DE102009061274B3

DE102009061274B3 - Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und als Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird sowie drahtförmiger Spritzwerkstoff zum Lichtbogendrahtspritzen und lichtbogendrahtgespritzte Schicht

Info

Publication number: DE102009061274B3
Application number: DE102009061274.2A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Erdmann Christian Martin; Dr.-Ing. Izquierdo Patrick; Dr.-Ing. Rückert Franz; Dipl.-Ing. Özdeniz Eyuep Akin
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-01-27
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2014-08-28
Anticipated expiration: 2029-09-01
Also published as: DE102009039453A1; DE202009001002U1

Abstract

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) 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 Martensit, Bainit und Perlit gebildet werden, wobei ein Spritzwerkstoff verwendet wird, der im Wesentliche Eisen umfasst, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit, Bainit und Perlit entstehen, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass dass in dem verwendeten Spritzwerkstoff folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,28 Gew.-%, – Mangan: 1,4 Gew.-% bis 2,1 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%., – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats, bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und als Schicht auf dem Substrat abgeschieden wird sowie einen drahtförmigen Spritzwerkstoff zum Lichtbogendrahtspritzen und eine lichtbogendrahtgespritze Schicht.
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 009 961 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 Bainit und Martensit entstehen. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,23 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Kohlenstoff, 1,4 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% Mangan sowie 0,7 Gew.-% bis 0,98 Gew.-% Silizium enthalten.
Aus der DE 20 2008 009 962 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 Bainit und Martensit entstehen. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,8 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,25 Gew.-% bis 0,45 Gew.-% Mangan sowie 0,25 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Silizium enthalten.
Aus der DE 20 2008 009 963 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 Bainit und Martensit entstehen. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff, 1,4 Gew.-% bis 1,6 Gew.-% Mangan sowie 0,4 Gew.-% bis 0,65 Gew.-% Silizium enthalten.
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.
Aus der DE 20 2008 009 966 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 Bainit und Martensit entstehen. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,35 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff, 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-% Mangan sowie 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% Silizium enthalten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen sowie 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 ein Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen drahtförmigen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und eine lichtbogendrahtgespritze Schicht mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
Eine Beschichtung aus einem solchen drahtförmigen Spritzwerkstoff weist vergleichbare Eigenschaften auf wie eine Beschichtung aus einem Spritzwerkstoff gemäß der DE 20 2008 009 964 U1 , aber der geringere Kohlenstoffanteil sowie der erhöhte Mangananteil beeinflussen das Spritzverhalten des Spritzwerkstoffes positiv. Gleichermaßen wirkt sich der gegenüber der DE 20 2008 009 961 U1 verringerte Siliziumgehalt aus. Der Kupferanteil verbessert den Korrosionsschutz der gespritzten Schicht.
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, Bainit und geringere Anteile Martensit 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. 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 Bainit, verschleißfeste Inseln aus Martensit sowie feinstreifigen Perlit.
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 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 Perlit und Bainit entstehen.
Weiter sind in der Mikrolegierung Legierungsbestandteile zur Bildung von verschleißfesten Phasen (Martensit) und zur Reibwertreduzierung vorgesehen.

Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:

– Kohlenstoff 0,1 Gew.-% bis 0,28 Gew.-%	+
– Silizium 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%	+
– Mangan 1,4 Gew.-% bis 2,1 Gew.-%	+
– Stickstoff 120 ppm. bis 170 ppm.	+
– Kupfer 0,05 Gew.-% bis 0,25 Gew.-%	+
– Titan maximal 0,001 Gew.-%	+
– Phosphor maximal 0,02 Gew.-%	+
– Schwefel maximal 0,02 Gew.-%	+
– Vanadin maximal 0,001 Gew.-%	–
– Aluminium maximal 0,02 Gew.-%	–
– Bor maximal 0,0004 Gew.-%	–

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, falls keine anderen Angaben gemacht sind.
Bevorzugt wird für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 eine Mikrolegierung mit folgenden Bestandteilen verwendet:

– Kohlenstoff 0,23 Gew.-%
– Silizium 0,29 Gew.-%
– Mangan 1,8 Gew.-%
– Kupfer 0,2 Gew.-%
– Stickstoff 150 ppm.

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.
Das Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus dieser Mikrolegierung gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht 2 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.
Der gegenüber der DE 20 2008 00 9964 U1 geringere Kohlenstoffgehalt, der erhöhte Mangangehalt und der Siliziumgehalt der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Lichtbogendrahtspritzen regelmäßige, kleine viskose Tröpfchen entstehen. Aufgrund ihrer Viskosität zerfallen diese im Flug und beim Aufprallen nur geringfügig zu feineren Partikeln und neigen dadurch geringer zur Oxidation. Eine geringere Oberflächenoxidation begünstigt die Haftung der Partikel auf dem Substrat (Schichthaftung) und die Haftung der Partikel aneinander (Schichtkohäsion).
Der erhöhte Mangangehalt führt darüber hinaus zu einer überwiegend perlitisch/bainitischen Gefügeausbildung bei der Erstarrung der Spritzschicht 2.
Die Zugabe von Kupfer verbessert den Korrosionsschutz der Schicht 2.
Beim Erstarren der Schicht 2 entsteht feinstreifiger Perlit und Bainit. Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Perlit ist ein Mischgefüge aus weichen ferritischen und harten karbidischen Phasen. Die Schicht 2 weist eine weiche, duktile Matrix aus Perlit und Bainit mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit auf.
Der Stickstoffzusatz fördert die Bildung von verschleißfesten Nitriden beim Erstarren der Schicht 2. Die Nitride sind verschleissfest und auch tribologisch wirksam hinsichtlich einer Reibwertreduzierung.
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 des Spritzdrahtes zu vermeiden.
Der Draht ist niedriglegiert, wobei die Wahl speziell auf kostengünstige Legierungselemente ausgerichtet ist.
Die sich ergebende Spritzschicht zeigt gute Bearbeitbarkeit und hervorragende tribologische Eigenschaften sowie einen sehr guten Verschleißwiderstand.
Bezugszeichenliste

1: Substrat
2: Schicht
3: Beschichtungskopf
4: drahtförmiger Spritzwerkstoff
5: Lichtbogen

Claims

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), bei dem ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) 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 Martensit, Bainit und Perlit gebildet werden, wobei ein Spritzwerkstoff verwendet wird, der im Wesentliche Eisen umfasst, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit, Bainit und Perlit entstehen, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass dass in dem verwendeten Spritzwerkstoff folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Kohlenstoff: 0,1 Gew.-% bis 0,28 Gew.-%, – Mangan: 1,4 Gew.-% bis 2,1 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%., – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem verwendeten Spritzwerkstoff zusätzlich folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Titan: 0,0001 Gew.-% bis 0,001 Gew.-% und/oder – Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder – Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder – Vanadin: 0,0001 Gew.-% bis 0,001 Gew.-% und/oder – Aluminium: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder – Bor: 0,0001 Gew.-% bis 0,0004 Gew.-% und/oder – Stickstoff: 100 bis 200 ppm, vorzugsweise von 120 bis 170 ppm jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit, Bainit und Perlit entstehen, 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 0,28 Gew.-%, – Mangan: 1,4 Gew.-% bis 2,1 Gew.-%, – Silizium: 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%., – Kupfer: 0,05 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzliche folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: – Titan: 0,0001 Gew.-% bis 0,001 Gew.-% und/oder – Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder – Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder – Vanadin: 0,0001 Gew.-% bis 0,001 Gew.-% und/oder – Alminium: 0,001 Gew.-% bis 0,02 Gew.-% und/oder – Bor: 0,0001 Gew.-% bis 0,0004 Gew.-% und/oder – Stickstoff: 100 bis 200 ppm, vorzugsweise von 120 bis 170 ppm jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkupferung einer Oberfläche des Spritzwerkstoffs (4) vorgesehen ist.
Lichtbogendrahtgespritzte Schicht (2) auf Eisenbasis, welche ein perlitisches, bainitisches, martensitisches Gefüge aufweist, gekennzeichnet durch ihre Herstellung mittels eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 und/oder durch ihre Herstellung mit einem Spritzdraht (4) nach Anspruch 3 bis 5.
Lichtbogendrahtgespritzte Schicht (2) auf Eisenbasis nach Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, dass ihre Legierungszusammensetzung gegenüber jener des Spritzdrahtes (4) entsprechend dem Abbrand verändert ist.
Lichtbogendrahtgespritzte Schicht (2) auf Eisenbasis nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet dadurch, dass in ihr auch fein verteilte Nitride vorliegen