DE102008034550B3

DE102008034550B3 - Drahtförmiger Spritzwerkstoff und Verfahren zum Beschichten eines Substrats

Info

Publication number: DE102008034550B3
Application number: DE102008034550A
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, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Martensit entsteht, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind.

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. Weiterhin können Anteile an Festschmierstoffen wie MnS zugesetzt sein.
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 39 A, February 2008, Seiten 473–476] ist die Bildung von Carbiden während der Alterung einer mittels Drahtspritzen hergestellten Chrom enthaltenden Eisenschicht bekannt, welche Anteile von Martensit und Bainit 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 zumindest Bainit und geringere Anteile Martensit entstehen, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind. 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 eine Umwandlungsphase mittlerer Härte und Verschleißfestigkeit. Martensit ist ein hartes, verschleißfestes Gefüge. Die Bildung von Martensit kann durch die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung gezielt beeinflusst werden. Eine bei einer Anlagerung einer mittels Lichtbogendrahtspritzen unter Nutzung des erfindungsgemäßen Spritzwerkstoffs erzeugte Schicht auf einem Substrat, beispielsweise einer Zylinderlauffläche, umfasst zumindest Bainit, verschleißfeste Inseln aus Martensit sowie Einlagerungen von Festschmierstoffen. Auf diese Weise kann die Reibung, insbesondere die Festkörperreibung zwischen der Schicht und einem Reibpartner, beispielsweise Kolbenringen erheblich reduziert werden. Festschmierstoffe sind beispielsweise Graphit, Molybdändisulfid, Aluminium, Kupfer, Keramikpartikel oder PTFE (Polytetrafluorethen). Festschmierstoffe dienen der Verbesserung von Notlaufeigenschaften, so dass beim Abreißen von Schmierfilmen übermäßiger Verschleiß der Reibpartner oder deren Beschädigung durch adhäsives Verhalten vermieden werden. Diese Zustände treten insbesondere in Mischreibungsbereichen auf z. B. OT- und UT-Bereiche bei der Tribosystemen Zylinderlaufflächen/Kolbenringe.
Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:

– Kohlenstoff 0,55 Gew.-% bis 0,65 Gew.-%,
– Silizium 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
– Mangan 0,7 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%,
– Chrom 0,3 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
– Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%,

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 entsteht. Weiter sind in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen.
Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:

– Kohlenstoff 0,55 Gew.-% bis 0,65 Gew.-%
– Silizium 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%
– Mangan 0,7 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%
– Chrom 0,3 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
– Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
– Titan maximal 0,001 Gew.-%
– Phosphor maximal 0,06 Gew.-%
– Schwefel 0,18 Gew.-% bis 0,2 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 0,6 Gew.-%
– Silizium 0,35 Gew.-%
– Mangan 1,1 Gew.-%
– Chrom 0,35 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 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.
Der geringe Kohlenstoffgehalt und der erhöhte Mangangehalt der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten mit besonders kleinen Tröpfchen.
Der erhöhte Mangangehalt führt zu überwiegend bainitischer Umwandlung bei der Erstarrung.
Die Zugabe von Kupfer verbessert den Korrosionsschutz 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 durch Bildung von Cr-Mischkarbiden.
Vorzugsweise entsteht beim Erstarren der Schicht 2 auch Bainit (insbesondere feinperlitisch). Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Perlit ist ein Mischgefüge aus weichen ferritischen und harten karbidischen Anteilen bei kohlenstoffhaltigen Stählen. Die Bildung von Bainit, Perlit und Martensit kann durch die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung beeinflusst werden. Die Schicht 2 kann in Form einer weichen, duktilen Matrix aus Perlit oder Bainit mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit ausgebildet sein.
Der drahtförmige Spritzwerkstoff 4 wird vorzugsweise warmgewalzt und/oder warmgezogen und danach langsam und gesteuert in einem Ofen abgekühlt und/oder 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, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Martensit entsteht, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile vorgesehen sind: – Kohlenstoff 0,55 Gew.-% bis 0,65 Gew.-%, – Silizium 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, – Mangan 0,7 Gew.-% bis 1,1 Gew.-%, – Chrom 0,3 Gew.-% bis 0,35 Gew.-% – Kupfer 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzwerkstoff (4) als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs geringere Anteile feinstreifigen Perlits, jedoch überwiegend Bainit entstehen.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,06 Gew.-%, Schwefel mit einem Anteil von 0,18 Gew.-% bis 0,2 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 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 zumindest Bainit gebildet wird und Festschmierstoffe eingelagert werden.