EP1167564A1 - Schneide mit thermisch gespritzter Beschichtung und Verfahren zur Herstellung der Beschichtung - Google Patents

Schneide mit thermisch gespritzter Beschichtung und Verfahren zur Herstellung der Beschichtung Download PDF

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EP1167564A1
EP1167564A1 EP01115005A EP01115005A EP1167564A1 EP 1167564 A1 EP1167564 A1 EP 1167564A1 EP 01115005 A EP01115005 A EP 01115005A EP 01115005 A EP01115005 A EP 01115005A EP 1167564 A1 EP1167564 A1 EP 1167564A1
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EP
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coating
cutting edge
spraying
thermally sprayed
compressive stresses
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EP01115005A
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Peter Heinrich
Werner Krömmer
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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    • 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
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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
    • C23C4/129—Flame spraying

Definitions

  • the invention relates to a cutting edge with a thermally sprayed coating.
  • the invention further relates to a method for coating a cutting edge a thermal spray process.
  • Thermal spray processes are essentially characterized by the fact that they are in usually evenly applied coatings of high quality and quality enable. Coatings applied by thermal spraying can by varying the spray materials and / or the process parameters to different Requirements are adjusted. The spray materials can always be processed in the form of wires, rods or powder. It post-treatment may also be provided.
  • thermal spraying as a general coating process are as process variants basically autogenous flame spraying or high-speed flame spraying, arc spraying, plasma spraying, detonation spraying and known as laser spraying.
  • HVOF High Velocity Oxygen Fuel
  • At least one side of the cutting edge is included in the production of the coating Spray materials containing hard materials coated. This is done today using First or second generation high speed flame spraying, i.e. With average spray particle speeds below 450 m / s, or by means of plasma spraying.
  • the coating of sharp edges proves to be problematic.
  • the applied Layers adhere poorly, loosen or stand out at the edges and therefore break out.
  • the breaking out on the edge can also be a result of relatively brittle coating occur.
  • the susceptibility to corrosion is also problematic the cutting, supported by cleaning the knives.
  • the object of the present invention is therefore to provide a cutting edge and a method of to point out the type mentioned at the beginning, by which the service life is made possible or to increase the service life of the coated cutting edge.
  • the cutting edge at least partially includes a coating that has compressive stresses.
  • the cutting edge coated according to the invention preferably comprises a coating, that extends to the cutting edge of the cutting edge.
  • Coatings with compressive stresses can be produced by the coating by means of a thermal spray process with medium spray particle speeds is applied over 450 m / s.
  • the high-speed flame spraying of the third is therefore suitable for the invention and fourth generation with average spray particle speeds over 450 m / s.
  • Third and fourth generation systems of high speed flame spraying, with which the required speeds can be reached known for example under the names "DJ 2600", “DJ 2700” and "JP 5000".
  • the cutting edge can also advantageously be coated by means of cold gas spraying getting produced.
  • Coatings of the cutting edges can therefore, for example, by means of high-speed flame spraying with the mentioned systems from Sulzer Metco "DJ 2600 “or” DJ 2700 “, which work with propylene, hydrogen or ethene fuel gases, or the TAFA system "JP 5000", which works with liquid fuel gases like kerosene, getting produced.
  • cermets metal-bound Carbides
  • WCoCr titanium-bound Carbides
  • the cutting edges can be produced using thermal spraying processes in particular powders with particle sizes from 1 ⁇ m to 1 mm, particularly preferably with 5 to 100 ⁇ m.
  • the coating is advantageous at medium spray particle speeds over 550 m / s, preferably over 600 m / s, particularly preferably applied between 600 and 700 m / s.
  • higher particle speeds ensures that this with the Solidification of the material associated with shrinkage on the substrate and the resulting shrinkage Tensile stresses due to the beam effect with high kinetic energy impacting particles is overcompensated.
  • the coating preferably has compressive stresses of up to 600 MPa between 50 and 550 MPa. Compressive stresses in the named areas can be used with the systems of the third and fourth generation of high-speed flame spraying devices easily manufacture.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schneide mit einer thermisch gespritzten Beschichtung und ferner ein Verfahren zum Beschichten der Schneide mittels eines thermischen Spritzverfahrens. Erfindungsgemäß wird zur Erhöhung der Standzeiten und zur Reduzierung der Korrosionsanfälligkeit vorgeschlagen, dass die Schneide zumindest teilweise eine Beschichtung umfasst, die Druckspannungen aufweist. Die Beschichtung wird mittels eines thermischen Spritzverfahrens mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s aufgebracht. Die Beschichtung weist bevorzugt Druckspannungen bis 600 MPa auf. Als Spritzpartikel eignen sich beispielsweise Wolframcarbid-Kobald-Materialien mit Chromanteilen (WCCoCr).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schneide mit einer thermisch gespritzten Beschichtung.
Die Erfindung betrifft femer ein Verfahren zum Beschichten einer Schneide mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
Es ist bekannt, Schneiden beispielsweise von Messern, die im Haushalt oder zu weiteren verschiedenartigen Zwecken - etwa in der Lebensmitteltechnik oder in anderen Bereichen - eingesetzt werden, insbesondere von Küchenmessem, zu beschichten. Dies dient in erster Linie dazu, die Standzeit der Schneiden zu erhöhen.
Neben der Standzeiterhöhung tritt ein weiterer Effekt auf: An der Schneide entsteht durch das Beschichten eine wellenförmige Kante mit der Folge, dass eine Schneiden mit der beschichteten Schneide zumindest teilweise auch ein Reißen umfasst. Klar und deutlich erkennbar ist dieser Effekt an den sogenannten Tomatenmessern.
Thermische Spritzverfahren zeichnen sich im wesentlichen dadurch aus, dass sie in der Regel gleichmäßig aufgetragene Beschichtungen von hoher Qualität und Güte ermöglichen. Durch thermische Spritzverfahren aufgetragene Beschichtungen können durch Variation der Spritzmaterialien und/oder der Verfahrensparameter an unterschiedliche Anforderungen angepasst werden. Die Spritzmaterialien können dabei grundsätzlich in Form von Drähten, Stäben oder als Pulver verarbeitet werden. Es kann zusätzlich eine Nachbehandlung vorgesehen sein.
Beim thermischen Spritzen als allgemeines Beschichtungsverfahren sind als Verfahrensvarianten grundsätzlich das autogene Flammspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Lichtbogenspritzen, das Plasmaspritzen, das Detonationsspritzen und das Laserspritzen bekannt.
In jüngerer Zeit wurde darüber hinaus ein weiteres thermisches Spritzverfahren entwickelt, welches auch als Kaltgasspritzen bezeichnet wird. Es handelt sich dabei um eine Art Weiterentwicklung des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens. Dieses Verfahren ist beispielsweise in der europäischen Patentschrift EP 0 484 533 B1 beschrieben. Beim Kaltgasspritzen kommt ein Zusatzwerkstoff in Pulverform zum Einsatz. Die Pulverpartikel werden beim Kaltgasspritzen jedoch nicht im Gasstrahl geschmolzen. Vielmehr liegt die Temperatur des Gasstrahles unterhalb des Schmelzpunktes der Zusatzwerkstoffpulverpartikel (EP 0 484 533 B1). Im Kaltgasspritzverfahren wird also ein im Vergleich zu den herkömmlichen Spritzverfahren "kaltes" bzw. ein vergleichsweise kälteres Gas verwendet. Gleichwohl wird das Gas aber ebenso wie in den herkömmlichen Verfahren erwärmt, aber in der Regel lediglich auf Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Pulverpartikel des Zusatzwerkstoffes. Beim Kaltgasspritzen können die Pulverpartikel auf eine Geschwindigkeit von 300 bis 1600 m/s beschleunigt werden.
Beim Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen oder auch HVOF-Spritzen (High Velocity Oxygen Fuel) werden verschiedene Verfahrensgenerationen unterschieden:
Das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der ersten Generation und das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der zweiten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten zwischen 400 und 450 m/s und seit 1992 bzw. 1994 das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der dritten und vierten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s.
Bei der Herstellung der Beschichtung wird zumindest eine Seite der Schneide mit Hartstoffe enthaltenden Spritzmaterialien beschichtet. Dies geschieht heute mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens der ersten oder zweiten Generation, d.h. mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten unter 450 m/s, oder mittels Plasmaspritzens.
Die Beschichtung von scharfen Kanten erweist sich jedoch als problematisch. Die aufgetragenen Schichten haften schlecht, lösen oder heben sich an den Kanten ab und brechen folglich aus. Das Ausbrechen an der Kante kann aber auch als Folge der relativ spröden Beschichtung auftreten. Problematisch ist außerdem die Korossionsanfälligkeit der Schneiden, unterstützt durch das Reinigen der Messer.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Schneide und ein Verfahren der eingangs genannten Art aufzuzeigen, durch welche ermöglicht wird, die Standzeiten bzw. die Lebensdauer der beschichteten Schneide zu erhöhen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Schneide zumindest teilweise eine Beschichtung umfasst, die Druckspannungen aufweist.
Die erfindungsgemäß beschichtete Schneide umfasst dabei bevorzugt eine Beschichtung, die bis an die Schnittkante der Schneide reicht.
Es wurde festgestellt, dass die aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungen für Schneiden Zugeigenspannungen aufweisen, welche sich für die Einsatzdauer und die Standzeiten ungünstig auswirken. Erfindungsgemäß werden daher Zugeigenspannungen in der Beschichtung der Schneiden vermieden. Vielmehr werden nunmehr Druckspannungen in der Beschichtung vorgeschlagen. Druckspannungen bedeuten, dass die Kohäsion der Partikel in der Schicht verbessert ist und das Material bei sich wechselnder Belastung nicht so schnell zum Abheben, Ablösen oder zur Rissbildung neigt.
Beschichtungen mit Druckspannungen lassen sich dadurch erzeugen, dass die Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s aufgebracht wird.
Für die Erfindung eignet sich also das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen der dritten und vierten Generation mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s. Systeme der dritten und vierten Generation des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens, mit denen die geforderten Geschwindigkeiten erreicht werden können, sind beispielsweise unter den Bezeichnungen "DJ 2600", "DJ 2700" und "JP 5000" bekannt.
Die Beschichtung der Schneide kann auch vorteilhafterweise mittels des Kaltgasspritzens hergestellt werden.
Als Gase für das thermische Spritzen kommen alle für diese Verfahren bekannten Gase in Betracht.
Beschichtungen der Schneiden können daher beispielsweise mittels des Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens mit den genannten Systemen von Sulzer Metco "DJ 2600" oder "DJ 2700", die mit Brenngasen Propylen, Wasserstoff oder Ethen arbeiten, oder der TAFA-Anlage "JP 5000", die mit flüssigen Brenngasen wie Kerosin arbeitet, hergestellt werden.
Für die Beschichtung der Schneiden mittels thermischen Spritzens können als Spritzmaterialien im Rahmen der Erfindung insbesondere Cermets (metallgebundene Karbide) und dergleichen verwendet werden. Bevorzugt finden Wolframcarbid-Kobald-Materialien (WCCoCr) mit Chromanteilen von 2 bis 10 % Verwendung.
Zur Herstellung der Schneiden mittels der thermischen Spritzverfahren eignen sich insbesondere Pulver mit Partikelgrößen von 1 µm bis 1 mm, besonders bevorzugt mit 5 bis 100 µm.
Erfindungsgemäß werden - wie oben ausgeführt - zur Beschichtung der Schneiden mittels thermischen Spritzens mittlere Spritzpartikelgeschwindigkeiten von zumindest 450 m/s beim Aufprall der Partikel vorgeschlagen. Vorteilhafterweise wird die Beschichtung bei mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 550 m/s, bevorzugt über 600 m/s, besonders bevorzugt zwischen 600 und 700 m/s aufgebracht. Durch die erfindungsgemäß höheren Partikelgeschwindigkeiten wird gewährleistet, dass das mit dem Erstarren des Materials auf dem Substrat verbundene Schrumpfen und die daraus resultierenden Zugspannungen durch den Strahleffekt der mit hoher kinetischer Energie aufprallenden Partikeln überkompensiert wird.
Erfindungsgemäß weist die Beschichtung Druckspannungen bis 600 MPa, vorzugsweise zwischen 50 und 550 MPa auf. Druckspannungen in den genannten Bereichen lassen sich mit den Systemen der dritten und vierten Generation der Hochgeschwindigkeits-Flammspritzgeräte ohne weiteres herstellen.

Claims (9)

  1. Schneide mit einer thermisch gespritzten Beschichtung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schneide zumindest teilweise eine Beschichtung umfasst, die Druckspannungen aufweist.
  2. Schneide nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine mittels eines thermischen Spritzverfahrens mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s aufgebrachte Beschichtung ist.
  3. Schneide nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Druckspannungen bis 600 MPa, vorzugsweise zwischen 50 und 550 MPa aufweist.
  4. Schneide nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Cermets, insbeosndere Wolframcarbid-Kobald-Materialien mit Chromanteilen, umfasst.
  5. Schneide nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich eine Seite der Schneide eine thermisch gespritzte Beschichtung enthält.
  6. Verfahren zum Beschichten einer Schneide mittels eines thermischen Spritzverfahrens, dadurch gekennzeichnet, dass eine Druckspannungen aufweisende Beschichtung mittels eines Spritzverfahrens mit mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s aufgebracht wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei mittleren Spritzpartikelgeschwindigkeiten über 450 m/s, bevorzugt über 550 m/s, besonders bevorzugt zwischen 600 und 700 m/s aufgebracht wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mittels Hochgeschwindigkeits-Flammspritzens oder Kaltgasspritzens aufgebracht wird.
  9. Messer mit einer Schneide nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
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