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EP0456847A1 - Method of producing a wear- and corrosion-resistant protective coating layer, composed of an austenitic steel alloy and so produced protective layer - Google Patents

Method of producing a wear- and corrosion-resistant protective coating layer, composed of an austenitic steel alloy and so produced protective layer Download PDF

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Publication number
EP0456847A1
EP0456847A1 EP90109028A EP90109028A EP0456847A1 EP 0456847 A1 EP0456847 A1 EP 0456847A1 EP 90109028 A EP90109028 A EP 90109028A EP 90109028 A EP90109028 A EP 90109028A EP 0456847 A1 EP0456847 A1 EP 0456847A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
weight
nitrogen
powder
component
spraying
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP90109028A
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
EP0456847B1 (en
Inventor
Clemens M. Dr. Verpoort
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
BERNEX GmbH
Original Assignee
BERNEX GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=40133659&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP0456847(A1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Priority to DE3816310A priority Critical patent/DE3816310A1/en
Priority to JP63151353A priority patent/JPS6417846A/en
Application filed by BERNEX GmbH filed Critical BERNEX GmbH
Priority to EP90109028A priority patent/EP0456847B1/en
Priority to DE59007940T priority patent/DE59007940D1/en
Publication of EP0456847A1 publication Critical patent/EP0456847A1/en
Application granted granted Critical
Publication of EP0456847B1 publication Critical patent/EP0456847B1/en
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Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/16—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed
    • B05B7/22—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc
    • B05B7/228—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas incorporating means for heating or cooling the material to be sprayed electrically, magnetically or electromagnetically, e.g. by arc using electromagnetic radiation, e.g. laser
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/02—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working in inert or controlled atmosphere or vacuum
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/10—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of nickel or cobalt or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C12/00—Solid state diffusion of at least one non-metal element other than silicon and at least one metal element or silicon into metallic material surfaces
    • C23C12/02—Diffusion in one step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/137—Spraying in vacuum or in an inert atmosphere
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/24—Nitriding
    • C23C8/26—Nitriding of ferrous surfaces

Definitions

  • the invention relates to the further development and perfection of the application of protective layers, using spraying methods and heat treatments of the surface zone of a workpiece.
  • the invention relates to a method for producing a protective layer with high wear and corrosion resistance of an austenitic iron-based alloy on the surface of a component serving as a substrate by thermal spraying and a protective layer prepared by the method.
  • the pressure-electro-slag remelting process makes it possible to produce austenitic steels with a very high nitrogen content.
  • the molten steel is kept under 30 bar nitrogen overpressure for a long time and nitrogen is added to the melt via silicon nitride.
  • nitrogen-alloyed melts are cooled under pressure, the high, dissolved nitrogen content in the workpiece is maintained. It is possible to produce forgings with nitrogen contents of 0.5% by weight. Higher nitrogen contents can not be realized by melt metallurgy, since correspondingly high silicon nitride additions, which would lead to an excessively high Si content of the steel, have to be added for the introduction of nitrogen.
  • the embroidered components are characterized by a very high strength due to the interstitial nitrogen storage. With increasing nitrogen content, both the yield strength and the tensile strength increase linearly. The toughness of the material is not reduced with increasing nitrogen content. The strength of this class of material, defined as the product of yield strength and fracture toughness, is higher than that of all conventional steels. Another important feature of the technical use of these materials is their outstanding resistance to stress corrosion cracking. It turns out that the nitrogen takes over as an alloying element a protective effect, as it has previously been known only from chromium.
  • the melt of the austenitic steels is atomized in a gas atomization plant. If nitrogen is used as the atomizing gas, a slight nitridation of the powder (about 0.1-0.2 wt .-%) is achieved.
  • the nitrogen concentration of the powder can by the hot isostatic pressing process described in patent DE-C-3624622 can be further increased. Nitrogen contents of more than 1.2% by weight of nitrogen in the powder can be achieved by the process described there.
  • Thermal spraying is ansich known from many publications. These include flame spraying, plasma spraying, high-speed flame spraying, etc.
  • the materials which are to build up the surface layer are supplied to the corresponding apparatus both in wire, ribbon and powder form.
  • the methods are to be used, which use a laser beam as an energy source for heating and melting of the materials.
  • the invention has for its object to provide a method for producing a wear and corrosion-resistant surface layer of austenitsichen iron base alloy on a component serving as a substrate, in principle, the thermal spraying should be used.
  • the protective layer should have high mechanical strength even at higher temperatures, be stable for a long time and must not change chemically and physically in the course of operation.
  • the method should be inexpensive, reproducible and feasible by simple means. This object is achieved in that in the aforementioned method, the protective layer in its final state has a nitrogen content of min. 0.2% by weight.
  • Fig. 1 shows the method principle in general and a schematic representation of a powder injection device.
  • all-round protective gas atmosphere of nitrogen. 1 is to be coated, serving as a substrate component, in the present case the example of a roller or drum.
  • 2 is the wear and corrosion resistant metallic protective layer.
  • the figure shows the beginning of the application of the protective layer 2 on the component 1.
  • 3 illustrates the apparatus for thermal application of the thermal protection layer in general.
  • the reference numeral 3 is in principle for any type of device (spray gun, plasma torch, arc, etc.). In the present case, the figure applies specifically to the flame spray gun.
  • the reference numeral 4 stands for the metal powder in general. 5 indicates the supply of metal powder marked by an arrow in general.
  • FIG. 6 is the propellant gas (carrier gas) whose flow direction is indicated by an arrow.
  • a propellant are generally nitrogen or a nitrogen / argon mixture (symbols N2 or N2 / Ar) in question.
  • FIG. 7 illustrates the metal / gas jet being spun onto the surface of the component 1.
  • 8 is a shield, indicated by arrows with the symbol N2.
  • the inert gas shield consists of a nitrogen / noble gas mixture or of a pure noble gas.
  • the reference numeral 9 alternatively indicates a protective gas chamber (dash-dotted italic line using the example of a container using nitrogen as inert gas).
  • FIG. 2 the method and the apparatus for nitriding and for applying the protective layer is shown schematically.
  • 10 is Fe / Cr / Mn powder (non-nitrogenous), which in the present case serves as the starting material.
  • Figure 11 illustrates the Fe / Cr / Mn powder feed (indicated by vertical arrow) into the hot isostatic press.
  • 12 is an open container for heat treating the powders.
  • 13 means the supply of nitrogen N2 to the container 12 for the purpose of nitriding the powder 10.
  • the reference numeral 15 denotes Fe / Cr / Mn / N powder (containing nitrogen) and the vertical arrow 16 indicates the supply of this powder to the apparatus 3 (spray gun).
  • the remaining reference numerals 1, 2, 6, 7, 8 are consistent with those of FIG.
  • Fig. 3 relates to the method and apparatus using nitrogenous powder and a high speed flame spray gun.
  • Reference numerals 1, 2, 7, 8, 15 and 16 are the same as in Figs. 1 and 2 and can be taken from the latter.
  • 17 is a high-speed flame spray gun having a mixing chamber 18 for generating a fuel-oxygen mixture and a combustion chamber 19.
  • 20 is the fuel supply (symbols H2, CH4) and 21, the oxygen supply (symbol O2). Of course, other hydrocarbons (propane, propylene, etc.) can be used as fuel.
  • 22 represents the inert powder propellant, which usually consists of nitrogen (symbol N2) or a nitrogen / argon mixture (symbol N2 / Ar).
  • the supply of gaseous media is indicated by arrows.
  • Fig. 4 shows the method and apparatus using nitrogenous powder and a submerged arc.
  • the component 1 is covered with a loose powder bed 23 of Fe / Cr / Mn / N powder. Under this layer of powder, a hidden arc 25 burns between non-consumable tungsten electrodes 24.
  • the process is somewhat similar to submerged arc welding, except that instead of the consumable wire forming the weld metal as tungsten rods and instead of the slag-forming inert powder metal powder forming the surface layer forms, is provided.
  • the remaining reference symbols s. FIGS. 1 and 3.
  • FIG. 5 schematically illustrates the method and apparatus using a nitrogen-containing wire and a wire flame spray gun.
  • the reference numerals 1, 2, 6, 7, 8, 20 and 21 are explained in Figs. 1 and 3.
  • Fig. 26 is a common wire flame spray gun into which an Fe / Cr / Mn / N wire 27 is axially inserted.
  • 28 (arrow) represents the supply of a Fe / Cr / Mn / N wire to be melted.
  • 29 are the liquid metal particles which are thrown onto the surface of the component 1 to be coated.
  • Figure 6 relates to the method and apparatus using nitrogen-containing cored wires as electrodes and an open arc.
  • sprayed wires of solid Fe / Cr / Mn / N steel with high nitrogen content can also be used.
  • the wire electrode 30 of sheath wire is shown enlarged in the figure below again in longitudinal section.
  • the sheath wire is composed of a Fe / Cr / Mn / N powder core of comparatively high nitrogen content and a ductile metal or plastic shell.
  • 33 illustrates the supply of the sheathed wire 30 to be melted.
  • the open arc 34 is burning.
  • 35 is the atomizing nozzle through which the atomizing propellant gas 36 is supplied (arrow N2). All other reference numerals correspond to those of the preceding figures.
  • Figure 7 shows methods and apparatus using non-nitrogenous powder and post-nitriding the porous surface layer.
  • the upper picture shows the coating process using the example of a roller.
  • the non-nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / powder 10 is spin-coated onto the component by means of a spray gun and in this way a surface layer 37 is produced.
  • the middle picture shows the nitriding process.
  • the coated component is located in an oven 38 for isothermal annealing in a nitrogen atmosphere.
  • 39 is the supply of nitrogen to nitrify the surface layer 37 (symbol and arrow N2).
  • 40 represents the nitrogen lapping of the surface layer (trajectories with arrow).
  • the nitrogen partial pressure pN2 is indicated by arrows.
  • the lower picture shows the nitriding process in the case of the pass-stitch method in longitudinal section.
  • the horizontal arrow indicates the feed direction.
  • 41 is an annular heating device (induction coil, resistance elements), which are flanked by likewise annular nitrogen sprays 42. The latter serve for flushing the porous surface layer 37 for the purpose of nitriding. This way will Similar to a zone annealing process, the protective layer 2 is formed at the exit from the heating device 41.
  • Figure 8 shows the method and apparatus using nitrogenous powder and a laser beam as the thermal energy source.
  • the surface of the component 1 is acted upon by a perpendicularly incident laser beam 43 (symbol hv).
  • Feed 16 of the nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / N powder 15 takes place at an angle to the laser beam 43 via the feed tube 44.
  • the laser fusion zone 45 is formed, which supplies the protective layer 2 after solidification.
  • the feed direction of the component 1 is indicated by a horizontal arrow.
  • FIG. 9 shows the method and the device of a system for hot isostatic pressing for the purpose of embroidering and surface compacting.
  • the upper picture shows the component after application of the porous surface layer 37 of Fe / Cr / Mn (non-nitrogenous).
  • the picture below shows the combined nitriding and compaction process.
  • 46 is a furnace and at the same time a pressure vessel for hot-isostatic pressing and for embroidering of the coated component.
  • 47 illustrates the supply of nitrogen (symbol N2 and arrow) for hot isostatic pressing.
  • the process is represented by the symbols pN2 with arrow for the nitrogen partial pressure.
  • the latter can be 1-2000 bar, the temperature between 400 and 1100 ° C.
  • the metal powder 4 was in the device 3 - in the present case, a plasma torch - injected and spun by means of propellant gas 6 (in the present case, a N2 / Ar mixture) with the aid of a nitrogen shielding gas shield 8 in droplet form on the substrate.
  • the plasma flame had a temperature of 10,000 ° C and the speed of the gas jet was about 100 m / s.
  • the metal particles were nitrided up to a nitrogen content of about 0.2% by weight.
  • the thickness of the protective layer 2 averaged 0.3 mm.
  • the connection power of the device 3 (plasma torch) was 80 kW, the coating power about 4 kg / h.
  • Example 1 A container according to Example 1 was coated on its inside. In principle, the procedure was as in Example 1.
  • the metal powder 4 had the same Composition.
  • the nitrogen content of the protective layer 2 was on average 0.4% by weight.
  • a roll for the textile industry of 90 mm diameter and 1100 mm length made of low-alloy steel was provided by plasma spraying on its surface with a protective layer 2.
  • the starting material used was a powder of similar composition and particle size as described in Example 1.
  • the non-nitrogenous powder was first subjected to a pressure heat treatment in a container 12 in a hot isostatic press under nitrogen 13. This treatment consisted of annealing at temperatures between 350 and 850 ° C for 1 hour and a pressure of 1.5-10 bar under a nitrogen atmosphere.
  • the embroidered powder was then fed as Fe / Cr / Mn / N powder 15 into a low energy flame spray gun 3. As Teibgas 6 nitrogen was used.
  • the gas velocity was about 200 m / s, the flame spraying temperature about 2000 ° C.
  • the average thickness of the protective layer 2 reached the value of 0.5 mm.
  • the order performance was approx. 5 kg / h.
  • an average nitrogen content of 2.8% by weight could be determined analytically.
  • Example 3 a roller was provided with a protective layer 2.
  • the starting powder was 10 Fe / Cr / Mn for 2 hours in a hot isostatic press a Nitrogen atmosphere under a pressure of 5 bar at a temperature of 600 ° C subjected.
  • the finished protective layer had a nitrogen content of 3.2% by weight.
  • the high speed flame spray gun 17 was operated with propane (compare fuel supply 20) and oxygen (compare oxygen supply 21). The flame temperature was about 2400 ° C. Nitrogen was used as propellant (carrier gas) 22. Particle velocities of more than 500 m / s were achieved in the metal / gas jet 7. In order to protect the metal / gas jet 7, in which gas velocities up to 1500 m / s occurred, an inert gas shield 8 made of nitrogen was additionally used. The order performance was about 5 kg / h.
  • the protective layer 2 had a thickness of 0.8 mm and had a nitrogen content of 0.65 wt .-%.
  • a 30 mm thick steel plate (austenitic, corrosion-resistant steel) was provided with a 2 mm thick protective layer 2.
  • the submerged arc welding method using non-consumable tungsten electrodes 24 was used.
  • a nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / N powder 15 with 1.2 wt .-% nitrogen and a max. Particle size of 60 microns used.
  • the height of the loose powder bed averaged 6-8 mm.
  • a protective gas shield 8 made of nitrogen was used.
  • the current of the arc was about 160 amps, the feed about 200 mm / min. It was achieved a weld bead of about 8 mm wide.
  • the protective layer 2 had an average nitrogen content of 1.05% by weight.
  • a roller (substrate 1) was coated by the wire flame spraying method.
  • Example 5 produced by rolling and drawing a wire of about 3 mm diameter.
  • the wire flame spray gun 26 was operated with methane as fuel (20) and oxygen (21).
  • the flame temperature was about 2200 ° C, the order power 5 kg / h.
  • As propellant gas 6, nitrogen was used.
  • the gas velocity was about 200 m / s.
  • the nitrogen content of the 1.2 mm thick protective layer 2 was on average 0.6% by weight. It was worked with a shielding gas shield 8 made of nitrogen.
  • a roller (substrate 1) was provided with a wear-resistant protective layer 2 of 3 mm thickness by the arc-spraying method.
  • the roll intended for the paper industry had a diameter of 1800 mm and a length of 5000 mm and consisted of a low-alloyed steel.
  • Wire electrodes 30 were used from a sheath wire of 3.2 mm outside diameter.
  • the core 31 of the sheath wire made of pressed Fe / Cr / Mn / N powder containing 1.2% by weight of nitrogen had a diameter of 2.0 mm.
  • the 0.6 mm wall thickness envelope 32 was a very low ductility ductile iron.
  • the open arc 34 was charged with a sputtering gas 36 supplied through a sputtering nozzle 35.
  • Nitrogen was used for this. The whole thing was covered by a double shield 8 gas shield. The material application performance was at a current of 150 A about 15 kg / h. At a nitrogen content of the core 31 of 1.2 wt .-% of the nitrogen content of the protective layer 2 was still 0.75 wt .-% average.
  • a steel cylinder of 500 mm diameter and 3000 mm length was coated by the flame spraying process.
  • a non-nitrogen containing Fe / Cr / Mn powder 10 containing about 18% by weight of chromium and about 18% by weight of manganese as the starting material was used.
  • the porous surface layer 37 had an average thickness of 2 mm and had a porosity of about 10% by weight.
  • the coated steel cylinder was placed in a gas-tight annealing furnace 38 and for 3 hours exposed to a flowing nitrogen atmosphere under a partial pressure pN2 of 0.5 bar. Nitrogen feed 39 was made laterally and care was taken to ensure that the surface layer nitrogen was flushed all around 40.
  • the annealing temperature was 750 ° C and was kept constant (isothermal annealing).
  • the nitrogen content of the finished protective layer was determined to be 0.6% by weight.
  • a steel cylinder was coated according to Example 9. Subsequently, the porous surface layer 37 was embroidered by the continuous process.
  • the steel cylinder (substrate 1) was passed through an induction coil-shaped heater 41 flanked by annular nitrogen jets 42.
  • the surface layer 37 was brought to a temperature of 1000 ° C in a short time.
  • the feed was 60 mm / min.
  • the residence time averaged 2 minutes.
  • the nitrogen content of the finished protective layer reached the value of 0.4 wt .-%.
  • the coating was alternatively carried out by the plasma spraying process. After embroidering in the continuous process, virtually the same results were achieved.
  • a low alloy steel plate of 15 mm thickness was coated with nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / N powder 15 via a powder feed tube 44 and locally melted and coated by means of a laser beam 43.
  • the powder in the laser melting zone 45 was firmly bonded to the substrate 1 by fusion metallurgy.
  • the nitrogen content of the finished protective layer was due to the high cooling rate on average still 0.8 wt .-%.
  • the feed was 80 mm / min.
  • a roll of 80 mm in diameter and 1200 mm in length was provided with a porous surface layer 37 of Fe / Cr / Mn (non-nitrogenous) by the flame spraying method. Then the component 1 was placed in a hot isostatic press 46 and compacted by pressure embroidering under supply 47 of nitrogen as a pressurized gas under 10 bar at a temperature of 700 ° C. The process lasted 1 hour. The result was a protective layer of 1.2 mm thickness with a nitrogen content of 1.1% by weight. In one variant, a plasma-sprayed surface layer 37 was assumed. The result was similar.
  • the invention is not limited to the embodiments.
  • the process for producing a protective layer with high resistance to wear and corrosion from an austenitic iron-based alloy on the surface of a component serving as a substrate by thermal spraying is carried out by selecting the parameters such that the protective layer in its final state has a nitrogen content of at least 0, 2 wt .-%, using as starting material a produced by sputtering of a liquid jet of metal by a gas jet austenitic powder and by low-energy flame spraying or high-velocity flame spraying or by plasma spraying under nitrogen or a nitrogen / argon mixture as propellant gas on the surface is applied to the component and preferably as a starting material, a powder with 18 wt .-% chromium and 18 wt .-% manganese is used.
  • the powder is prepared by annealing in a nitrogen atmosphere before Spraying brought to a nitrogen content of 0.4-3.2 wt .-%, wherein it is preferably nitrated with a particle size of 5-45 microns in bulk and for at least 1 hr. Under a pressure of 1-1000 bar at exposed to a temperature of 300-800 ° C a static nitrogen atmosphere and brought in this way to a nitrogen content of 1.2 wt .-%, cooled and screened out.
  • the procedure is such that nitrogen-containing powder is used as the starting material and after the high-speed flame spraying method with a speed of min.
  • Another variant is that used as a starting material made of a block or ingot nitrogen-containing wire of 1.5-4 mm diameter and after the wire spraying by flame spraying or arc spraying under nitrogen, forming gas or a nitrogen / argon mixture on the surface of the Applied component or that a consisting of a core of nitrogen-containing austenitic metal powder and a sheath made of a ductile metal or an alloy or a plastic sheath wire is used and is applied by the wire spraying method by arc spraying on the surface of the component.
  • the component is first coated with a powder of a conventional, non-nitrogenous material by the plasma spraying process or by the high-speed flame spraying process and that the coated workpiece then in a furnace under a nitrogen atmosphere annealed under isothermal conditions or sent through the flow principle by an inductive or a resistance heater, wherein in the latter case, the surface is zonengeglüht continuously for 3-20 sec. At a temperature of 700-900 C ° and the annealing zone is simultaneously flushed with nitrogen.
  • the procedure is such that nitrogen-containing powder of an iron-based alloy is applied by means of a laser beam to the surface of the component, such that the surface and the powder particles are easily melted by the laser beam and the thus coated surface of a rapid cooling by heat removal after the Inside of the workpiece is subjected.
  • the component is provided by thermal spraying with a conventional, non-nitrogenous material with a porous surface layer and then the surface of the coated workpiece then using nitrogen as compressed gas simultaneously densified by hot isostatic pressing and nitrided.
  • the component is coated by plasma spraying under a nitrogen gas jacket by the molten metal particles are brought into contact only with nitrogen and thereby loaded with the necessary nitrogen content, wherein the plasma spraying preferably in a protective gas chamber under a pressure of 0.5 bar nitrogen is performed.

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Abstract

In a method of producing a protective layer of high wear resistance and corrosion resistance from an austenitic iron-based alloy on the surface of a component serving as the substrate by thermal spraying, the protective layer has in its final state a nitrogen content of at least 0.2% by weight. The protective layer is applied by flame-spraying, plasma-spraying, high-speed flame-spraying, arc-spraying, submerged welding or laser fusion. The starting materials are in the form of powder or wire, with or without a nitrogen content. Variants: nitriding at temperatures of 300-800 DEG C, 1-1000 bar. Simultaneous nitriding and hot-isostatic pressing for compacting the protective layer.

Description

Technisches GebietTechnical area

Verschleiß- und korrosionsfeste Schutzschichten hoher mechanischer Festigkeit zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Bauteilen. Oberflächentechnologie.Wear and corrosion resistant protective coatings of high mechanical strength to improve the surface properties of components. Surface Technology.

Die Erfindung bezieht sich auf die Weiterentwicklung und Vervollkommnung des Aufbringens von Schutzschichten unter Heranziehung von Spritzverfahren und Wärmebehandlungen der Oberflächenzone eines Werkstückes.The invention relates to the further development and perfection of the application of protective layers, using spraying methods and heat treatments of the surface zone of a workpiece.

Im engeren Sinne betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- und Korrosionswiderstand aus einer austenitischen Eisenbasislegierung auf der Oberfläche eines als Substrat dienenden Bauteiles durch thermisches Spritzen sowie eine nach dem Verfahren hergestellte Schutzschicht.In the narrower sense, the invention relates to a method for producing a protective layer with high wear and corrosion resistance of an austenitic iron-based alloy on the surface of a component serving as a substrate by thermal spraying and a protective layer prepared by the method.

Stand der TechnikState of the art

Durch das Druck-Elektroschlacke-Umschmelzverfahren (DESU-Verfahren) lassen sich austenitische Stähle mit sehr hohem Stickstoffgehalt herstellen. Dazu wird die Stahlschmelze unter 30 bar Stickstoffüberdruck für längere Zeit gehalten und Stickstoff wird der Schmelze über Siliziumnitrid zulegiert. Wenn solche stickstofflegierten Schmelzen unter Druck abgekühlt werden, bleibt der hohe, gelöste Stickstoffgehalt im Werkstück erhalten. Es lassen sich Schmiedestücke mit Stickstoffgehalten von 0,5 Gewichtsprozent herstellen. Höhere Stickstoffgehalte lassen sich schmelzmetallurgisch nicht realisieren, da zur Einbringung von Stickstoff entsprechend hohe Silizium-Nitrid-Zugaben beigemischt werden müssen, die zu einem zu hohen Si-Gehalt des Stahles führen würden. Die aufgestickten Bauteile zeichnen sich durch eine sehr hohe Festigkeit infolge der interstitiellen Stickstoffeinlagerung aus. Mit steigendem Stickstoffgehalt nimmt sowohl die Streckgrenze als auch die Zugfestigkeit linear zu. Die Zähigkeit des Werkstoffes wird mit zunehmendem Stickstoffgehalt nicht reduziert. Die Festigkeit dieser Werkstoffklasse, definiert als das Produkt aus der Streckgrenze und der Bruchzähigkeit, ist höher als bei allen herkömmlichen Stählen. Wichtig für den technischen Einsatz dieser Werkstoffe ist aber eine weitere Eigenschaft, und zwar ihre hervorragende Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit. Es zeigt sich dabei, daß der Stickstoff als Legierungselement eine Schutzwirkung übernimmt, wie sie bisher nur vom Chrom her bekannt ist.The pressure-electro-slag remelting process (DESU process) makes it possible to produce austenitic steels with a very high nitrogen content. For this purpose, the molten steel is kept under 30 bar nitrogen overpressure for a long time and nitrogen is added to the melt via silicon nitride. When such nitrogen-alloyed melts are cooled under pressure, the high, dissolved nitrogen content in the workpiece is maintained. It is possible to produce forgings with nitrogen contents of 0.5% by weight. Higher nitrogen contents can not be realized by melt metallurgy, since correspondingly high silicon nitride additions, which would lead to an excessively high Si content of the steel, have to be added for the introduction of nitrogen. The embroidered components are characterized by a very high strength due to the interstitial nitrogen storage. With increasing nitrogen content, both the yield strength and the tensile strength increase linearly. The toughness of the material is not reduced with increasing nitrogen content. The strength of this class of material, defined as the product of yield strength and fracture toughness, is higher than that of all conventional steels. Another important feature of the technical use of these materials is their outstanding resistance to stress corrosion cracking. It turns out that the nitrogen takes over as an alloying element a protective effect, as it has previously been known only from chromium.

Neben der schmelzmetallurgischen Herstellung durch das beschriebene DESU-Verfahren gibt es die pulvermetallurgische Herstellung. Dazu wird die Schmelze der austenitischen Stähle in einer Gas-Atomisierungsanlage verdüst. Wenn als Atomisierungsgas Stickstoff verwendet wird, wird eine leichte Aufstickung des Pulvers (ca. 0,1-0,2 Gew.-%) erzielt. Die Stickstoffkonzentration des Pulvers kann durch das im Patent DE-C-3624622 beschriebene heiß-isostatische Preßverfahren weiter erhöht werden. Nach dem dort beschriebenenen Verfahren lassen sich Stickstoffgehalte von über 1,2 Gew.-% Stickstoff im Pulver erzielen.In addition to the production of melt metallurgy by the described DESU process, there is the powder metallurgical production. For this purpose, the melt of the austenitic steels is atomized in a gas atomization plant. If nitrogen is used as the atomizing gas, a slight nitridation of the powder (about 0.1-0.2 wt .-%) is achieved. The nitrogen concentration of the powder can by the hot isostatic pressing process described in patent DE-C-3624622 can be further increased. Nitrogen contents of more than 1.2% by weight of nitrogen in the powder can be achieved by the process described there.

Das Aufbringen von Oberflächenschichten aller Art aus metallischen und/oder keramischen Werkstoffen durch zahlreiche sog. "thermische Spritzverfahren" ist ansich aus vielen Veröffentlichungen bekannt. Darunter zählen das Flammspritzen, Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen usw. Als Ausgangsmaterialien werden die Werkstoffe, die die Oberflächenschicht aufbauen sollen, sowohl in Draht-, Bandwie in Pulverform dem entsprechenden Apparat zugeführt. Außerdem sind die Verfahren zu erwähnen, die als Energiequelle zum Erhitzen und Schmelzen der Werkstoffe einen Laserstrahl benutzen.The application of surface layers of all kinds of metallic and / or ceramic materials by numerous so-called. "Thermal spraying" is ansich known from many publications. These include flame spraying, plasma spraying, high-speed flame spraying, etc. As starting materials, the materials which are to build up the surface layer are supplied to the corresponding apparatus both in wire, ribbon and powder form. In addition, the methods are to be used, which use a laser beam as an energy source for heating and melting of the materials.

Zum Stand der Technik werden die folgenden Druckschriften zitiert:

  • DE-C-3624622
  • J.J. Kaiser, R.A. Miller, "Inert gas improves arc-sprayed coatings" Advanced Materials & Processes, 12/89, S. 37-40
  • W.E. Stanton, "Metal spraying unter protective atmospheres" The Engineers Digest, 20 No. 11, 1959, S. 445-447
  • J. Foct, A. Hendry, "High Nitrogen Steels, HNS 88" Proceedings of the international conference, Lille, Frankreich, 18.-20.Mai 1988, The Institute of Metals 1989
  • G. Stein, J. Menzel "Nitrogen-Alloyed-Steels for High-Strength and High-Temperature Applications in Steam Turbines" 2. International Congress on High Nitrogen Steels, Aachen 1990 (erscheint demnächst)
The following references are cited in relation to the prior art:
  • DE-C-3624622
  • JJ Kaiser, RA Miller, "Inert gas-enhanced arc-sprayed coatings" Advanced Materials & Processes, 12/89, pp. 37-40
  • WE Stanton, "Metal spraying under protective atmospheres" The Engineers Digest, 20 no. 11, 1959, pp. 445-447
  • J. Foct, A. Hendry, "High Nitrogen Steels, HNS 88" Proceedings of the International Conference, Lille, France, May 18-20, 1988, The Institute of Metals 1989
  • G. Stein, J. Menzel "Nitrogen-Alloyed Steels for High-Strength and High-Temperature Applications in Steam Turbines" 2nd International Congress on High Nitrogen Steels, Aachen 1990 (Coming Soon)

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer verschleiß- und korrosionsfesten Oberflächenschicht aus einer austenitsichen Eisen- Basislegierung auf einem als Substrat dienenden Bauteil anzugeben, wobei grundsätzlich das Thermische Spritzen zur Anwendung kommen soll. Die Schutzschicht soll hohe mechanische Festigkeit auch bei höheren Temperaturen aufweisen, langzeitig stabil sein und darf sich im Verlauf des Betriebes chemisch-physikalisch nicht verändern. Das Verfahren soll kostengünstig, reproduzierbar und mit einfachen Mitteln durchführbar sein. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im eingangs erwähnten Verfahren die Schutzschicht in ihrem Endzustand einen Stickstoffgehalt von mind. 0,2 Gewichts-% aufweist.The invention has for its object to provide a method for producing a wear and corrosion-resistant surface layer of austenitsichen iron base alloy on a component serving as a substrate, in principle, the thermal spraying should be used. The protective layer should have high mechanical strength even at higher temperatures, be stable for a long time and must not change chemically and physically in the course of operation. The method should be inexpensive, reproducible and feasible by simple means. This object is achieved in that in the aforementioned method, the protective layer in its final state has a nitrogen content of min. 0.2% by weight.

Weg zur Ausführung der ErfindungWay to carry out the invention

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben.The invention will be described by the following, by figures explained in more detail embodiments.

Dabei zeigt:

Fig. 1
Das Verfahrensprinzip allgemein sowie eine schematische Darstellung einer Pulverspritzvorrichtung. Alternativ zusätzlich allseitige Schutzgasatmosphäre
Fig. 2
Das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Aufstickung der Spritzpulver und zum Aufbringen der Schutzschicht
Fig. 3
Das Verfahren sowie die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigem Pulver und einer Hochgeschwindigkeits-Flammspritzpistole
Fig. 4
Das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigem Pulver und einem Unterpulver-Lichtbogen
Fig. 5
Das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung eines stickstoffhaltigen Drahtes und einer Draht-Flammspritzpistole
Fig. 6
Das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigen Hülldrähten als Elektroden und einem offenen Lichtbogen. Alternativ: Spritzdraht aus massivem, aufgesticktem austenitischen Stahldraht
Fig. 7
Das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von nicht stickstoffhaltigem Pulver und nachträglicher Aufstickung der porösen Oberflächenschicht
Fig. 8
Das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigem Pulver und einem Laserstrahl als thermischer Energiequelle
Fig. 9
Das Verfahren und die Vorrichtung einer Anlage zum heißisostatischen Pressen zwecks Aufstickens und Oberflächenverdichtens
Showing:
Fig. 1
The process principle in general and a schematic representation of a powder spray device. Alternatively, all-round protective gas atmosphere
Fig. 2
The method and apparatus for nitriding the spray powder and for applying the protective layer
Fig. 3
The method and apparatus using nitrogenous powder and a high speed flame spray gun
Fig. 4
The method and apparatus using nitrogenous powder and a submerged arc
Fig. 5
The method and apparatus using a nitrogen-containing wire and a wire flame spray gun
Fig. 6
The method and apparatus using nitrogen containing cored wires as electrodes and an open arc. Alternatively: spray wire made of solid, embroidered austenitic steel wire
Fig. 7
The method and apparatus using non-nitrogenous powder and subsequently nitriding the porous surface layer
Fig. 8
The method and apparatus using nitrogenous powder and a laser beam as a thermal energy source
Fig. 9
The process and apparatus of a hot isostatic pressing plant for the purpose of embroidering and surface compacting

Fig. 1 zeigt das Verfahrensprinzip allgemein sowie eine schematische Darstellung einer Pulverspritzvorrichtung. Alternativ: Zusätzlich allseitige Schutzgas-Atmosphäre aus Stickstoff. 1 ist das zu beschichtende, als Substrat dienende Bauteil, im vorliegenden Fall am Beispiel einer Walze oder Trommel. 2 ist die verschleiß- und korrosionsfeste metallische Schutzschicht. Die Figur zeigt den Beginn des Aufbringens der Schutzschicht 2 auf das Bauteil 1. 3 stellt die Vorrichtung zum thermischen Aufbringen der thermischen Schutzschicht ganz allgemein dar. Das Bezugszeichen 3 steht prinzipiell für jede Art Vorrichtung (Spritzpistole, Plasmabrenner, Lichtbogen usw.). Im vorliegenden Fall gilt die Figur speziell für die Flammspritzpistole. Das Bezugszeichen 4 steht für das Metallpulver allgemein. 5 bedeutet die durch einen Pfeil markierte Zuführung der Metallpulver allgemein. 6 ist das Treibgas (Trägergas), dessen Strömungsrichtung durch einen Pfeil angedeutet ist. Als Treibgas kommen allgemein Stickstoff oder eine Stickstoff-/Argon-Mischung (Symbole N₂ bzw. N₂/Ar) infrage. 7 stellt den Metall-/Gasstrahl dar, der auf die Oberfläche des Bauteils 1 aufgeschleudert wird. 8 ist ein Schutzgasschild, durch Pfeile mit dem Symbol N₂ angedeutet. Alternativ besteht der Schutzgasschild aus einer Stickstoff-/Edelgasmischung oder aus einem reinen Edelgas. Mit dem Bezugszeichen 9 ist alternativ eine Schutzgaskammer angedeutet (strichpunktierte Kursivlinie am Beispiel eines Behälters unter Verwendung von Stickstoff als Schutzgas).Fig. 1 shows the method principle in general and a schematic representation of a powder injection device. Alternatively: In addition, all-round protective gas atmosphere of nitrogen. 1 is to be coated, serving as a substrate component, in the present case the example of a roller or drum. 2 is the wear and corrosion resistant metallic protective layer. The figure shows the beginning of the application of the protective layer 2 on the component 1. 3 illustrates the apparatus for thermal application of the thermal protection layer in general. The reference numeral 3 is in principle for any type of device (spray gun, plasma torch, arc, etc.). In the present case, the figure applies specifically to the flame spray gun. The reference numeral 4 stands for the metal powder in general. 5 indicates the supply of metal powder marked by an arrow in general. 6 is the propellant gas (carrier gas) whose flow direction is indicated by an arrow. As a propellant are generally nitrogen or a nitrogen / argon mixture (symbols N₂ or N₂ / Ar) in question. FIG. 7 illustrates the metal / gas jet being spun onto the surface of the component 1. 8 is a shield, indicated by arrows with the symbol N₂. Alternatively, the inert gas shield consists of a nitrogen / noble gas mixture or of a pure noble gas. The reference numeral 9 alternatively indicates a protective gas chamber (dash-dotted italic line using the example of a container using nitrogen as inert gas).

In Fig. 2 ist das Verfahren sowie die Vorrichtung zur Aufstickung und zum Aufbringen der Schutzschicht schematisch dargestellt. 10 ist Fe/Cr/Mn-Pulver (nicht stickstoffhaltig), das im vorliegenden Fall als Ausgangsmaterial dient. 11 stellt die Zufuhr des Fe/Cr/Mn-Pulvers (durch vertikalen Pfeil angedeutet) in die heißisostatische Presse dar. 12 ist ein offener Behälter zur Wärmebehandlung der Pulver. 13 bedeutet die Zufuhr von Stickstoff N₂ zum Behälter 12 zwecks Aufstickung des Pulvers 10. 14 ist die heißisostatische Presse (Stickstoffdruck 1-2000 bar, T = 400-1100 °C). Das Bezugszeichen 15 bedeutet Fe/Cr/Mn/N-Pulver (stickstoffhaltig) und der vertikale Pfeil 16 die Zufuhr dieses Pulvers zur Vorrichtung 3 (Spritzpistole). Die übrigen Bezugszeichen 1, 2, 6, 7, 8 stimmen mit denjenigen der Figur 1 überein.In Fig. 2, the method and the apparatus for nitriding and for applying the protective layer is shown schematically. 10 is Fe / Cr / Mn powder (non-nitrogenous), which in the present case serves as the starting material. Figure 11 illustrates the Fe / Cr / Mn powder feed (indicated by vertical arrow) into the hot isostatic press. 12 is an open container for heat treating the powders. 13 means the supply of nitrogen N₂ to the container 12 for the purpose of nitriding the powder 10. 14 is the hot isostatic press (nitrogen pressure 1-2000 bar, T = 400-1100 ° C). The reference numeral 15 denotes Fe / Cr / Mn / N powder (containing nitrogen) and the vertical arrow 16 indicates the supply of this powder to the apparatus 3 (spray gun). The remaining reference numerals 1, 2, 6, 7, 8 are consistent with those of FIG.

Fig. 3 bezieht sich auf das Verfahren sowie die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigem Pulver und einer Hochgeschwindigkeits-Flammspritzpistole. Die Bedeutung der Bezugszeichen 1, 2, 7, 8, 15 und 16 ist die gleiche wie in Figuren 1 und 2 und kann aus letzteren entnommen werden. 17 ist eine Hochgeschwindigkeits-Flammspritzpistole, welche eine Mischkammer 18 zur Erzeugung eines Brennstoff-Sauerstoffgemisches und eine Brennkammer 19 aufweist. 20 ist die Brennstoffzufuhr (Symbole H₂; CH₄) und 21 die Sauerstoffzufuhr (Symbol O₂). Selbstverständlich können auch andere Kohlenwasserstoffe (Propan, Propylen etc.) als Brennstoff verwendet werden. 22 stellt das inerte Pulver-Treibgas dar, welches in der Regel aus Stickstoff (Symbol N₂) oder einem Stickstoff/Argon-Gemisch (Symbol N₂/Ar) besteht. Die Zufuhr der gasförmigen Medien ist jeweils durch Pfeile gekennzeichnet.Fig. 3 relates to the method and apparatus using nitrogenous powder and a high speed flame spray gun. The meaning of Reference numerals 1, 2, 7, 8, 15 and 16 are the same as in Figs. 1 and 2 and can be taken from the latter. 17 is a high-speed flame spray gun having a mixing chamber 18 for generating a fuel-oxygen mixture and a combustion chamber 19. 20 is the fuel supply (symbols H₂, CH₄) and 21, the oxygen supply (symbol O₂). Of course, other hydrocarbons (propane, propylene, etc.) can be used as fuel. 22 represents the inert powder propellant, which usually consists of nitrogen (symbol N₂) or a nitrogen / argon mixture (symbol N₂ / Ar). The supply of gaseous media is indicated by arrows.

Fig. 4 zeigt das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigem Pulver und einem Unterpulver-Lichtbogen. Das Bauteil 1 wird mit einer losen Pulverschüttung 23 aus Fe/Cr/Mn/N-Pulver bedeckt. Unter dieser Pulverschicht brennt ein verdeckter Lichtbogen 25 zwischen nichtkonsumierbaren Wolframelektroden 24. Das Verfahren ähnelt etwas dem Unterpulver-Lichtbogenschweißen, mit dem Unterschied, daß hier statt des konsumierbaren, das Schweißgut bildenden Drahtes als Elektroden Wolframstäbe und statt des schlackenausbildenden inerten Pulvers Metallpulver, das die Oberflächenschicht bildet, vorgesehen ist. Die restlichen Bezugszeichen s. Figuren 1 und 3.Fig. 4 shows the method and apparatus using nitrogenous powder and a submerged arc. The component 1 is covered with a loose powder bed 23 of Fe / Cr / Mn / N powder. Under this layer of powder, a hidden arc 25 burns between non-consumable tungsten electrodes 24. The process is somewhat similar to submerged arc welding, except that instead of the consumable wire forming the weld metal as tungsten rods and instead of the slag-forming inert powder metal powder forming the surface layer forms, is provided. The remaining reference symbols s. FIGS. 1 and 3.

In Figur 5 ist das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung eines stickstoffhaltigen Drahtes und einer Draht-Flammspritzpistole schematisch dargestellt. Die Bezugszeichen 1, 2, 6, 7, 8, 20 und 21 sind in Fig. 1 und 3 erklärt. 26 ist eine übliche Draht-Flammspritzpistole, in die axial ein Fe/Cr/Mn/N-Draht 27 eingeführt wird. 28 (Pfeil) stellt die Zufuhr eines zu schmelzenden Fe/Cr/Mn/N-Drahtes dar. 29 sind die flüssigen Metallpartikel, die auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils 1 geschleudert werden.FIG. 5 schematically illustrates the method and apparatus using a nitrogen-containing wire and a wire flame spray gun. The reference numerals 1, 2, 6, 7, 8, 20 and 21 are explained in Figs. 1 and 3. Fig. 26 is a common wire flame spray gun into which an Fe / Cr / Mn / N wire 27 is axially inserted. 28 (arrow) represents the supply of a Fe / Cr / Mn / N wire to be melted. 29 are the liquid metal particles which are thrown onto the surface of the component 1 to be coated.

Die Figur 6 bezieht sich auf das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigen Hülldrähten als Elektroden und einem offenen Lichtbogen. Alternativ können auch Spritzdrähte aus massivem Fe/Cr/Mn/N-Stahl mit hohem Stickstoffgehalt verwendet werden. Die Drahtelektrode 30 aus Hülldraht ist in der Figur unten nochmals im Längsschnitt vergrößert dargestellt. Der Hülldraht ist aus einem aus Fe/Cr/Mn/N-Pulver bestehenden Kern mit vergleichweise hohem Stickstoffgehalt und einer Hülle aus einem duktilen Metall oder aus Kunststoff aufgebaut. 33 stellt die Zufuhr des zu schmelzenden Hülldrahtes 30 dar. Zwischen den beiden Hülldrähten 30 brennt der offene Lichtbogen 34. 35 ist die Zerstäubungsdüse, durch die das Zerstäubungstreibgas 36 zugeführt wird (Pfeil N₂). Alle übrigen Bezugszeichen entsprechen denjenigen der vorangegangenen Figuren.Figure 6 relates to the method and apparatus using nitrogen-containing cored wires as electrodes and an open arc. Alternatively, sprayed wires of solid Fe / Cr / Mn / N steel with high nitrogen content can also be used. The wire electrode 30 of sheath wire is shown enlarged in the figure below again in longitudinal section. The sheath wire is composed of a Fe / Cr / Mn / N powder core of comparatively high nitrogen content and a ductile metal or plastic shell. 33 illustrates the supply of the sheathed wire 30 to be melted. Between the two sheath wires 30, the open arc 34 is burning. 35 is the atomizing nozzle through which the atomizing propellant gas 36 is supplied (arrow N₂). All other reference numerals correspond to those of the preceding figures.

Figur 7 zeigt Verfahren und Vorrichtung unter Verwendung von nicht stickstoffhaltigem Pulver und nachträglicher Aufstickung der porösen Oberflächenschicht. Das obere Bild zeigt den Beschichtungsvorgang am Beispiel einer Walze. Das nicht stickstoffhaltige Fe/Cr/Mn/Pulver 10 wird mittels Spritzpistole auf das Bauteil aufgeschleudert und auf diese Weise eine Oberflächenschicht 37 hergestellt. Das mittlere Bild zeigt den Aufstickungsprozeß. Das beschichtete Bauteil befindet sich in einem Ofen 38 für das isotherme Glühen in Stickstoffatmosphäre. 39 ist die Zufuhr von Stickstoff zur Aufstickung der Oberflächenschicht 37 (Symbol und Pfeil N₂). 40 stellt die Stickstoffumspülung der Oberflächenschicht dar (Trajektorien mit Pfeil). Der Stickstoff-Partialdruck pN₂ ist mit Pfeilen angedeutet. Das untere Bild zeigt den Aufstickungsprozeß im Fall des Durchlauf-Aufstickverfahrens im Längsschnitt. Der horizontale Pfeil deutet die Vorschubrichtung an. 41 ist eine ringförmige Heizeinrichtung (Induktionsspule, Widerstandselemente), die von ebenfalls ringförmigen Stickstoffbrausen 42 flankiert werden. Letztere dienen zur Umspülung der porösen Oberflächenschicht 37 zwecks Aufstickung. Auf diese Weise wird ähnlich einem Zonenglühprozeß die Schutzschicht 2 am Austritt aus der Heizeinrichtung 41 gebildet.Figure 7 shows methods and apparatus using non-nitrogenous powder and post-nitriding the porous surface layer. The upper picture shows the coating process using the example of a roller. The non-nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / powder 10 is spin-coated onto the component by means of a spray gun and in this way a surface layer 37 is produced. The middle picture shows the nitriding process. The coated component is located in an oven 38 for isothermal annealing in a nitrogen atmosphere. 39 is the supply of nitrogen to nitrify the surface layer 37 (symbol and arrow N₂). 40 represents the nitrogen lapping of the surface layer (trajectories with arrow). The nitrogen partial pressure pN₂ is indicated by arrows. The lower picture shows the nitriding process in the case of the pass-stitch method in longitudinal section. The horizontal arrow indicates the feed direction. 41 is an annular heating device (induction coil, resistance elements), which are flanked by likewise annular nitrogen sprays 42. The latter serve for flushing the porous surface layer 37 for the purpose of nitriding. This way will Similar to a zone annealing process, the protective layer 2 is formed at the exit from the heating device 41.

In Figur 8 ist das Verfahren und die Vorrichtung unter Verwendung von stickstoffhaltigem Pulver und einem Laserstrahl als thermischer Energiequelle dargestellt. Die Oberfläche des Bauteils 1 wird mit einem senkrecht auftreffenden Laserstrahl 43 (Symbol hv) beaufschlagt. Zufuhr 16 des stickstoffhaltigen Fe/Cr/Mn/N-Pulvers 15 erfolgt schräg zum Laserstrahl 43 über das Zufuhrrohr 44. Es bildet sich die Laser-Schmelzzone 45 aus, welche nach der Erstarrung die Schutzschicht 2 liefert. Die Vorschubrichtung des Bauteiles 1 ist durch einen horizontalen Pfeil angedeutet.Figure 8 shows the method and apparatus using nitrogenous powder and a laser beam as the thermal energy source. The surface of the component 1 is acted upon by a perpendicularly incident laser beam 43 (symbol hv). Feed 16 of the nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / N powder 15 takes place at an angle to the laser beam 43 via the feed tube 44. The laser fusion zone 45 is formed, which supplies the protective layer 2 after solidification. The feed direction of the component 1 is indicated by a horizontal arrow.

In Figur 9 ist das Verfahren und die Vorrichtung einer Anlage zum heiß-isostatischen Pressen zwecks Aufstickens und Oberflächenverdichtens dargestellt. Das obere Bild zeigt das Bauteil nach dem Aufbringen der porösen Oberflächenschicht 37 aus Fe/Cr/Mn (nicht stickstoffhaltig). Das untere Bild zeigt den kombinierten Aufstickungs- und Verdichtungsprozeß. 46 ist ein Ofen und gleichzeitig ein Druckbehälter für heiß-isostatisches Pressen und für Aufsticken des beschichteten Bauteiles. 47 stellt die Zufuhr von Stickstoff (Symbol N₂ und Pfeil) zum heiß-isostatischen Pressen dar. Der Vorgang ist durch die Symbole pN₂ mit Pfeil für den Stickstoffpartialdruck dargestellt. Letzterer kann 1-2000 bar betragen, die Temperatur zwischen 400 und 1100 °C.FIG. 9 shows the method and the device of a system for hot isostatic pressing for the purpose of embroidering and surface compacting. The upper picture shows the component after application of the porous surface layer 37 of Fe / Cr / Mn (non-nitrogenous). The picture below shows the combined nitriding and compaction process. 46 is a furnace and at the same time a pressure vessel for hot-isostatic pressing and for embroidering of the coated component. 47 illustrates the supply of nitrogen (symbol N₂ and arrow) for hot isostatic pressing. The process is represented by the symbols pN₂ with arrow for the nitrogen partial pressure. The latter can be 1-2000 bar, the temperature between 400 and 1100 ° C.

Ausführungsbeispiel 1: Vergl. Fig. 1Embodiment 1: Comp. Fig. 1

Ein für chemische Prozesse mit chloridhaltigen Medien bestimmter Behälter von 1200 mm Durchmesser und 3000 mm Länge aus einem Stahl wurde durch Plasmaspritzen auf seiner Innenseite (vergl. Substrat) mit einer verschleiß- und korrosionsfesten Schutzschicht 2 aus einem austenitischen Werkstoff versehen. Als Ausgangsmaterial wurde ein Pulver der Körnung 5-45 µm mit der folgenden Zusammensetzung verwendet:

Cr
= 18 Gew.-%
Mn
= 18 Gew.-%
c
<= 0,02 Gew.-%
Fe
= Rest
A container of 1200 mm diameter and 3000 mm length made of a steel intended for chemical processes with chloride-containing media was provided with a wear-resistant and corrosion-resistant protective layer 2 made of an austenitic material by plasma spraying on its inside (see substrate). The starting material used was a powder of grain size 5-45 μm having the following composition:
Cr
= 18% by weight
Mn
= 18% by weight
c
<= 0.02% by weight
Fe
= Rest

Das Metallpulver 4 wurde in die Vorrichtung 3 - im vorliegenden Fall ein Plasmabrenner - injiziert und mittels Treibgas 6 (im vorliegenden Fall eine N₂/Ar-Mischung) unter Zuhilfenahme eines aus Stickstoff bestehenden Schutzgasschildes 8 in Tropfenform auf das Substrat aufgeschleudert. Die Plasmaflamme hatte eine Temperatur von 10000 °C und die Geschwindigkeit des Gasstrahles betrug ca. 100 m/s. Beim Durchlaufen des Plasmabrenners erfolgte eine Aufstickung der Metallpartikel bis zu einem Stickstoffgehalt von ca. 0,2 Gew.-% Die Dicke der Schutzschicht 2 betrug durchschnittlich 0,3 mm. Die Anschlußleistung der Vorrichtung 3 (Plasmabrenner) betrug 80 kW, die Beschichtungsleistung ca. 4 kg/h.The metal powder 4 was in the device 3 - in the present case, a plasma torch - injected and spun by means of propellant gas 6 (in the present case, a N₂ / Ar mixture) with the aid of a nitrogen shielding gas shield 8 in droplet form on the substrate. The plasma flame had a temperature of 10,000 ° C and the speed of the gas jet was about 100 m / s. When passing through the plasma torch, the metal particles were nitrided up to a nitrogen content of about 0.2% by weight. The thickness of the protective layer 2 averaged 0.3 mm. The connection power of the device 3 (plasma torch) was 80 kW, the coating power about 4 kg / h.

Ausführungsbeispiel 2: Vergl. Fig. 1Embodiment 2: Comp. Fig. 1

Ein Behälter entsprechend Beispiel 1 wurde auf seiner Innenseite beschichtet. Dabei wurde prinzipiell gemäß Beispiel 1 vorgegangen. Das Metallpulver 4 hatte die gleiche Zusammensetzung. Als Treibgas (Trägergas) 6 wurde jedoch reiner Stickstoff verwendet und das Verfahren wurde vollständig unter Stickstoffatmosphäre in einer Schutzgaskammer 9 unter einem Druck von 1,5 bar durchgeführt. Der Stickstoffgehalt der Schutzschicht 2 betrug durchschnittlich 0,4 Gew.-%.A container according to Example 1 was coated on its inside. In principle, the procedure was as in Example 1. The metal powder 4 had the same Composition. As the propellant gas (carrier gas) 6, however, pure nitrogen was used, and the process was carried out completely under a nitrogen atmosphere in a protective gas chamber 9 under a pressure of 1.5 bar. The nitrogen content of the protective layer 2 was on average 0.4% by weight.

Ausführungsbeispiel 3: Vergl. Fig. 2Embodiment 3: Comp. Fig. 2

Eine Walze für die Textilindustrie von 90 mm Durchmesser und 1100 mm Länge aus niedriglegiertem Stahl wurde durch Plasmaspritzen auf ihrer Oberfläche mit einer Schutzschicht 2 versehen. Als Ausgangsmaterial wurde ein Pulver ähnlicher Zusammensetzung und Korngröße - wie unter Beispiel 1 beschrieben - verwendet. Das nicht stickstoffhaltige Pulver wurde zunächst in einem Behälter 12 in einer heißisostatischen Presse unter Zufuhr von Stickstoff 13 einer Druckwärmebehandlung unterzogen. Diese Behandlung bestand in einem Glühen bei Temperaturen zwischen 350 und 850 °C während 1 Stunde und einem Druck von 1,5-10 bar unter Stickstoffatmosphäre. Das aufgestickte Pulver wurde dann als Fe/Cr/Mn/N-Pulver 15 in eine Niederenergie-Flammspritzpistole 3 gefördert. Als Teibgas 6 wurde Stickstoff verwendet. Die Gasgeschwindigkeit betrug ca. 200 m/s, die Flammspritztemperatur ca. 2000 °C. Die durchschnittliche Dicke der Schutzschicht 2 erreichte den Wert von 0,5 mm. Die Auftragsleistung betrug ca. 5 kg/h. An der fertigen Schutzschicht 2 konnte eine Stickstoffmenge von durchschnittlich 2,8 Gew.-% analytisch festgestellt werden.A roll for the textile industry of 90 mm diameter and 1100 mm length made of low-alloy steel was provided by plasma spraying on its surface with a protective layer 2. The starting material used was a powder of similar composition and particle size as described in Example 1. The non-nitrogenous powder was first subjected to a pressure heat treatment in a container 12 in a hot isostatic press under nitrogen 13. This treatment consisted of annealing at temperatures between 350 and 850 ° C for 1 hour and a pressure of 1.5-10 bar under a nitrogen atmosphere. The embroidered powder was then fed as Fe / Cr / Mn / N powder 15 into a low energy flame spray gun 3. As Teibgas 6 nitrogen was used. The gas velocity was about 200 m / s, the flame spraying temperature about 2000 ° C. The average thickness of the protective layer 2 reached the value of 0.5 mm. The order performance was approx. 5 kg / h. On the finished protective layer 2, an average nitrogen content of 2.8% by weight could be determined analytically.

Ausführungsbeispiel 4: Vergl. Fig. 2Embodiment 4: Comp. Fig. 2

Gemäß Beispiel 3 wurde eine Walze mit einer Schutzschicht 2 versehen. Dabei wurde das Ausgangspulver 10 Fe/Cr/Mn während 2 Stunden in einer heißisostatischen Presse einer Stickstoffatmosphäre unter einem Druck von 5 bar bei einer Temperatur von 600 °C unterworfen. Die fertige Schutzschicht wies einen Stickstoffgehalt von 3,2 Gew.-% auf.According to Example 3, a roller was provided with a protective layer 2. The starting powder was 10 Fe / Cr / Mn for 2 hours in a hot isostatic press a Nitrogen atmosphere under a pressure of 5 bar at a temperature of 600 ° C subjected. The finished protective layer had a nitrogen content of 3.2% by weight.

Ausführungsbeispiel 5: Vergl. Fig. 3Embodiment 5: Comp. Fig. 3

Ein Plattenzylinder (vergl. Substrat 1) für eine Druckereimaschine wurde durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen ("Jet Kote-Verfahren") mit einer Schutzschicht 2 versehen. Der Plattenzylinder bestand aus Stahl und hatte einen Durchmesser von 275 mm und eine Länge von 1700 mm. Als Ausgangsmaterial wurde ein stickstoffhaltiges Pulver 15 (Fe/Cr/Mn/N) mit einer mittleren Partikelgröße von 30 µm gewählt. Das Pulver 15 hatte die nachfolgende Zusammensetzung:

Cr
= 18,25 Gew.-%
Mn
= 19,41 Gew.-%
Ni
= 0,70 Gew.-%
Mo
= 0,06 Gew.-%
Si
= 0,42 Gew.-%
C
= 0,063 Gew.-%
P
<= 0,03 Gew.-%
S
<= 0,004 Gew.-%
N
= 0,80 Gew.-%
A plate cylinder (See, substrate 1) for a printing machine was provided with a protective layer 2 by high speed flame spraying ("Jet Kote method"). The plate cylinder was made of steel and had a diameter of 275 mm and a length of 1700 mm. As the starting material, a nitrogen-containing powder 15 (Fe / Cr / Mn / N) having an average particle size of 30 μm was selected. The powder 15 had the following composition:
Cr
= 18.25% by weight
Mn
= 19.41% by weight
Ni
= 0.70% by weight
Mo
= 0.06% by weight
Si
= 0.42% by weight
C
= 0.063% by weight
P
<= 0.03 wt%
S
<= 0.004 wt%
N
= 0.80% by weight

Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole 17 wurde mit Propan (vergl. Brennstoffzufuhr 20) und mit Sauerstoff (vergl. Sauerstoffzufuhr 21) betrieben. Die Flammtemperatur betrug ca. 2400 °C. Als Treibgas (Trägergas) 22 wurde Stickstoff verwendet. Im Metall-/Gasstrahl 7 wurden Partikelgeschwindigkeiten von über 500 m/s erreicht. Zum Schutz des Metall-/Gasstrahles 7, in welchem Gasgeschwindigkeiten bis zu 1500 m/s auftraten, wurde zusätzlich ein Schutzgasschild 8 aus Stickstoff verwendet. Die Auftragsleistung betrug ca. 5 kg/h. Die Schutzschicht 2 hatte eine Dicke von 0,8 mm und wies einen Stickstoffgehalt von 0,65 Gew.-% auf.The high speed flame spray gun 17 was operated with propane (compare fuel supply 20) and oxygen (compare oxygen supply 21). The flame temperature was about 2400 ° C. Nitrogen was used as propellant (carrier gas) 22. Particle velocities of more than 500 m / s were achieved in the metal / gas jet 7. In order to protect the metal / gas jet 7, in which gas velocities up to 1500 m / s occurred, an inert gas shield 8 made of nitrogen was additionally used. The order performance was about 5 kg / h. The protective layer 2 had a thickness of 0.8 mm and had a nitrogen content of 0.65 wt .-%.

Ausführungsbeispiel 6: Vergl. Fig. 4Embodiment 6: Comp. Fig. 4

Eine 30 mm dicke Stahlplatte (austenitischer, korrosionsbeständiger Stahl) wurde mit einer 2 mm dicken Schutzschicht 2 versehen. Zu diesem Zweck wurde das Unterpulver-Lichtbogen-Schweißverfahren unter Verwendung von nichtkonsumierbaren Wolframelektroden 24 herangezogen. Als Ausgangsmaterial wurde ein stickstoffhaltiges Fe/Cr/Mn/N-Pulver 15 mit 1,2 Gew.-% Stickstoff und einer max. Partikelgröße von 60 µm verwendet. Die Höhe der losen Pulverschüttung betrug durchschnittlich 6-8 mm. Um das Pulver und die Elektroden vor Oxidation zu schützen, wurde mit einem Schutzgasschild 8 aus Stickstoff gearbeitet. Die Stromstärke des Lichtbogens betrug ca. 160 Ampere, der Vorschub ca. 200 mm/min. Es wurde eine Schweißraupe von ca. 8 mm Breite erzielt. Für großflächige Beschichtungen wurden mehrere gestaffelt angeordnete Elektrodenpaare mit ihren Lichtbögen verwendet. Die Schutzschicht 2 hatte einen durchschnittlichen Stickstoffgehalt von 1,05 Gew.-%.A 30 mm thick steel plate (austenitic, corrosion-resistant steel) was provided with a 2 mm thick protective layer 2. For this purpose, the submerged arc welding method using non-consumable tungsten electrodes 24 was used. As starting material, a nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / N powder 15 with 1.2 wt .-% nitrogen and a max. Particle size of 60 microns used. The height of the loose powder bed averaged 6-8 mm. In order to protect the powder and the electrodes from oxidation, a protective gas shield 8 made of nitrogen was used. The current of the arc was about 160 amps, the feed about 200 mm / min. It was achieved a weld bead of about 8 mm wide. For large-area coatings, several staggered electrode pairs with their arcs were used. The protective layer 2 had an average nitrogen content of 1.05% by weight.

Ausführungsbeispiel 7: Vergl. Fig. 5Embodiment 7: Comp. Fig. 5

Eine Walze (Substrat 1) wurde nach dem Drahtflammspritzverfahren beschichtet. Zu diesem Zweck wurde zunächst aus einem schmelzmetallurgisch (DESU-Anlage) hergestellten Barren der Zusammensetzung gem. Beispiel 5 durch Walzen und Ziehen ein Draht von ca. 3 mm Durchmesser hergestellt. Die Draht-Flammspritzpistole 26 wurde mit Methan als Brennstoff (20) und Sauerstoff (21) betrieben. Die Flammentemperatur betrug ca. 2200 °C, die Auftragsleistung 5 kg/h. Als Treibgas 6 wurde Stickstoff verwendet. Die Gasgeschwindigkeit betrug ca. 200 m/s. Der Stickstoffgehalt der 1,2 mm dicken Schutzschicht 2 war durchschnittlich 0,6 Gew.-%. Es wurde mit einem Schutzgasschild 8 aus Stickstoff gearbeitet.A roller (substrate 1) was coated by the wire flame spraying method. For this purpose, initially from a melt-metallurgical (DESU plant) ingot of the composition gem. Example 5 produced by rolling and drawing a wire of about 3 mm diameter. The wire flame spray gun 26 was operated with methane as fuel (20) and oxygen (21). The flame temperature was about 2200 ° C, the order power 5 kg / h. As propellant gas 6, nitrogen was used. The gas velocity was about 200 m / s. The nitrogen content of the 1.2 mm thick protective layer 2 was on average 0.6% by weight. It was worked with a shielding gas shield 8 made of nitrogen.

Ausführungsbeispiel 8: Vergl. Fig. 6Embodiment 8: Comp. Fig. 6

Eine Walze (Substrat 1) wurde nach dem Drahtspritzverfahren durch Lichtbogenspritzen mit einer verschleißfesten Schutzschicht 2 von 3 mm Dicke versehen. Die für die Papierindustrie bestimmte Walze hatte einen Durchmesser von 1800 mm und eine Länge von 5000 mm und bestand aus einem niedriglegierten Stahl. Es wurden Drahtelektroden 30 aus einem Hülldraht von 3,2 mm Außendurchmesser verwendet. Der aus gepreßtem Fe/Cr/Mn/N-Pulver mit 1,2 Gew.-% Stickstoff bestehende Kern 31 des Hülldrahtes hatte einen Durchmesser von 2,0 mm. Die 0,6 mm Wandstärke aufweisende Hülle 32 bestand aus einem duktilen Eisen mit sehr niedrigem Kohlenstoffgehalt. Der offene Lichtbogen 34 wurde mit einem durch eine Zerstäubungsdüse 35 zugeführten Zerstäubungs-Treibgas 36 beaufschlagt. Dazu wurde Stickstoff verwendet. Das Ganze wurde von einem doppelten Schutzgasschild 8 ummantelt. Die Materialauftragsleistung betrug bei einer Stromstärke von 150 A ca. 15 kg/h. Bei einem Stickstoffgehalt des Kerns 31 von 1,2 Gew.-% betrug der Stickstoffgehalt der Schutzschicht 2 noch durchschnittlich 0,75 Gew.-%.A roller (substrate 1) was provided with a wear-resistant protective layer 2 of 3 mm thickness by the arc-spraying method. The roll intended for the paper industry had a diameter of 1800 mm and a length of 5000 mm and consisted of a low-alloyed steel. Wire electrodes 30 were used from a sheath wire of 3.2 mm outside diameter. The core 31 of the sheath wire made of pressed Fe / Cr / Mn / N powder containing 1.2% by weight of nitrogen had a diameter of 2.0 mm. The 0.6 mm wall thickness envelope 32 was a very low ductility ductile iron. The open arc 34 was charged with a sputtering gas 36 supplied through a sputtering nozzle 35. Nitrogen was used for this. The whole thing was covered by a double shield 8 gas shield. The material application performance was at a current of 150 A about 15 kg / h. At a nitrogen content of the core 31 of 1.2 wt .-% of the nitrogen content of the protective layer 2 was still 0.75 wt .-% average.

Ausführungsbeispiel 9: Vergl. Fig. 7Embodiment 9: Comp. Fig. 7

Ein Stahlzylinder von 500 mm Durchmesser und 3000 mm Länge wurde nach dem Flammspritzverfahren beschichtet. Es wurde ein nicht stickstoffhaltiges Fe/Cr/Mn-Pulver 10 mit ca. 18 Gew.-% Chrom und ca. 18 Gew.-% Mangan als Ausgangsmaterial verwendet. Die poröse Oberflächenschicht 37 hatte eine Dicke von durchschnittlich 2 mm und wies eine Porosität von ca. 10 Gew.-% auf. Der beschichtete Stahlzylinder wurde in einen gasdichten Glühofen 38 gebracht und während 3 Stunden einer strömenden Stickstoffatmosphäre unter einem Partialdruck pN₂ von 0,5 bar ausgesetzt. Die Zufuhr 39 von Stickstoff erfolgte seitlich und es wurde dafür gesorgt, daß eine allseitige Stickstoffumspülung 40 der Oberflächenschicht gewährleistet war. Die Glühtemperatur betrug 750 °C und wurde konstant gehalten (isothermes Glühen). Der Stickstoffgehalt der fertigen Schutzschicht wurde zu 0,6 Gew.-% bestimmt.A steel cylinder of 500 mm diameter and 3000 mm length was coated by the flame spraying process. A non-nitrogen containing Fe / Cr / Mn powder 10 containing about 18% by weight of chromium and about 18% by weight of manganese as the starting material was used. The porous surface layer 37 had an average thickness of 2 mm and had a porosity of about 10% by weight. The coated steel cylinder was placed in a gas-tight annealing furnace 38 and for 3 hours exposed to a flowing nitrogen atmosphere under a partial pressure pN₂ of 0.5 bar. Nitrogen feed 39 was made laterally and care was taken to ensure that the surface layer nitrogen was flushed all around 40. The annealing temperature was 750 ° C and was kept constant (isothermal annealing). The nitrogen content of the finished protective layer was determined to be 0.6% by weight.

Ausführungsbeispiel 10: Vergl. Fig. 7Embodiment 10: Comp. Fig. 7

Ein Stahlzylinder wurde gemäß Beispiel 9 beschichtet. Anschließend wurde die poröse Oberflächenschicht 37 nach dem Durchlaufverfahren aufgestickt. Der Stahlzylinder (Substrat 1) wurde durch eine von ringförmigen Stickstoffbrausen 42 flankierte, aus einer Induktionsspule bestehenden Heizeinrichtung 41 hindurchgeführt. Dabei wurde die Oberflächenschicht 37 in kurzer Zeit auf eine Temperatur von 1000 °C gebracht. Der Vorschub betrug 60 mm/min. Die Verweilzeit betrug durchschnittlich 2 Minuten. Der Stickstoffgehalt der fertigen Schutzschicht erreichte den Wert von 0,4 Gew.-%. Die Beschichtung erfolgte alternativ nach dem Plasmaspritz-Verfahren. Nach dem Aufsticken im Durchlaufverfahren wurden praktisch die gleichen Ergebnisse erzielt.A steel cylinder was coated according to Example 9. Subsequently, the porous surface layer 37 was embroidered by the continuous process. The steel cylinder (substrate 1) was passed through an induction coil-shaped heater 41 flanked by annular nitrogen jets 42. The surface layer 37 was brought to a temperature of 1000 ° C in a short time. The feed was 60 mm / min. The residence time averaged 2 minutes. The nitrogen content of the finished protective layer reached the value of 0.4 wt .-%. The coating was alternatively carried out by the plasma spraying process. After embroidering in the continuous process, virtually the same results were achieved.

Ausführungsbeispiel 11: Vergl. Fig. 8Embodiment 11: Comp. Fig. 8

Eine Platte aus niedriglegiertem Stahl von 15 mm Dicke wurde über ein Pulverzuführrohr 44 mit stickstoffhaltigem Fe/Cr/Mn/N-Pulver 15 belegt und mit Hilfe eines Laserstrahles 43 örtlich aufgeschmolzen und beschichtet. Dabei wurde das Pulver in der Laserschmelzzone 45 fest mit dem Substrat 1 schmelzmetallurgisch verbunden. Bei einem Stickstoffgehalt von ca. 1 Gew.-% des Pulvers 15 betrug der Stickstoffgehalt der fertigen Schutzschicht aufgrund der hohen Abkühlungsgeschwindigkeit durchschnittlich noch 0,8 Gew.-%. Der Vorschub war 80 mm/min.A low alloy steel plate of 15 mm thickness was coated with nitrogen-containing Fe / Cr / Mn / N powder 15 via a powder feed tube 44 and locally melted and coated by means of a laser beam 43. In this case, the powder in the laser melting zone 45 was firmly bonded to the substrate 1 by fusion metallurgy. At a nitrogen content of about 1 wt .-% of the powder 15, the nitrogen content of the finished protective layer was due to the high cooling rate on average still 0.8 wt .-%. The feed was 80 mm / min.

Ausführungsbeispiel 12: Vergl. Fig. 9Embodiment 12: Comp. Fig. 9

Eine Walze von 80 mm Durchmesser und 1200 mm Länge wurde nach dem Flammspritzverfahren mit einer porösen Oberflächenschicht 37 aus Fe/Cr/Mn (nicht stickstoffhaltig) versehen. Hierauf wurde das Bauteil 1 in eine heißisostatische Presse 46 gebracht und durch Druckaufsticken unter Zufuhr 47 von Stickstoff als Druckgas unter 10 bar bei einer Temperatur von 700 °C verdichtet. Der Vorgang dauerte 1 Stunde. Das Ergebnis war eine Schutzschicht von 1,2 mm Dicke mit einem Stickstoffgehalt von 1,1 Gew.-%. In einer Variante wurde von einer plasmagespritzten Oberflächenschicht 37 ausgegangen. Das Ergebnis war ähnlich.A roll of 80 mm in diameter and 1200 mm in length was provided with a porous surface layer 37 of Fe / Cr / Mn (non-nitrogenous) by the flame spraying method. Then the component 1 was placed in a hot isostatic press 46 and compacted by pressure embroidering under supply 47 of nitrogen as a pressurized gas under 10 bar at a temperature of 700 ° C. The process lasted 1 hour. The result was a protective layer of 1.2 mm thickness with a nitrogen content of 1.1% by weight. In one variant, a plasma-sprayed surface layer 37 was assumed. The result was similar.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.The invention is not limited to the embodiments.

Das Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- und Korrosionswiderstand aus einer austenitischen Eisenbasislegierung auf der Oberfläche eines als Substrat dienenden Bauteils durch Thermisches Spritzen wird durchgeführt, indem die Parameter so gewählt wurden, daß die Schutzschicht in ihrem Endzustand einen Stickstoffgehalt von mind. 0,2 Gew.-% aufweist, wobei als Ausgangsmaterial ein durch Zerstäuben eines flüssigen Metallstrahls durch einen Gasstrahl hergestelltes austenitisches Pulver benutzt und durch Niederenergie-Flammspritzen oder durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder durch Plasmaspritzen unter Stickstoff oder einer Stickstoff/Argon-Mischung als Treibgas auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird und vorzugsweise als Ausgangsmaterial ein Pulver mit 18 Gew.-% Chrom und 18 Gew.-% Mangan benutzt wird. Das Pulver wird durch Glühen in einer Stickstoffatmosphäre vor dem Aufspritzen auf einen Stickstoffgehalt von 0,4-3,2 Gew.-% gebracht, wobei es vorzugsweise mit einer Partikelkorngröße von 5-45 µm in loser Schüttung aufnitriert wird und während mind. 1 Std. unter einem Druck von 1-1000 bar bei einer Temperatur von 300-800 °C einer ruhenden Stickstoffatmosphäre ausgesetzt und auf diese Weise auf einen Stickstoffgehalt von 1,2 Gew.-% gebracht, abgekühlt und ausgesiebt wird. In vorteilhafter Weise wird derart verfahren, daß als Ausgangsmaterial stickstoffhaltiges Pulver verwendet und nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren mit einer Geschwindigkeit von mind. 400 m/s auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht oder nach dem Unterpulver-Lichtbogenschweißverfahren auf die Oberfläche des Bauteiles aufgebracht wird, dergestalt, daß statt des konsumierbaren Schweißdrahtes eine nichtkonsumierbare Wolframelektrode oder ein Plasmabrenner unter Schutzgas oder Stickstoffatmosphäre und statt des schlackebildenden Keramikpulvers das stickstoffhaltige Eisenbasis-Legierungspulver verwendet wird. Eine andere Variante besteht darin, daß als Ausgangsmaterial ein aus einem Block oder Barren hergestellter stickstoffhaltiger Draht von 1,5-4 mm Durchmesser verwendet und nach dem Drahtspritzverfahren durch Flammspritzen oder Lichtbogenspritzen unter Stickstoff, Formiergas oder einem Stickstoff/Argon-Gemisch auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht oder daß ein aus einem Kern aus stickstoffhaltigem austenitischen Metallpulver und einem Mantel aus einem duktilen Metall oder einer Legierung oder einem Kunststoff bestehender Hülldraht benutzt wird und nach dem Drahtspritzverfahren durch Lichtbogenspritzen auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.The process for producing a protective layer with high resistance to wear and corrosion from an austenitic iron-based alloy on the surface of a component serving as a substrate by thermal spraying is carried out by selecting the parameters such that the protective layer in its final state has a nitrogen content of at least 0, 2 wt .-%, using as starting material a produced by sputtering of a liquid jet of metal by a gas jet austenitic powder and by low-energy flame spraying or high-velocity flame spraying or by plasma spraying under nitrogen or a nitrogen / argon mixture as propellant gas on the surface is applied to the component and preferably as a starting material, a powder with 18 wt .-% chromium and 18 wt .-% manganese is used. The powder is prepared by annealing in a nitrogen atmosphere before Spraying brought to a nitrogen content of 0.4-3.2 wt .-%, wherein it is preferably nitrated with a particle size of 5-45 microns in bulk and for at least 1 hr. Under a pressure of 1-1000 bar at exposed to a temperature of 300-800 ° C a static nitrogen atmosphere and brought in this way to a nitrogen content of 1.2 wt .-%, cooled and screened out. Advantageously, the procedure is such that nitrogen-containing powder is used as the starting material and after the high-speed flame spraying method with a speed of min. 400 m / s applied to the surface of the component or applied to the surface of the component by the submerged arc welding process, such in that, instead of the consumable welding wire, a non-consumable tungsten electrode or a plasma torch under a protective gas or nitrogen atmosphere is used, and instead of the slag-forming ceramic powder, the nitrogen-containing iron-based alloy powder. Another variant is that used as a starting material made of a block or ingot nitrogen-containing wire of 1.5-4 mm diameter and after the wire spraying by flame spraying or arc spraying under nitrogen, forming gas or a nitrogen / argon mixture on the surface of the Applied component or that a consisting of a core of nitrogen-containing austenitic metal powder and a sheath made of a ductile metal or an alloy or a plastic sheath wire is used and is applied by the wire spraying method by arc spraying on the surface of the component.

Eine weitere Ausbildungsart des Verfahrens besteht darin, daß das Bauteil zunächst mit einem Pulver eines gewöhnlichen, nicht stickstoffhaltigen Werkstoffes nach dem Plasmaspritzverfahren oder nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren beschichtet wird und daß das beschichtete Werkstück daraufhin in einem Ofen unter Stickstoffatmosphäre unter isothermen Bedingungen geglüht oder nach dem Durchlaufprinzip durch eine induktive oder eine Widerstandsheizeinrichtung geschickt wird, wobei im letzteren Fall die Oberfläche kontinuierlich während 3-20 sec. bei einer Temperatur von 700-900 C° zonengeglüht und die Glühzone gleichzeitig mit Stickstoff umspült wird. In vorteilhafter Weise wird dermaßen verfahren, daß stickstoffhaltiges Pulver einer Eisenbasislegierung mittels eines Laserstrahls auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird, dergestalt, daß die Oberfläche sowie die Pulverpartikel durch den Laserstrahl leicht angeschmolzen und die auf diese Weise beschichtete Oberfläche einer raschen Abkühlung durch Wärmeentzug nach dem Inneren des Werkstücks hin unterworfen wird.Another embodiment of the method is that the component is first coated with a powder of a conventional, non-nitrogenous material by the plasma spraying process or by the high-speed flame spraying process and that the coated workpiece then in a furnace under a nitrogen atmosphere annealed under isothermal conditions or sent through the flow principle by an inductive or a resistance heater, wherein in the latter case, the surface is zonengeglüht continuously for 3-20 sec. At a temperature of 700-900 C ° and the annealing zone is simultaneously flushed with nitrogen. Advantageously, the procedure is such that nitrogen-containing powder of an iron-based alloy is applied by means of a laser beam to the surface of the component, such that the surface and the powder particles are easily melted by the laser beam and the thus coated surface of a rapid cooling by heat removal after the Inside of the workpiece is subjected.

Gemäß einer weiteren Variante wird das Bauteil durch thermisches Spritzen mit einem gewöhnlichen, nicht stickstoffhaltigen Werkstoff mit einer porösen Oberflächenschicht versehen und die Oberfläche des beschichteten Werkstückes daraufhin unter Verwendung von Stickstoff als Druckgas gleichzeitig durch heißisostatisches Pressen nachverdichtet und nitriert. Im allgemeinen ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil durch Plasmaspritzen unter einem Stickstoffgasmantel beschichtet wird, indem die schmelzflüssigen Metallpartikel nur mit Stickstoff in Berührung gebracht und dadurch mit dem nötigen Stickstoffgehalt beladen werden, wobei das Plasmaspritzen vorzugsweise in einer Schutzgaskammer unter einem Druck von 0,5 bar Stickstoff durchgeführt wird.According to a further variant, the component is provided by thermal spraying with a conventional, non-nitrogenous material with a porous surface layer and then the surface of the coated workpiece then using nitrogen as compressed gas simultaneously densified by hot isostatic pressing and nitrided. In general, it is advantageous if the component is coated by plasma spraying under a nitrogen gas jacket by the molten metal particles are brought into contact only with nitrogen and thereby loaded with the necessary nitrogen content, wherein the plasma spraying preferably in a protective gas chamber under a pressure of 0.5 bar nitrogen is performed.

Die nach dem Verfahren auf einem Bauteil - bestehend aus einem als Substrat dienenden Grundwerkstoff - aus einem metallischen Material aufgebrachte verschleiß- und korrosionsfeste Oberflächenschutzschicht aus einer Eisenbasislegierung ist austenitisch, weist einen Stickstoffgehalt von mind. 0,2 Gew.-% auf und ist nach dem Verfahren des thermischen Spritzens aufgebracht, dergestalt, daß eine festhaftende, rißfreie und nichtabblätternde Schutzschicht gewährleistet ist, welche vorzugsweise nachfolgende Zusammensetzung hat:

Cr
= 18,25 Gew.-%
Mn
= 19,41 Gew.-%
Ni
= 0,70 Gew.-%
Mo
= 0,06 Gew.-%
Si
= 0,42 Gew.-%
C
- 0,063 Gew.-%
P
< 0,03 Gew.-%
S
< 0,004 Gew.-%
N
= 0,80 Gew.-%
The wear-resistant and corrosion-resistant surface protection layer of an iron-based alloy applied to a component consisting of a base material serving as a substrate made of a metallic material is austenitic, has a nitrogen content of at least 0.2 wt Applied method of thermal spraying, such that a firmly adherent, crack-free and non-peeling protective layer is ensured, which preferably has the following composition:
Cr
= 18.25% by weight
Mn
= 19.41% by weight
Ni
= 0.70% by weight
Mo
= 0.06% by weight
Si
= 0.42% by weight
C
0.063% by weight
P
<0.03 wt%
S
<0.004 wt%
N
= 0.80% by weight

Alternativ hat die Schutzschicht eine der nachfolgenden Zusammensetzungen:

Cr
= 18,5 Gew.-%
Mn
= 0,84 Gew.-%
Ni
= 13,5 Gew.-%
Mo
= 4,58 Gew.-%
Si
= 1,73 Gew.-%
C
= 0,03 Gew.-%
N
= 0,55 Gew.-%
oder:
Cr
= 17,0 Gew.-%
Mn
= 2,4 Gew.-%
Ni
= 12,9 Gew.-%
Mo
= 4,3 Gew.-%
Si
= 1,4 Gew.-%
C
= 0,10 Gew.-%
N
= 0,71 Gew.-%
oder:
Cr
= 20,8 Gew.-%
Mn
= 5,30 Gew.-%
Ni
= 3,0 Gew.-%
Si
= 1,60 Gew.-%
C
= 0,06 Gew.-%
N
= 0,85 Gew.-%
oder
Cr
= 12,86 Gew.-%
Mn
= 18,85 Gew.-%
Ni
= 1,74 Gew.-%
Mo
= 0,70 Gew.-%
Si
= 0,56 Gew.-%
C
= 0,059 Gew.-%
N
= 0,24 Gew.-%
Alternatively, the protective layer has one of the following compositions:
Cr
= 18.5% by weight
Mn
= 0.84% by weight
Ni
= 13.5% by weight
Mo
= 4.58% by weight
Si
= 1.73% by weight
C
= 0.03% by weight
N
= 0.55% by weight
or:
Cr
= 17.0% by weight
Mn
= 2.4% by weight
Ni
= 12.9% by weight
Mo
= 4.3% by weight
Si
= 1.4% by weight
C
= 0.10% by weight
N
= 0.71% by weight
or:
Cr
= 20.8% by weight
Mn
= 5.30% by weight
Ni
= 3.0% by weight
Si
= 1.60% by weight
C
= 0.06% by weight
N
= 0.85% by weight
or
Cr
= 12.86% by weight
Mn
= 18.85% by weight
Ni
= 1.74% by weight
Mo
= 0.70% by weight
Si
= 0.56% by weight
C
= 0.059% by weight
N
= 0.24% by weight

Bezeichnungslistename list

1 =1 =
Bauteil (Substrat)Component (substrate)
2 =2 =
Metallische Schutzschicht, verschleiß- und korrosionsfestMetallic protective layer, wear and corrosion resistant
3 =3 =
Vorrichtung zum thermischen Aufbringen der Schutzschicht allgemein (Spritzpistole etc.)Device for thermal application of the protective layer in general (spray gun etc.)
4 =4 =
Metallpulver, allgemeinMetal powder, general
5 =5 =
Zufuhr von Metallpulver allgemeinSupply of metal powder in general
6 =6 =
Treibgas (Trägergas)Propellant gas (carrier gas)
7 =7 =
Metall-/GasstrahlMetal / gas jet
8 =8 =
SchutzgasschildInert gas shield
9 =9 =
Schutzgaskammer (alternativ)Protective gas chamber (alternative)
10 =10 =
Fe/Cr/Mn-Pulver (nicht stickstoffhaltig)Fe / Cr / Mn powder (non-nitrogenous)
11 =11 =
Zufuhr von Fe/Cr/Mn-PulverSupply of Fe / Cr / Mn powder
12 =12 =
Behälter zur Wärmebehandlung von PulverContainer for heat treatment of powder
13 =13 =
Zufuhr von StickstoffSupply of nitrogen
14 =14 =
Heißisostatische PresseHot isostatic press
15 =15 =
Fe/Cr/Mn/N-Pulver (stickstoffhaltig)Fe / Cr / Mn / N powder (containing nitrogen)
16 =16 =
Zufuhr von Fe/Cr/Mn/N-PulverFeed of Fe / Cr / Mn / N powder
17 =17 =
Hochgeschwindigkeits-FlammspritzpistoleHVOF spray gun
18 =18 =
Mischkammermixing chamber
19 =19 =
Brennkammercombustion chamber
20 =20 =
Brennstoffzufuhr (H₂, CH₄ etc.)Fuel supply (H₂, CH₄ etc.)
21 =21 =
Sauerstoffzufuhroxygen supply
22 =22 =
Inertes Pulver-Treibgas (N₂, N₂/Ar)Inert powder propellant gas (N₂, N₂ / Ar)
23 =23 =
Lose Pulverschüttung (Fe/Cr/Mn/N-Pulver)Loose powder bed (Fe / Cr / Mn / N powder)
24 =24 =
Wolframelektrodetungsten electrode
25 =25 =
Verdeckter Lichtbogen (Unterpulverschüttung)Covert Arc (Sub-Pit Burial)
26 =26 =
Draht-FlammspritzpistoleWire flame gun
27 =27 =
Fe/Cr/Mn/N-DrahtFe / Cr / Mn / N-wire
28 =28 =
Zufuhr des zu schmelzenden Fe/Cr/Mn/N-DrahtesSupply of the Fe / Cr / Mn / N wire to be melted
29 =29 =
Flüssige MetallpartikelLiquid metal particles
30 =30 =
Drahtelektrode aus HülldrahtWire electrode made of sheathed wire
31 =31 =
Kern des Hülldrahtes (Fe/Cr/Mn/N-PulverCore of the sheathed wire (Fe / Cr / Mn / N powder
32 =32 =
Hülle des Hülldrahtes (Metall, Kunststoff)Sheath of the sheathed wire (metal, plastic)
33 =33 =
Zufuhr des zu schmelzenden HülldrahtesSupply of the sheathed wire to be melted
34 =34 =
Offener LichtbogenOpen arc
35 =35 =
Zerstäubungsdüseatomizing nozzle
36 =36 =
Zerstäubungs-/TreibgasAtomization / LPG
37 =37 =
Poröse Oberflächenschicht aus Fe/Cr/Mn (nicht stickstoffhaltig)Porous surface layer of Fe / Cr / Mn (not containing nitrogen)
38 =38 =
Ofen für isothermes Glühen des beschichteten BauteilesFurnace for isothermal annealing of the coated component
39 =39 =
Zufuhr von Stickstoff zur Aufstickung der OberflächenschichtSupply of nitrogen for nitriding of the surface layer
40 =40 =
Stickstoffumspülung der OberflächenschichtNitrogen purging of the surface layer
41 =41 =
Ringförmige Heizeinrichtung (induktiv)Annular heating device (inductive)
42 =42 =
Ringförmige Stickstoffbrause zur Umspülung der OberflächenschichtRing-shaped nitrogen shower for flushing the surface layer
43 =43 =
Laserstrahllaser beam
44 =44 =
Zufuhrrohr für Fe/Cr/Mn/N-PulverFeed tube for Fe / Cr / Mn / N powder
45 =45 =
LaserschmelzzoneLaser fusion zone
46 =46 =
Ofen und Druckbehälter für heißisostatisches Pressen und Aufsticken des beschichteten BauteilesFurnace and pressure vessel for hot isostatic pressing and embroidering of the coated component
47 =47 =
Zufuhr von Stickstoff zum heißisostatischen Pressen und zur Aufstickung der OberflächenschichtSupply of nitrogen for hot isostatic pressing and for nitriding of the surface layer

Claims (20)

Verfahren zur Herstellung einer Schutzschicht mit hohem Verschleiß- und Korrosionswiderstand aus einer austenitischen Eisenbasislegierung auf der Oberfläche eines als Substrat dienenden Bauteils durch thermisches Spritzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht in ihrem Endzustand einen Stickstoffgehalt von mind. 0,2 Gew.-% aufweist.Process for producing a protective layer with high resistance to wear and corrosion from an austenitic iron-based alloy on the surface of a component serving as a substrate by thermal spraying, characterized in that the protective layer in its final state has a nitrogen content of at least 0.2 wt .-%. Verfahren nach Aspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein durch Zerstäuben eines flüssigen Metallstrahls durch einen Gasstrahl hergestelltes austenitisches Pulver benutzt und durch Niederenergie-Flammspritzen - oder durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen - oder durch Plasmaspritzen unter Stickstoff oder einer Stickstoff/Argon-Mischung als Treibgas auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that the starting material used is an austenitic powder produced by atomizing a liquid metal jet by a gas jet and applied by low-energy flame spraying - or by high-velocity flame spraying - or by plasma spraying under nitrogen or a nitrogen / argon mixture as propellant gas Surface of the component is applied. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein Pulver mit 18 Gew.-% Chrom und 18 Gew.-% Mangan benutzt wird.Process according to Claim 2, characterized in that the starting material used is a powder containing 18% by weight of chromium and 18% by weight of manganese. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver durch Glühen in einer Stickstoffatmosphäre vor dem Aufspritzen auf einen Stickstoffgehalt von 0,4-1,2 Gew.-% gebracht wird.A method according to claim 2, characterized in that the powder is brought to a nitrogen content of 0.4-1.2 wt .-% by annealing in a nitrogen atmosphere prior to spraying. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zu nitrierende Pulver mit einer Partikelgröße von 5-45 µm in loser Schüttung in ein offenes Gefäß gebracht und während mind. 1 Stunde unter einem Druck von 1-1000 bar bei einer Temperatur von 300-800 °C in einer ruhenden Stickstoffatmosphäre ausgesetzt, auf diese Weise auf einen Stickstoffgehalt von bis zu 3,2 Gew.-% gebracht, abgekühlt und abgesiebt wird.Process according to claim 4, characterized in that the powder to be nitrided having a particle size of 5-45 μm is placed in bulk in an open vessel and for at least 1 hour under a pressure of 1-1000 bar at a temperature of 300-800 ° C exposed in a static nitrogen atmosphere, brought in this way to a nitrogen content of up to 3.2 wt .-%, cooled and sieved off. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial stickstoffhaltiges Pulver verwendet und nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren mit einer Geschwindigkeit von mind. 400 m/s auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.Process according to Claim 1, characterized in that nitrogen-containing powder is used as the starting material and is applied to the surface of the component by means of the high-speed flame spraying method at a speed of at least 400 m / s. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial stickstoffhaltiges Pulver verwendet und nach dem Unterpulver-Lichtbogenschweißverfahren auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird, dergestalt, daß statt des konsumierbaren Schweißdrahtes eine nichtkonsumierbare Wolframelektrode oder ein Plasmabrenner unter Schutzgas oder Stickstoffatmosphäre und statt des schlackebildenden Keramikpulvers das stickstoffhaltige Eisenbasis-Legierungspulver verwendet wird.A method according to claim 1, characterized in that nitrogen-containing powder is used as the starting material and applied to the surface of the component by the submerged-arc welding process, such that instead of the consumable welding wire, a non-consumable tungsten electrode or plasma torch under inert gas or nitrogen atmosphere and instead of the slag-forming ceramic powder the nitrogen-containing iron-base alloy powder is used. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangsmaterial ein aus einem Block oder Barren hergestellter stickstoffhaltiger Draht von 1,5 bis 4 mm Durchmesser verwendet und nach dem Drahtspritzverfahren durch Flammspritzen über Lichtbogenspritzen unter Stickstoff, Formiergas oder einer Stickstoff/Argon-Mischung auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.Process according to Claim 1, characterized in that the starting material uses a nitrogen-containing wire of 1.5 to 4 mm diameter produced from a ingot and ingots by flame spraying by means of arc spraying under nitrogen, forming gas or a nitrogen / argon mixture onto the Surface of the component is applied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein aus einem Kern aus stickstoffhaltigem austenitischen Metallpulver und einem Mantel aus einem duktilen Metall oder einer Legierung oder einem Kunststoff bestehender Hülldraht benutzt wird und nach dem Drahtspritzverfahren durch Lichtbogenspritzen auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird.A method according to claim 1, characterized in that as a starting material of a core of nitrogen-containing austenitic metal powder and a sheath of a ductile metal or an alloy or a plastic existing sheath wire is used and applied by the wire spraying method by arc spraying on the surface of the component. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil zunächst mit einem Pulver aus einem gewöhnlichen, nicht stickstoffhaltigen Werkstoff nach dem Plasmaspritzverfahren oder nach dem Hochgeschwindigkeits-Flammspritzverfahren beschichtet wird und daß das beschichtete Werkstück daraufhin in einem Ofen unter Stickstoffatmosphäre unter isothermen Bedingungen geglüht oder nach dem Durchlaufprinzip durch eine induktive oder eine widerstandsbeheizte Heizeinrichtung geschickt wird, wobei im letzteren Fall die Oberfläche kontinuierlich während 3 bis 20 sec. bei einer Temperatur von 700-900 °C zonengeglüht und die Glühzone gleichzeitig mit Stickstoff umspült wird.A method according to claim 1, characterized in that the component is first mixed with a powder of a conventional, non-nitrogenous material is plasma sprayed or after the high-speed flame spraying method is coated and that the coated workpiece is then annealed in an oven under a nitrogen atmosphere under isothermal conditions or sent through the flow principle by an inductive or a resistance-heated heater, in the latter case the Surface zone continuously annealed for 3 to 20 sec. At a temperature of 700-900 ° C and the annealing zone is simultaneously flushed with nitrogen. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß stickstoffhaltiges Pulver einer Eisenbasis-Legierung mittels eines Laserstrahls auf die Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird, dergestalt, daß die Oberfläche sowie die Pulverpartikel durch den Laserstrahl leicht angeschmolzen und die auf diese Weise beschichtete Oberfläche einer raschen Abkühlung durch Wärmeentzug nach dem Innern des Bauteils hin unterworfen wird.A method according to claim 1, characterized in that nitrogen-containing powder of an iron-based alloy is applied by means of a laser beam to the surface of the component, such that the surface and the powder particles are easily melted by the laser beam and the thus coated surface of a rapid cooling by Heat extraction is subjected to the interior of the component out. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil durch thermisches Spritzen mit einem gewöhnlichen, nicht stickstoffhaltigen Werkstoff mit einer porösen Oberflächenschicht versehen wird, und daß die Oberfläche des beschichteten Werkstücks daraufhin unter Verwendung von Stickstoff als Druckgas gleichzeitig durch heißisostatisches Pressen nachverdichtet und nitriert wird.A method according to claim 1, characterized in that the component is provided by thermal spraying with a conventional, non-nitrogenous material having a porous surface layer, and that the surface of the coated workpiece is then subsequently densified and nitrided by using nitrogen as a compressed gas simultaneously by hot isostatic pressing , Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil durch Plasmaspritzen unter einem Stickstoff-Schutzgasmantel beschichtet wird, indem die schmelzflüssigen Metallpartikel nur mit Stickstoff in Berührung gebracht und dadurch mit dem nötigen Stickstoffgehalt beladen werden.A method according to claim 1, characterized in that the component is coated by plasma spraying under a nitrogen protective gas jacket by the molten metal particles are brought into contact only with nitrogen and thereby loaded with the necessary nitrogen content. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmaspritzen in einer Schutzgaskammer unter einem Druck von 0,5 bar Stickstoff durchgeführt wird.A method according to claim 13, characterized in that the plasma spraying is carried out in a protective gas chamber under a pressure of 0.5 bar nitrogen. Nach dem Verfahren gemäß Anspruch 1 auf einem Bauteil, bestehend aus einem als Substrat dienenden Grundwerkstoff aus einem metallischen Material aufgebrachte verschleiß- und korrosionsfeste Oberflächenschutzschicht aus einer Eisenbasislegierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Eisenbasislegierung austenitisch ist und einen Stickstoffgehalt von mind. 0,2 Gew.-% aufweist und nach dem Verfahren des thermischen Spritzens aufgebracht ist, dergestalt, daß eine festhaftende, rißfreie und nichtabblätternde Schutzschicht gewährleistet ist.After the method according to claim 1 on a component, consisting of a base material serving as a substrate of a metallic material applied wear and corrosion-resistant surface protection layer of an iron-based alloy, characterized in that the iron-based alloy is austenitic and a nitrogen content of at least 0.2 wt. -% and applied by the method of thermal spraying, such that a firmly adhering, crack-free and non-peeling protective layer is ensured. Schutzschicht nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht nachfolgende Zusammensetzung hat: Cr   = 18,25 Gew.-% Mn   = 19,41 Gew.-% Ni   = 0,70 Gew.-% Mo   = 0,06 Gew.-% Si   = 0,42 Gew.-% C   = 0,063 Gew.-% P   < 0,03 Gew.-% S   < 0,004 Gew.-% N   = 0,80 Gew.-% Protective layer according to Claim 15, characterized in that the protective layer has the following composition: Cr = 18.25% by weight Mn = 19.41% by weight Ni = 0.70% by weight Mo = 0.06 wt% Si = 0.42% by weight C = 0.063% by weight P <0.03 wt% S <0.004 wt% N = 0.80% by weight Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht die nachfolgende Zusammensetzung hat: Cr   = 18,5 Gew.-% Mn   = 0,84 Gew.-% Ni   = 13,5 Gew.-% Mo   = 4,58 Gew.-% Si   = 1,73 Gew.-% C   = 0,03 Gew.-% N   = 0,55 Gew.-% Component according to claim 15, characterized in that the protective layer has the following composition: Cr = 18.5% by weight Mn = 0.84% by weight Ni = 13.5% by weight Mo = 4.58% by weight Si = 1.73 wt% C = 0.03 wt% N = 0.55% by weight Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht die nachfolgende Zusammensetzung hat: Cr   = 17,0 Gew.-% Mn   = 2,40 Gew.-% Ni   = 12,9 Gew.-% Mo   = 4,3 Gew.-% Si   = 1,4 Gew.-% C   = 0,10 Gew.-% N   = 0,71 Gew.-% Component according to claim 15, characterized in that the protective layer has the following composition: Cr = 17.0% by weight Mn = 2.40% by weight Ni = 12.9% by weight Mo = 4.3% by weight Si = 1.4% by weight C = 0.10% by weight N = 0.71 wt% Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht die nachfolgende Zusammensetzung hat: Cr   = 20,8 Gew.-% Mn   = 5,30 Gew.-% Ni   = 3,0 Gew.-% Si   = 1,60 Gew.-% C   = 0,06 Gew.-% N   = 0,85 Gew.-% Component according to claim 15, characterized in that the protective layer has the following composition: Cr = 20.8% by weight Mn = 5.30 wt% Ni = 3.0% by weight Si = 1.60 wt% C = 0.06% by weight N = 0.85% by weight Bauteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht die nachfolgende Zusammensetzung hat: Cr   = 12,86 Gew.-% Mn   = 18,85 Gew.-% Ni   = 1,74 Gew.-% Mo   = 0,70 Gew.-% Si   = 0,56 Gew.-% C   = 0,059 Gew.-% N   = 0,24 Gew.-% Component according to claim 15, characterized in that the protective layer has the following composition: Cr = 12.86% by weight Mn = 18.85% by weight Ni = 1.74% by weight Mo = 0.70% by weight Si = 0.56% by weight C = 0.059 wt% N = 0.24% by weight
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