DE102008034548B3

DE102008034548B3 - Drahtförmiger Spritzwerkstoff und Verfahren zum Beschichten eines Substrats

Info

Publication number: DE102008034548B3
Application number: DE102008034548A
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: 2009-10-22
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 überwiegend Bainit und Martensit entstehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und 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.
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 Martensit und Bainit 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. Perlit ist eine Mischphase aus weichen ferritischen und harten karbidischen Anteilen bei kohlenstoffhaltigen Stählen. Martensit ist ein hartes, verschleißfestes Gefüge. Die Bildung von Perlit 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 z. B. eine weiche, duktile Matrix aus Perlit (insbesondere feinperlitisch) mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit sowie vorzugsweise Chromkarbiden. Die Schicht ist besonders reibungsarm, verschleißbeständig und korrosionsbeständig. Die Verschleißbeständigkeit wird insbesondere durch sich in der Schicht bildende Chromkarbide bewirkt. Auf diese Weise kann die Reibung, insbesondere die Festkörperreibung zwischen der Schicht und einem Reibpartner, beispielsweise Kolbenringen erheblich reduziert werden. Bei der Wahl der Legierungselemente wird gezielt darauf geachtet, dass vorwiegend Phasen mit niedrigen Adhäsionskoeffizienten entstehen.
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 bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs überwiegend Bainit und Martensit sowie Chromkarbide entstehen.
Weiter sind folgende Legierungsbestandteile enthalten:

– Kohlenstoff 0,8 Gew.-% bis 1,0 Gew.-%
– Silizium 0,25 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%
– Mangan 0,25 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%
– Chrom 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-%
– Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
– Titan maximal 0,001 Gew.-%
– Phosphor maximal 0,03 Gew.-%
– Schwefel maximal 0,03 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 0,95 Gew.-%
– Silizium 0,3 Gew.-%
– Mangan 0,4 Gew.-%
– Chrom 0,55 Gew.-%
– Kupfer 0,35 Gew.-%

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.
Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus dieser Mikrolegierung gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht 2 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.
Kohlenstoff und Mangan in der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten mit besonders kleinen Tröpfchen.
Die Zugabe von Kupfer verbessert die Korrosionsbeständigkeit der Schicht 2.
Chrom fördert die Umwandlung des erstarrenden Spritzwerkstoffs 4 in das gewünschte Gefüge und führt zu einem reduzierten Verschleiß der Schicht 2, beispielsweise infolge ausreichenden C-Angebots durch Bildung von Cr-Mischkarbiden. Summarisch ergibt sich ein hartes, verschleißfestes, reibungsarmes Schichteigenschaftsprofil. Geeignet für Anwendungen mit erhöhte Verschleißbeanspruchung z. B. bei Zylinderlaufbahn, Ringsystem für Dieselmotoren.
Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 wird vorzugsweise warmgewalzt und/oder warmgezogen und danach weichgeglüht, 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, dadurch gekennzeichnet, – dass der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Martensit entstehen, – wobei folgende Legierungsbestandteile vorgesehen sind: – Kohlenstoff 0,8 Gew.-% bis 1,0 Gew.-%, – Silizium 0,25 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%, – Mangan 0,25 Gew.-% bis 0,45 Gew.-%, – Chrom 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% – Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.-%, Schwefel mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.-% und Titan mit einem Anteil von maximal 0,001 Gew.-% enthalten sind.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkupferung einer Oberfläche des Spritzwerkstoffs (4) vorgesehen ist.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 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.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schicht (2) Chromkarbide gebildet werden.