DE4429505C2 - Verschleißwiderstandserhöhende Beschichtung von Werkzeugen für die keramische Industrie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Stahlbauteile, die eine Ver­ schleißschutzschicht aus Substanzen der Gruppe Boride, Carbide, Nitride, Carbonitride oder Oxide der Elemente der Nebengruppen IVb, Vb oder VIb des periodischen Systems oder Mischungen davon aufweisen, wobei die Verschleiß­ schutzschicht mittels des PVD- oder CVD-Verfahrens aufge­ bracht worden ist. PVD steht für physical vapour deposition, CVD für chemical vapour deposition (vgl. Römpp, 9. Auflage, Seiten 3688 bzw. 818). - Stahlbauteile bestehen im wesent­ lichen aus Normalstählen, wie z. B. ST 52, oder aus ver­ gütbaren Stählen, wie z. B. 1.2288. Die Stahlbauteile können ferner sowohl aus Normalstählen als auch aus vergütbaren Stählen zusammengesetzt sein. Im letzteren Falle ist die Trägerkonstruktion des Stahlbauteils in der Regel aus Normalstahl. Eine Verschleißschutzschicht ist eine meist als dünne Schicht aufgebrachte Oberflächenschicht hoher Härte. Wegen der geringen Dicke der Verschleißschutzschicht gleicht die Kontur des mit einer Verschleißschutzschicht ausgestatten Stahlbauteils praktisch der Kontur des Stahl­ bauteils ohne Verschleißschutzschicht. Die Verschleiß­ schutzschicht gewährleistet, daß die Kontur und die Maße des Stahlbauteils auch bei abrasiver Belastung besonders lange erhalten bleiben. Somit werden hohe Standzeiten der Stahlbauteile eingerichtet. Das PVD-Verfahren und das CVD-Verfahren beruhen auf der Abscheidung der Substanzen aus der Gasphase auf ein Substrat, hier auf ein unbeschich­ tetes Stahlbauteil. In ersterem Falle wird die Substanz physikalisch verdampft, beispielsweise durch Erhitzen oder Sputtern, und auf dem Substrat niedergeschlagen. Dabei muß das Substrat auf eine vergleichsweise niedrige Temperatur aufgeheizt werden. Beim CVD-Verfahren wird die relativ stark aufgeheizte Oberfläche des Substrats einer Mischung aus Gasen ausgesetzt, welche an der heißen Oberfläche zu der Substanz der Verschleißschutzschicht reagieren und sich ablagern. Beide Verfahren sind an sich bekannt.

Stahlbauteile der eingangs genannten Art sind als Werkzeuge für die kunststoffverarbeitende Industrie, z. B. aus der Literaturstelle DE 35 06 668 C2 bekannt. Dabei ist die Ver­ schleißschutzschicht dem Kunststoff ausgesetzt und wird von diesem gerichtet abrasiv beansprucht. Die insofern bekann­ ten Werkzeuge funktionieren im wesentlichen deshalb befrie­ digend, weil die relativ geringen, von dem Kunststoff aus­ geübten gerichteten Schubkräfte nicht ausreichen, um die Verschleißschutzschicht von dem Werkzeug zu lösen; und dies obwohl mit CVD- oder PVD-Verfahren aufgebrachte Schichten in der Regel vergleichsweise schwach mit dem Substrat ver­ bunden sind.

Auf der anderen Seite sind Werkzeuge oder Werkzeugteile, die in der keramischen Industrie einem mineralischen Abrieb ausgesetzt sind, und die eine Verschleißschutzschicht auf­ weisen, aus der Praxis bekannt. Bei diesen Werkzeugen be­ steht die Verschleißschutzschicht aus einer sog. Panzerung relativ hoher Materialstärke. Die Panzerung wird üblicher­ weise durch Auftragschweißen oder thermisches Spritzen (z. B. Plasmaspritzen oder Detonationsspritzen) aufgebaut. Dabei entstehen Interdiffusionsschichten mit erheblicher Ausdehnung senkrecht zu der Grenzfläche zwischen Substrat und Panzerung, wodurch eine extreme Haftung der Panzerung auf dem Substrat gewährleistet ist. Diese extreme Haftung ist deshalb eingerichtet, weil sehr hohe gerichtete Schub­ kräfte durch den mineralischen Abrieb aufgrund dessen Härte ausgeübt werden können. Das Ausstatten der Werkzeuge mit einer Panzerung ist aufwendig. Zudem ist meist eine auf­ wendige Nachbearbeitung der Oberfläche der Panzerung erfor­ derlich. Weiterhin ist es bekannt, Werkzeuge oder Werk­ zeugteile für die keramische Industrie durch Hartverchromen mit einer Verschleißschutzschicht auszustatten. Diese Werk­ zeuge befriedigen hinsichtlich ihrer Standzeit nicht. Zudem kommt es öfters zum Abblättern der Chromschicht, vermutlich aufgrund der Bildung von Korrosionsprodukten in der Grenz­ ebene zwischen Substrat und Verschleißschutzschicht. Eine solche Korrosion kann stattfinden, da einerseits Hartchrom­ schichten in der Regel porös sind und da andererseits in der keramischen Industrie zu verarbeitende Stoffe korrosive Komponenten aufweisen können.

Demgegenüber liegt der Erfindung das technische Problem zugrunde, ein Werkzeug bzw. Werkzeugteile zur Verfügung zu stellen, welche in der keramischen Industrie einem minera­ lischen Abrieb ausgesetzt sind und welche dennoch einfach herzustellen und gleichzeitig hinsichtlich der Standzeit verbessert sind.

Zur Lösung dieses technischen Problems lehrt die Erfindung die Verwendung von Stahlbauteilen, die eine Verschleiß­ schutzschicht aus einer Substanz der Gruppe Boride, Car­ bide, Nitride, Carbonitride oder Oxide der Elemente der Nebengruppen IVb, Vb oder VIb des periodischen Systems oder Mischungen davon aufweisen, als einem Verschleiß durch mineralischen Abrieb ausgesetzte Werkzeuge oder Werkzeug­ teile in der keramischen Industrie mit den Maßgaben, daß zumindest die dem Verschleiß ausgesetzte Oberfläche des Stahlbauteils mit der Verschleißschutzschicht ausgerüstet worden ist, daß die Verschleißschutzschicht mittels des PVD- oder CVD-Verfahrens aufgebracht worden ist und daß die Verschleiß­ schutzschicht eine Schichtdicke von zumindest 3 µm auf­ weist, und mit der weiteren Maßgabe, daß das Stahlbauteil nach dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht thermisch gehärtet worden ist. Überraschenderweise reicht die Haftfähigkeit zwi­ schen der Verschleißschutzschicht und dem Substrat bei den erfindungsgemäßen Werkzeugen völlig aus, um beim Einsatz in der keramischen Industrie auftretende Schubbeanspruchungen an der Grenzebene zwischen der Verschleißschutzschicht und dem Substrat aufzunehmen. Dies überrascht deshalb, weil aufgrund der hohen Härte der in der keramischen Industrie zu verarbeitenden Stoffe bzw. Stoffbestandteile eine sehr hohe gerichtete Schubbeanspruchung und folglich ein Ablösen der Verschleißschutzschicht erwartet werden würde. Die Erfindung funktioniert vermutlich deshalb, weil die Ver­ schleißschutzschicht aufgrund des CVD- bzw. PVD-Verfahrens einerseits eine in Richtung senkrecht zur Oberfläche im wesentlichen lamellare Struktur hat und andererseits ansonsten mikrokristallin ist, und weil die Verschleiß­ schutzschicht als inhärente Eigenschaft der Substanzen eine höhe Härte aufweist. Vermutlich ist dadurch eine Oberfläche geschaffen, die besonders wenig Ansatzpunkte für Reibung mit den zu verarbeitenden Stoffen bietet, wodurch auch nur geringe Schubkräfte entstehen können. Zudem hat eine Verschleißschutzschicht mit lamellarem Aufbau eine relativ hohe Zähigkeit, wodurch möglicherweise eine bessere Verteilung von lokalen Schubbeanspruchungen in der Ver­ schleißschutzschicht stattfindet. Erfindungsgemäße Stahl­ bauteile sind vergleichsweise einfach und mit geringen Kosten herstellbar und gewährleisten dennoch eine deutlich erhöhte Standzeit.

Es empfiehlt sich, die Oberfläche des Stahlbauteils vor dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht zu reinigen, da Verunreinigungen der Stahlbauteil-Oberfläche vor dem Auf­ bringen der Verschleißschutzschicht die Haftung der Ver­ schleißschutzschicht erheblich verschlechtern können. Als Reinigungsverfahren kommen insbesondere galvanochemisches, thermisches oder Ionenstrahlätzen bzw. Plasmaätzen in Frage. Es können auch Kombinationen dieser Verfahren einge­ setzt werden. Durch die Reinigung wird auch eine die Haftung der Verschleißschutzschicht verbessernde Aktivie­ rung der Oberfläche des Stahlbauteils eingerichtet.

In besonderen Fällen ist es vorteilhaft, wenn die Ober­ fläche des Stahlbauteils vor dem Aufbringen der Verschleiß­ schutzschicht mit einer Zwischenschicht zur Haftvermittlung ausgerüstet worden ist. Dies empfiehlt sich insbesondere, wenn die Stahlbauteile aus rostfreien Stählen hergestellt sind. Die Zwischenschicht hat eine Schichtdicke von vorzugsweise < 3 mm und kann beispielsweise durch Auftragschweißen oder thermisches Spritzen aufgebracht worden sein. Als Stoffe kommen für die Zwischenschicht z. B. hochcarbidhaltige, rostfreie Werkstoffe in Frage. Neben der Haftvermittlung kann die Zwischenschicht eine Verbesserung der Druckfestigkeit des Stahlbauteils bewirken.

Nach dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht auf das Stahlbauteil, ist das Stahlbauteil thermisch gehärtet worden. Der Begriff der thermischen Härtung bezieht sich hierbei auf die für Stähle üblichen Härtungsverfahren durch Wärme. Eine solche Härtung des Substrats ist besonders vorteilhaft, wenn das Stahlbauteil hohen Druckbelastungen ausgesetzt ist, da dann mechanische Spannungen zwischen der per se harten Verschleißschutzschicht und dem Substrat, bzw. dem oberflächennahen Bereich des Substrates, reduzier­ bar sind. Es versteht sich, daß das Stahlbauteil nach dem thermischen Härten auf übliche Weise nach Maßgabe der Anforderungen angelassen worden sein kann. Überraschenderweise ist eine thermische Härtung des Substrats trotz der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Stahl und den Beschichtungs-Substanzen möglich, ohne daß ein Ablösen der Verschleißschutzschicht beobachtet wird.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Oberfläche der Verschleißschutzschicht geglättet worden. Hierdurch sind die in der Grenzebene zwischen Substrat und der Ver­ schleißschutzschicht anfallenden gerichteten Schubbeanspru­ chungen weiter reduzierbar. Methoden für das Glätten der Verschleißschutzschicht sind beispielsweise das Polier­ läppen oder Polierschleifen.

In einer weiterhin vorteilhaften Ausführungsform der Erfin­ dung ist die Verschleißschutzschicht durch Aufbringen von Verschleißschutzteilschichten in aufeinander folgenden Ver­ fahrensstufen lamellar aufgebracht worden. Mit dieser Vorgehens­ weise wird die vorteilhafte lamellare Struktur der Verschleißschutzschicht sichergestellt. Eine hinsichtlich der Eigenschaften und der Verteilung von Schubbeanspruchun­ gen verbesserte Verschleißschutzschicht erhält man, wenn die aufeinander folgenden Verschleißschutzteilschichten aus verschiedenen Substanzen aufgebaut worden sind.

Bei erfindungsgemäßen Stahlbauteilen handelt es sich bei­ spielsweise um Mundstückeinsätze für die Ziegelfertigung, um Mundstücke für technische Keramikprodukte aus Aluminium­ oxid oder Siliziumcarbid, um Schnecken- und/oder Zylinder­ einsätze für die Porzellanherstellung, um Formen für tech­ nische Keramikprodukte, für die Kalksandsteinproduktion oder für die Herstellung keramischer Vliese, und um Maschinenteile für die MIM- und CIM-Verfahrenstechniken (Metal- bzw. Ceramic-Injection Moulding).

Die Erfindung wird im folgenden anhand von lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Beispielen näher erläu­ tert.

Beispiel 1

Ein Mundstückeinsatz für die Ziegelfertigung, welcher aus einer Trägerkonstruktion aus Normalstahl ST 52 und Form­ stücken aus dem vergütbaren Werkstoff 1.2288 besteht, wurde zunächst mittels der üblichen Verfahren entfettet und galvanochemisch geätzt. Danach wurde der Mundstückeinsatz in mehreren aufeinander folgenden CVD-Verfahrensstufen mit einer TiN-Schicht ausgestattet. Die Temperatur des Mund­ stückeinsatzes betrug dabei 950 bis 1050°C. Die TiN-Schicht mit lamellarer Struktur hatte eine Schichtdicke von 20 µm. Nach dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht wurde der Mundstückeinsatz im Vakuum bei 1065°C gehärtet und nachfolgend bei 250 bis 300°C angelassen. Es versteht sich, daß die Härtung im wesentlichen bezüglich des vergütbaren Werkstoffes erfolgte. Die Prüfung der Haftfähigkeit der TiN-Schicht mittels DB-Verfahren ergab einen Wert von 2, d. h. eine sehr gute Haftung. Die Standzeit des Mundstückeinsatzes betrug etwa das Vierfache eines zu Vergleichszwecken hartverchromten Mundstückein­ satzes.

Beispiel 2

Ein Mundstückeinsatz für die Ziegelfertigung entsprechend dem Beispiel 1 wurde wie dort beschrieben vorbehandelt. Das Aufbringen der lamellaren Verschleißschutzschicht mittels des CVD-Verfahrens erfolgte bei 980 bis 1100°C mit Gas­ wechsel bis zu einer Schichtdicke von 12 µm. Die Prüfung der Haftfähigkeit ergab wiederum einen Wert von 2. Die Standzeit betrug mehr als das Dreifache der Standzeit des hartverchromten Vergleich-Mundstückeinsatzes.

Beispiel 3

Eine Preßschnecke aus rostfreiem Chrom/Nickel-Stahl für die Erzeugung von Brennhilfsmitteln aus Siliziumcarbid oder Aluminiumoxid für die Porzellanherstellung, welche aus einem zweiflügeligen Spitzkopf und acht Halbschnecken besteht, wurde vorbehandelt durch Auftragschweißen einer rostfreien Chrom/Chromcarbid-haltigen Zwischenschicht auf den Triebseiten und Außenkanten. Die Dicke dieser Zwischen­ schicht betrug ca. 4 mm. Anschließend wurde auf der Preß­ schnecke eine TiN-Schicht von ca. 12 µm auf den Trieb­ seiten, Kanten und Naben durch das CVD-Verfahren entspre­ chend dem Beispiel 1 aufgebracht. Die Prüfung der Haft­ fähigkeit ergab einen Wert von 2. Die Preßschnecke hatte eine um den Faktor 2 bis 3 höhere Standzeit als eine Ver­ gleich-Preßschnecke, welche zwar mit einer Chrom/Chrom­ carbid-Beschichtung, nicht jedoch mit einer TiN-Verschleiß­ schutzschicht ausgestattet war.

Claims (5)

1. Verwendung von Stahlbauteilen, die eine Verschleiß­ schutzschicht aus Substanzen der Gruppe Boride, Carbide, Nitride, Carbonitride oder Oxide der Elemente der Nebengruppen IVb, Vb oder VIb des periodischen Systems oder Mischungen davon aufweisen,
als einem Verschleiß durch mineralischen Abrieb ausgesetzte Werkzeuge oder Werkzeugteile in der keramischen Industrie
mit den Maßgaben, daß zumindest die dem Verschleiß ausgesetzte Oberfläche des Stahlbauteils mit der Verschleißschutzschicht ausgerüstet worden ist, daß die Verschleißschutzschicht mittels des PVD- oder CVD-Verfahrens aufgebracht worden ist, daß die Verschleiß­ schutzschicht eine Schichtdicke von zumindest 3 µm aufweist und mit der weiteren Maßgabe, daß das Stahlbauteil nach dem Aufbringen der Verschleißschutz­ schicht thermisch gehärtet worden ist.

2. Verwendung nach Anspruch 1 mit der Maßgabe, daß die Oberfläche des Stahlbauteils vor dem Aufbringen der Verschleißschutzschicht mit einer Zwischenschicht zur Haftvermittlung ausgerüstet worden ist.

3. Verwendung nach Anspruch 1 oder 2 mit der Maßgabe, daß die Oberfläche der Verschleißschutzschicht geglättet worden ist.

4. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 mit der Maßgabe, daß die Verschleißschutzschicht durch Aufbringen von Verschleißschutzteilschichten in aufeinander folgenden Verfahrensstufen lamellar aufgebracht worden ist.

5. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit der Maßgabe, daß Verschleißschutzteilschichten aus verschiedenen Substanzen aufgebaut worden sind.