DE102009007867B3

DE102009007867B3 - Spritzwerkstoff für eine tribologisch verbesserte, thermisch gespritzte Schicht mit einem perlitischen, bainitischen Gefüge, Verfahren zum Beschichten und thermisch gespritzte Schicht

Info

Publication number: DE102009007867B3
Application number: DE102009007867A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Böhm; Martin Dr. Rer. Nat. Hartweg; Tilmann Dr. Rer. Nat. Haug
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-02-06
Filing date: 2009-02-06
Publication date: 2010-04-01
Anticipated expiration: 2029-02-07

Abstract

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Bainit und Perlit entstehen, 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 und eine Schicht, welche auf einem Substrat abgeschieden ist. 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.
Aus der DE 20 2008 009 964 U1 ist ein drahtförmiger Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, bekannt, der sich dadurch auszeichnet, dass der Spritzwerkstoff zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit, Bainit sowie geringere Anteil feinstreifigen Perlits entstehen, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,55 Gew.-% bis 0,65 Gew.-% Kohlenstoff, 0,7 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% Mangan sowie 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium enthalten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstigen verbesserten drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen anzugeben. Bei der Festlegung des drahtförmigen Spritzwerkstoffs werden neben den Schichteigenschaften auch das Spritzverhalten des drahtförmigen Spritzwerkstoffs und die Bearbeitbarkeit der Spritzschicht gezielt beeinflusst.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine dichte, tribologisch verbesserte Spritzschicht darzustellen, welche sich insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen auf einem Substrat auftragen und sich gut bearbeiten lässt.
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 Perlit und Bainit entstehen, wobei zusätzlich Mikrolegierungselemente zur Bildung verschleißfester Phasen sowie zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften 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. Feinstreifiger Perlit, bestehend aus hartem Fe3C sowie Ferrit, ist eine tribologisch positiv wirksame Phase. Bainit ist eine Umwandlungsphase mittlerer Härte und Verschleißfestigkeit.
Das Verhältnis von Bainit zu Perlit 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 Perlit und Bainit.
Tribologisch wirksame Phasen dienen zur Verbesserung des Laufverhaltens in kritischen Systemzuständen, so dass z. B. beim Abreißen von Schmierfilmen übermäßiger Verschleiß der Reibpartner oder deren Beschädigung durch adhäsive Reaktionen vermieden werden. Diese Zustände treten insbesondere in Mischreibungsbereichen auf z. B. OT- und UT-Bereiche bei der Tribosystemen Zylinderlaufflächen/Kolbenringe.
Im Folgenden werden zwei Ausführungsbeispiele 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 Perlit und Bainit entstehen. Weiter sind in der Mikrolegierung Legierungsbestandteile zur Bildung von verschleißfesten Phasen und zur Reibwertreduzierung vorgesehen.
Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:

– Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%,
– Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%,
– Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%.

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, falls keine anderen Angaben gemacht sind.
Die Elemente Phosphor, Schwefel und Kupfer sind bevorzugt zumindest in Spuren enthalten, d. h. in Anteilen von zumindest 0,001 bis zu 0,01 Gew.-%; von zumindest 0,001 Gew.-% bis zu 0,02 Gew.-% und von 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 bevorzugt eine Mikrolegierung mit folgenden Bestandteilen verwendet:

– Kohlenstoff 0,13 Gew.-%
– Silizium 0,09 Gew.-%
– Mangan 1,4 Gew.-%
– Kupfer 0,09 Gew.-%
– Phosphor 0,004 Gew.-%
– Schwefel 0,017 Gew.-%.

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.
Das Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus diesen Mikrolegierungen gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht 2 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit, die folgende Zusammensetzung aufweist:

– Kohlenstoff 0,125 Gew.-%
– Silizium 0,07 Gew.-%
– Mangan 1,23 Gew.-%
– Kupfer 0,09 Gew.-%
– Phosphor 0,008 Gew.-%
– Schwefel 0,017 Gew.-%
– Sauerstoff 2000 ppm.

Der geringe Kohlenstoffgehalt und der erhöhte Mangangehalt der Mikrolegierung des Spritzdrahtes bewirken ein verbessertes Spritzverhalten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Lichtbogendrahtspritzen kleine Tröpfchen entstehen. Dadurch bildet sich beim Erstarren der einzelnen Tröpfchen eine Spritzschicht mit einer feinen Struktur, welche durch eine relativ geringen Porosität im Vergleich zu den sonst üblichen Spritzschichten auf Eisenbasis gekennzeichnet ist.
Der Mangangehalt führt darüber hinaus zu einer überwiegend perlitisch/bainitischen Gefügeausbildung bei der Erstarrung der Spritzschicht 2.
Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Perlit ist ein Mischgefüge aus weichen ferritischen und harten karbidischen Phasen. Die Bildung von Bainit und Perlit kann durch Spritzparameter, 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 Bainit oder mit einzelnen Inseln aus feinstreifigem Perlit 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 2 ist entsprechend dem Abbrand verändert. Die Drahtzusammensetzung ist auf die Zieleigenschaften der gespritzten Schicht abgestimmt
Vorzugsweise wird eine Oberfläche des drahtförmigen Spritzwerkstoffs 4 verkupfert, um Korrosion zu vermeiden.
Der Draht ist niedriglegiert, wobei die Wahl speziell auf kostengünstige Legierungselemente ausgerichtet ist.
Die sich ergebende Spritzschicht zeigt gute Bearbeitbarkeit und verbesserte tribologische Eigenschaften sowie einen guten Verschleißwiderstand.

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 Bainit und Perlit entsteht, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%. jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-% und/oder – Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% und/oder – Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis, insbesondere Lichtbogendraht gespritzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht ein feinperlitisches, bainitisches Gefüge aufweist, und dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,2 Gew.-%, – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,1 Gew.-%. – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Thermisch gespritzte Schicht nach Anspruch 3, dass die Spritzschicht zusätzlich Sauerstoff-Anteile von 1000–4000 ppm aufweist, vorzugsweise von 1500–2500 ppm.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der Ansprüche 1 bis 2 in einem Lichtbogen (5) aufgeschmolzen und als Schicht (2) auf dem Substrat (1) abgeschieden wird, derart dass in der Schicht (2) nach dem Abscheiden beim Erstarren zumindest Bainit und Perlit gebildet werden.