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Die
Erfindung betrifft eine thermisch gespritzte Lagerschicht nach den
Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu
deren Herstellung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
6.
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Aus
dem Stand der Technik ist, wie in
DE 101 59 949 C1 beschrieben, eine Verwendung
einer Kupfer-Aluminium-Legierung mit definierten Deckschichten als
Lagerwerkstoff zur Herstellung von verschleißfesten Gleitlagern bekannt.
Verwendet wird eine Kupfer-Aluminium-Legierung, bestehend aus 0,01
bis 20% Aluminium, wahlweise weiteren Elementen, Rest Kupfer und üblichen
Verunreinigungen. Dazu weist das Gleitlager eine äußere, Verschleiß mindernde
Deckschicht im Dickenbereich D = 10 nm bis 10 μm auf, die ausschließlich aus
Aluminiumoxid besteht.
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In
US 2006/0134447 A1 wird
ein thermisch gespritztes Kupfer-Aluminium Verbundmaterial und dessen
Herstellungsverfahren beschrieben. Das Verbundmaterial, bestehend
aus einer Kupferlegierung und einer Aluminiumlegierung, hat eine
verbesserte Abriebfestigkeit. Durch thermisches Spritzen wird ein Kupfer-Aluminium
Verbundmaterial erzeugt. Dieses besteht aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,
zum Beispiel einer Kupfer-Blei-Legierung, welche zumindest eine
ungeschmolzene Phase beinhaltet, und Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,
welche zumindest eine geschmolzene Phase beinhaltet.
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Aus
der
DE 2356616 C3 ist
ein Material für abriebbeständige Gleitlager
bekannt, wobei ein Überzug
mittels Aufspritzen eines Gemisches aus 3 bis 50 Vol% Aluminiumoxidteilchen
und aus einer Kupferlegierung mit 10 Gew.% Aluminium als Laufschicht
für Gleitlager
gebildet wird.
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Aus
der
JP 04131364 A ist
ein Plasmaspritzverfahren bekannt, bei dem Aluminiumoxidteilchen mit
Kupfer oder Kupfer-Aluminium oder Nickel oder Nickel-Aluminium gemeinsam
als Verschleißschutzschicht
aufgetragen werden.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Lagerschicht
und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
thermisch gespritzte Lagerschicht für ein Pleuelauge eines Pleuels
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens
wird die Aufgabe durch die im Anspruch 6 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
erfindungsgemäße thermisch
gespritzte Lagerschicht für
ein Pleuelauge eines Pleuels ist aus einer Kupferlegierung mit einem
Nickelgehalt von 2 bis 6 Gewichtsprozent oder einem Aluminiumgehalt von
4 bis 8 Gewichtsprozent und einem hierin dispergierten Füllstoff
aus Aluminiumoxidpulver aufgebaut.
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Die
erfindungsgemäße Lagerschicht
ist gebildet aus einer weichen Matrix aus der Kupferlegierung und
harten Einlagerungen des Füllstoffs.
Der fein verteilte harte Füllstoff
steigert die Festigkeit der Lagerschicht, da derart eingelagerte
Füllstoffpartikel eine
plastische Verformbarkeit der Matrix behindern. Durch den dispergierten
Füllstoff
ist die Lagerschicht ausreichend hart und widerstandsfähig, um
eine optimale Verschleißfestigkeit
zu erreichen. Die erfindungsgemäße Lagerschicht
ist gekennzeichnet durch hohe Festigkeit und dadurch wesentlich
widerstandsfähiger
gegen eine Abrasion oder eine Schichtablösung durch harte Werkstoffe
und Schmutzpartikel als Lagerschichten bzw. Lagerschalen nach dem
Stand der Technik. Die Kupferlegierung ist ausreichend weich, um
eine gute Einlagerung sowohl des Füllstoffs als auch von Schmutzpartikeln
sicherzustellen, wodurch ein Verschleiß verringerbar ist. Durch die
weiche Kupferlegierung ist auch eine gute Anpassungsfähigkeit
des Lagers während
einer Einlaufphase sichergestellt. Die erfindungsgemäße Lagerschicht
ist in einem einzelnen Beschichtungsprozess herstellbar. Dadurch
können
sowohl eine zusätzliche
Lagerschale als auch aufwändig
herzustellende Mehrschichtlager entfallen. Durch den Entfall von
Lagerschalen sind ein Leichtbau und eine Reduktion eines Bauraumbedarfs
möglich.
Mit einem geringeren Materialbedarf und Fertigungsaufwand ist eine
Kostenreduktion verbunden.
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Zweckmäßigerweise
weist der Füllstoff
eine maximale Korngröße von 50 μm auf, so
dass er optimal in der Kupferlegierung einlagerbar und von der Kupferlegierung
umschließbar
ist, um eine ausreichende Festigkeit der Lagerschicht sicherzustellen. Zweckmäßigerweise
weist der Füllstoff
eine minimale Korngröße von 1 μm auf, um
bei seiner Einbringung eine geeignete Vermischung mit dem Partikelstrahl der
Kupferlegierung zu ermöglichen.
Als besonders geeignet hat sich ein Korngrößenbereich von 10 bis 40 μm, insbesondere
von 20 bis 30 μm,
erwiesen.
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Vorzugsweise
besitzt der in der Kupferlegierung dispergierte Füllstoff
einen Anteil von 2 bis 60 Gewichtsprozent, so dass die Lagerschicht
optimal an Erfordernisse des jeweiligen Pleuels anpassbar ist, d.
h. dass eine möglichst
geringe Reibung bei einer möglichst
hohen Verschleißfestigkeit
erreichbar ist.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist die Lagerschicht einen Gradienten eines Aluminiumoxidgehalts
auf, wobei der Aluminiumoxidgehalt von einem Grund der thermisch
gespritzten Lagerschicht zu einer Oberfläche hin abnimmt. Beispielsweise
besteht die Lagerschicht an ihrer Oberfläche, d. h. in einem Kontaktbereich
zum Beispiel mit einer Kurbelwelle, fast ausschließlich aus
der Kupferlegierung, da die gespritzte Lagerschicht in diesem Bereich
eher weich sein muss, um beispielsweise Schmutzpartikel einlagern
zu können
und gute Einlaufeigenschaften in einer Einlaufphase und gute tribologische
Eigenschaften aufzuweisen. Daher sollte die gespritzte Lagerschicht
in diesem Bereich eine geringere Härte aufweisen. In Richtung
des Pleuels steigt eine Konzentration des Füllstoffs, welcher in der Kupferlegierung
eingelagert ist, beispielsweise kontinuierlich oder schrittweise
an, um eine optimale Festigkeit und Anbindung an ein Material des
Pleuels zu erreichen.
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Vorzugsweise
sind diese thermisch gespritzten Lagerschichten in Pleuelaugen von
Pleueln aus Eisenlegierungen, Stahl oder Edelstahl, sowie Leichtmetall
auf der Basis von Titan verwendbar, da die Eigenschaften der Lagerschicht,
beispielsweise durch Veränderung
der Konzentration des Füllstoffs, optimal
an die Erfordernisse des jeweiligen Pleuels anpassbar sind.
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In
einem Verfahren zur Herstellung einer thermisch gespritzten Lagerschicht
für ein
Pleuelauge eines Pleuels wird erfindungsgemäß auf einer Innenseite eines
Pleuelauges mittels thermischen Spritzens die Lagerschicht aus einer
Kupferlegierung mit einem Nickelgehalt von 2 bis 6 Gewichtsprozent oder
einem Aluminiumgehalt von 4 bis 8 Gewichtsprozent und einem hierin
dispergierten Füllstoff
aus Aluminiumoxidpulver aufgebracht. Durch das thermische Spritzen
sind Lagerschichten einfach, kostengünstig und mit geringem Materialeinsatz
herstellbar, besonders im Vergleich zu Verfahren nach dem Stand
der Technik, d. h. mehrlagige Lagerschichten oder Lagerschalen,
welche zudem eine erheblich dickere Wandstärke aufweisen und somit ein
höheres Gewicht
des Pleuels verursachen. Die erforderliche Verschleißfestigkeit
und optimale Reibungsminderung ist durch eine Anpassung der Konzentration
und Verteilung des Füllstoffs
in der gespritzten Lagerschicht erreichbar.
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In
vorteilhafter Weise wird das thermische Spritzen als Lichtbogendrahtspritzen
oder High Velocity Air Fuel – Arc
Spray (HVAC-Arc) durchgeführt. Dabei
wird das zu spritzende Material als Draht verarbeitet, wobei zwischen
zwei Drähten
ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird. Dabei
schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels
eines Zerstäubergases
auf das zu beschichtende Substrat befördert, wo sie sich anlagern.
Beim HVAC-Arc wird zusätzlich
ein brennbares Gas verwendet, wodurch die Temperatur und der Volumenstrom
des Zerstäubergases
erhöht
wird. Dadurch wird das Material feiner aufgeschmolzen und abgeschieden,
die Partikelgröße wird
geringer und die Partikelgeschwindigkeit wird erhöht, wodurch
Eigenschaften der gespritzten Schicht gegenüber dem Lichtbogendrahtspritzen
veränderbar
sind.
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Als
Parameter beim thermischen Spritzen werden bevorzugt eine Zusammensetzung
und/oder eine Menge eines Zerstäubergases
und/oder eine Spannung zum Betrieb des Lichtbogens und/oder ein Spritzabstand
und/oder eine Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder eine Robotergeschwindigkeit variiert.
Dadurch sind mittels des Verfahrens optimale Eigenschaften der gespritzten
Lagerschicht erzielbar bzw. die Eigenschaften variierbar und an
die Erfordernisse des Pleuels optimal anpassbar. Durch eine Veränderung
der genannten Parameter ist beispielsweise eine Schichtdicke, eine
Größe aufgeschmolzener
Partikel und daraus resultierend eine Struktur der Lagerschicht
und deren Oberfläche
und eine Zusammensetzung der zu spritzenden Lagerschicht veränderbar.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird der Füllstoff
in einen thermisch gespritzten Partikelstrahl der Kupferlegierung
eingebracht, vorzugsweise als Pulver mittels eines Pulverförderers.
Auf diese Weise ist eine optimale Vermischung des Füllstoffs mit
der Kupferlegierung und somit eine optimale Verteilung des Füllstoffs
in der gespritzten Lagerschicht erzielbar.
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Bevorzugt
werden dabei eine Korngröße des Pulvers,
eine Ausrichtung und Position eines Pulverinjektors des Pulverförderers,
ein Druck eines Fördergases
und/oder eine Steuerspannung eines Fördertellers vorgegeben. So
ist beispielsweise eine in den Partikelstrahl einzuleitende Menge
des Füllstoffs und
somit die Konzentration des Füllstoffs
in der gespritzten Lagerschicht vorgebbar. Beispielsweise sind zumindest
einige dieser Parameter auch während
des Spritzvorgangs veränderbar,
so dass dadurch beispielsweise ein Gradient der gespritzten Lagerschicht,
beispielsweise mit zunehmender Schichtdicke eine abnehmende Konzentration
des Füllstoffs, erzielbar
ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform findet mindestens
ein Compositedraht bei dem thermischen Spritzen Verwendung, der
einen Mantel oder eine Oberfläche
aus der Kupferlegierung mit einem Nickelgehalt von 2 bis 6 Gewichtsprozent
oder einem Aluminiumgehalt von 4 bis 8 Gewichtsprozent und eine
Seele oder eine Füllung
aus dem Füllstoff aus
Aluminiumoxidpulver umfasst. Dies ist eine weitere Möglichkeit,
den Füllstoff
in die gespritzte Lagerschicht einzubringen. In dieser Ausführungsform
wird der Füllstoff
nicht in Pulverform in den Partikelstrahl eingeblasen, sondern ist
bereits in dem aufzuschmelzenden Draht enthalten, so dass nach Aufschmelzen des
Mantels mit dem Zerstäubergas
auch automatisch der Füllstoff
zu der zu beschichtenden Oberfläche
transportiert wird. Allerdings ist bei dieser Ausführungsform
die Konzentration des Füllstoffs
durch die in der Seele bzw. Füllung
enthaltene Menge vorgegeben. Eine Veränderung der Konzentration des Füllstoffs
in der gespritzten Schicht ist bei dieser Ausführungsform beispielsweise dadurch
erzielbar, dass während
des thermischen Spritzens zwei Drähte mit unterschiedlich enthaltener
Menge des Füllstoffs
aufgeschmolzen werden, wobei die Drahtvorschubgeschwindigkeit der
beiden Drähte
jeweils einzeln gesteuert und entsprechend der benötigten Konzentration
angepasst wird.
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Zweckmäßigerweise
werden eine Verweilzeit und/oder eine Prozesstemperatur von Spritzpartikeln
im Partikelstrahl so kurz oder niedrig gewählt, dass der Füllstoff
im Wesentlichen unverändert
abgeschieden wird. Auf diese Weise behält der Füllstoff seine chemischen und
physikalischen Eigenschaften auch nach einer Einlagerung in die
gespritzte Lagerschicht, so dass eine optimale Festigkeit der Lagerschicht
durch den Füllstoff
sichergestellt wird.
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Vorzugsweise
wird die Innenseite des Pleuelauges vor dem thermischen Spritzen
aufgeraut, wobei das Aufrauen beispielsweise mechanisch oder mittels
Hochdruckwasserstrahlbearbeitung oder Korundstrahlen oder Sandstrahlen
durchgeführt
wird. Durch dieses Aufrauen wird die Haftung der gespritzten Lagerschicht
auf dem Substrat deutlich verbessert.
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In
einer besonders günstigen
Ausführungsform
wird die Innenseite des Pleuelauges vor dem thermischen Spritzen
im Bereich einer Oberfläche
bis in eine vorgegebene Tiefe angeschmolzen, so dass ein schmelzflüssiges Substrat
entsteht. Dies ist eine weitere Möglichkeit, die Haftung der
gespritzten Lagerschicht im Pleuelauge zu verbessern, da ein Teil der
gespritzten Partikel in das schmelzflüssige Substrat hinein diffundiert,
wodurch eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen dem Substrat und der gespritzten Lagerschicht gebildet
wird. Dieses Anschmelzen erfolgt bevorzugt mittels eines Lasers
als Anschmelzwerkzeug oder durch induktive Erwärmung mittels einer Induktionsspule
als Anschmelzwerkzeug.
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Vorzugsweise
wird die Lagerschicht nach dem thermischen Spritzen thermisch und/oder
mechanisch nachbearbeitet, beispielsweise durch Feindrehen und/oder
Reiben, um eine optimal reibungsmindernde Oberfläche der Lagerschicht zu erreichen.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Aufbau einer thermisch gespritzten Lagerschicht, und
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2 eine
Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Lagerschicht.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Aufbau einer thermisch gespritzten Lagerschicht GS in einem
Pleuelauge eines Pleuels. Diese thermisch gespritzte Lagerschicht
GS ist zusammengesetzt aus einer Kupferlegierung E mit einem Nickelgehalt
von 2 bis 6 Gewichtsprozent oder einem Aluminiumgehalt von 4 bis
8 Gewichtsprozent, welche eine so genannte Matrix bildet, und darin
eingelagert ein Füllstoff
F aus Aluminiumoxidpulver. Dadurch ist die Lagerschicht GS aus einer weichen
Matrix mit harten Einlagerungen gebildet. Die Matrix ist aus dem
weichen, reibungsmindernden Werkstoff der Kupferlegierung E gebildet.
Somit ist sichergestellt, dass die gespritzte Lagerschicht GS gute
reibungsmindernde Eigenschaften für eine Lagerung einer Welle,
wie beispielsweise einer Kurbelwelle, aufweist und derart einbettfähig ist,
dass sich sowohl der Füllstoff
F gut in ihr einlagern lässt,
als auch eine Aufnahme von Schmutzpartikeln ermöglicht ist, welche sonst die
Lagerschicht GS und/oder die gelagerte Welle aufgrund erhöhter Reibung
beschädigen
könnten.
Gleichzeitig ist diese Kupferlegierung E zum thermischen Spritzen
und für
eine erforderliche Nachbearbeitung der Lagerschicht GS geeignet,
wie beispielsweise durch Feindrehen oder Reiben.
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Die
Einlagerung des harten Füllstoffs
F dient der Steigerung der Festigkeit der gespritzten Lagerschicht
GS, da der eingelagerte Füllstoff
F deutlich härter
als die Kupferlegierung E ist. Die Lagerschicht GS ist somit durch
den eingelagerten Füllstoff
F verschleißresistent
und weist trotzdem durch die weiche Matrix gute Lagerungseigenschaften
mit geringer Reibung auf. Dazu muss der eingelagerte Füllstoff
F allerdings gut mit der Kupferlegierung E verbunden sein und eine
benötigte
Konzentration in der gespritzten Lagerschicht GS erreichen. Diese
Konzentration kann beispielsweise, abhängig von konkreten Anforderungen
des jeweiligen Pleuels, zwischen 2 und 60 Gewichtsprozent betragen,
wobei die Konzentration innerhalb der gespritzten Lagerschicht GS
auch unterschiedlich sein kann, beispielsweise einen Gradienten
aufweist, so dass die Konzentration des Füllstoffs F zu einer Oberfläche der
gespritzten Lagerschicht GS hin abnimmt und in einem Bereich, in
welchem die gespritzte Lagerschicht GS in Kontakt mit einem Substrat
S ist, d. h. mit einem Grundwerkstoff des Pleuels, auf den sie aufgespritzt
ist, die Konzentration sehr hoch ist, so dass die gespritzte Lagerschicht
GS in diesem Bereich sehr fest ist und eine gute Anbindung an das
Substrat S sichergestellt ist.
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Da
die gespritzte Lagerschicht GS in diesem Bereich keinen Kontakt
zu der gelagerten Welle hat, ist eine reibunsgmindernde Wirkung
der weichen Kupferlegierung E in diesem Bereich nicht nötig. Daher
sollte die gespritzte Lagerschicht GS in diesem Bereich eine größere Härte und
Festigkeit aufweisen, um eine möglichst
hohe Verschleißfestigkeit
und eine möglichst
gute Anbindung an das Substrat S zu erreichen. In Richtung zu der
Oberfläche
der gespritzten Lagerschicht GS, welche eine Innenwandung des Pleuelauges
bildet, sinkt die Konzentration des Füllstoffs F, welcher in der
Kupferlegierung E eingelagert ist, beispielsweise kontinuierlich
oder schrittweise ab, um eine optimale Reibungsminderungswirkung
und Einlagerungswirkung für
Schmutzpartikel durch die weiche Kupferlegierung E zu erreichen.
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Durch
die erfindungsgemäße Lagerschicht GS
sind der Verschleiß und
die Reibung verringerbar. Mit den erfindungsgemäßen Lagerschichten GS sind beispielsweise
separat gefertigte Lagerschalen oder aufwändig herstellbare mehrlagige
Lagerschichten ersetzbar. Damit sind erhebliche Fertigungserleichterungen
und Kosteneinsparungen sowie eine Gewichts- und Bauraumreduktion
verbunden. Durch einen Wegfall separater Lagerschalen wird eine
Bauhöhe
des Pleuels reduziert bzw. eine Steifigkeit und Gestaltfestigkeit
des Pleuels bei gleichen Abmessungen erhöht. Durch den Entfall der Lageschale
sind ein Leichtbau und eine Reduktion eines Bauraumbedarfs des Pleuels
möglich.
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2 zeigt
eine Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Lagerschicht
GS mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen
oder HVAC-Arc. Mittels dieses Verfahrens sind Lagerschichten GS
herstellbar, welche eine deutlich geringere Dicke aufweisen als
die nach dem Stand der Technik häufig
verwendeten Lagerschalen, wobei sogenannte tribologische Eigenschaften,
d. h. die Reibung bzw. Reibungsminderung dieser Lagerschichten GS ähnlich oder
sogar besser sind als die herkömmlicher
Lagerschalen oder aufwändig
herstellbarer mehrlagiger Lagerschichten. Daraus ergeben sich die
bereits erwähnten
Vorteile.
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Als
Grundwerkstoff, welcher thermisch gespritzt wird, wird die Kupferlegierung
E mit einem Nickelgehalt von 2 bis 6 Gewichtsprozent oder einem Aluminiumgehalt
von 4 bis 8 Gewichtsprozent verwendet, da dieser Werkstoff gut verarbeitet
werden kann und gute tribologische Eigenschaften und eine gute Einbettfähigkeit
sowohl für
den Füllstoff
F als auch für
Schmutzpartikel aufweist, welche sonst die Lagerschicht GS oder
die gelagerte Welle beschädigen
könnten.
Durch den eingebrachten Füllstoff
F, welcher in etwa zehnfach härter
als die Kupferlegierung E ist, wird die Festigkeit und Härte der
Lagerschicht GS und damit ihre Verschleißfestigkeit deutlich erhöht, so dass
sie den sehr hohen Beanspruchungen in einem Verbrennungsmotor dauerhaft standhält. Der
fein verteilte harte Füllstoff
steigert die Festigkeit der Lagerschicht GS, da derart eingelagerte
Füllstoffpartikel
eine plastische Verformbarkeit der Matrix behindern. Als besonders
geeignete Werkstoffmatrizen haben sich die Kupferlegierungen CuNi4
oder CuAl6 erwiesen.
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Um
eine Lagerschicht GS thermisch zu spritzen, wird zunächst die
Oberfläche
des Substrates S aufgeraut, um eine gute Haftung der gespritzten
Lagerschicht GS zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch Raudrehen,
Korundstrahlen oder mittels Hochdruckwasserstrahlen erfolgen. Dadurch
wird die Oberfläche
derart aufgeraut, dass die gespritzten schmelzflüssigen Partikel sich in dadurch
gebildeten Hinterschneidungen anlagern können, wodurch eine gute mechanische
Haftung der gespritzten Lagerschicht GS auf dem Substrat S erzielbar
ist. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Oberfläche
des Substrates S aufzuschmelzen, beispielsweise mittels eines Lasers
oder durch induktive Erwärmung,
wodurch eine stoffschlüssige
und dadurch sehr gut haftende Verbindung zwischen dem Substrat S
und der gespritzten Lagerschicht GS entsteht. Anschließend wird
das Substrat S, d. h. der Grundwerkstoff des Pleuels, durch thermisches
Spritzen beschichtet.
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Hier
dargestellt ist ein Beschichtungsvorgang mittels Lichtbogendrahtspritzen.
Eine weitere Möglichkeit
ist das HVAC-Arc, welches sehr ähnlich ist.
Beim HVAC-Arc wird zusätzlich
ein brennbares Gas verwendet, wodurch die Temperatur und der Volumenstrom
des Zerstäubergases
Z erhöht
wird. Dadurch wird das Material feiner aufgeschmolzen und abgeschieden,
die Partikelgröße wird
geringer und die Partikelgeschwindigkeit wird erhöht, wodurch
Eigenschaften der gespritzten Lagerschicht GS gegenüber dem
Lichtbogendrahtspritzen veränderbar
sind.
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Bei
dem dargestellten Lichtbogendrahtspritzen werden zwei Drähte aus
der Kupferlegierung E mit Hilfe eines geregelten Drahtvorschubs
1 in eine Spritzpistole 2 gezogen. Mittels kupferner Drahtführungen
werden die Drähte
geführt
und gleichzeitig Strom auf diese übertragen. Die Drähte werden
zu einer Berührung
aufeinander zugeführt,
wodurch an einem Kontaktpunkt als Folge eines sehr hohen Kurzschlussstroms
eine starke Erwärmung
der Drähte
erfolgt. Dadurch schmelzen bzw. verdampfen die Drähte und
es entzündet
sich der Lichtbogen. Entstehende Spritzpartikel werden durch das
Zerstäubergas
Z in einem Partikelstrahl 3 zum Substrat S hin beschleunigt, wodurch
es zu einer Bildung der gespritzten Lagerschicht GS kommt. Dieses
Verfahren ist einfach und wirtschaftlich anwendbar und im Vergleich
mit den bereits beschriebenen Verfahren, d. h. einem Einsetzen separater
Lagerschalen oder einer Fertigung einer mehrlagigen Lagerschicht,
mit deutlich geringerem Fertigungsaufwand und geringeren Kosten
verbunden.
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In
der dargestellten Ausführungsform
wird der Füllstoff
F mittels eines nicht näher
dargestellten Pulverförderers
in die gespritzte Lagerschicht GS eingebracht. In einer weiteren,
nicht näher
dargestellten Ausführungsform
kann der Füllstoff
F allerdings auch in den Drähten
enthalten sein, beispielsweise als so genannte Seele oder Füllung innerhalb
des Drahtes, welche von der Kupferlegierung E ummantelt ist und
nach Abschmelzen des Drahtes freigesetzt wird. Der Füllstoff
F wird dann zusammen mit den aufgeschmolzenen Partikeln im Partikelstrahl 3 durch
das Zerstäubergas
Z auf das Substrat S gespritzt.
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In
der hier dargestellten Ausführungsform wird
der Füllstoff
F in Pulverform mittels des Pulverförderers in den Partikelstrahl 3 eingebracht.
Dazu wird ein Pulverinjektor 4 beispielsweise an der Spritzpistole 2 oder
im Umfeld des Partikelstrahls 3 angebracht.
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Mittels
eines Fördergases
wird der pulverförmige
Füllstoff
F durch den Pulverinjektor 4 in den Partikelstrahl 3 eingebracht.
Dosiert wird der Füllstoff
F mittels eines Fördertellers,
welcher mit einem Dosierspalt versehen ist. Der Füllstoff
F ist in pulverförmiger
Form, als Aluminiumoxidpulver, mit verschiedenen Korngrößen verfügbar, so
dass eine optimale Korngröße auswählbar ist,
um die geforderten Eigenschaften der gespritzten Lagerschicht GS
bzw. des Füllstoffs
F innerhalb der gespritzten Lagerschicht GS zu erzielen. Weitere
Parameter, welche am Pulverförderer
vor Beginn bzw. auch während
des Verfahrens einstellbar sind, um eine optimale Konzentration
und Verteilung des Füllstoffs
F innerhalb der gespritzten Lagerschicht GS zu erzielen, sind beispielsweise
eine Ausrichtung und Position des Injektors 4 in Bezug
auf den Partikelstrahl 3, ein Druck des Fördergases
und eine Steuerspannung des Fördertellers,
wodurch eine Menge des eingebrachten Füllstoffs F veränderbar
ist. Durch Veränderung
dieser Menge während
des Verfahrens ist beispielsweise auch ein Gradient des Füllstoffs
F innerhalb der gespritzten Lagerschicht GS, wie bereits beschrieben, erzielbar,
d. h. eine abnehmende Konzentration des Füllstoffs F vom Substrat S in
Richtung der Oberfläche
der gespritzten Lagerschicht GS.
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Um
eine optimal thermisch gespritzte Lagerschicht GS zu erhalten, sind
weitere Parameter an der Spritzpistole 2 vor bzw. auch
während
des Verfahrens veränderbar,
beispielsweise eine Zusammensetzung und/oder eine Menge des Zerstäubergases
Z, eine Spannung zum Betrieb des Lichtbogens, ein Spritzabstand,
eine Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder eine Robotergeschwindigkeit.
Durch optimale Anpassung aller Parameter ist eine thermisch gespritzte
Lagerschicht GS erzielbar, welche die Anforderungen des jeweiligen
Pleuels erfüllt,
d. h. insbesondere eine optimale Konzentration und Verteilung des
Füllstoffs
F in der gespritzten Lagerschicht GS, um sowohl gute tribologische
Eigenschaften als auch eine ausreichende Härte und Festigkeit und dadurch
eine gute Verschleißbeständigkeit
zu erzielen.
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Nach
dem Spritzen wird die Lagerschicht GS thermisch und/oder mechanisch
nachbearbeitet, beispielsweise durch Feindrehen oder Reiben, um
eine optimal reibungsmindernde Oberfläche der Lagerschicht GS zu
erreichen.