst vermieden werden soll, um auf diese Weise von Oxydverbindungen möglichst freie Hartstoffschichten zu erzielen.The invention has for its object hard layers to be applied to substrates by means of plasma spraying, wherein the formation of undesirable oxide compounds as a result atmospheric oxygen should be avoided if possible in this way as free as possible from oxide compounds To achieve hard material layers.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei dem gattungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß die Plasmaflamme in dem an den Austritt aus dem Plasmabrenner angrenzenden Bereich mittels einer die Plasmaflamme umgebenden mit flüssigem Stickstoff beaufschlagten Kühlvorrichtung gekühlt wird und der der Kühlvorrichtung zugeführte Stickstoff an der dem zu beschichtenden Substrat zugewandten Seite der Kühlvorrichtung austritt, hierbei in die Gasphase übergeht und die Plasmaflamme mitsamt dem Spritzpulver gegenüber der Atmosphäre abschirmt und ein Aufspritzen der Hartstoffschicht auf das Substrat unter Ausschluß bzw. nahezu Ausschluß von atmosphärischem Sauerstoff ermöglicht wird.According to the invention, this object is achieved with the generic Process solved in that the plasma flame in the to Exit from the area adjacent to the plasma torch by means of a liquid nitrogen surrounding the plasma flame acted upon cooling device is cooled and the Cooling device supplied nitrogen on the to Coating substrate-facing side of the cooling device emerges, passes into the gas phase and the plasma flame shields from the atmosphere together with the wettable powder and spraying the hard material layer onto the substrate underneath Exclusion or almost exclusion of atmospheric oxygen is made possible.
Als Kühlvorrichtung kann beispielsweise ein doppelwandiges Schutzrohr mit einem ringförmigen Kanal vorgesehen werden, das unmittelbar an die Austrittsöffnung eines handelsüblichen Plasmabrenners montiert wird, wobei der flüssige Stickstoff dem ringförmigen Kanal zugeführt wird und dieser ringförmige Kanal nach vorne, d. h. auf der dem Plasmabrenner abgewandten Seite und in Richtung der sich nach vorwärts erstreckenden Flamme offen ist, so daß der dem Kühlkanal nahe dem Plasmabrenner zugeführte flüssige Stickstoff an dem vorderen Ende austreten und in die Gasphase übergehen kann und damit als eine die Plasmaflamme umgebende Gaswolke diese gegenüber der Atmosphäre und damit auch dem atmosphärischen Sauerstoff abschirmt.For example, a double-walled cooling device can be used Protective tube can be provided with an annular channel that directly to the outlet of a commercially available Plasma torch is mounted, the liquid nitrogen to the annular channel is supplied and this annular channel forward, d. H. on the side facing away from the plasma torch and in the direction of the forward flame is open, so that the cooling channel near the plasma torch liquid nitrogen supplied at the front end and can go into the gas phase and thus as one that Plasma flame surrounding gas cloud this against the atmosphere and thus also shields from atmospheric oxygen.
Das Durchführen des Aufbringens von Hartstoffschichten mittels Plasmaspritzen mit einer Abschirmung mit flüssigem Stickstoff gemäß der Erfindung bietet die folgenden Vorteile:Carrying out the application of hard material layers by means of Plasma spraying with liquid nitrogen shielding according to the invention offers the following advantages:
Durch die Expansion des flüssigen Stickstoffes bei Erwärmung bis zum 800fachen infolge der heißen Plasmaflamme ist eine effiziente Abschirmung der austretenden Plasmaflamme gegenüber der Atmosphäre möglich.Due to the expansion of the liquid nitrogen when heated up to 800 times as a result of the hot plasma flame efficient shielding against the emerging plasma flame the atmosphere possible.
Die Kühlwirkung des Stickstoff läßt um 30% kürzere Spritzabstände der Plasmaflamme zu dem zu beschichtenden Substrat zu, so daß die kinetische Energie der mit der Plasmaflamme sich bewegenden Spritzpulverpartikelchen besser ausgenutzt werden kann. Weiterhin wird durch kürzere Spritzabstände die Aufnahme von Sauerstoff aus der Atmosphäre zusätzlich unterdrückt, da kurze Wege vom Austritt der Plasmaflamme bis zum Substrat die Gefahr der Sauerstoffaufnahme verringern.The cooling effect of nitrogen is 30% shorter Spray distances of the plasma flame to the one to be coated Substrate so that the kinetic energy of the with the Plasma flame moving spray powder particles better can be exploited. Furthermore, by shorter Spray distances the absorption of oxygen from the atmosphere additionally suppressed because short distances from the exit of the Plasma flame up to the substrate the danger of oxygen uptake to decrease.
Da die Kühlung mit flüssigem Stickstoff sehr effizient ist, kann die Kühlvorrichtung sehr klein gebaut werden und ist dadurch so leicht, daß sie auch an einer Plasmaspritzpistole anbaubar ist und damit von Hand gespritzt und gearbeitet werden kann.Because liquid nitrogen cooling is very efficient, the cooling device can be built and is very small because it is so light that it can also be used on a plasma spray gun can be attached and thus sprayed and worked by hand can.
Im Gegensatz zu alternativ in Inertgaskammern oder unter Vakuum gespritzten mit Hartstoffschichten versehenen Werkstücken sind mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Bauteile jeder beliebigen Größe zu beschichten.In contrast to alternatively in inert gas chambers or under vacuum injected workpieces provided with hard material layers components with the method according to the invention any Coating size.
Durch den flüssigen Stickstoff bzw. dessen Expansion in der Kühlvorrichtung und den sich beim Austritt bildenden Gasmantel werden Staubemissionen beim Spritzen stark unterdrückt.Due to the liquid nitrogen or its expansion in the Cooling device and the gas jacket formed at the outlet dust emissions during spraying are strongly suppressed.
Flüssiger Stickstoff ist ein relativ kostengünstiges Hilfsmittel.Liquid nitrogen is a relatively inexpensive one Tools.
Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind den kennzeichnenden Merkmalen der Unteransprüche entnehmbar.Advantageous embodiments of the method according to the invention are the characteristic features of the subclaims removable.
Üblicherweise werden Spritzpulver aus Metallen oder Metallegierungen, wie beispielsweise Titannitrid, Nickel-Chrom-Aluminium oder Chrom-Kohlenstoff-Nickel, hergestellt, die im Plasmaspritzverfahren auf Werkstücke, insbesondere metallische Werkstücke, in Schichtdicken von 50 bis 300 µm vorzugsweise aufgespritzt werden.Spray powder is usually made of metals or Metal alloys, such as titanium nitride, Nickel-chrome-aluminum or chrome-carbon-nickel, manufactured using plasma spraying on workpieces, in particular metallic workpieces, in layer thicknesses of 50 up to 300 µm are preferably sprayed on.
Insbesondere kommen als Metalle und Metallegierungen Titan, Zirkon, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom, Molybdän, Wolfram, Hafnium, aber auch Aluminium und Nickel in Frage, ebenso ihre Nitride, Carbide, Boride oder Silicide.In particular, titanium comes as metals and metal alloys, Zircon, vanadium, niobium, tantalum, chrome, molybdenum, tungsten, Hafnium, but also aluminum and nickel, as well as theirs Nitrides, carbides, borides or silicides.
Die Erfindung wird in der Zeichnung anhand der Abb. 1 an einem Ausführungsbeispiel erläutert. Die Grundplatte 1 umfaßt die Austrittsöffnung 10 des Plasmabrenners, beispielsweise eines handelsüblichen Plasmabrenners, aus dem die heiße Plasmaflamme 6 in Pfeilrichtung austritt in Richtung auf das zu beschichtende Substrat S. Auf die Grundplatte 1, die Austrittsöffnung umgebend, ist die Kühleinrichtung 2 in Gestalt eines doppelwandigen Vorsatzrohres aufgesetzt, so daß die Plasmaflamme 6 durch den inneren Rohrkanal 20 hindurchströmt in Richtung Substrat S. Zwischen den beiden Wänden 21, 22 des Vorsatzrohres 2 ist der ringförmige Kühlkanal 4 gebildet, der an dem vorderen Ende 5 des Vorsatzrohres 2, das dem Substrat zugewandt ist, offen ist. In der Außenwandungen 21 des Vorsatzrohres 2 sind nahe der Grundplatte 1 zwei Anschlüsse 3a, 3b für die Zuleitung von flüssigem Stickstoff N₂, siehe Pfeile, ausgebildet. Der flüssige Stickstoff wird über die Anschlüsse 3a, 3b in den Kühlkanal 4 geleitet, und tritt an dem offenen vorderen Ende des Kühlkanals in Pfeilrichtung und in Strömungsrichtung der Plasmaflamme 6 aus. Der flüssige Stickstoff N₂ wird aus einem nicht dargestellten Flüssiggasbehälter mit 1 bis 3 bar Druck zugeführt. Die Zufuhr des Spritzpulvers P zu der Plasmaflamme 6, beispielsweise Titanpulver, Zirkonpulver, Nickel-Chrom-Aluminium-Pulver, erfolgt durch das Anschlußrohr 5, das durch die Wandungen des Vorsatzrohres 2 nahe der Grundplatte 1 des Plasmabrenners durchführt und dort angeordnet ist. Das Pulver P tritt in Pfeilrichtung in das Rohrinnere 20 des Vorsatzrohres 2 ein und wird von der heißen Plasmaflamme 6 mitgerissen, verteilt, an- bzw. aufgeschmolzen und mit entsprechender kinetischer Energie auf das Substrat S aufgespritzt.The invention is explained in the drawing with reference to Fig. 1 using an exemplary embodiment. The base plate 1 comprises the outlet opening 10 of the plasma torch, for example a commercially available plasma torch, from which the hot plasma flame 6 emerges in the direction of the arrow in the direction of the substrate S to be coated. On the base plate 1 , surrounding the outlet opening, the cooling device 2 is in the form of a double wall Attachment tube placed so that the plasma flame 6 flows through the inner tube channel 20 towards the substrate S. Between the two walls 21 , 22 of the attachment tube 2 , the annular cooling channel 4 is formed, which at the front end 5 of the attachment tube 2 facing the substrate is, is open. In the outer walls 21 of the attachment tube 2 , two connections 3 a, 3 b for the supply of liquid nitrogen N 2 , see arrows, are formed near the base plate 1 . The liquid nitrogen is passed through the connections 3 a, 3 b into the cooling channel 4 , and exits at the open front end of the cooling channel in the direction of the arrow and in the direction of flow of the plasma flame 6 . The liquid nitrogen N₂ is supplied from a liquid gas container, not shown, with 1 to 3 bar pressure. The supply of the wettable powder P to the plasma flame 6 , for example titanium powder, zirconium powder, nickel-chromium-aluminum powder, takes place through the connecting pipe 5 , which passes through the walls of the front pipe 2 near the base plate 1 of the plasma torch and is arranged there. The powder P enters the tube interior 20 of the attachment tube 2 in the direction of the arrow and is entrained, distributed, melted or melted by the hot plasma flame 6 and sprayed onto the substrate S with corresponding kinetic energy.
Die Länge 1 des Vorsatzrohres beträgt beispielsweise 30 mm.The length 1 of the attachment tube is 30 mm, for example.
Der Innendurchmesser des Rohrinneren 20 beträgt beispielsweise 40 mm. Der Kühlkanal 4 hat eine Ringbreite von 2 mm. Der Abstand a zwischen dem Austritt des Stickstoffs aus dem Vorsatzrohr 2 und dem Substrat beträgt beispielsweise 35 mm. Der Innendurchmesser des Einführungsröhrchens 5 für das Spritzpulver P beträgt beispielsweise 2 mm.The inside diameter of the tube interior 20 is 40 mm, for example. The cooling channel 4 has a ring width of 2 mm. The distance a between the exit of the nitrogen from the attachment pipe 2 and the substrate is, for example, 35 mm. The inside diameter of the introduction tube 5 for the wettable powder P is, for example, 2 mm.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wurden verschiedene Probebleche aus ST 37 mit Titannitrid, Zirkonnitrid, Nickel-Chrom-Aluminium und Chrom-Kohlenstoff-Nickel beschichtet. Hierbei wurde der Spritzabstand a zwischen 35 und 65 mm variiert.According to the method of the invention, various Test sheets made of ST 37 with titanium nitride, zirconium nitride, Nickel-chrome-aluminum and chrome-carbon-nickel coated. Here the spraying distance a was between 35 and 65 mm varies.
Die so hergestellten Probebleche wurden mittels Röntgenbeugung und mikroskopisch untersucht. In der Phasenanalyse konnten für alle hergestellten Hartstoffschichten auf den Probeblechen keine Oxydverbindung nachgewiesen werden. Im Gegensatz dazu traten bei in Atmosphäre, d. h. ohne den flüssigen Stickstoffmantel gemäß der Erfindung, gespritzten Titannitrid- oder Zirkonnitridschichten deutliche Gehalte an Titandioxyd bzw. Zirkondioxyd auf.The sample sheets thus produced were subjected to X-ray diffraction and examined microscopically. In the phase analysis, for all hard material layers produced on the test sheets no oxide compound can be detected. In contrast to joined in atmosphere, d. H. without the liquid Nitrogen jacket according to the invention, sprayed titanium nitride or zirconium nitride layers significant levels of titanium dioxide or zirconium dioxide.
Bei der Chrom-Kohlenstoff-Nickel-Schicht ergaben Härtemessungen, daß die Werte mit denen in Vakuumanlagen gespritzte Hartstoffschichten vergleichbar sind.In the case of the chrome-carbon-nickel layer Hardness measurements that the values with those in vacuum systems sprayed hard material layers are comparable.
Im Schichtbild waren bei allen hergestellten Hartstoffschichten, auch bei der Nickel-Chrom-Aluminium-Schicht der erfindungsgemäßen gespritzten Probebleche keine Oxydschlieren zu erkennen.In the layer pattern were all manufactured Hard material layers, also with the nickel-chrome-aluminum layer none of the sprayed test sheets according to the invention To recognize oxide streaks.
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