Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung dieser Schicht.

[0002] Aus der WO 03/106718 ist eine gattungsbildende eisenhaltige Schicht bekannt, die durch thermisches Spritzen aufgetragen wird und die eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist. Eine derartige Schicht ist aufgrund der hohen Härte gut als Gleitfläche geeignet. Dazu wird die Schicht im Bereich der Gleitflächen auf ein Grundmaterial der zu beschichtenden Maschinenteile durch thermisches Spritzen aufgetragen. Die sich ergebende Oberfläche der aufgespritzten Schicht ist relativ rauh und muß, um als Gleitfläche dienen zu können, durch eine Oberflächenbearbeitung geglättet werden. Bevorzugt erfolgt eine solche Bearbeitung durch Honen, es sind aber auch andere spanabhebende und nichtspanende Verfahren der Oberflächenbearbeitung möglich.

[0003] Bei der Verwendung als Gleitfläche ist in der Regel ein Schmiermittel vorzusehen. Aufgrund der entstehenden sehr glatten Oberfläche wirkt das Schmiermittel jedoch nur bedingt, vor allem bei Verbrennunsmotoren kann der Schmierfilm leicht abreißen. Dies erhöht den Verschleiß der eisenhaltigen Schicht und führt zu erhöhter Reibung.

[0004] Es ist bekannt, bei thermischen Spritzverfahren Beschichtungen auf Zylinderlaufflächen aufzutragen, die eine gewisse Porosität aufweisen, damit die Beschichtung selbst Schmiermittel in den Poren aufnehmen kann, wodurch die Schmiermittelversorgung der Gleitfläche sichergestellt wird. Die Porosität der Beschichtung wird durch die Prozeßparameter während des Aufbringens der Beschichtung eingestellt. Nachteilig ist hierbei, daß die Festigkeit der Beschichtung je nach Porösität und Materialzusammensetzung der Beschichtung reduziert ist, woraus eine geringe Verschleißfestigkeit resultieren kann. Weiterhin weisen die entstehenden Poren keine einheitliche Größe auf, so daß im späteren Betrieb, z. B. bei der Verwendung in Verbrennungskraftmaschinen, in diesen Poren befindliches Schmiermittel unter bestimmten Betriebszuständen aus der Beschichtung ausgewaschen wird, woraus ein höherer Schmiermittelverbrauch resultieren kann.

[0005] Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, eine eisenhaltige Schicht so zu verbessern, daß sie insbesondere bei der Verwendung als Gleitfläche höhere Verschleißfestigkeit und/oder bessere Gleitreibungseigenschaften aufweist und möglichst kostengünstig gefertigt werden kann.

[0006] Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.

[0007] Indem die amorphe Struktur Mikrorisse aufweist, können im Betrieb der Gleitfläche die Mikrorisse als Ölrückhaltevolumen für das Schmiermittel der Gleitfläche dienen. Aufgrund der extremen Kapillarwirkung der Mikrorisse verbleibt das Schmiermittel in diesen und wird weder ausgespült noch verdampft es. Bevorzugt weisen die Mikrorisse eine Länge von 10 bis 50 µm und eine Breite von 0,2 bis 2 µm auf. Aufgrund ihrer geringen Abmessung reduzieren die Mikrorisse die Gesamtfestigkeit und die Härte der eisenhaltigen Schicht nicht. Damit weist die Schicht ähnlich wie die bekannten porösen Schichten die gleichen Eigenschaften bezüglich der Schmiermittelspeicherung auf, ohne jedoch die Nachteile der geringeren Festigkeit und des höheren Schmiermittelverbrauches im Betrieb aufzuweisen.

[0008] Bevorzugt werden die Mikrorisse bereits beim Auftragen der eisenhaltigen Schicht durch das thermische Spritzen gebildet. Durch bewußte Wahl der Prozeßparameter beim Auftrag der eisenhaltigen Schicht entstehen die Mikrorisse ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand. Dabei spielt es keine Rolle, ob diese sich bis zur Oberfläche der aufgespritzten Schicht erstrecken, oder ob diese nur in der Unterstruktur der eisenhaltigen Schicht vorhanden sind. Dies kann z. B. dann gegeben sein, wenn die Schicht in mehreren Lagen aufgetragen wird, wie in der WO 03/106718 beschrieben.

[0009] Da zur Bildung einer Gleitfläche die eisenhaltige Schicht auf jeden Fall nachträglich eine Oberflächenbearbeitung erfahren muß, können in diesem Arbeitschritt die Mikrorisse freigelegt werden, indem die Deckschicht der eisenhaltigen Schicht, die beim Aufspritzen entstanden ist, abgetragen wird. Dabei kann die Oberflächenbearbeitung eine mechanische Feinbearbeitung der eisenhaltigen Schicht sein. Dies sind z. B. Honen, Schleifen oder Polieren. Diese erprobten Verfahren erlauben ein kostengünstiges und genaues Herstellen der Oberfläche einer Gleitschicht.

[0010] Bei einem weiteren Verfahren entstehen die Mikrorisse durch Schrumpfspannungen bei der schnellen Abkühlung nach dem Auftragen, d. h. nach dem thermischen Spritzen der eisenhaltigen Schicht auf ein Grundmaterial. Die Verteilung und Größe der Risse kann durch den Zeitpunkt des Abkühlens und einer entsprechend schnelleren bzw. langsameren Abkühlgeschwindigkeit gesteuert werden.

[0011] Bevorzugt erfolgt die Abkühlung direkt nach dem thermischen Spritzen der eisenhaltigen Schicht. Dies ergibt sich von selbst durch das Abkühlen der eisenhaltigen Schicht, sobald diese auf ein Grundmaterial aufgetragen wird und das Grundmaterial eine geringere Temperatur als die aufgespritzte Schicht aufweist. In diesem Fall ist keine zusätzliche Kühlung vorgesehen, wodurch der Herstellungsprozeß für die Mikrorisse keine zusätzlichen Kosten verursacht.

[0012] Die Kühlung kann auch gezielt erfolgen, indem die aufgeheizte eisenhaltige Schicht gezielt in einzelnen, ausgewählten Bereichen oder insgesamt durch zusätzliche externe Kühlung, wie z. B. die Anwendung von Wasserstrahlen, flüssigen Gasen, Druckluft etc. abschnittsweise oder insgesamt abgekühlt wird. Derartige Verfahren sind zwar kostenaufwendig, erlauben aber eine noch gezieltere Steuerung der Bildung von Mikrorissen.

[0013] In einer weiteren Ausbildung des Verfahrens erfolgt die Abkühlung nach nachträglichem Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht. Damit kann gezielt an hochbelasteten Stellen von Gleitflächen die Struktur mit den Mikrorissen in der eisenhaltigen Schicht erzeugt werden, indem der Wärmeeintrag punktuell in diesen Bereichen erfolgt.

[0014] Ein weiterer Vorteil des nachträglichen Wärmeeintrages ist es, daß im Bereich des Wärmeeintrags feinverteilte nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide aus der amorphen Struktur der eisenhaltigen Schicht ausgeschieden werden. Damit wird die Festigkeit der eisenhaltigen Schicht im Bereich des Wärmeeintrags wesentlich erhöht.

[0015] Indem nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung durch punktuellen Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht weitere nano-kristalline Metallboride und / oder Metallkarbide entstehen, können in ausgewählten Bereichen der Gleitfläche, z. B. im hochbelasteten oberen und unteren Umkehrpunkt einer Zylinderlaufbahn, zusätzliche harte Bereiche erzeugt werden. Der punktuelle Wärmeeintrag erlaubt es auch, kleine lokale Stellen mit größerer Härte und/oder geänderten Oberflächeneigenschaften zu erzeugen. Dabei kann die Ausdehnung des punktuellen Wärmeeintrages wesentlich geringer als die gesamte Ausdehnung der Gleitfläche sein.

[0016] Bevorzugt weist die eisenhaltige Schicht im Bereich des Wärmeeintrags eine Härte von 1000 bis 1250 HV 0,05 auf, jedoch kann die Härte durch entsprechende Prozeßparameter und Materialzusammensetzung ohne weiteres im Bereich zwischen 800 HV 0,05 und 1500 HV 0,05 eingestellt werden. Eine solche Härte ist bisher z. B. bei Hartmetallwerkzeugen auf Basis von Wolfram-Karbid / Kobalt bekannt, und kann jetzt auch für Gleitflächen großflächig angewendet werden. Aufgrund der hohen Härte ist die eisenhaltige Schicht extrem verschleißfest. Die Metallboride bzw. Metallkarbide weisen bevorzugt eine Größe von 60 bis 130 nm auf. Aufgrund der geringen Größe wird die Reibung reduziert und die Härte gesteigert.

[0017] Bevorzugt erfolgt der nachträgliche Wärmeeintrag mittels Laserlicht und/oder Elektronenstrahlen. Diese Energiequellen können in einem kleinen Bereich gezielt punktuell Wärme bzw. Energie in die eisenhaltige Schicht einbringen. Außerdem können diese Energiequellen auf engem Raum, wie z. B. innerhalb einer Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors oder eines Hydraulikzylinders, eingesetzt werden, um die erfinderische eisenhaltige Schicht zu erzeugen. Es sind jedoch auch alle anderen geeigneten Energiequellen verwendbar, die den Wärmeeintrag zur Erzeugung der erfinderischen eisenhaltigen Schicht erlauben.

[0018] Bei einem vorteilhaften Verfahren ist das thermische Spritzverfahren zum Auftragen der eisenhaltigen Schicht ein Plasmadrahtspritzen (PTWA) oder ein Lichtbogendrahtspritzen (LDS). Beide Verfahren ermöglichen bei richtiger Einstellung der Prozeßparameter bereits beim Aufspritzen der eisenhaltigen Schicht die Ausbildung der Mikrorisse, da auch hier direkt eine Abkühlung der aufgetragenen eisenhaltigen Schicht noch beim Auftragen selbst bzw. unmittelbar danach erfolgt.

[0019] Überraschenderweise wurde gefunden, daß bei bestimmten Prozeßparametern die Bildung der Mikrorisse verstärkt auftritt, wobei im folgenden derzeit übliche Spritzanlagen bei Drahtdurchmessern von 1,6 mm zugrundegelegt sind. Im Falle des Plasmadrahtpritzens betrug eine günstigste Einstellung 120 Volt Spannung und 64 A Strom. Beim Lichtbogendrahtspritzen erwies sich der Bereich von 40 - 60 Volt Spannung und 50 - 120 A Strom als günstig für die Ausbildung der Mikrorisse; idealerweise betrug hier die Einstellung 53 Volt Spannung und 70 A Strom.

[0020] Verwendung findet die erfinderische eisenhaltige Schicht bei der Herstellung von Gleitflächen an Maschinenteilen, insbesondere von Pleuellagern, Kurbelwellenlagern, Kolbenringen, Zylinderlaufflächen und Kolben. Dies schließt neben Verbrennungsmotoren alle Maschinen ein, wo sich derartige Maschinenbauteile befinden, z. B. Hydraulikzylinder, Getriebe, Wellenlagerungen.

[0021] Insbesondere sind Kolbenringe geeignet, mit der erfinderischen eisenhaltigen Schicht beschichtet zu werden. Kolbenringe sind hochbelastet und sehr schwierig zu schmieren. Die Mikrorisse in der eisenhaltigen Schicht stellen ideale Schmiermitteltaschen dar, um eine kontinuierliche Schmierung des Kolbenringes auch dann noch sicherzustellen, wenn auf der mit dem Kolbenring zusammenwirkenden Zylinderlauffläche kurzfristig kein Schmiermittel vorhanden ist, z. B. bei einem Kaltstart eines Verbrennungsmotors, oder bei thermischer Überlast, oder allgemein bei einem Abriß des Schmierfilms.

[0022] Eine weitere bevorzugte Anwendung der eisenhaltigen Schicht mit Mikrorissen sind hochbelastete Zylinderlaufflächen von aufgeladenen Diesel- und Benzinmotoren. Aufgrund der hohen mechanischen Umklammerung der Schicht mit dem Grundmaterial eignet sich die Beschichtung insbesondere auch für Thermoschock beanspruchte Motoren. Thermoschock tritt auf, wenn beim Kaltstart bei niedrigen Umgebungstemperaturen Motoren schnell unter Last auf Höchstdrehzahl hochdrehen. Indem die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und / oder Metallkarbiden aufweist, ist die Gleitfläche hochbelastbar, da aufgrund der nano-kristallinen Ausscheidungen der Metallboride und Metallkarbide eine Schicht mit extrem hoher Härte entsteht. Weiterhin führen die Boride selbst zu einem sehr geringen Reibungskoeffizient, so daß in Verbindung mit den Mikrorissen diese Schicht hervorragende Gleiteigenschaften aufweist.

[0023] Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen eisenhaltigen Schicht kann bei der Reparatur verschlissener Gleitflächen erfolgen. Die Schicht besitzt eine ausgezeichnete mechanische Verbindung bzw. Verklammerung zum Grundmaterial aufgrund der amorphen Erstarrung und ist damit in der Lage, nachträglich aufgetragen zu werden. Dabei kann der Auftrag der Schicht auf eine nachbearbeitete, gesäuberte und / oder gestrahlte Oberfläche erfolgen. Dies erlaubt den flexiblen Einsatz der Schicht bei jedweden Reparaturarbeiten an Gleitflächen. Aufgrund der hohen Härte und Festigkeit der Schicht wird auch eine evt. Schwächung des Grundmaterials durch Verschleiß oder nachträglichen Abtrag ausgeglichen, so daß die ursprüngliche Festigkeit des Grundmaterials nahezu wieder erreicht bzw. sogar übertroffen werden kann. Anwendungsbeispiel ist der kritische Stegbereich zwischen Zylinderbohrungen eines Motorblocks.

[0024] Bei der Verwendung der eisenhaltigen Schicht zur Reparatur von Gleitflächen spielt es keine Rolle, ob die Gleitfläche vor der Reparatur bereits die gleiche oder eine ähnliche Beschichtung aufwies, oder ob die Gleitfläche direkt aus dem Grundmaterial, auf das die eisenhaltige Schicht aufgetragen wird, gebildet war. Insbesondere im letzteren Fall eignet sich die Schicht sehr gut, um alte, verschließene Zylinderblöcke aufzuarbeiten. Üblicherweise werden die Gleitflächen durch Aufbohren der Zylinderbohrungen repariert, indem die verschließene Oberfläche abgetragen wird und die neu entstehende Gleitfläche einer geeigneten Oberflächenbearbeitung unterzogen wird. Dies erfordert jedoch einen neuen Kolben mit Übermaß. Weiterhin wird der Zylinderblock selbst an hochbelasteten Stellen, wie z. B. dem kritischen Stegbereich zwischen den Zylinderbohrungen, durch den Materialabtrag beim Aufbohren geschwächt, so daß es in diesem Bereich zu Rissen kommen kann.

[0025] Durch Aufbringen der erfinderischen Schicht in der aufgebohrten Zylinderbohrung wird die Zylinderbohrung wieder auf das ursprüngliche Nennmaß gebracht, so daß der ursprüngliche Kolben verwendet werden kann. Weiterhin ist, da die Schicht eine sehr hohe Festigkeit aufweist, auch die ursprüngliche Festigkeit des Motorblocks selbst wieder hergestellt, da der Motorblock nun wieder die ursprünglichen Wandstärken aufweist.

[0026] Die Ausführung und die Verwendung der Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Bespiele beschränkt. Es versteht sich von selbst, daß insbesondere die erfinderische eisenhaltige Schicht in beliebiger geeigneter Kombination mit dem Verfahren zur Herstellung und der Verwendung einer eisenhaltigen Schicht erzeugt werden kann, wie auch umgekehrt das erfinderische Verfahren zur Herstellung benutzt werden kann, eine eisenhaltige Schicht zu erzeugen.

Ansprüche

1. Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei die eisenhaltige Schicht weitere metallische, metalloide und/oder nichtmetallische Elemente beinhaltet, die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß
die amorphe Struktur Mikrorisse aufweist.

2. Eisenhaltige Schicht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrorisse eine Länge von 10 bis 50 µm aufweisen.

3. Eisenhaltige Schicht nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrorisse eine Breite von 0,2 bis 2 µm aufweisen.

4. Verfahren zur Herstellung einer eisenhaltige Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrorisse beim Auftragen der eisenhaltigen Schicht durch das thermische Spritzen gebildet werden.

5. Verfahren zur Herstellung einer eisenhaltige Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Mikrorisse durch Schrumpfspannungen bei der Abkühlung der erhitzten eisenhaltigen Schicht entstanden sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abkühlung direkt nach dem thermischen Spritzen der eisenhaltigen Schicht erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Abkühlung nach nachträglichem Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, daß
der nachträgliche Wärmeeintrag mittels Laserstrahlen und/oder Elektronenstrahlen erfolgt.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß
das thermische Spritzverfahren zum Auftragen der eisenhaltigen Schicht ein Plasmadrahtspritzen (PTWA) oder ein Lichtbogenspritzen (LDS) ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Abkühlen der eisenhaltigen Schicht durch ein Temperaturgefälle zwischen der Schicht selbst und einem Grundmaterial, auf das die Schicht aufgetragen ist, bewirkt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Abkühlen der eisenhaltigen Schicht durch ein externe Kühlung erfolgt, insbesondere durch Anwendung von Wasserstrahlen, flüssigen Gasen oder Druckluft.

12. Verwendung einer eisenhaltigen Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung von Gleitflächen an Maschinenteilen, insbesondere von Pleuellagern, Kurbelwellenlagern, Kolbenringen, Zylinderlaufflächen und Kolben.

13. Verwendung einer eisenhaltigen Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche zur Reparatur verschlissener Gleitflächen.