DE10035031A1 - Gleitbeschichtung für tribologisch beanspruchte Oberflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Gleitbeschichtung - Google Patents

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.