DE102009051717A1

DE102009051717A1 - Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils

Info

Publication number: DE102009051717A1
Application number: DE102009051717A
Authority: DE
Inventors: Michael Lahres; Oliver Neufang; Severin Massa; Uwe Stute
Original assignee: Daimler AG; Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH; Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2011-05-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche (10) eines Bauteils (12), insbesondere einer Kurbelgehäusezylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Schritten - Vergrößerung der Rauheit der Oberfläche (10) des Bauteils (12) unter Einbringung einer Mikrostruktur (16) mit einer Vielzahl von einzelnen mit Mikrostrukturelementen (18); und -thermisches Beschichten der Oberfläche (10) des Bauteils (12); wobei die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (18) unregelmäßig in die Oberfläche (10) des Bauteils (12) eingebracht wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art.
Thermisch gespritzte Schichten werden typischerweise verwendet, um Werkstoffoberflächen vor mechanischem, chemischem oder ähnlichem Verschleiß zu schützen. Beim Herstellen wird ein zu verspritzender Stoff einer Wärmequelle ausgesetzt und anschließend mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Werkstück aufgebracht. Dort aufgetroffen, kühlt das geschmolzene Material ab und verbindet sich formschlüssig mit dem Grundwerkstoff. Um einen besseren Formschluss zu erreichen, wird die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks in der Regel vor dem Beschichten aufgeraut.
Ein derartiges Verfahren wird beispielsweise in der DE 10 2007 023 418 A1 beschrieben. Dort wird zur Haftverbesserung von thermisch gespritzten Schichten eine Oberfläche unter Bildung von mikroskopischen Hinterschnitten aufgeraut. Hierfür wird die Oberfläche mittels gepulster Laserstrahlen mit Neigungswinkeln im Bereich von 20° bis 80° in schräg verlaufende Formtaschen eingebracht. Dimensionierung und Geometrie der so eingebrachten Formtaschen werden dabei präzise gesteuert.
Nachteilig bei einem derartigen Verfahren ist, dass definierte Volumina und relativ glatte Strukturen geschaffen werden. Beim anschließenden thermischen Beschichten werden diese Volumina bzw. diese Strukturen mit dem Beschichtungswerkstoff gefüllt. Dadurch entstehen scharfe Grenzen zwischen den unterschiedlichen Materialien mit ihren jeweiligen unterschiedlichen physikalischen Größen (z. B. Härtegrad, thermischer Ausdehnungskoeffizient, etc.). Dies beeinträchtigt die Stabilität der Beschichtung.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils der eingangs genannten Art bereitzustellen, durch welches eine stabilere Beschichtung geschaffen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Patentansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art bereitzustellen, durch welches eine stabilere Beschichtung geschaffen werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen unregelmäßig in die Oberfläche des Bauteils eingebracht wird. Hierdurch wird die Oberfläche durch Feinstrukturen vergrößert und es entsteht auf mikroskopischer Ebene ein Gradient bezüglich unterschiedlicher physikalischer Eigenschaften (beispielsweise Härtegrad, thermischer Ausdehnungskoeffizient etc.) der unterschiedlichen Werkstoffe. Dadurch gibt es weniger definierte Sollbruchstellen und die Oberfläche ist stabiler beschichtet. Des Weiteren kann durch das Erzeugen einer derartigen statistischen Rauheit Arbeitszeit gespart werden. Die Mikrostrukturelemente können schnell unregelmäßig eingebracht werden.
Vorteilhafterweise wird die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen unregelmäßig in ihrer Form und/oder Anordnung in die Oberfläche des Bauteils eingebracht. Sowohl durch sich nach den Regeln der Wahrscheinlichkeit unterscheidenden Form, als auch durch statistisch unregelmäßige Anordnung kann das Ausmaß der Rauheit vergrößert werden.
In weiterer Ausgestaltung wird als Mikrostrukturelement wenigstens ein Hinterschnitt eingebracht. Durch Hinterschnitte kommt es bei der Abscheidung der thermischen Spritzschicht zu einem verbesserten Formschluss auf mikroskopischer Ebene, welche in erheblichem Maße zu einer Steigerung der Haftfestigkeit beiträgt. Die unregelmäßige Form und/oder Anordnung der Hinterschnitte vergrößert dabei die Stabilität der Beschichtung.
Es ist von Vorteil, wenn die Mikrostruktur mittels wenigstens eines Lasers erzeugt wird. Hierdurch kann eine unregelmäßige Oberflächenaufrauung bis zu einer Oberflächentiefe von wenigen Mikrometern erzeugt werden. Durch den Einsatz von Lasertechnik können außerdem im Vergleich mit dem Einsatz anderer Techniken zum Aufrauen einer Oberfläche Kosten gespart werden. Der Laseraufrauprozess ist zudem für zahlreiche verschiedene Substratmaterialien anwendbar.
In weiterer Ausgestaltung wird die Mikrostruktur der Oberfläche durch den wenigstens einen Laser mittels einer Mehrzahl von Strahlungspulsen mit einer bevorzugten Strahlungspulsdauer von 30 ns bis 500 ns erzeugt. So kann sehr einfach in einer gezielten Aufrauungstiefe beispielsweise im Mikrometerbereich eine stochastisch willkürlich festgelegte Rauheitsform mit Mikrorauheiten zum Zwecke eines optimalen Formschlusses einer nachfolgend aufgetragenen thermischen Beschichtung erfolgen. Die Haftzugfestigkeit der nachfolgend durch thermisches Beschichten aufgetragenen Beschichtung ist dann im Gegensatz zu einer Beschichtung auf einer Oberfläche, welche mittels geometrisch definierter Strukturen aufgeraut wurde, vergrößert.
Vorteilhafterweise wird in einer Umgebung der Oberfläche beim Erzeugen der Mikrostruktur der Oberfläche mittels des Lasers eine inerte Umgebungsbedingung eingestellt. Durch beispielsweise Einstellen einer Schutzgasatmosphäre kann das Auftreten von Materialbeschädigungen während des Verfahrens minimiert werden.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Bauteil, insbesondere einer Kurbelgehäusezylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art.
Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil ist die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen unregelmäßig in die Oberfläche des Bauteils eingebracht. So weist das Bauteil eine besonders stabile Beschichtung auf.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung.
Die Figur zeigt dabei im schematischen Querschnitt drei verschiedene Stufen eines Verfahrens zum thermischen Beschichten einer Oberfläche eines Bauteils, wobei in einem ersten Schritt die Rauheit der Oberfläche des Bauteils unter Einbringung einer Mikrostruktur mit einer Vielzahl von einzelnen Mikrostrukturelementen vergrößert wird, und wobei anschließend die Oberfläche des Bauteils thermisch beschichtet wird, wobei im ersten Verfahrensschritt die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen unregelmäßig in die Oberfläche des Bauteils eingebracht wird.
Vorliegend ist dabei das thermische Beschichten einer Oberfläche 10 eines Bauteils 12 dargestellt. Dieses kann in beliebiger Weise ausgebildet sein, beispielhaft handelt es sich vorliegend um das Bauteil 12 einer Kurbelgehäuse-Zylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine.
Zunächst wird mit einem Laser 14 die Rauheit der Oberfläche 10 vergrößert. Der Laser 14 kann dabei beispielsweise als Scheiben-Festkörperlaser ausgebildet sein. Dieser Verfahrensschritt findet vorliegend unter Schutzgasatmosphäre statt, um die Gefahr von Beschädigungen in verwendeten Materialien zu reduzieren. Allerdings ist die Durchführung der Aufrauung unter derartigen inerten Bedingungen nicht obligatorisch. Durch Verwenden einer definierten Laserleistung bei einer definierten Pulsdauer von bevorzugt beispielsweise 30 ns bis 500 ns wird die Oberfläche 10 mit einer Laserstrahlung beaufschlagt. Dabei kann der Laser 14 beispielsweise durch eine Pulsenergiekontrolle im dargestellten Ausführungsbeispiel auch bei hohen Wiederholungsraten von beispielsweise bis zu 100 kh arbeiten. Durch beispielsweise Vergrößern der zeitlichen Überlappung einzelner Strahlungspulse und durch beispielsweise gleichzeitiges Erniedrigen der Strahlungspulsenergie wird ein an der aufzurauenden Oberfläche entstehender Dampfdruck erniedrigt. Dadurch wird die Rauheit an der Oberfläche 10 statistisch unregelmäßig bezüglich unterschiedlicher Bereiche der Oberfläche 10 vergrößert.
Hierbei wird eine Mikrostruktur 16 in die Oberfläche 10 des Bauteils 12 eingebracht. Die Mikrostruktur 16 weist eine Vielzahl von einzelnen Mikrostrukturelementen 18 auf. Durch das Beaufschlagen der Oberfläche 10 mit Strahlung durch den Laser 14 wird die Mehrzahl der Mikrostrukturelemente 18 unregelmäßig in die Oberfläche 10 des Bauteils 12 eingebracht. Dies bedeutet, dass weder Form noch Anordnung der Mikrostrukturelemente 18 vorhersehbar sind, sondern nach den Regeln der Wahrscheinlichkeit an der Oberfläche 10 des Bauteils 12 durch die Bestrahlung mit dem Laser 14 erzeugt werden. Mit einer bestimmten statistischen Wahrscheinlichkeit werden dabei auch Hinterschnitte 20 als Mikrostrukturelemente 18 an der Oberfläche 10 erzeugt. Auch die Hinterschnitte 20 sind somit unregelmäßig in die Oberfläche 10 des Bauteils 12 eingebracht.
Die Mikrostrukturelemente 18 der Oberfläche 10 werden beispielsweise kontinuierlich erzeugt. So kann die Rauheit der Oberfläche 10 schnell und effizient vergrößert werden.
Eine erzielte Aufrauungstiefe der Oberfläche 10 kann dabei beispielsweise im Mikrometer-Bereich liegen.
Nach dem Vergrößern der Rauheit der Oberfläche 10 kann das Bauteil 12 einfach, effizient und stabil thermisch beschichtet werden. Die thermische Beschichtung kann dabei beliebig durchgeführt werden. Beispielsweise können als thermische Spritzverfahren Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen oder auch Hochgeschwindigkeitsspritzen verwendet werden. Lediglich beispielsweise ist vorliegend schematisch ein Spritzkopf 22 zum thermischen Beschichten der aufgerauten Oberfläche 10 des Bauteils 12 in einer zweiten Verfahrenstufe dargestellt.
Schließlich ist in der Figur auch das thermisch beschichtete Bauteil 12 dargestellt, dessen Oberfläche 10 mit einer Beschichtung 24 versehen ist, wobei die Oberfläche 10 in einer Durchdringungszone 26 weiterhin die Mikrostruktur 16 mit unregelmäßig in die Oberfläche 10 des Bauteils 12 eingefügten Mikrostrukturelementen 18 aufweist.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, beispielsweise Kurbelgehäuse-Zylinderlaufbahnen sehr schnell anzufertigen und somit auch Kosten einzusparen.
Bezugszeichenliste

10: Oberfläche
12: Bauteil
14: Laser
16: Mikrostruktur
18: Mikrostrukturelement
20: Hinterschnitt
22: Spritzkopf
24: Beschichtung
26: Durchdringungszone

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007023418 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche (10) eines Bauteils (12), insbesondere einer Kurbelgehäuse-Zylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Schritten – Vergrößerung der Rauheit der Oberfläche (10) des Bauteils (12) unter Einbringung einer Mikrostruktur (16) mit einer Vielzahl von einzelnen Mikrostrukturelementen (18); und – thermisches Beschichten der Oberfläche (10) des Bauteils (12); dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (18) unregelmäßig in die Oberfläche (10) des Bauteils (12) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (18) unregelmäßig in ihrer Form und/oder Anordnung in die Oberfläche (10) des Bauteils (12) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Mikrostrukturelement (18) wenigstens ein Hinterschnitt (20) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (16) mittels wenigstens eines Lasers (14) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrostruktur (16) der Oberfläche (10) durch den wenigstens einen Laser (14) mittels einer Mehrzahl von Strahlungspulsen mit einer bevorzugten Strahlungspulsdauer von 30 ns bis 500 ns erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Umgebung der Oberfläche (10) beim Erzeugen der Mikrostruktur (16) der Oberfläche (10) mittels des Lasers (14) eine inerte Umgebungsbedingung eingestellt wird.
Bauteil (12), insbesondere einer Kurbelgehäuse-Zylinderlaufbahn einer Verbrennungskraftmaschine, mit einer Oberfläche (10), in welche eine Mikrostruktur (16) mit einer Vielzahl von einzelnen Mikrostrukturelementen (18) eingebracht und welche mit einer thermischen Beschichtung (24) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mehrzahl von Mikrostrukturelementen (18) unregelmäßig in die Oberfläche (10) des Bauteils (12) eingebracht ist.