DE102009011248A1 - Method for the production of a coated component such as cylinder barrel of combustion engine, comprises applying a surface layer on a surface of a base body of the component by a thermal spraying method - Google Patents

Method for the production of a coated component such as cylinder barrel of combustion engine, comprises applying a surface layer on a surface of a base body of the component by a thermal spraying method Download PDF

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Abstract

The method for the production of a coated component (14), comprises applying a surface layer (10) on a surface (16) of a base body (12) of the component by a thermal spraying method and pre-treating the component in the area of the surface layer by rollers. The component is pre-treated by rolling, when the surface layer is cooled. The contact pressure of the roller during rolling is selected so that a given measure of compressive residual stresses is produced in the surface layer and/or in the base body of the component. The method for the production of a coated component (14), comprises applying a surface layer (10) on a surface (16) of a base body (12) of the component by a thermal spraying method and pre-treating the component in the area of the surface layer by rollers. The component is pre-treated by rolling, when the surface layer is cooled. The contact pressure of the roller during rolling is selected so that a given measure of compressive residual stresses is produced in the surface layer and/or in the base body of the component. The contact pressure of the roller during rolling is selected so that the surface of the surface layer is not completely smoothed. The thermal spraying method is electric arc wire spraying, atmospheric plasma spraying and/or spray compacting. A pre-determined structure is subjected in the surface layer after the rolling by laser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.The The invention relates to a method for producing a coated Component according to the preamble of claim 1.

Verfahren zum Beschichten von Bauteiloberflächen durch thermisches Spritzen, beispielsweise durch Lichtbogendrahtspritzen oder atmosphärisches Plasmaspritzen, sind dem Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Ebenso ist es bekannt, derart aufgebrachte Oberflächenschichten durch Walzen nachzubehandeln.method for coating component surfaces by thermal Spraying, for example by arc wire spraying or atmospheric Plasma spraying is well known in the art refer to. It is also known, such applied surface layers Re-treat rolls.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise in der DE 198 47 608 A1 offenbart. Das dort beschriebene Verfahren zum Herstellen einer Gleitfläche insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Hubkolbenmaschine beruht auf dem thermischen Aufspritzen pulverförmiger Zusatzstoffe auf eine Bauteiloberfläche, wobei unmittelbar nach dem thermischen Aufspritzen die Spritzschicht durch Walzen verdichtet wird. Das Verdichten erfolgt zu einem Zeitpunkt, zu dem die Spritzschicht noch nicht ausgehärtet und kristallisiert ist, so dass durch das Walzen die Porosität der noch plastischen Schicht verringert und ihre Oberfläche geglättet wird.Such a method is for example in the DE 198 47 608 A1 disclosed. The method described therein for producing a sliding surface, in particular a cylinder bore of a reciprocating piston engine, is based on the thermal spraying of pulverulent additives onto a component surface, wherein immediately after the thermal spraying the spray coating is compacted by rolling. The compaction takes place at a time when the spray coating has not yet cured and crystallized, so that the rolling reduces the porosity of the still plastic layer and its surface is smoothed.

Nachteiliger Weise können aufgrund der noch vorhandenen Plastizität der Spritzschicht keine nennenswerten Kräfte in den Grundkörper des Bauteils selbst eingeleitet werden, so dass sich die vorteilhaften Effekte des Walzens ausschließlich auf die Spritzschicht selbst beschränken.Derogatory Way, due to the still existing plasticity the sprayed layer no significant forces in the body be initiated of the component itself, so that the advantageous Effects of rolling exclusively on the sprayed layer restrict yourself.

Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu entwickeln, dass die Materialeigenschaften von Spritzschicht und von Grundkörper des Bauteils gleichzeitig verbessert werden.It So is an object of the present invention, a method according to to develop the preamble of claim 1 so that the material properties of the sprayed coating and the base body of the component can be improved simultaneously.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.These The object is achieved by a method having the features of the patent claim 1 solved.

Bei einem derartigen Verfahren wird zunächst mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Oberflächenschicht auf eine Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils aufgebracht und das Bauteil im Bereich der Oberflächenschicht durch Walzen nachbehandelt. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass das Bauteil erst dann durch Walzen nachbehandelt wird, wenn die Oberflächenschicht abgekühlt ist. Im Gegensatz zum Stand der Technik erfolgt die walzende Nachbehandlung also nicht unmittelbar nach dem Aufspritzen der Oberflächenschicht, also nicht zu einem Zeitpunkt, zu dem die Oberflächenschicht noch plastisch verformbar ist. Vielmehr wird die Oberflächenschicht zunächst abgekühlt, wodurch ihr Gefüge kristallisiert und sich verhärtet. Dadurch können Kräfte über die Oberflächenschicht hinweg auch in einen Grundkörper des Bauteils eingebracht werden, so dass die bekannten Vorteile einer walzenden Behandlung auch zur Verbesserung der Materialqualität des Bauteils beitragen. Weiterhin kann durch ein erfindungsgemäßes Verfahren eine Entkoppelung der Verfahrensschritte Aufspritzen und Walzen erreicht werden. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren müssen Spritzwerkzeug und Walzwerkzeug also nicht gekoppelt eingesetzt werden, was eine einfachere und ökonomischere Werkzeuggestaltung ermöglicht.at Such a method is first by means of a thermal spraying a surface layer on applied a surface of the component to be coated and the component in the area of the surface layer Rolls aftertreated. According to the invention is provided that the component only after-treated by rolling when the surface layer has cooled. In contrast to the prior art, the rolling aftertreatment takes place ie not immediately after spraying the surface layer, So not at a time when the surface layer is still plastically deformable. Rather, the surface layer initially cooled, reducing their microstructure crystallized and hardened. Thereby can Forces across the surface layer, too be introduced into a main body of the component, so that the known advantages of a rolling treatment also for Improve the material quality of the component. Furthermore, by a method according to the invention a decoupling of the process steps spraying and rolling be achieved. In contrast to those known from the prior art Procedures do not need injection molding and rolling tool coupled, what a simpler and more economical Tool design allows.

Bevorzugt werden als Oberflächenschichten Metalllegierungen oder Verbundwerkstoffe aus Metallen und keramischen Partikeln eingesetzt. Die Metalle zeigen beim Walzen durch Gefügeveränderung bzw. kristalline Veränderungen den Effekt einer Aufhärtung. Dieser Effekt lässt sich nur dann realisieren, wenn das Metall in der Spritzschicht in der als feste Phase, bzw. kristallin vorliegt. Daneben findet als Nebeneffekt des Walzens auch eine zusätzliche Steigerung der Festigkeit der Oberflächenschicht statt, die alleine auf den Effekt einer Nachverdichtung der Spritzschicht beruht.Prefers are used as surface layers of metal alloys or Composite materials of metals and ceramic particles used. The metals show during rolling by structural change or crystalline changes the effect of a hardening. This effect can only be realized if the Metal in the sprayed layer in the solid phase, or crystalline is present. In addition, there is also an additional side effect of rolling Increasing the strength of the surface layer instead, alone on the effect of a re-compaction of the sprayed layer based.

Als Metalllegierungen sind insbesondere Bronze, Messing, Aluminiumbronze oder Aluminium-Wismut-Legierungen gut geeignet. Hierbei können der Spritzschicht auch Hartstoffe, wie SiC oder Si zugesetzt werden. Ebenso können auch Gleitstoffe wie BN oder C (Graphit) zugesetzt werden.When Metal alloys are especially bronze, brass, aluminum bronze or aluminum bismuth alloys are well suited. Here you can the spray layer and hard materials such as SiC or Si are added. Likewise also lubricants like BN or C (graphite) be added.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Anpressdruck einer Walze beim Walzen so gewählt, dass ein vorgegebenes Maß von Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht und/oder im Bauteil erzeugt wird. Das Einbringen von Druckeigenspannungen in Bauteile führt vorteilhafter Weise zu einer Härtung der oberflächlichen Schichten eines so behandelten Bauteils. Hierdurch wird die mechanische Belastbarkeit sowohl der Oberflächenschicht als auch des Grundkörpers des Bauteils selbst erhöht. Auch die Haftung zwischen Oberflächenschicht und Bauteil wird so verbessert.In a particularly preferred embodiment of the invention a contact pressure of a roller during rolling is chosen that a predetermined level of residual compressive stresses in the Surface layer and / or produced in the component. The introduction of residual compressive stresses in components performs more advantageous Way to harden the superficial layers such a treated component. As a result, the mechanical load capacity both the surface layer and the base body of the component itself increased. Also the adhesion between surface layer and component is improved.

Es ist weiterhin vorteilhaft, den Anpressdruck der Walze beim Walzen so zu wählen, dass die Oberfläche der Oberflächenschicht nicht vollständig geglättet wird. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren, die aufgrund der Plastizität der Oberflächenschicht zu einem vollständigen Verlust an Porosität und zu einer nahezu vollständigen Glättung der Oberfläche führen, bleibt also eine Restporosität und eine gewisse Restwelligkeit – also eine gewisse Mindestanzahl von Riefen oder Tälern in der Oberfläche – erhalten. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Verfahren zur Behandlung von tribologisch beanspruchten und im Betrieb geschmierten Oberflächen, wie beispielsweise Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen verwendet wird. Durch die unvollständige Glättung der Oberfläche bleiben hier Riefen erhalten, die im Betrieb des jeweiligen Bauteils Schmiermittel aufnehmen können und somit als Schmiermittelreservoirs dienen.It is also advantageous to choose the contact pressure of the roller during rolling so that the surface of the surface layer is not completely smoothed. In contrast to known from the prior art methods that lead due to the plasticity of the surface layer to a complete loss of porosity and an almost complete smoothing of the surface, so remains a residual porosity and a certain residual ripple - ie a certain minimum number of grooves or valleys in the surface - preserved. This is particularly advantageous when the process for the treatment of tribologically stressed and lubricated in operation surfaces, such as Zylin derlaufbahnen of internal combustion engines is used. As a result of the incomplete smoothing of the surface, grooves are obtained which, during operation of the respective component, can absorb lubricant and thus serve as lubricant reservoirs.

Eine weitere bevorzugte Anwendung des Verfahrens ist bei Gleitlagern gegeben. Hier sind insbesondere die Pleuellager in Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen von Bedeutung. Als Metalllegierungen sind insbesondere Bronze, Messing, Aluminiumbronze oder Aluminium-Wismut-Legierungen geeignet.A Another preferred application of the method is in plain bearings given. Here are in particular the connecting rod bearings in reciprocating internal combustion engines significant. As metal alloys are in particular bronze, brass, Aluminum bronze or aluminum bismuth alloys suitable.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird als thermisches Spritzverfahren das Lichtbogendrahtspritzen, das atmosphärische Plasmaspritzen, das Sprühkompaktieren oder dergleichen verwendet. Durch die genannten Verfahren lässt sich ein besonders homogener und gut kontrollierter Materialauftrag bei gleichzeitig sehr guter Haftung des aufgetragenen Materials an der Oberfläche des Bauteils erzielen.In Another embodiment of the invention is used as a thermal spray process the arc wire spraying, the atmospheric plasma spraying, the Spray compacting or the like used. By the mentioned method can be a particularly homogeneous and well controlled material application with at the same time very good Adhesion of the applied material to the surface of the Achieve component.

Die Verfahren sind insbesondere geeignet Verbundwerkstoffe aus Metalllegierung und keramischem Material herzustellen. Durch die metallische Phase der Verbundwerkstoffe ist das Fest-Walzen der Spritzschicht bei derartigen Verbundwerkstoffen besonders effektiv. Die metallische Phase zeigt im Gegensatz zur Keramik eine gewisse plastische Verformbarkeit, so dass ich der Verbundwerkstoff sowohl Verdichten als auch Aufhärten lässt.The Methods are particularly suitable composites of metal alloy and ceramic material. Through the metallic phase The composite material is the solid-rolling of the spray layer at such composites particularly effective. The metallic one Phase shows in contrast to the ceramic a certain plastic deformability, so I use the composite both compaction and hardening leaves.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, nach dem Walzen mittels eines Lasers vorgegebene Strukturen in die Oberflächenschicht einzubringen. Hierdurch kann die Oberflächenschicht weiter auf ihre jeweilige Anwendung optimiert werden. Im genannten Beispiel der Zylinderlaufbahnen ist es beispielsweise möglich, gezielt Öltaschen einzubringen oder durch gerichtete Rillenstrukturen den tribologischen Eigenschaften der Oberfläche eine richtungsabhängige Qualität zu verleihen.In Another embodiment of the invention, it is possible, after Rolling by means of a laser predetermined structures in the surface layer to introduce. This allows the surface layer further to their respective Application to be optimized. In the example of the cylinder liners is For example, it is possible to introduce oil pockets in a targeted manner or by directed groove structures the tribological properties the surface is a directional quality to rent.

Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:in the Following is the invention and its embodiments will be explained in more detail with reference to the drawing. in this connection demonstrate:

1 eine Mikrographie eines Schliffs durch ein Bauteil mit einergewalzten Oberflächenschicht und 1 a micrograph of a cut through a component with a rolled surface layer and

2 eine Mikrographie eines Schliffs durch ein Bauteil mit einer erfindungsgemäß aufgebrachten Oberflächenschicht. 2 a micrograph of a cut through a component with a surface layer applied according to the invention.

Nach dem eine Oberflächenschicht 10 durch thermisches Spritzen auf einen Grundkörper 12 eines im Ganzen mit 14 bezeichneten Bauteils aufgebracht wurde, zeigt sie im Schliff das in 1 dargestellte Erscheinungsbild. Durch das thermische Aufspritzen der Oberflächenschicht 10 wurde die Oberfläche 16 des Grundkörpers 12 des Bauteils 14 teilweise angeschmolzen, so dass sich eine Verzahnung zwischen Oberflächenschicht 10 und Grundkörper 12 ergibt. Die aufgespritzte Oberflächenschicht ist nicht homogen und weist Poren 18 und oberflächliche Vertiefungen 20 auf.After a surface layer 10 by thermal spraying on a base body 12 one with the whole 14 was applied to the designated component, it shows in the cut in 1 illustrated appearance. By thermal spraying of the surface layer 10 became the surface 16 of the basic body 12 of the component 14 partially melted, so that a gearing between surface layer 10 and basic body 12 results. The sprayed surface layer is not homogeneous and has pores 18 and superficial pits 20 on.

Durch eine erfindungsgemäß vorgesehene walzende Nachbehandlung ergibt sich das in 2 gezeigte Schliffbild in einem oberflächennahen Bereich 22 der Oberflächenschicht 10 ist die Anzahl der Poren 18 stark reduziert, die äußere Oberfläche 24 der Oberflächenschicht 10 ist geglättet. In einem grundkörpernahen Bereich 26 der Oberflächenschicht 10 bleibt dagegen eine höhere Anzahl von Poren 18 erhalten. Im Schliffbild nicht zu erkennen ist, dass durch die walzende Behandlung des Bauteils 14 im ausgekühlten Zustand der Oberflächenschicht 10, also zu einem Zeitpunkt, wo diese bereits kristallisiert ist, auch Kräfte in den Grundkörper 12 des Bauteils 14 eingeleitet werden. Dadurch werden wie bei anderen bekannten Verfahren zur Härtung von Oberflächen Druckeigenspannungen sowohl in der Oberflächenschicht 10 als auch im Grundkörper 12 des Bauteils 14 erzeugt. Durch solche Druckeigenspannungen wird die mechanische Belastbarkeit des Bauteils 14 wesentlich verbessert.By rolling inventively provided after-treatment results in the 2 shown micrograph in a near-surface area 22 the surface layer 10 is the number of pores 18 greatly reduced, the outer surface 24 the surface layer 10 is smoothed. In a region close to the body 26 the surface layer 10 on the other hand, a higher number of pores remains 18 receive. The microsection does not show that the rolling treatment of the component 14 in the cooled state of the surface layer 10 That is, at a time when it has already crystallized, also forces in the body 12 of the component 14 be initiated. As a result, as with other known methods for curing surfaces, compressive stresses both in the surface layer 10 as well as in the main body 12 of the component 14 generated. Such compressive stresses increase the mechanical strength of the component 14 significantly improved.

Der Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet sich dabei besonders für tribologisch belastete Oberflächen, wie beispielsweise Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen oder Laufflächen von Lagerbuchsen und dergleichen. Die äußere Oberfläche 24 der Oberflächenschicht 10 muss nicht die in 2 gezeigte hochgradig geglättete Geometrie aufweisen, sondern kann bei entsprechender Wahl der Druckverhältnisse beim Walzen auch eine Restporosität und Restwelligkeit beibehalten. Dies ist insbesondere bei geschmierten tribologisch belasteten Oberflächen nützlich, da in verbleibenden Vertiefungen der äußeren Oberfläche 24 der Oberflächenschicht 10 Schmiermittel zurückgehalten werden kann, so dass diese Vertiefungen als Schmiermittelreservoir dienen. Derartige Strukturen der äußeren Oberfläche 24 der Oberflächenschicht 10 können auch in einem weiteren Verfahrensschritt beispielsweise durch Laserbehandlung eingebracht werden.The use of the method according to the invention is particularly suitable for tribologically loaded surfaces, such as cylinder liners of internal combustion engines or running surfaces of bearing bushes and the like. The outer surface 24 the surface layer 10 does not have the in 2 shown highly smoothed geometry, but can also retain a residual porosity and residual ripple with appropriate choice of the pressure conditions during rolling. This is particularly useful on lubricated tribologically stressed surfaces, as in the remaining recesses of the outer surface 24 the surface layer 10 Lubricant can be retained, so that these wells serve as a lubricant reservoir. Such structures of the outer surface 24 the surface layer 10 can also be introduced in a further process step, for example by laser treatment.

1010
Oberflächenschichtsurface layer
1212
Grundkörperbody
1414
Bauteilcomponent
1616
Oberflächesurface
1818
Porepore
2020
Vertiefungdeepening
2222
BereichArea
2424
Oberflächesurface
2626
BereichArea

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • - DE 19847608 A1 [0003] - DE 19847608 A1 [0003]

Claims (8)

Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils (14), bei welchem mittels eines thermischen Spritzverfahrens eine Oberflächenschicht (10) auf eine Oberfläche (16) eines Grundkörpers (12) des Bauteils (14) aufgebracht wird und das Bauteil (14) im Bereich der Oberflächenschicht (10) durch Walzen nachbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (14) erst dann durch Walzen nachbehandelt wird, wenn die Oberflächenschicht (10) abgekühlt ist.Method for producing a coated component ( 14 ), in which by means of a thermal spraying process a surface layer ( 10 ) on a surface ( 16 ) of a basic body ( 12 ) of the component ( 14 ) is applied and the component ( 14 ) in the area of the surface layer ( 10 ) is aftertreated by rolling, characterized in that the component ( 14 ) is then aftertreated by rolling when the surface layer ( 10 ) is cooled. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (10) durch eine Metalllegierung, insbesondere Bronze, Messing, Aluminiumbronze oder eine Aluminium-Wismut-Legierung, gebildet ist.Method according to claim 1, characterized in that the surface layer ( 10 ) is formed by a metal alloy, in particular bronze, brass, aluminum bronze or an aluminum-bismuth alloy. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpressdruck einer Walze beim Walzen so gewählt wird, dass ein vorgegebenes Maß von Druckeigenspannungen in der Oberflächenschicht (10) und/oder in einem Grundkörper (12) des Bauteils (14) erzeugt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a contact pressure of a roller during rolling is selected so that a predetermined level of residual compressive stresses in the surface layer ( 10 ) and / or in a base body ( 12 ) of the component ( 14 ) is produced. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anpressdruck einer Walze beim Walzen so gewählt wird, dass die Oberfläche (24) der Oberflächenschicht (10) nicht vollständig geglättet wird.Method according to one of claims 1 to 3, characterized in that a contact pressure of a roller during rolling is selected so that the surface ( 24 ) of the surface layer ( 10 ) is not completely smoothed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzverfahren Lichtbogendrahtspritzen, atmosphärisches Plasmaspritzen, Sprühkompaktieren oder dgl. verwendet wird.Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that as a thermal spraying process Arc wire spraying, atmospheric plasma spraying, Spray compacting or the like is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Walzen mittels eines Lasers vorgegebene Strukturen in die Oberflächenschicht (10) eingebracht werden.Method according to one of claims 1 to 5, characterized in that after rolling by means of a laser predetermined structures in the surface layer ( 10 ) are introduced. Zylinderlaufbahn in Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbahn durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gebildet ist.Cylinder runway in internal combustion engines, thereby characterized in that the cylinder bore by a method according to one of claims 1 to 6 is formed. Gleitlager in Verbrennungsmotoren, insbesondere Pleuellager in Hubkolbenverbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6 gebildet ist.Plain bearings in internal combustion engines, in particular conrod bearings in reciprocating internal combustion engines, characterized that the sliding bearing by a method according to any one of claims 1 to 6 is formed.
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