DE102008034547B3

DE102008034547B3 - Drahtförmiger Spritzwerkstoff und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE102008034547B3
Application number: DE102008034547A
Authority: DE
Inventors: Christian Martin Dr. Ing. Erdmann; Patrick Dr. Ing. Izquierdo; Eyuep Akin Dipl.-Ing. Özdeniz; Franz Dr. Ing. Rückert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-07-24
Filing date: 2008-07-24
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-07-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff (4) ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Martensit entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen. Die Erfindung betrifft weiter die Verwendung dieses drahtförmigen Spritzwerkstoffes in einem Lichtbogendrahtspritzverfahren, bei dem der Werkstoff als Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird.
Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen bzw. deren Wandungen mit einer Laufflächenschicht versehen oder es werden Laufbuchsen in die Zylinderbohrungen eingesetzt, welche mit einer Laufflächenschicht versehen werden. Das Aufbringen solcher Laufflächenschichten erfolgt zumeist mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen. Beim Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand befördert, wo sie sich anlagern.
Aus der DE 103 08 563 B3 ist eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, umfassend einen Grundkörper mit einer Verschleißschutzbeschichtung auf der Lauffläche, auf Basis einer harten Eisenlegierung mit Kohlenstoff und Sauerstoff, wobei die Verschleißschutzschicht martensitische Phasen aufweist und Oxide bildet und die Verschleißschutzschicht im Lichtbogen-Drahtspritzverfahren auftragbar ist und die Legierung der Beschichtung einen Kohlenstoffgehalt von 0,05 bis 3 Gew.-% aufweist.
Aus der Druckschrift [Llewellyn H., et al.: Development of an electric arc sprayed self lubricating coating; Proceedings of the 15th International Thermal Spray Conference 25–29 May 1998, Nice, France, Seiten 263–268] ist die Abscheidung von Eisenwerkstoffen mit einem Kohlenstoffanteil mittels Lichtbogendrahtspritzen bekannt, wobei sich in der abgeschiedenen Schicht metastabile Phasen wie Martensit und Bainit bilden.
Aus der Druckschrift [Yaojun Lin, et al.: Evolution of Carbides during Aging of a Spray-Formed Chromium-Containing Tool Steel; Metallurgical and Materials Transactions A, Volume 39A, February 2008, Seiten 473–476] ist die Abscheidung von Cr-enthaltenden Stahlschichten mittels Lichtbogendrahtspritzen bekannt, wobei sich in der abgeschiedenen Schicht Martensit und Bainit bilden.
Aus der DE 695 35 062 T2 ist ebenfalls eine Beschichtung von Substraten mit kohlenstoffhaltigen Stahl mittels Lichtbogensprühpistolen bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, anzugeben. Zielgrößen sind dabei gutes Spritzverhalten, gezielte Schichteigenschaften und gute Bearbeitbarkeit.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen drahtförmigen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer drahtförmiger Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Martensit entstehen. Mikrolegierungen sind solche Legierungen, die überwiegend aus einem Bestandteil gebildet sind, dem im Verhältnis zu einer Gesamtmasse nur geringe Mengen weiterer Bestandteile zugegeben sind. Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Martensit ist ein hartes, verschleißfestes Gefüge. Die Bildung von Bainit und Martensit kann durch die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung beeinflusst werden. Bei einer Anlagerung einer mittels Lichtbogendrahtspritzen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Spritzwerkstoffs erzeugten Schicht auf einem Substrat, beispielsweise einer Zylinderlauffläche, bildet sich eine zähe, duktile Matrix aus Bainit mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit. Auf diese Weise kann die Reibung, insbesondere die Festkörperreibung zwischen der Schicht und einem Reibpartner, beispielsweise Kolbenringen, erheblich reduziert werden.
Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:
Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,23 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
Silizium mit einem Anteil von 0,7 Gew.-% bis 0,98 Gew.-%,
Mangan mit einem Anteil von 1,4 Gew.-% bis 1,9 Gew.-%,
Chrom mit einem Anteil von 0,75 Gew.-% bis 0,95 Gew.-%,
Kupfer mit einem Anteil von 0,2 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%,
Molybdän mit einem Anteil von 0,07 bis 0,095 Gew.-%,
Nickel mit einem Anteil von 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%,
Aluminium mit einem Anteil von maximal 0,05 Gew.-%,
Vanadin mit einem Anteil von 0,17 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%,
Stickstoff mit einem Anteil von 0,005 Gew.-% bis 0,013 Gew.-%,
Bor mit einem Anteil von 0,0015 Gew.-% bis 0,0025 Gew.-% und
Titan mit einem Anteil von 0,02 Gew.-% bis 0,035 Gew.-%,
jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein Substrat mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Schicht.
In 1 ist ein Substrat 1 mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen (LDS) abgeschiedenen Schicht 2 gezeigt. Beim Lichtbogendrahtspritzen werden einem Beschichtungskopf 3 zwei drahtförmige Spritzwerkstoffe 4 zugeführt. Zwischen den drahtförmigen Spritzwerkstoffen 4 wird ein Lichtbogen 5 gezündet. Dabei schmilzt der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 und wird mittels eines Trägergases gezielt auf das zu beschichtende Substrat 1 aufgebracht, wo er abkühlt, erstarrt und die Schicht 2 bildet.
Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs überwiegend feiner Perlit entstehen würde. Durch Zugabe weiterer Legierungselemente, insbesondere Mangan, wird jedoch die Umwandlung derart verschoben, dass sich beim Erstarren überwiegend Bainit bildet. Diese Schicht ist von höherer Festigkeit jedoch differenzierend zu reinen Fe-C-Schichten, mit deutlich höherer Zähigkeit. Die Zugabe von Cr und V erhöht die Verschleißfestigkeit durch Bildung stabiler Vanadiumcarbide.
Weiter sind folgende Legierungsbestandteile enthalten:

– Kohlenstoff 0,23 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%
– Silizium 0,7 Gew.-% bis 0,98 Gew.-%
– Mangan 1,4 Gew.-% bis 1,9 Gew.-%
– Chrom 0,75 Gew.-% bis 0,95 Gew.-%
– Kupfer 0,2 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%
– Molybdän 0,07 bis 0,095 Gew.-%
– Nickel 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%
– Aluminium maximal 0,05 Gew.-%
– Vanadin 0,17 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%
– Stickstoff 0,005 Gew.-% bis 0,013 Gew.-%
– Bor 0,0015 Gew.-% bis 0,0025 Gew.-%
– Titan 0,02 Gew.-% bis 0,035 Gew.-%
– Phosphor maximal 0,02 Gew.-%
– Schwefel 0,07 Gew.-% bis 0,09 Gew.-%

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Bevorzugt wird für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 eine Mikrolegierung mit folgenden Bestandteilen verwendet:

– Kohlenstoff 0,35 Gew.-%
– Silizium 0,85 Gew.-%
– Mangan 1,55 Gew.-%
– Chrom 0,9 Gew.-%
– Kupfer 0,25 Gew.-%
– Molybdän 0,095 Gew.-%
– Nickel 0,2 Gew.-%
– Aluminium maximal 0,03 Gew.-%
– Vanadin 0,185 Gew.-%
– Stickstoff 0,011 Gew.-%
– Bor 0,0025 Gew.-%
– Titan 0,022 Gew.-%
– Phosphor maximal 0,02 Gew.-%
– Schwefel 0,07 Gew.-% bis 0,09 Gew.-%

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.
Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus dieser Mikrolegierung gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.
Der geringe Kohlenstoffgehalt und der erhöhte Mangangehalt der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten mit besonders kleinen Tröpfchen.
Die Zugabe von Kupfer verbessert den Korrosionsschutz der Schicht 2.
Chrom und Vanadin fördern die Umwandlung des erstarrenden Spritzwerkstoffs 4 in das gewünschte Gefüge.
Zusammen mit Molybdän führt Chrom auch zu einem reduzierten Verschleiß der Schicht 2, beispielsweise durch Bildung von Mischkarbiden.
Nickel reduziert die Korrosionsneigung ebenfalls.
Stickstoff sorgt für die Homogenität und Feinkörnigkeit der Schicht 2.
Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 wird vorzugsweise warmgewalzt und/oder warmgezogen und danach langsam und gesteuert in einem Ofen abgekühlt, um ein duktiles Gefüge zu erhalten, damit der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 biegsam bleibt.
Die Legierungsbestandteile des Drahtes sind so bemessen, dass der Abbrand von bestimmten Elementen, z. B. Kohlenstoff berücksichtigt ist. Die Legierungszusammensetzung der Schicht ist entsprechend dem Abbrand verändert.
Vorzugsweise wird eine Oberfläche des drahtförmigen Spritzwerkstoffs 4 verkupfert, um Korrosion zu vermeiden.

1: Substrat
2: Schicht
3: Beschichtungskopf
4: drahtförmiger Spritzwerkstoff
5: Lichtbogen

Claims

Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Martensit entstehen dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile vorgesehen sind: Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,23 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, Silizium mit einem Anteil von 0,7 Gew.-% bis 0,98 Gew.-%, Mangan mit einem Anteil von 1,4 Gew.-% bis 1,9 Gew.-%, Chrom mit einem Anteil von 0,75 Gew.-% bis 0,95 Gew.-%, Kupfer mit einem Anteil von 0,2 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%, Molybdän mit einem Anteil von 0,07 bis 0,095 Gew.-%, Nickel mit einem Anteil von 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%, Aluminium mit einem Anteil von maximal 0,05 Gew.-%, Vanadin mit einem Anteil von 0,17 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, Stickstoff mit einem Anteil von 0,005 Gew.-% bis 0,013 Gew.-%, Bor mit einem Anteil von 0,0015 Gew.-% bis 0,0025 Gew.-% und Titan mit einem Anteil von 0,02 Gew.-% bis 0,035 Gew.-%, jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,02 Gew.-% und Schwefel mit einem Anteil von 0,07 Gew.-% bis 0,09 Gew.-% enthalten ist.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkupferung der Oberfläche des Spritzwerkstoffs (4) vorgesehen ist.
Verwendung eines drahtförmigen Spritzwerkstoffes (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Beschichten eines Substrates (1), bei welcher der Spritzwerkstoff (4) in einem Lichtbogen (5) aufgeschmolzen und als Schicht (2) auf dem Substrat (1) abgeschieden wird, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht (2) nach dem Abscheiden beim Erstarren Bainit und Martensit gebildet werden.