DE102007023418A1

DE102007023418A1 - Verfahren zum Aufrauen von Oberflächen für die spätere Aufbringung von Spritzschichten

Info

Publication number: DE102007023418A1
Application number: DE102007023418A
Authority: DE
Inventors: Michael Dipl.-Ing. Grüner (FH); Tilmann Dr.Rer.Nat. Haug; Michael Dr.-Ing. Lahres; Oliver Dipl.-Ing. Methner (Fh); Oliver Dipl.-Ing. Neufang (Fh)
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-05-18
Filing date: 2007-05-18
Publication date: 2008-11-20
Anticipated expiration: 2027-05-19
Also published as: DE102007023418B4

Abstract

Verfahren zum Aufrauen von Bauteiloberflächen, insbesondere aus Metall, Kunststoff oder Keramik, zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem die Oberfläche unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufgeraut wird, wobei in die Oberfläche (2) mittels gepulster Laserstrahlen mit Neigungswinkeln (6) im Bereich von 20 bis 80° schräg verlaufende Formtaschen (1) eingebracht werden, die so dimensioniert sind, dass mindestens eine der Kanten der Formtaschen einen Hinterschnitt (7) in Bezug zur Metalloberfläche bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufrauen von Bauteiloberflächen, insbesondere Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem die Oberfläche unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufgeraut wird sowie Metallbauteile, insbesondere Leichtmetallbauteile wie beispielsweise Zylinderliner oder Zylinderkurbelgehäuse für Verbrennungsmotoren oder Pleuel für Verbrennungsmotoren. Die Erfindung umfasst im Speziellen Zylinderliner oder Zylinderbohrungen aus Al/Si-Legierung mit einer LDS-Beschichtung aus einer Fe-Basis-Legierung.
Beschichtungen zum Verschleißschutz, Korrosionsschutz oder zur Bildung von Triboschichten auf Metallen sind weit verbreitet. Dabei ergibt sich sehr häufig das Problem einer ausreichenden und langzeitstabilen Haftung der aufgetragenen Beschichtungen auf dem Untergrund.
Hohe Ansprüche an die Haftfestigkeit werden insbesondere für Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren gestellt. Dies ist insbesondere bei Leichtmetallmotoren von Bedeutung, da Aluminium- oder Magnesium-Legierungen in der Regel nicht die erforderliche Verschleißfestigkeit aufweisen. Die Zylinderlaufflächen sind häufig als Zylinderliner (Zylinderbuchsen) in das Kurbelgehäuse eingebracht bzw. eingegossen, wobei Fe-Gusslegierungen oder spezielle und zum Teil verstärkte Al-Legierungen zum Einsatz kommen. Neuerdings wird auch versucht, auf Zylinderliner als separates Bauteil ganz zu verzichten beziehungsweise diese durch eine Beschichtung in der Zylinderbohrung zu ersetzen. Hier sind ganz besonders hohe Ansprüche an Verschleißfestigkeit und Haftfestigkeit der Beschichtung gegeben.
Als Verschleißschutzschichten der Zylinderlaufflächen von Leichtmetall-Kurbelgehäusen von Verbrennungsmotoren sind Verschleißschutzschichten aus Fe-Basis-Legierungen, übereutektischen Al-Basislegierungen oder Cu/Ni-Legierung bekannt.
Als Auftragsverfahren sind die thermischen Spritzverfahren besonders geeignet. Hierzu gehören unter anderem das Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flamm-Spritzen (HVOF) und das Lichtbogen-Drahtspritzen (LDS). Die Haftung auf der glatten und unbehandelten Substratoberfläche ist in aller Regel ungenügend. Auch das Sprühkompaktieren ist häufig zum Aufspritzen von Schichten geeignet, beispielsweise zum Herstellen von Laufflächen in Zylinderbuchsen.
Zu Verbesserung der Haftung kann die Metalloberfläche vor der thermischen Beschichtung aufgeraut werden. Dies erfolgt typischweise mittels Sandstrahlen.
In weiteren Verfahren werden durch Fräsen, Honen oder Schneiden Rillen und Nuten eingebracht, die zum Teil definierte Oberflächenstrukturen erzeugen. Derartige Verfahren sind beispielsweise aus der WO 2006061710 A1 oder der US 5622753 bekannt.
Aus der EP 1 225 324 A2 ist eine Zylinderlaufbuchse aus einer Leichtmetall-Legierung mit einer definierten Verkrallstruktur für eine spätere Beschichtung bekannt. Die Verkrallstruktur verläuft in radialer Richtung der zylindrischen Lauffläche, wobei zu einem Beschichtungswerkzeug gerichtete Teilflanken der Verkrallstruktur derart angepasst sind, dass der Auftreffwinkel des Spritzstrahls der Beschichtung nahezu 90° beträgt. Die Haftung kann in radialer und/oder axialer Richtung durch Hinterschneidungen verbessert werden.
Unter höchster Belastung kann eine ausreichende und dauerhafte Haftfestigkeit thermischer Spritzschichten durch die bekannten Verfahren zur Oberflächenaufrauung häufig nicht mehr gewährleistet werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Metallbauteile mit einer Oberflächenrauigkeit zur verbesserten Haftung von thermischen Spritzschichten zur Verfügung zu stellen sowie ein geeignetes Verfahren zum Aufrauen aufzuzeigen.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Aufrauen von Bauteiloberflächen, insbesondere Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem die Oberfläche unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufgeraut wird, wobei in die Oberfläche mittels gepulster Laserstrahlen mit Neigungswinkeln im Bereich von 20 bis 80° schräg verlaufende Formtaschen eingebracht werden, die so dimensioniert sind, dass mindestens eine der Kanten der Formtaschen einen Hinterschnitt in Bezug zur Metalloberfläche bildet. Die Aufgabe wird des Weiteren gelöst durch ein Metallbauteil mit Metalloberfläche mit mikroskopischen Hinterschnitten, zur Haftverbesserung von hierauf abzuscheidenden thermisch gespritzten Schichten, dessen Oberfläche regelmäßig angeordnete und unter einem Winkel im Bereich von 20° bis 80° schräg verlaufende Formtaschen aufweist, deren Tiefe mindestens beim doppelten der Rautiefe der sie umgebenden Oberfläche liegt.
Für die Erfindung ist es wesentlich, dass auf der Oberfläche des Substrats eine Aufrauung gebildet wird, die einen hohen Anteil an hinterschnittenen Mikrostrukturen aufweist, so dass ein hoher Flächenanteil hinterschnitten ist. Die Hinterschnitte führen bei der Abscheidung der thermischen Spritzschicht zu einer Mikroverklammerung. Diese trägt in erheblichem Maße zu einer Steigerung der Haftfestigkeit bei.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht die Einbringung von Formtaschen mit präzise steuerbarer Dimensionierung und Geometrie vor. Dabei lässt sich die Mikrostrukturierung ebenso wie die Makrostruktur der Formtaschen in einfacher Weise variabel gestalten. Unter der Mikrostruktur ist im wesentlichen der Durchmesser, der Neigungswinkel und der Richtungswinkel der Formtaschen zu verstehen, während die Makrostruktur die geometrische Anordnung der einzelnen Formtaschen auf der Oberfläche in Relation zueinander beschreibt. Der Neigungswinkel ist der Winkel in Bezug zur Oberfläche. Der Richtungswinkel beschreibt den Winkel zu einem in der Oberfläche liegenden Richtungsvektor (z. B. Y-Richtung).
Ein wichtiger Vorteil der Erfindung ist es, dass der Abstand der Formtaschen bzw. die Oberflächenbelegung mit Formtaschen bereits auf mikroskopischem Niveau spezifisch an den zu erwartenden lokal zu erwartenden Belastungszustand der Beschichtung angepasst werden kann. Die Realisierung erheblicher Unterschiede in Mikro- und Makrostruktur unmittelbar benachbarter Bereiche ist im Gegensatz zu den bekannten Strukturierungsverfahren ohne jeden Mehraufwand möglich.
Für die Wirkung der Mikroverklammerung ist eine genaue Abstimmung der Dimensionen von Mikrostrukturgröße, Hinterschnittgeometrie und -größe auf den entsprechenden Beschichtungsprozess erforderlich. So ist es für die optimale Auslegung der Mikrostrukturen unter anderem von Bedeutung unter welchem Winkel, mit welcher Geschwindigkeit in welcher Tröpfchengröße und in welchem Aggregatszustand die Spritzpartikel auf die hinterschnittenen Mikrostrukturen auftreffen. So können beispielsweise tiefe bzw. schmale Formtaschen nur von sehr flüssigen und/oder kleinen Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit vollständig gefüllt werden. Bei der Abscheidung von Schichten, die Keramikpartikel oder Hartstoffe enthalten sind flache und schmale Formtaschen auch bei hohen Abscheidegeschwindigkeiten eher ungeeignet, während Leichtmetalllegierungen typischerweise einen hohen Grad an flüssigen Tröpfchen mit guter Formfüllung aufweisen. Zu hohe Spritzstrahlgeschwindigkeiten können dazu führen, dass feine Hinterschnitte zusammengedrückt werden und ihre Verklammerungswirkung verlieren.
Das erfindungsgemäße Verfahren unter Einbringung von Mikroformtaschen mittels gepulster Laserstrahlen hat hier gegenüber den bekannten Verfahren den erheblichen Vorteil, dass sich die Dimension und Geometrie beziehungsweise die Mikro- und die Makrostruktur in weiten Grenzen einstellen lässt. Darüber hinaus besitzen die Mikro- und Makrostrukturen ein Höchstmaß an Präzision.
Zur Einbringung der Formtaschen sind gepulste Laser besonders gut geeignet. Durch den nahezu explosionsartigen Materialabtrag verdampft das Material vollständig, ohne dass sich störende Material-Ablagerungen um den Rand des Lochs ablagern bzw. niederschlagen.
Die Oberflächenstrukturierung mittels gepulster Laser hat den weiteren großen Vorteil, dass sich eine sehr weite Materialpalette bearbeiten lässt, ohne dass apparative Anpassungen erforderlich sind. So sind Metalle, Kunststoffe oder Keramiken nahezu gleich gut bearbeitbar. Im Wesentlichen muss lediglich eine Anpassung der Energie des Laserimpulses vorgenommen werden. Diese ist in einfacher Weise durch Veränderung der Impulslänge zu erreichen.
Die Erfindung wird anhand schematischer Abbildungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil (3) mit Bauteiloberfläche (2) mit schrägen Formtaschen (1), Strukturabstand (4), Strukturdurchmesser (5), Neigungswinkel (6), nach oben weisende Kante (7), Laserstrahl (9), Strukturtiefe (10) und Strukturlänge (11),
2 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil (3) mit sich in einem Differenzneigungswinkel (6') kreuzenden schrägen Formtaschen (1), Strukturabstand (4), Strukturdurchmesser (5), und Strukturtiefe (10),
3 zeigt einen Querschnitt durch ein Bauteil (3) mit birnenförmigen Formtaschen (1), Strukturabstand (4), Strukturdurchmesser (5), nach oben weisende Kante (7) und Strukturtiefe (10), sowie
4 die Draufsicht auf eine Oberfläche (2) eines Bauteils (3) mit Formtaschen (1) unterschiedlicher Größe, Richtungswinkeln (8) relativ zur Y-Richtung und Laserstrahlen (9).
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, den Laserstrahl (9) schräg auf die Oberfläche (2) einwirken zu lassen. Durch den gepulsten Laser wird in Abhängigkeit von Energiedichte, Fokusgröße und Substratmaterial ein definiertes kanalförmiges Loch gebrannt; eine Formtasche (1). Als Neigungswinkel (6) ist ein Bereich von 20 bis 80° vorgesehen. Die nach oben weisende Kante (7) der hierdurch erzeugten Formtasche (1) bildet bezüglich der Oberfläche einen Hinterschnitt aus.
Die Oberfläche des Bauteils wird typischerweise mit einem Laserstrahl punktuell abgerastert. Hierzu sind beispielsweise gepulste Nd-YAG-Laser geeignet.
Ebenso ist es möglich auch mehrere Laserstrahlen in ein Flächenmuster (Array) zusammenzuführen und so kleinere Bereiche gleichzeitig zu behandeln. Hierfür sind beispielsweise leistungsstarke Excimer-Laser geeignet.
In einer weiteren Variante wird die Oberfläche zumindest bereichsweise mehrfach im selben Flächenelement mit gepulsten Laserstrahlen behandelt. Dies bedeutet, dass eine Formtasche in mehreren Laserbestrahlungen geformt wird. Hierdurch lässt sich beispielsweise die Tiefe erhöhen oder aber der Grund der Formtasche aufweiten. Mehrfach unter demselben Winkel bestrahlte Formtaschen können birnenförmige Gestalt annehmen, so dass die gesamte Mantelfläche der Formtasche rundum hinterschnitten ist.
Eine weitere Verbesserung der Verklammerungsfunktion der Formtaschen lässt sich dadurch erzielen, dass der Richtungswinkel (8) des Laserstrahls variiert wird. Bevorzugt werden die Oberflächen unter mindestens zwei unterschiedlichen Richtungswinkeln bestrahlt. Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht dabei die alternierende Bestrahlung mit mindestens zwei Laserquellen mit unterschiedlichem Richtungswinkel (8) der jeweiligen Laserstrahlen vor. Der Richtungswinkel kann von –180 bis +180° variiert werden. Bevorzugt wird eine Differenz zwischen den Richtungswinkeln der Strahlen im Bereich von 45 bis 90° gewählt. In weiterer Ausgestaltung liegt die Differenz bei 160 bis 180° entsprechend nahezu entgegengesetzt verlaufenden Formtaschenrichtungen.
Die Richtung bzw. der Richtungswinkel der Formtaschen kann in weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung auch an die später auftretende Belastungsform der Beschichtung angepasst werden. Die Formtaschen sind bevorzugt so auszurichten, dass ihre Längsachsen relativ zur späteren Zugkraft möglichst flach verlaufen, beziehungsweise dass die hinterschnittene Fläche relativ zur Zugbelastung auf die Beschichtung möglichst groß ausfällt.
Aus ökonomischen Gründen kann auch die Flächendichte und die Tiefe der Formtaschen an den jeweiligen Belastungszustand der Beschichtung angepasst werden, so dass Flächendichte und Tiefe in weniger belasteten Bereichen geringer ausfallen können. Die Tiefe ist beispielsweise über die Laserenergie einstellbar.
Die Laserenergie und der Fokus des Lasers werden bevorzugt so eingestellt, dass mit einem Laserimpuls Formtaschen mit Längen im Bereich von 20 bis 300 µm und Durchmessern im Bereich von 10 bis 150 µm entstehen.
Das erfindungemäße Verfahren stellt Oberflächen zur Verfügung, die sich ohne weitere Vorbehandlungsschritte mit thermischen Beschichtungsverfahren beschichten lassen.
Ein Vorteil des Verfahrens ist dabei, dass sich die Rautiefe der Oberfläche zwischen den Formtaschen durch die Laserbestrahlung nicht mehr ändert. Daher ist eine häufig bei mechanischen Aufrauungs-Verfahren erforderliche Glättung der Oberfläche vor dem Schichtauftrag nicht erforderlich. Ebenso wenig liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren an der Oberfläche anhaftende Schmutzpartikel oder Strahlpartikel vor, die zunächst abgewaschen werden müssen.
Die frisch gebrannten Formtaschen bilden einen sehr guten Haftgrund für thermische Spritzschichten.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung wird die aufgeraute Metalloberfläche ohne weitere Bearbeitungsschritte mit einer Spritzschicht mittels LDS-Verfahren beschichtet.
Dabei kann es von Vorteil sein, den Spritzstrahl mit demselben Neigungswinkel wie die Formtaschen über die Oberfläche zu führen.
Bei der Auswahl geeigneter metallischer Substrate ist im Wesentlichen nur die Oberflächenbeschaffenheit von Bedeutung. Auch grobkörnige Legierungen mit harten oder weichen Ausscheidungen ergeben relativ präzise geformte Löcher. So sind beispielsweise auch übereutektische Al/Si-Legierungen mit grobkörnigen Si-Ausscheidungen als Substrate geeignet.
Die Rautiefe der Oberfläche (2) sollte vor der Laserbehandlung deutlich unterhalb der Tiefe (10) der Formtaschen (1) liegen. Eine zu hohe Rautiefe verringert die hinterschnittene Fläche und die Wirkung des Verfahrens. Sie sollte unterhalb 40 μm liegen. Bevorzugt werden vor der Laserbehandlung Rautiefen im Bereich von 1 bis 10 μm eingestellt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Metallbauteile, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden. Diese erfindungsgemäßen Metallbauteile (3) weisen eine Metalloberfläche (2) mit mikroskopischen Hinterschnitten (7), zur Haftverbesserung von hierauf abzuscheidenden thermisch gespritzten Schichten in der Weise auf, dass regelmäßig angeordnete und unter einem Neigungswinkeln (6) im Bereich von 20° bis 80° schräg verlaufende Formtaschen (1) gebildet sind, deren Tiefe (10) mindestens beim doppelten der Rautiefe der sie umgebenden Oberfläche liegt.
Bevorzugt weisen die Formtaschen (1) eine Strukturlänge (11) oder eine Strukturtiefe (10) im Bereich von 20 bis 300 µm, insbesondere 90 bis 150 µm auf.
Der Durchmesser der Formtaschen (1) liegt bevorzugt im Bereich von 20 bis 150 µm.
Das Aspektverhältnis der Formtaschen liegt bevorzugt oberhalb 1,3 und besonders bevorzugt oberhalb 1,5.
Für metallische Beschichtungen auf Leichtmetallsubstraten sind Formtaschenabmessungen mit Strukturlängen von 90 bis 120 µm, Strukturdurchmessern von 40 bis 80 µm und Neigungswinkeln von 60 bis 80° gut geeignet.
Die Form der Formtaschen ist typischerweise zylindrisch. In einfachster geometrischer Ausgestaltung sind Formtaschen gleicher Größe, Ausrichtung und Neigungswinkel in gleichmäßiger Beabstandung zu einem den gesamten zu beschichtenden Bereich überspannenden Flächenbereich angeordnet.
In einer weiteren geometrischen Variante gemäß 2 weisen die Formtaschen (1) mindestens zwei unterschiedliche Richtungswinkel (8) auf, wobei die Winkel in einer Vorzugsrichtung (hier Y-Richtung) alternierend angeordnet sind.
Eine weitere Ausgestaltung sieht komplex geformte Formtaschen vor. Diese können durch Mehrfachbestrahlung geformt werden. 2 zeigt exemplarisch λ-förmige Formtaschen. Sie werden dadurch erzeugt, dass ein Flächenelement mit zwei Strahlen unterschiedlichen Neigungs- oder Richtungswinkels (6 oder 8) bestrahlt werden. Bevorzugt stehen die beiden Schenkel der Formtaschen in einem Winkel von 20 bis 60° aufeinander. Weitere Formen wie beispielsweise Y-Form, oder auch Formen mit 3, 4 oder weiteren Schenkeln sind ebenso von Vorteil, da die Hinterschnitte in mehrere Richtungen ausgerichtet sind. Verfahrenstechnisch ist es zu bevorzugen, dass die Laserbestrahlung in einem zeitgleichen Schritt erfolgt.
Eine weitere Variante sieht Formtaschen vor, deren Durchmesser sich zum Grund hin aufweitet. Derartige Formtaschen sind in 3 dargestellt. Sie bilden sich durch Mehrfachbeschuss, insbesondere mit Strahlung zunehmender Intensität aus. Da sich hier um den Lochrand herum eine Hinterschneidung ausbildet ist eine geringere Tiefe der Formtaschen erforderlich. Bevorzugt liegt die Tiefe bei 20 bis 100 µm. Das Aspektverhältnis kann auch unterhalb 1 liegen, insbesondere im Bereich von 8,8 bis 1,1.
Der Abstand der Formtaschen bzw. die Oberflächenbelegung kann an den zu erwartenden Belastungszustand der Beschichtung angepasst werden. Bevorzugt liegt der minimale Abstand benachbarter Formtaschen (Strukturabstand (4)) oberhalb des doppelten Formtaschendurchmessers (Strukturdurchmesser (5)). Die Oberflächenbelegung (auf Oberfläche projizierte Formtaschen-qauerschnittsfläche pro Gesamtfläche) der Metalloberfläche mit Formtaschen sollte im mechanisch belasteten Flächenbereich bei 10 bis 50% der Oberfläche liegen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Strukturabstand bereichsweise auf einen Wert unterhalb des zu erwartenden Strukturdurchmessers gelegt. Hierdurch gegen benachbarte Formtaschen bereichsweise ineinander über. Bevorzugt werden hierdurch Bahnen aus zusammenhängenden Formtaschen gebildet. Sie können das Aussehen von schräg verlaufenden Nuten oder Rillen aufweisen. Bevorzugt sind derartige Formbahnen nur in besonders belasteten Bereichen ausgebildet und insbesondere alternierend mit parallelen Reihen aus Formtaschen angeordnet In einer bevorzugten Ausgestaltung weist das Bauteil unterschiedliche Flächenelemente auf, in denen regelmäßig angeordnete Formtaschen unterschiedlicher Richtungswinkel, Größe und/oder Oberflächenbelegung angeordnet sind.
Das erfindungsgemäß aufgeraute Metallbauteil wird bevorzugt zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen, oder Gleitlagern im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Bevorzugt besteht das Metallbauteil aus Leichtmetall, Grauguss, ADI (Austempered Ductile Iron) oder Stahl und trägt eine metallische oder Metall/Harststoff-Verbund Spritzschicht.
Das beschichtete Bauteil weist zwischen Spritzschicht und Metallsubstrat eine Durchdringungszone auf, in der das Material des Substrats bis in einer mittlere Tiefe von 20 bis 300 µm durch schräg verlaufende Mikrofortsätzen des Materials der Spritzschicht durchdrungen wird.
Für die Haftung und die Qualität der Beschichtung ist unter anderem die Porosität der Durchdringungsschicht von Bedeutung. Das erfindungsgemäße Verfahren neigt bei sehr ungünstiger Wahl der Parameter zur Bildung von Porosität am Grunde der Formtaschen. Werden die Parameter dagegen aufeinander abgestimmt, so lassen sich sehr dichte Durchdringungsschichten mit hohen Hinterschneidungsflächen darstellen. Aufgrund der erfindungsgemäß möglichen hochpräzisen Makro- und Makrostruktur der Formtaschen ist eine sehr feine Abstimmung auf die jeweilige Spritzschicht möglich.
Bevorzugt werden beschichtete Metallbauteile gebildet, deren Porosität in der Durchdringungsschicht unterhalb 2% liegt. Besonders bevorzugt liegt die Porosität innerhalb der Mikrofortsätze unterhalb 1%.
Eine bevorzugte Verwendung eines beschichteten Metallbauteils stellt ein Pleuel dar, dessen Lagerfläche durch eine gespritzte Gleitlagerschicht gebildet wird. Das Pleuel kann dabei aus ADI oder Stahl gebildet sein. Die thermische Spritzschicht besteht aus einer Gleitlagerlegierung, insbesondere Al/Sn- oder Al/Cu-Basislegierung oder aus einer Cu/Sn- oder Cu-Zn-Basislegierung.
Eine weitere bevorzugte Anwendung ist ein Zylinderliner aus Al/Si-Legierung mit einer LDS-Beschichtung aus einer Fe-Basis-Legierung mit Legierungszusätzen aus Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo und/oder W.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006061710 A1 [0007]
- US 5622753 [0007]
- EP 1225324 A2 [0008]

Claims

Verfahren zum Aufrauen von Bauteiloberflächen, insbesondere aus Metall, Kunststoff oder Keramik, zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem die Oberfläche unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufgeraut wird, dadurch gekennzeichnet, dass in die Oberfläche (2) mittels gepulster Laserstrahlen mit Neigungswinkeln (6) im Bereich von 20 bis 80° schräg verlaufende Formtaschen (1) eingebracht werden, die so dimensioniert sind, dass mindestens eine der Kanten der Formtaschen einen Hinterschnitt (7) in Bezug zur Metalloberfläche bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zumindest bereichsweise mehrfach mit gepulsten Laserstrahlen behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in den weiteren Laserbehandlungen ein anderer Richtungswinkel (8), Neigungswinkel (6) und/oder eine andere Laserenergie verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zumindest bereichsweise in einem gegebenen Oberflächenbereich gleichzeitig oder im unmittelbar folgenden Puls mit mindestens zwei Laserstrahlen, mit unterschiedlichen Richtungswinkeln (8), Neigungswinkeln (6) und/oder Laserenergien behandelt wird.
Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgeraute Metalloberfläche ohne weitere Bearbeitungsschritte mit einer thermischen Spritzschicht, insbesondere einer LDS-Spritzschicht, beschichtet wird.
Verfahren nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturabstand (4) bereichsweise auf einen Wert unterhalb des zu erwartenden Strukturdurchmessers (5) eingestellt wird, so dass zusammenhängenden Formtaschen gebildet werden.
Bauteil mit Metall-Kunststoff- oder Keramikoberfläche mit mikroskopischen Hinterschnitten, zur Haftverbesserung von hierauf abzuscheidenden thermisch gespritzten Schichten, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (2) regelmäßig angeordnete und unter Neigungswinkeln (6) im Bereich von 20° bis 80° schräg verlaufende Formtaschen (1) aufweist, deren Tiefe (10) mindestens beim doppelten der Rautiefe der sie umgebenden Oberfläche (2) liegt.
Bauteil mit Metall-Kunststoff- oder Keramikoberfläche nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Formtaschen (1) eine Länge oder eine Tiefe (10) im Bereich von 20 bis 300 µm, insbesondere 90 bis 150 µm aufweisen.
Bauteil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Formtaschen (1) einen Durchmesser im Bereich von 20 bis 150 µm aufweisen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Aspektverhältnis der Formtaschen > 1,5 ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das sich Formtaschen ein, oder mehrfach kreuzen, so dass sich insbesondere λ-, oder Y-förmige Formen bilden.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser der Formtaschen zu deren Grund hin aufweitet.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbelegung der Metalloberfläche mit Formtaschen im Bereich von 10 bis 50% der Oberfläche liegt.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil unterschiedliche Oberflächenbereiche aufweist in denen regelmäßig angeordnete Formtaschen unterschiedlicher Richtungswinkel, Größe und/oder Oberflächenbelegung angeordnet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil Nuten oder Rillen aufweist, die alternierend mit parallelen Reihen aus Formtaschen (1) angeordnet sind.
Beschichtetes Metallbauteil, insbesondere aus Leichtmetall, Grauguss oder Stahl, das eine thermische Spritzschicht trägt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Spritzschicht und dem Metallsubstrat eine Durchdringungszone liegt, in der das Material des Substrats bis in einer mittlere Tiefe von 20 bis 300 µm durch schräg verlaufende regelmäßige Mikrofortsätze des Materials der Spritzschicht durchdrungen wird.
Beschichtetes Metallbauteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrofortsätze Durchmesser im Bereich von 20 bis 150 µm und Längen im Bereich von 20 bis 300 µm aufweisen.
Beschichtetes Metallbauteil nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität in der Durchdringungsschicht unterhalb 2% liegt.
Beschichtetes Metallbauteil nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil aus einer Graugusslegierung, ADI oder Stahl besteht und die thermische Spritzschicht aus einer Gleitlagerlegierung.
Beschichtetes Metallbauteil nach Anspruch 16, 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Zylinderliner aus Al/Si-Legierung mit einer LDS-Beschichtung aus einer Fe-Basis-Legierung mit Legierungszusätzen aus Ti, Zr, Cr, Mo, W und/oder V handelt.