DE10035031A1 - Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitbeschichtung - Google Patents
Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser GleitbeschichtungInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitbeschichtung.
Description
Die Erfindung betrifft eine Gleitbeschichtung für tribologisch
beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung
dieser Gleitbeschichtung gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche
1 bzw. 12 wie beides aus der gattungsbildend zugrundegelegten
DE 197 31 625 Al als bekannt hervorgeht.
Aus der DE 197 31 625 A1 ist ein Pleuel bekannt, das aus einem
vorgeformten Halbzeug hergestellt wird. Das Halbzeug weist im
Bereich des Pleuelauges, das zur Befestigung des Pleuels an der
an der Kurbelwelle vorgesehen ist, eine Öffnung - im folgenden
Lagersitz genannt - auf, die zur innenseitigen Beschichtung mit
einer umlaufseitig geschlossenen Gleitbeschichtung vorgesehen
ist. Die Gleitbeschichtung wird bevorzugt mit einer Schichtdic
ke zwischen 50 µm und 1800 µm aufgetragen, wobei die fertig be
arbeitete Gleitbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 30 µm
und 800 µm aufweist. Die Gleitbeschichtung wird bevorzugt aus
einem Metall bzw. einer Metall-Legierung hergestellt, wobei sie
zusätzlich noch Trockenschmierstoffe - auch als zusätzliche Be
schichtung - aufweisen kann. Die Beschichtung des Lagersitzes
erfolgt mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesonde
re mittels Plasmaspritzen.
Aus der DE 43 03 592 A1 ist ein Pleuel und Verfahren zur Her
stellung dieses Pleuels bekannt, das ebenfalls innerhalb eines
Pleuelauges eine Gleitbeschichtung aufweist. Aus dieser Schrift
sind unterschiedliche Materialien für die Gleitbeschichtung be
kannt.
Die Aufgabe der Erfindung eine Gleitbeschichtung für ein Sub
strat sowie ein Verfahren zur Herstellung der Gleitbeschichtung
dahingehend zu entwickeln, daß sie auch bei schnell wechselnden
Drucklasten eine hohe Verschleißfestigkeit und Standzeit auf
weist und gleichzeitig verhältnismäßig preisgünstig herzustel
len ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit einer Gleitbeschichtung mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. mit einem Verfahren mit den
Verfahrensschritten des Anspruchs 12 gelöst. Durch die graduel
le Änderung der Zusammensetzung der Beschichtung mit zunehmen
der Schichtstärke, ist es möglich, die Gleitbeschichtung in ei
nem einzigen Auftragungsvorgang, insbesondere mittels Plas
maspritzen, an die jeweils günstigen Bedürfnisse (Haftschicht,
Gleitschicht) anzupassen. Durch die Beigabe von Fasern aus Koh
lenstoff werden die Festigkeitseigenschaften der Gleitbeschich
tung verbessert. Ferner unterstützen die Kohlenstoffasern zu
sätzlich noch die Gleiteigenschaften an der freiliegenden,
sichtseitigen Oberfläche.
Weitere sinnvolle Ausgestaltungen sind verbleibenden Ansprüchen
entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von in den Fi
guren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Da
bei zeigt
Fig. 1 eine Ansicht eines Pleuels,
Fig. 2 die Einzelheit II gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht eines Pleuels mit einer Trennflächenerhe
bung,
Fig. 4 die Einzelheit IV gemäß Fig. 3,
Fig. 5 eine Ansicht eines Pleuels mit einer zusätzlichen
Trennflächenerhebung und
Fig. 6 die Einzelheit VI gemäß Fig. 5.
In Fig. 1 ist ein Pleuel 1 mit einem kleinen Pleuelauge 2 und
einem großen Pleuelauge 3 dargestellt, die durch einen Schaft 7
miteinander verbunden sind. Das große Pleuelauge 3 selbst weist
einen geteilten Lagersitz auf, dessen Lauffläche 5 mit einer
mittels Plasmaspritzen aufgebrachten Gleitbeschichtung 4 verse
hen ist. Die Lauffläche 5 der Gleitbeschichtung 4 des Lagersit
zes des großen Pleuelauges 3 bildet die Gleitlagerung des Pleu
els 1 an der nicht dargestellten Kurbelwelle.
Die Gleitbeschichtung 4 der tribologisch beanspruchten und im
Betrieb hohen Druckwechselschwankungen unterliegenden Laufflä
che 5 weist mit zunehmender Schichtdicke, also vom Substrat zur
freien Oberfläche hin, eine sich stetig verändernde Zusammen
setzung auf. Die Materialien und deren Zusammensetzung ist der
art gewählt, daß die Gleitbeschichtung 4 substratnah haftwirk
sam und die Zusammensetzung der Beschichtung gleitwirksam ist.
Zur weiteren Erhöhung der Standzeit der Gleitbeschichtung weist
sie zusätzlich noch innerhalb angeordnete Fasern 11 aus Kohlen
stoff auf.
Pleuel von Dieselmotoren unterliegen bei relativ geringen Ge
schwindigkeiten bereits hohen Belastungen. In diesem Fall haben
sich Gleitschichten bewährt, auf den die Gleitbeschichtung sub
stratnah eine ca. 50 bis 200 µm dicke CuA19010-Legierungen auf
weisen. Mit zunehmender Schichtdicke weist die Gleitbeschich
tung 4 einen steigenden Festschmierstoff-, insbesondere TiO2-
Anteil auf.
Pleuel von Ottomotoren hingegen unterliegen bei hohen Geschwin
digkeiten nur relativ geringen Belastungen. Hier ist eine Zu
sammensetzung der Gleitbeschichtung 4 sinnvoll, die beginnen
vom Substrat eine 10 bis 40 µm dicke zumindest weitgehend
AlCu2-Legierung aufweist. Nach dieser Einleitungslegierung wird
der Anteil an Sn erhöht, bis sich eine AlSn20Cu2-Legierung aus
bildet. Diese AlSn20Cu2-Legierung wird mit einer Dicke zwischen
50 und 200 µm aufgebracht.
In Fig. 1 ist das Pleuel 1 in einem Zustand dargestellt, bef
dem die Gleitbeschichtung 4 zwar schon aufgebracht, die Tren
nung des Lagerdeckels 6 vom Restpleuel 7 - also die Ausbildung
des zweiteiligen Lagersitzes des großen Pleuelauge 3 - aber
noch nicht erfolgt ist. Zur Abtrennung des Lagerdeckels 6 von
dem Restpleuel 7 weist das große Pleuelauge 3 im Bereich der
Trennfläche 8 eine Trenn- oder Anrißkerbe 9 auf, die ein ge
zieltes Bruchtrennen ("Cracken") ermöglicht.
Anstelle der vorteilhaften Bruchtrennung kann bei diesem Pleuel
1 sowie bei den anhand der Fig. 3 bis 6 nachfolgend noch Be
schriebenen der Lagerdeckel 6 auch in herkömmlicher Weise wie
(bspw. Sägen, Laser- oder Elektronenstrahlschneiden usw.) vom
Restpleuel abgetrennt werden.
Das in Fig. 1 dargestellte Pleuel 1 wird aus einem sinterge
schmiedeten Halbzeug hergestellt, für welches ein Grünling vor
dem Sintern mit einer Anrißkerbe 9 versehen wurde. Wie insbe
sondere in Fig. 2 dargestellt ist, bleibt die Anrißkerbe 9
beim Sinterschmieden weitgehend erhalten, wobei sie allerdings
weitgehend auch verschlossen wird. Ferner ist die Anrißkerbe 9
mit einer sich radial vom Mittelpunkt des großen Pleuelauges 3
nach außen erstreckenden Trennflächenerhebung 10 gefüllt, die
aus dem Material der Gleitbeschichtung 4 gebildet ist.
Die Anrißkerbe 9 ermöglicht eine gezielte Bruchtrennung entlang
der Trennfläche 8 zwischen dem Lagerdeckel 6 und dem Restpleuel
7. Wie ebenfalls aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist nach der
Freilegung der Anrißkerbe 9 entlang der gestrichelten Linie
9 oberhalb der Abrißkerbe 9 keine Gleitbeschichtung 4 mehr an
geordnet.
Die durch die Bruchtrennung erzeugten Oberflächen der Trennflä
che 8 des Lagerdeckels 6 bzw. des Restpleuels 7 weisen eine
große und unregelmäßige Oberflächenstruktur auf, so daß dieser
Lagerdeckel 6 nur auf das dazugehörige Restpleuel 7 paßt. Ein
Versatz dieser beiden Teile ist damit zumindest nahezu ausge
schlossen. Der Lagerdeckel 6 wird in bekannter Weise mit
Schrauben (nicht dargestellt) am Restpleuel 7 befestigt.
Zur Herstellung des Pleuels nach Fig. 1 wird bevorzugt wie
folgt vorgegangen. Zuerst wird ein Halbzeug gemäß mit zwei Öff
nungen hergestellt, wobei die Öffnungen unterschiedlichen
Durchmesser aufweisen. Des weiteren wird das Halbzeug bereits
mit einer Anrißkerbe 9 versehen. Die größere der beiden Öffnun
gen ist zur späteren Anordnung des Pleuels 1 an der Kurbelwelle
vorgesehen, während die kleinere Öffnung später den Kolbenbol
zen eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines
Motors eines Kraftfahrzeuges, aufnimmt.
Auf beiden Öffnungen wird, ggf. nach einer gewissen Aufarbei
tung des vorzugsweise aus Stahl und/oder einer Leichtmetall-
Legierung, insbesondere einer Aluminium- und/oder Magnesium-
Legierung, geschmiedeten Halbzeugs, noch Material aufgetragen.
Dieses Material bildet zumindest beim großen Pleuelauge 3 die
Gleitbeschichtung 4.
Damit der Auftrag in sinnvoller Weise erfolgen kann, weisen
beide Öffnungen gegenüber dem Endmaß ein Übermaß des jeweiligen
Durchmessers auf. Nach dem Auftrag des Materials entsprechend
ein Untermaß, damit noch eine genaue Bearbeitung auf Endmaß
vorgenommen werden kann.
Bevor nun das Pleuel 1 in Lagerdeckel 6 und Restpleuel 7 ge
trennt wird, wird das Material der Gleitbeschichtung 4 im Be
reich der Trennfläche 8 entfernt. Das Material der Gleitbe
schichtung 4 im Bereich der Trennfläche 8 wird bevorzugt ther
misch, insbesondere mit einem Laser entfernt.
Zweckmäßigerweise wird mit der Entfernung der Gleitbeschichtung
4 gleichzeitig auch die Teilentfernung des Restmaterials der
Gleitbeschichtung 4 aus der Anrißkerbe 9 vorgenommen und die
Anrißkerbe freigelegt oder ggf. neu oder weiter ausgeformt. Die
Freilegung erfolgt vorzugsweise in einem Arbeitsgang mit der
Entfernung der Gleitbeschichtung 4 im Bereich der Trennfläche
8.
Da die Gleitbeschichtung 4 erfindungsgemäß im Bereich der
Trennfläche 8 insbesondere vollständig entfernt ist, kann die
Oberfläche der Trennfläche 8 keinerlei Material mehr der Gleit
beschichtung 4 aufweisen. Bei einer Trennung der beiden Teile
voneinander ist somit auch die Grenzfläche zwischen der Gleit
beschichtung 4 und dem Restmaterial des Pleuels 1 nicht mehr
belastet, wodurch im Bereich der Trennfläche 8 die Gefahr zu
mindest einer mikroskopischen Ablösung und/oder Verringerung
der Haftung von Material der Gleitbeschichtung 4 vermieden
wird. Eine Verringerung der Haftung des Materials der Gleitbe
schichtung 4 aber führt im Betrieb zu einer Ablösung von Mate
rial der Gleitbeschichtung 4 und damit zu einem Lagerschaden an
der Pleuel/Kurbelwellen-Verbindung.
Von besonderem Vorteil ist es, wenn das Material der Gleitbe
schichtung 4 und/oder die Anrißkerbe 9 derart ausgeführt wird,
daß der beim Zusammenfügen des Restpleuels 7 und des Lagerdec
kels 6 verbleibende Hohlraum als Öltasche verwendet werden
kann.
Als Restmaterial des Pleuels 1 oder zur Herstellung des Halb
zeugs kann insbesondere ein geschmiedeter Stahl oder Gußeisen
oder ein Leichtmetall bzw. eine Leichtmetall-Legierung verwen
det werden. Genauere Angaben für mögliche Restmaterialien kön
nen der eingangs gewürdigten DE 43 03 592 A1 entnommen werden.
Mögliche Materialien für die Gleitbeschichtung 4 sind gleich
falls den beiden eingangs gewürdigten Schriften entnehmbar. Der
Auftrag der Gleitbeschichtung erfolgt vorzugsweise mittels ei
nes thermischen Spritzverfahren, insbesondere mit einem Plasma-
oder einem Lichtbogenspritzverfahren.
Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, wird bei den nachfol
genden Ausführungsbeispielen nur noch auf deren Unterschiede zu
dem eben erläuterten Ausführungsbeispiel eingegangen.
In Fig. 3 ein Pleuel 1 dargestellt, das ebenso wie dasjenige
nach Fig. 5 eine Trennflächenerhebung 10 aufweist. Wie aus der
Fig. 4 ersichtlich ist, ist unterhalb der Trennflächenerhebung
10 eine Vertiefung angeordnet, die vorzugsweise der späteren
Trenn- oder Abrißkerbe 9 entspricht.
Die Trennflächenerhebung 10 ist aus einem Material, das sich
von dem Material des restlichen Halbzeuges und ebenso von dem
Material der später aufzubringenden Gleitbeschichtung 4 unter
scheidet. Des weiteren ist die Trennflächenerhebung 10 wurzel
seitig in die die Anrißkerbe 9 ausbildende Vertiefung eingelas
sen.
Zur Herstellung des Pleuels 1 gemäß Fig. 3 wird zunächst das
der Kurbelwelle zugewiesenen große Pleuelauge 3 mit der Gleit
beschichtung 4 versehen. Bei diesem Arbeitsgang wird auch die
Trennflächenerhebung 10 mit dem Material der Gleitbeschichtung
4 beschichtet.
Bei der Bearbeitung der Gleitbeschichtung 4 auf Endmaß wird die
Gleitbeschichtung 4 im Bereich der radial nach innen abragenden
Trennflächenerhebung 10 vollständig abgetragen. Damit liegt das
Material der Trennflächenerhebung 10 sowohl seitlich, also in
axialer Richtung, als auch in radialer Richtung frei.
Anschließend kann die Trennflächenerhebung 10 selektiv entfernt
werden. Die selektive Entfernung erfolgt insbesondere auf naß
chemischem Wege, wie es bspw. bei der Herstellung von Halblei
terbauteilen bekannt ist. Um auf naßchemischem Wege ein gutes
Ergebnis zu erreichen, wird das Material der Trennflächenerhe
bung 10 derart gewählt, daß es mit einer Flüssigkeit entfernt
werden kann, die das Material des Halbzeugs und der Gleitbe
schichtung 4 allenfalls geringfügig angreift.
Bei einer naß- und/oder trockenchemischen Entfernung der Trenn
flächenerhebung 10 ist es sinnvoll, die Bereiche, die außerhalb
der Trennflächenerhebung 10 angeordnet sind, mit einer Passi
vierungsschicht zu versehen, die sie vor dem Zutritt der Flüs
sigkeit schützt.
In besonderer Ausgestaltung kann die Trennflächenerhebung 10
derart ausgestaltet sein, daß nach deren Entfernung zumindest
im Bereich der Gleitbeschichtung 4 eine Öltasche verbleibt.
In Fig. 5 ist ein Pleuel 1 mit einer weiteren Trennflächener
hebung 10 dargestellt. Die in Fig. 6 vergrößert dargestellte
Trennflächenerhebung 10 ist im Bereich der späteren Trennfläche
8 des Lagerdeckels 6 vom Restpleuel 7 angeordnet.
Die Trennflächenerhebung 10 besteht bei diesem Ausführungsbei
spiel aus dem gleichen Material wie das Halbzeug. Sie weist ei
ne radiale Erstreckung auf, die größer oder gleich der Schicht
dicke der nachträglich umfangseitig des Lagersitzes aufgebrach
ten Gleitbeschichtung 4 ist. Die Axialerstreckung der Trennflä
chenerhebung 10 entspricht in etwa der Axialerstreckung des La
gersitzes des großen Pleuelauges 3.
Zur Herstellung eines Pleuels 1 gemäß Fig. 5 wird hier zu
nächst das der Kurbelwelle zugewiesenen große Pleuelauge 3, das
bereits die Trennflächenerhebung 10 aufweist, mit der Gleitbe
schichtung 4 versehen. Bei diesem Arbeitsgang wird die Trenn
flächenerhebung 10 mit dem Material der Gleitbeschichtung 4 be
schichtet. Bei der Bearbeitung der Gleitbeschichtung 4 auf End
maß wird die Gleitbeschichtung 4 im Bereich der radial nach in
nen, also zum Mittelpunkt des großen Pleuelauges 3 hin gerich
tete, abragenden Trennflächenerhebung 10 vollständig abgetra
gen.
Bei der Bearbeitung der Gleitbeschichtung 4 auf Endmaß wird bei
einer Trennflächenerhebung 10, deren radiale Erstreckung größer
als die Schichtdicke der Gleitbeschichtung 4 ist, gleichzeitig
auch das überschüssige Material der Trennflächenerhebung 10
entfernt. Danach wird die Trennflächenerhebung 10 unter Ausbil
dung einer aus Fig. 2 bekannten Anrißkerbe 9 entfernt und zu
letzt der Lagerdeckel 6 abgetrennt.
Die Abtrennung kann mittels eines bekannten Trennverfahrens wie
Sägen, Laser, Elektronenstrahl usw. vorgenommen werden kann.
Insbesondere ist es sinnvoll, eine Bruchtrennung, also das so
genannte Cracken des großen Pleuelauges 3 vorzunehmen.
Claims (22)
1. Gleitbeschichtung für eine tribologisch beanspruchte Ober
fläche, insbesondere eines Pleuels,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung eine sich vom Substrat her zur freien
Oberfläche vorzugsweise stetig verändernde Zusammensetzung auf
weist, wobei die Zusammensetzung der Beschichtung substratnah
haftwirksam und die Zusammensetzung der Beschichtung gleitwirk
sam ist.
2. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung innerhalb angeordnete Fasern, vorzugsweise
aus Kohlenstoff aufweist.
3. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung substratnah hauptsächlich eine CuAl-
Legierung aufweist.
4. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung substratnah hauptsächlich eine CuAl9010-
Legierung aufweist.
5. Gleitbeschichtung nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtdicke der CuAl-Legierung, insbesondere der
CuAl9010-Legierung zwischen 50 und 200 µm beträgt.
6. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung mit zunehmendem Abstand vom Substrat einen
sich erhöhenden Anteil an Ti-Oxid, vorzugsweise TiO2 aufweist.
7. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung substratnah hauptsächlich eine AlCu2-
Legierung aufweist.
8. Gleitbeschichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Schichtdicke der AlCu2-Legierung zwischen 10 und 40 µm
beträgt.
9. Gleitbeschichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung mit zunehmendem Abstand vom Substrat einen
sich erhöhenden Anteil an Sn aufweist.
10. Gleitbeschichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß Schichtdicke der Sn aufweisenden Schicht zwischen 50 und
200 µm beträgt.
11. Gleitbeschichtung nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung sichtseitig eine AlSn20Cu2-Legierung auf
weist.
12. Verfahren zur Auftragung einer Gleitbeschichtung auf eine
tribologisch beanspruchte Oberfläche mittels eines thermischen
Spritzverfahrens, vorzugsweise mittels Plasmaspritzen,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung in einer sich vom Substrat her zur freien
Oberfläche vorzugsweise stetig verändernden Zusammensetzung
aufgebracht wird, wobei die Beschichtung substratnah in einer
haftwirksamen Zusammensetzung und oberflächennah in einer
gleitwirksamen Zusammensetzung aufgetragen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beschichtung beim Auftragen Fasern, vorzugsweise aus
Kohlenstoff zugegeben werden.
14. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß substratnah hauptsächlich eine CuAl-Legierung aufgebracht
wird.
15. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß substratnah hauptsächlich eine CuAl9010-Legierung aufge
bracht wird.
16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß die CuAl-Legierung, insbesondere die CuAl9010-Legierung mit
einer Schichtdicke zwischen 50 und 200 µm aufgebracht wird.
17. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beschichtung mit zunehmendem Abstand vom Substrat mehr
Ti-Oxid, vorzugsweise TiO2 beigegeben wird.
18. Verfahren nach Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
daß substratnah hauptsächlich eine AlCu2-Legierung aufgebracht
wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß die AlCu2-Legierung mit einer Schichtdicke zwischen 10 und
40 µm aufgebracht wird.
20. Verfahren nach Anspruch 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Beschichtung mit zunehmendem Abstand vom Substrat mehr
Sn beigegeben wird.
21. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sn aufweisende Schicht mit einer Schichtdicke zwischen
50 und 200 µm aufgebracht wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Sn aufweisende Schicht zumindest sichtseitig als
AlSn20Cu2-Legierung aufgebracht wird.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE10035031A DE10035031A1 (de) | 2000-07-19 | 2000-07-19 | Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitbeschichtung |
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DE10035031A DE10035031A1 (de) | 2000-07-19 | 2000-07-19 | Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitbeschichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Family
ID=7649414
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---|---|---|---|
DE10035031A Withdrawn DE10035031A1 (de) | 2000-07-19 | 2000-07-19 | Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitbeschichtung |
Country Status (1)
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