DE102007047015A1

DE102007047015A1 - Beschichtetes Bauteil und Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils

Info

Publication number: DE102007047015A1
Application number: DE102007047015A
Authority: DE
Inventors: Thomas Kleinbeck; Andreas Vogt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-01
Filing date: 2007-10-01
Publication date: 2009-04-02
Also published as: CN101809202A; WO2009047123A1; US20100267595A1

Abstract

Es wird ein Bauteil mit einem auf dem Bauteil angeordneten Schichtsystem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit des Bauteils beschrieben. Dabei umfasst das Schichtsystem eine Phosphatschicht und Partikel von Festschmierstoffen, wobei das Schichtsystem bindemittelfrei ist. Weiter wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils vorgeschlagen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein beschichtetes Bauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils. Das Bauteil weist dabei ein Beschichtungssystem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit auf.
Bauteile, die tribologischen Beanstandungen ausgesetzt sind, werden oft mit einem Trockenschmierstoff versehen. Trockenschmierstoffe, die auf das Bauteil aufgebracht werden, erhöhen die Verschleißfestigkeit des Bauteils deutlich. Es ist hierzu auch bekannt, Trockenschmierstoffe in Form von Partikel auf die Oberfläche des Bauteils anzuordnen.
So werden beispielsweise in DE 196 46 524 A1 verschleißfeste Teile mit darauf aufgebrachten Trockenschmierstoffen beschrieben. Es wird in der Schrift vorgeschlagen, ein Schichtsystem vorzusehen, das eine erste und eine zweite Beschichtung umfasst. Die zweite Beschichtung ist auf der ersten Beschichtung gebildet und enthält einen festen Trockenschmierstoff. Um die Partikel des Trockenschmierstoffs an der Oberfläche des Bauteils zu fixieren, wird ein Bindemittel wie z. B. Harze eingesetzt. So ist hier die zweite Beschichtung im Wesentlichen ein Bindemittel mit darin eingebetteten Partikel.
Allerdings ergeben sich aus der Benutzung eines Bindemittels für die Fixierung der Partikel von Festschmierstoffen auch technische Nachteile. Zum einen haben alle Rindersysteme den Nachteil, dass eine enge Toleranz bezüglich der Schichtdicke nicht gewährleistet wird. Bei einer Schichtdicke von typischerweise 15 bis 20 μm beträgt die Streuung der Schichtdicke etwa 5 μm. Andererseits werden die Bindersysteme aufgrund ihrer eigenen geringen Verschleißfestigkeit bei mechanischer Beanspruchung relativ leicht abgetragen. Zunächst führt dieser Vorgang zu einer Geometrieveränderung des Beschichtungssystems und später, nach komplettem Abtrag des Bindersystems, auch zum Funktionsverlust der Beschichtung.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein beschichtetes Bauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung bereitzustellen, bei dem einerseits eine enge Schichtdickentoleranz gewährleistet wird und andererseits seine Verschleißfestigkeit weiter erhöht ist.
Vorteile der Erfindung
Aus der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass enge Toleranzen bezüglich der Schichtdicke eines beschichteten Bauteils erzielt werden. Dieser Vorteil wird erreicht durch den Verzicht eines jeglichen Bindemittels im Schichtsystem bzw. am gesamten beschichteten Bauteil. Weder organische noch anorganische Bindemittel sind gemäß der Erfindung vorgesehen.
Vorteilhaft werden durch den Verzicht des Bindemittels die Materialkosten für ein beschichtetes Bauteil kostengünstiger im Vergleich zu einem Bauteil mit einem Bindemittel im Beschichtungssystem.
Weiter kann vorteilhaft durch den Verzicht des Bindemittels die Verschleißrate eines Gleitlacks oder einer festen Gleitbeschichtung („Solid Lubricant Coating", SLC) an der Oberfläche des Bauteils stark reduziert werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben und in der Beschreibung beschrieben.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Es wird ein Bauteil mit einem auf dem Bauteil angeordneten Schichtsystem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit des Bauteils vorgeschlagen, wobei das Schichtsystem eine Phosphatschicht und Partikel von Festschmierstoffen umfasst. Dabei ist das Schichtsystem erfindungsgemäß vollkommen bindemittelfrei. Bisher hatten im Stand der Technik Rindersysteme die Funktion, die Festschmierstoffe an der Oberfläche des tribologisch beanspruchten Bauteils zu fixieren. Ohne den Einsatz eines Bindemittels war also die Fixierung von Festschmierstoffen an Bauteilen nicht realisierbar.
Stattdessen wird nun ein Verfahren erläutert, mit dem die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils, d. h. ein Bauteil mit einem Festschmierstoff enthaltenden Schichtsystem ohne Bindemittel, ermöglicht wird. Grundsätzliche Verfahrensschritte umfassen:

a) Bereitstellen eines zu beschichtenden Bauteils,
b) Beschichten des Bauteils durch Aufbringung eines bindemittelfreien Schichtsystems mit einer Phosphatschicht auf dem Bauteil, und
c) Einbringen von Partikel von Festschmierstoffen, insbesondere Graphit oder MoS₂ oder eine Kombination von diesen beiden Stoffen, in das Schichtsystem mittels Partikeleinstrahlung.

Bei der Partikeleinstrahlung im Schritt c) werden die Partikel auf die Oberfläche des mit einer Phoshatschicht beschichteten Bauteils geschossen. Die hierfür nötige Beschleunigung der Partikel kann mittels Luftdruck gewährleistet werden. Bei ausreichend hoher kinetischer Energie der Partikel dringen diese in das Schichtsystem ein und sind somit an der Oberfläche des Bauteils fixiert.
Obwohl das Schichtsystem auf dem Bauteil grundsätzlich aus mehreren Einzelschichten bestehen kann, ist das Verfahren dann besonders vorteilhaft, wenn im Schritt b) das Bauteil nur mit der Phospatschicht als einzige Schicht des Schichtsystems beschichtet wird. Ist nämlich die Phosphatschicht die einzige Schicht des Schichtsystems, wird die Gesamtdicke des Schichtsystems weiter reduziert. Auch ist das Aufbringen des Schichtsystems bei einer einzigen Schicht naturgemäß einfacher und schneller als im Falle eines Zweischichtsystems oder gar Mehrschichtsystems. Insbesondere wird die Schichtdickentoleranz erheblich verbessert.
Unabhängig von der Anzahl der Einzelschichten des Schichtsystems werden die Partikel von Festschmierstoffen bevorzugt in der Phosphatschicht eingebettet. Die so gebildete Kombination aus Festschmierstoff und Phosphatschicht weist vorteilhaft eine geringe Reibung und hohe Verschleißfestigkeit auf.
Weiter wird eine Phosphatschicht bevorzugt, die eine poröse oder feinkristalline Struktur aufweist. Hierdurch das Eindringen der Partikel von Festschmierstoffen in die Phosphatschicht erleichtert. Zumindest der Oberflächenbereich der Phosphatschicht sollte Hohlräume bzw. Poren aufweisen. Diese Hohlräume bieten die Möglichkeit, dass die Partikel von Festschmierstoffen in diese Hohlräume getrieben werden können und somit fest in der Phosphatschicht verankert werden.
Als besonders geeignet wird eine Dicke der Phosphatschicht von etwa 2 bis 4 μm betrachtet. Diese Dicke ist einerseits ausreichend, um genügend Festschmierstoffe aufzunehmen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit und andererseits nicht unnötig zu dick.
Bezüglich des genauen Materials der Phosphatschicht wird insbesondere Eisenphosphat oder Manganphosphat vorgeschlagen. In praktischen Versuchsreihen konnte ihre besondere Eignung für einen Einsatz in der vorliegenden Erfindung gezeigt werden.
Auch wurde festgestellt, dass als Festschmierstoff bevorzugt Graphit oder MoS₂ oder eine Kombination von diesen beiden Stoffen eingesetzt werden kann.
Schließlich wird darauf hingewiesen, dass das erfindungsgemäß beschichtete Bauteil und das Verfahren zu dessen Herstellung in vielen technischen Bereichen eingesetzt werden kann. Dazu zählen inbesondere solche Bauteile, die unter hohen tribologischen Beanstandungen betrieben werden, wie etwa Bauteile aus dem Bereich der Automobiltechnik. Beispielhaft seien hier Hochdruckpumpen, die nach dem Kolben-Zylinder Prinzip arbeiten, genannt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 19646524 A1 [0003]

Claims

Bauteil mit einem auf dem Bauteil angeordneten Schichtsystem zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit des Bauteils, wobei das Schichtsystem eine Phosphatschicht und Partikel von Festschmierstoffen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Schichtsystem bindemittelfrei ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatschicht die einzige Schicht des Schichtsystems ist.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel von Festschmierstoffen in der Phosphatschicht eingebettet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatschicht eine poröse oder feinkristalline Struktur aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Oberflächenbereich der Phosphatschicht Hohlräume aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatschicht eine Dicke von etwa 2 bis 4 μm aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatschicht Eisenphosphat oder Manganphosphat enthält.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Festschmierstoff Graphit oder MoS₂ oder eine Kombination von diesen beiden Stoffen vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstelllung eines beschichteten Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit den Schritten: a) Bereitstellen eines zu beschichtenden Bauteils, b) Beschichten des Bauteils durch Aufbringung eines bindemittelfreien Schichtsystems mit einer Phosphatschicht auf dem Bauteil, und c) Einbringen von Partikel von Festschmierstoffen, insbesondere Graphit oder MoS₂ oder eine Kombination von diesen beiden Stoffen, in das Schichtsystem mittels Partikeleinstrahlung.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt b) das Bauteil nur mit der Phospatschicht als einzige Schicht des Schichtsystems beschichtet wird.