DE102004055199B4

DE102004055199B4 - Herstellungsverfahren für Gleitschichten aus Verbundmaterial

Info

Publication number: DE102004055199B4
Application number: DE102004055199A
Authority: DE
Inventors: Karl Dr.Rer.Nat. Holdik; Oliver Methner; Florian Lampmann; Torsten Wittrowski; Ansgar Dipl.-Ing. Zoller
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-11-16
Filing date: 2004-11-16
Publication date: 2009-10-22
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: DE102004055199A1; US20060105191A1

Abstract

Verfahren zum Beschichten von Substraten, insbesondere von Lagerschalen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere des Lichtbogen-Drahtspritzens (LDS), mit einer Verbundschicht aus Metall/Polymer oder Metall/Keramik/Polymer dadurch gekennzeichnet, dass der wesentliche Anteil des metallischen Spritzgutes vor der Spritzdüse zugeführt wird und das polymere Spritzgut in Pulver- oder Drahtform mit einer Zuführvorrichtung nach der Spritzdüse in den Spritzstrahl eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten von Substraten, insbesondere von Lagerschalen oder Abgasturboladern, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere des Lichtbogen-Drahtspritzens (LDS), mit einer Verbundschicht aus Metall/Polymer oder Metall/Keramik/Polymer.
Aus der DE 100 35 032 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung der Lagerschicht eines Pleuels bekannt, wobei die Lagerschicht vorzugsweise mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Plasmaspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht wird und bevorzugt aus Al/Cu-Legierungen oder Cu/(Zn, Al, Sn)-Legierungen besteht.
Aus der DE 100 35 031 A1 sind ebenfalls durch thermisches Spritzen erhältliche Gleitlagerschichten bekannt. Dabei weisen die Gleitlagerschichten eine graduelle Änderung der Zusammensetzung der Beschichtung mit zunehmender Schichtstärke auf. Bevorzugt besteht die Beschichtung substratnah hauptsächlich aus Cu/Al-Legierung und substratfern aus zunehmenden Anteilen von Titanoxid.
Aus der DE 196 10 055 C1 ist eine Gleitschicht für Zylinderlaufflächen von Kolbenmotoren bekannt, die Metall, Metalllegierungen und keramische Materialien umfasst und einen Anteil an Fluorpolymeren zwischen 1 und 50 Gew.% enthält. Gleichermaßen offenbaren die Druckschriften DE 103 08 563 B3 , DE 695 10 549 T2 und JP 01312062 A Gleitschichten, die ebenfalls neben metallischen und keramischen Materialien ein Fluorpolymer enthalten.
Die thermisch abgeschiedenen Schichten weisen auf der Oberfläche unterschiedliche Rauhigkeiten auf, die in der Regel eine glättende Nachbearbeitung erfordern. Ein weiteres Charakteristikum der Abscheideverfahren ist, dass sich die Dicke der Schichten, insbesondere bei geometrisch komplexeren Substraten, nicht exakt einstellen lässt. Daher müssen die Schichten in der Regel auch auf Endmaß nachgearbeitet werden.
Werden sehr dichte Gleitspalte gefordert oder exakt aufeinander abgestimmte komplexe Oberflächenkonturen zwischen den Reibpartnern gewünscht, so ist die erforderliche feine Bearbeitung der Gleitschichtoberflächen häufig nur schwer oder überhaupt nicht möglich.
Es ist Aufgabe der Erfindung einen kostengünstigen Prozess für die Bildung einer Gleitschicht bereitzustellen, die sich passgenau an einen Reib- oder Gleitpartner anpassen kann, ohne dass eine passgenaue Oberflächenbearbeitung auf Endmaß erforderlich ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten von Substraten, insbesondere von Lagerschalen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere des Lichtbogen-Drahtspritzens (LDS), mit einer metallischen oder Metall/Keramik-Verbundschicht mit Polymeren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1.
Gemäß der Erfindung ist somit ein thermisches Spritzverfahren vorgesehen, das es erlaubt, auf einem Substrat Verbundmaterial abzuscheiden. Dabei ist das Substratmaterial bevorzugt durch Metall gebildet. Das Verbundmaterial ist aus einer metallischen Matrix oder aus einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff aufgebaut, in den polymeres Material eingelagert ist.
Das Verfahren zur Herstellung dieser Verbundschicht sieht erfindungsgemäß vor, die einzelnen Komponenten der Verbundschicht in einem thermischen Spritzverfahren gemeinsam abzuscheiden, wobei das metallische Spritzgut im wesentlichen vor der Spritzdüse zugeführt und aufgeschmolzen wird und das polymere Spritzgut erst nach der Spritzdüse in den Spritzstrahl eingeleitet wird. Dabei ist es wesentlich, dass das polymere Spritzgut mit einer Zuführvorrichtung erst nach der Spritzdüse in den Spritzstrahl eingebracht wird, wobei das polymere Spritzgut in Pulver- oder in Drahtform eingeleitet wird. Unter der Drahtform sind dicke Polymer-Filamente oder Stäbe ebenso zu verstehen, wie Fäden oder Kabel aus Einzelfilamenten.
Das metallische Spritzgut ist besonders bevorzugt aus Gleitlagermetallen, oder Legierungen aufgebaut. Hierzu zählen insbesondere Cu-Legierungen, Cu- oder Al-Bronzen, sowie Messing.
Dabei ist nicht ausgeschlossen, dass nach der Spritzdüse neben dem polymeren Spritzgut auch weitere Komponenten, insbesondere metallisches oder keramisches Spritzgut, in den Spritzstrahl eingeleitet werden. Der wesentliche Anteil des metallischen Spritzgutes wird jedoch vor der Spritzdüse zugeführt.
Zu den geeigneten thermischen Spritzverfahren gehören die meisten gängigen Spritzverfahren, wie das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, das Plasmaspritzen und insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen (LDS), sowie das LDS-Hybridverfahren. Das LDS-Hybridverfahren unterscheidet sich vom seit langem bekannten LDS-Verfahren dadurch, dass in die Spritzvorrichtung bzw. Spritzpistole mindestens ein sauerstoffhaltiges Zerstäubergas und ein Brenngas zugeführt werden. Das Brenngas wird in einer Brennkammer in unmittelbarer Nähe oder hinter dem Lichtbogen zwischen den Drähten gezündet. Hierdurch wird in den Spritzstrahl eine erhöhte Energie eingetragen und die Spritzpartikel erreichen einen höheren Impuls, wodurch vergleichsweise dichte und feste Schichten abgeschieden werden.
Das Einbringen des Polymers nach der Spritzdüse hat wesentliche Vorteile gegenüber denjenigen Verfahrensvarianten, bei denen das Material in die Brennkammer vor der Spritzdüse eingeleitet wird.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird zum einen sicher gestellt, dass das polymere Spritzgut eine möglichst kurze Verweilzeit in den heißen Zonen der Spritzvorrichtung aufweist. Durch die Zuführung in den Spritzstrahl unterliegen die polymeren Werkstoffe einer vergleichsweise geringeren thermischen Belastung. Hierdurch wird die Zersetzung oder Pyrolyse der Polymere wesentlich zurückgedrängt oder ganz verhindert.
Ein weiterer Vorteil ist es, dass der Anteil des polymeren Spritzgutes in sehr einfacher Weise variiert werden kann, ohne dass die Einstellung der Verfahrensparameter in der Brennkammer selbst angepasst werden müssten. Insbesondere sind die Bedingungen in der Brennkammer, beziehungsweise vor der Spritzdüse, im wesentlichen unabhängig von der Menge des nach der Spritzdüse zugeführten Materials.
Ebenso kann in einfacher Weise das polymere Material während der Abscheidung variiert oder durch andere Zusatzstoffe ersetzt werden, ohne eine signifikante Veränderung der Parameter in der Spritzanlage vornehmen zu müssen.
Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass an die Art oder Morphologie des polymeren Spritzgutes keine hohen Anforderungen gestellt werden müssen. So werden zum Beispiel zur Durchführung des LDS-Verfahrens keine Kunststoff-, bzw. Metall/Kunststoff-Verbunddrähte benötigt. Vielmehr kann das Polymer gepulvert oder als Draht zugeführt werden.
Je nach Verfügbarkeit kann das Polymer in Draht- oder in Pulverform zudosiert werden.
Grundsätzlich ist es möglich das polymere Material als Träger für weitere Werkstoffe auszugestalten. In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung werden dabei Mischungen aus Polymer/Polymer, Polymer/Metall oder Polymer/Keramik in Pulver oder Drahtform in den Spritzstrahl zugeführt. Das Polymer bildet dabei als Träger eine Matrix für die weiteren Werkstoffe. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass sich sehr unterschiedliche Mischungen in einfacher Weise herstellen und homogen in den Spritzstrahl einleiten lassen.
Eine weitere zweckmäßige Variante der Polymer/Keramik-Mischungen sind polymerbeschichtete Keramikpartikel. Diese können beispielsweise durch Sprühtrocknungs- oder Sprühgranulierungsprozesse gewonnen werden.
Ebenso ist es aber auch möglich die weiteren Werkstoffe von dem Polymer getrennt, beispielsweise in einer Mischung aus unterschiedlichen Pulversorten oder in einer separaten Zuführvorrichtung zuzudosieren. Im letzteren Fall sind dann mehrere Zuführvorrichtungen mit unterschiedlichen Materialien zweckmäßig.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird polymeres Spritzgut in Form eines Verbunddrahtes aus Metall und Polymer verwendet, wobei der Mantel aus metallischem Spritzgut und die Seele aus Polymer besteht. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass auch pulverförmiges Polymer einfach zu fördern ist, da vom Metallmantel gehalten. Des weiteren wird hierdurch erreicht, dass das Polymer weitgehend in Metall-umhüllte Tröpfchen überführt wird. Der abgeschiedne Verbundwerkstoff wird hierdurch vergleichsweise homogen aufgebaut. Ebenso führt diese Vorgehensweise zu einer geringeren thermischen Belastung des polymeren Materials während des Abscheideprozesses.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die polymeren Drähte aus Polymermischungen oder Polymerblends gebildet. So kann der Draht beispielsweise aus Kabeln mit Fäden aus unterschiedlichen Polymeren aufgebaut sein.
Als Polymere sind unterschiedlichste aliphatische, oder aromatische Polymere geeignet. Bevorzugt werden aber Polymere eingesetzt die einen hohen Schmelzpunkt haben, oder unschmelzbar sind.
Eine der wichtigsten Funktionen der Polymere in dem abgeschiedenen Verbundwerkstoff ist eine hohe Gleitfähigkeit gegenüber einem Reibpartner und das Sicherstellen einer bleibenden Verformbarkeit oder Umformbarkeit der Oberfläche unter geringen Kräften. Dabei ist das Aufschmelzen des Polymers unter Krafteinwirkung oder unter Reibbeanspruchung der Oberfläche eher hinderlich, da es beim Abkühlen zum Verkleben mit dem Reibpartner führen kann.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Oberfläche der abgeschiedenen Schicht durch einen Reibpartner geglättet und/oder durch Materialabtrag und/oder Umformung exakt an dessen Kontur angepasst wird.
Dementsprechend werden insbesondere hochschmelzende Thermoplasten oder nicht-schmelzende Harze oder Polymere als Polymermaterial bevorzugt.
Die nicht-schmelzenden Harze oder Polymere sind dabei zweckmäßigerweise fein pulverisiert, bevorzugt in einen Träger aus thermoplastischem Polymer oder in einen Metall-Hülldraht eingebettet, in den Spritzstrahl einzubringen, da eine Zerstäubung in feinste Flüssigkeitströpfchen nicht erfolgen kann.
Zu den bevorzugten Polymeren zählen fluorierte Polyaliphaten, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polytetraflouräthylen (PTFE), Polyether, insbesondere Polyoxymethylen oder Polyolefine, insbesondere Polyethylenoxid, Polyethylen, Polypropylen, oder Polyaromaten, wie Polyphenylen und/oder Phenolharze. Unter den faserförmigen Polymeren, die sich beispielsweise zu Fäden oder Kabeln verformen lassen, sind insbesondere Polyester oder Polyamide geeignet.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die polymeren Drähte oder Pulver keramische Bestandteile, wie Hartstoffe und/oder Trockenschmierstoffe umfassen. Durch die Verwendung polymergebundener Keramikpartikel bzw. Keramikpulver/Polymer-Mischungen in Pulver- oder Drahtform ist es in sehr einfacher Weise möglich, die anderweitig nur schwierig in den Spritzprozess einzuführenden keramischen Partikel zuzudosieren.
Ebenso ist es aber auch möglich, dass das keramische Spritzgut ausschließlich oder zusätzlich in Form eines Drahtes mit Metallmantel und mit einer Seele aus Keramik der Brennkammer bzw. dem Lichtbogen vor der Spritzdüse zugeführt wird.
Besonders vorteilhafte Beschichtungen weisen eine durch Polymer- und/oder Keramikgehalt bedingte gute Glättbarkeit oder Umformbarkeit an und in der Nähe ihrer Oberfläche auf. In der Tiefe bzw. am Grund der Schicht ist diese Materialeigenschaft eher unerwünscht. Vielmehr ist dort eine hochverschleißfeste Schicht mit guten Hafteigenschaften zum Substratmaterial erforderlich.
Dementsprechend wird in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Anteil des Polymers im Spritzstrahl während der Beschichtung verändert wird. Dadurch werden Gradientenschichten bezüglich der Konzentraion des Polymers aufgebaut. Die Einstellung von Gradienten kann in analoger Weise auch für das zugeführte keramische Material durchgeführt werden. Besonders bevorzugt wird der Anteil des Polymers während der Beschichtung erhöht, so dass der Anteil des Polymers in der Schicht gradientenförmig von unten zur Oberfläche hin zunimmt.
Bei den keramischen Werkstoffen, die in der Schicht abgeschieden werden kann es sich um Gleitstoffe oder Trockenschmiermittel und/oder Hartstoffe handeln.
Die Trockenschmierstoffe unterstützen die Wirkung der Polymere bei der Bildung einer glatten und an einen Reibpartner angepassten Oberfläche der abgeschiedenen Schicht. Darüber hinaus führen sie zu einer lang anhaltenden Schmierwirkung im gleitenden Kontakt mit einem Reibpartner.
Als Trockenschmierstoffe bzw. Gleitstoffe sind insbesondere Bornitrid, Molybdänsulfid, Antimonsulfid oder Graphit, einzeln oder in Mischung geeignet.
Die Hartstoffe aus Keramik unterstützen die Verschleißfestigkeit der Schicht. Im gleitenden Betrieb wird durch diese ein Abarbeiten oder Abschleifen der Schicht über die gewünschte Tiefe hinaus zurückgedrängt. Geeignete Hartstoffe sind insbesondere Metall-Boride, wie beispielsweise B₄C oder TiC, Metall-Carbide, wie beispielsweise TiC oder SiC, Metall-Silizide, wie beispielsweise TiSi oder Chromsilizide, oder Metall-Nitride, wie beispielsweise Si₃N₄ oder TiN, oder Metalloxide wie beispielsweise Al₂O₃, oder ZrO₂.
Werden Trockenschmierstoffe und Hartstoffe zugleich abgeschieden, so wird das Verhältnis bevorzugt so eingestellt, dass die Menge der Hartstoffe bei der Abscheidung überwiegt.
Nach der thermischen Abscheidung der Schicht kann je nach Schichtqualität und geometrischen Anforderungen eine Nachbehandlung der Oberfläche stattfinden.
Des weiteren kann es zweckmäßig sein eine Vorbehandlung des metallischen Substrates, insbesondere durch Aufrauen der Oberfläche oder Aufbringen von Haftvermittlerschichten durchzuführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Herstellung von Gleitschichten auf metallischen Substraten, die aus Metall/Polymer oder Metall/Keramik/Polymer-Verbundwerkstoffen gebildet sind. Diese Verbundwerkstoffe weisen zum überwiegenden Teil eine Metallmatrix auf, in welche Keramik beziehungsweise das Polymer eingebettet sind.
Derartige Gleitschichten werden bevorzugt dort eingesetzt, wo eine genaue Anpassung gegenüber dem Reibpartner bzw. Gleitpartner erst während einer Einlaufphase erfolgt. Die passgenaue Oberfläche wird dabei in einer Einlaufphase durch Oberflächenabtrag und Oberflächenumformung durch den Gleit- oder Reibpartner erreicht. Die erfindungsgemäße Gleitschicht weist somit auch die Funktion einer Einlaufschicht auf.
Bevorzugte Anwendung finden die Gleitschichten als Lagerschichten im Motorbau. Eine weitere vorteilhafte Verwendung findet sich als Beschichtung in Turboladern, insbesondere der Rotorblätter.
Die Metallmatrix besteht erfindungsgemäß aus einem Lagermetall oder einer Lagermetalllegierung. Zu den bevorzugten Legierungen zählen Cu-Legierungen, insbesondere Bronze oder Messing. Unter anderem sind auch Al-Bronzen geeignet.
Die Gleitschicht besteht bevorzugt zu über 80 Gew.% aus dem metallischen Material des Matrixwerkstoffes. Der Metallanteil kann einen Gradienten der Konzentration über die Schicht aufweisen. In einer bevorzugten Variante weist dabei die substratnahe Seite der Schicht einen höheren Metallgehalt auf als die Oberfläche. Besonders bevorzugt wird die substratnahe Seite im wesentlichen nur aus Metall, gegebenenfalls mit weiteren Anteilen von Keramik gebildet.
Die erfindungsgemäß hergestellte Gleitschicht weist die für Gleitschichten und Einlaufschichten üblichen Dicken auf. Sie bewegen sich typischerweise im Bereich weniger Mikrometer bis um 1 bis 2 mm.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gleitschicht 0,5 bis 15 Gew.% Polymere aufweist.
Die Verteilung der Polymere in der Schicht kann dabei variieren. Erfindungsgemäß sind zumindest an der Oberfläche und/oder in einer oberflächennahen Materialschicht Polymere in einem Anteil oberhalb 0,5 Gew.% vorhanden. Die Dicke dieser oberflächennahen Schicht liegt je nach Gesamtschichtdicke typischerweise bei einigen Mikrometern bis einigen 100 μm und umfasst nicht weniger als 5% der Dicke der gesamten Gleitschicht.
In einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Gleitschicht sind in der Metallmatrix neben dem Polymeren Material auch Keramische Werkstoffe eingelagert. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Gleitschicht dann 0,5 bis 15 Gew.% Keramik aufweist. Der Keramikgehalt kann ebenso wie der Polymergehalt einen Konzentrationsgradienten aufweisen.
Das Keramische Material ist ausgewählt aus der Gruppe der Hartstoffe oder Trockenschmierstoffe.

Claims

Verfahren zum Beschichten von Substraten, insbesondere von Lagerschalen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere des Lichtbogen-Drahtspritzens (LDS), mit einer Verbundschicht aus Metall/Polymer oder Metall/Keramik/Polymer dadurch gekennzeichnet, dass der wesentliche Anteil des metallischen Spritzgutes vor der Spritzdüse zugeführt wird und das polymere Spritzgut in Pulver- oder Drahtform mit einer Zuführvorrichtung nach der Spritzdüse in den Spritzstrahl eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das polymere Spritzgut in Form eines Drahtes mit Mantel aus metallischem Spritzgut und mit einer Seele aus Polymer zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik in Form eines Drahtes mit Mantel aus metallischem Spritzgut und mit einer Seele aus Keramik in den Spritzstrahl zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Spritzgut in Form eines Drahtes mit Metallmantel und mit einer Seele aus Keramik dem Lichtbogen zugeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das polymere und/oder das keramische Spritzgut in Partikelform in den Spritzstrahl injiziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische und das polymere Spritzgut ausgewählt sind aus polymerbeschichteten Keramikpartikeln oder Polymer/Keramik-Verbundpartikeln.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Polymers im Spritzstrahl während der Beschichtung verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Polymers während der Beschichtung erhöht wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere ausgewählt sind aus der Gruppe der Polyaliphaten und/oder der Polyaromaten.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymere ausgewählt sind aus der Gruppe der fluorierten Polyaliphaten, insbesondere aus Polyvinylidenfluorid (PVDF) und/oder Polytetrafluräthylen (PTFE), oder der Polyether, insbesondere Polyoxymethylen oder Polyethylenoxid, oder der Phenolharze und/oder der Polyolefine, insbesondere Polyethylen oder Polypropylen.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Metall eine Cu-Bronze mit 4 bis 8% Sn und 0,5 bis 2% Ag oder ein Messing mit 1,5 bis 6% Zn und 0,5 bis 2% Si ausgewählt wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus Hartstoffen ausgewählt wird, die durch Metall-Boride, -Carbide, -Silizide, -Nitride oder -Oxide gebildet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus Trockenschmierstoffen, insbesondere aus Bornitrid, Molybdänsulfid, Antimonsulfid oder Graphit ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik aus Hartstoffen und Trockenschmierstoffen ausgewählt ist, wobei die Menge der Hartstoffe überwiegt.