DE102010049840A1

DE102010049840A1 - Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE102010049840A1
Application number: DE102010049840A
Authority: DE
Inventors: Ümit AKAY; Christian Martin Dr. Ing. Erdmann; Eyuep Akin Dipl.-Ing. Özdeniz; Franz Dr. Ing. Rückert
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: DE102010049840B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil (2) mit einer Verschleißschutzschicht (3), wobei die Verschleißschutzschicht (3) durch eine Eisenlegierungs-Beschichtung (1) gebildet ist, welche verschiedene Legierungskomponenten enthält.
Erfindungsgemäß weist die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) Poren (4) und netzartige Kanalstrukturen (9) auf, wobei zumindest einige der Poren (4) über die netzartigen Kanalstrukturen (9) miteinander verbunden sind, so dass ein Netzwerk aus Poren (4) und Kanalstrukturen (9) ausgebildet ist, wobei das Netzwerk aus Poren (4) und Kanalstrukturen (9) in einem dem Bauteil (2) abgewandten oberflächennahen Bereich der Eisenlegierungs-Beschichtung (1) verschlossen ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2) mit einer Verschleißschutzschicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 6.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der DE 103 47 145 B4 beschrieben, ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht durch galvanisches Aufbringen einer Beschichtung mit anschließender Beaufschlagung durch Laserstrahlen bekannt. Zunächst wird eine Eisenlegierungs-Beschichtung aufgetragen, die verschiedene Legierungskomponenten enthält, wonach die Eisenlegierungs-Beschichtung einer Kurzpuls-Laserbehandlung mit einer Energiedichte > 1 J/cm² unterzogen wird, wobei die Zusammensetzung des Elektrolyten dergestalt erfolgt, dass in der abgeschiedenen Eisenlegierungs-Beschichtung 0% bis 4% Si sowie 0% bis 2% Mn, S ≤ 0,15% und 0% bis 0,6% Cr sowie Cu ≤ 0,1% und 0% bis 40% Co enthalten sind.
In der EP 1 738 859 A1 werden eine Vorrichtung zur Laser-Belichtung von Zylinderlaufbahnen von Kolbenmaschinen mit mehreren voneinander beabstandeten, höhenverstellbaren und um eine Rotationsachse drebaren Optik-Einrichtungen sowie ein Verfahren zur Belichtung von Zylinderlaufbahnen von Kolbenmaschinen unter Verwendung einer solchen Vorrichtung beschrieben. Die Vorrichtung weist mehrere in einen Zylinder einführbare Optik-Einrichtungen auf, die zur Belichtung der Zylinderlaufbahnen mittels jeweils eines Laserstrahles einer Lasereinrichtung höhenverstellbar sowie vorzugsweise um eine Rotationsachse drehbar ausgebildet sind.
In der DE 10 2007 018 653 A1 werden ein Verfahren zum Behandeln einer Gleitfläche eines Eisen-Werkstücks oder eines Grauguss-Werkstücks, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine, sowie eine Prüfvorrichtung für ein solches Verfahren beschrieben. Das Verfahren umfasst einen Honschritt zur Oberflächenbearbeitung der Gleitfläche und einen nachfolgenden Belichtungsschritt, bei dem die honbearbeitete Gleitfläche des Grauguss-Werkstücks laserbelichtet wird, um Poren in der Form von Grafitporen in der Gleitfläche freizulegen. In einem zusätzlichen Prüfschritt werden Honparameter erfasst und daraus die Honqualität bestimmt.
In der DE 39 22 377 C2 wird ein Verfahren zum Behandeln der mechanisch oder elektrochemisch gehonten Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen aus Metall mittels einer Laserstrahlung, deren Energiedichte zur Bildung eines Plasmas über der behandelten Zylinderlauffläche ausreicht, beschrieben. Die Lauffläche wird mit der UV-Strahlung eines Excimerlasers ein- oder mehrmals belichtet, wobei die Lauffläche in einer Tiefe zwischen 0,01 μm bis 1 μm mit einer Energiedichte zwischen 10 mJ/mm² unterhalb bis 10 mJ/mm² oberhalb der Energiedichte beaufschlagt wird, die zur Bildung des Plasmas führt.
In der noch nicht veröffentlichten Anmeldung DE 102009051262 der Anmelderin wird ein Verfahren zur Herstellung einer thermisch gespritzten Zylinderlaufbahn für Verbrennungsmotoren beschrieben. In diesem Verfahren wird auf einer Innenseite eines Zylinders mittels thermischen Spritzens eine Beschichtung aufgebracht. Diese Beschichtung wird durch ein spanendes Verfahren und danach durch zumindest einen Hochdruckwasserstrahl mit einem Druck von bis zu 1000 bar bearbeitet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht und ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Bauteil weist eine Verschleißschutzschicht auf, wobei die Verschleißschutzschicht durch eine Eisenlegierungs-Beschichtung gebildet ist, welche verschiedene Legierungskomponenten enthält.
Erfindungsgemäß weist die Eisenlegierungs-Beschichtung Poren und netzartige Kanalstrukturen auf, wobei zumindest einige der Poren über die netzartigen Kanalstrukturen miteinander verbunden sind, so dass ein Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen ausgebildet ist, wobei das Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen in einem dem Bauteil abgewandten oberflächennahen Bereich der Eisenlegierungs-Beschichtung verschlossen ist. Es ist somit von besonderer Bedeutung, dass die Oberflächenschicht des Bauteils eine mikroskopische Rauigkeit aufweist, welche zum großen Teil durch zum Werkstoffinneren abgeschlossene und nach außen geöffnete Poren gebildet wird.
Die Verschleißschutzschicht weist optimierte tribologische Eigenschaften auf, wobei durch das geschlossene Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen ein Eindringen von Schmierstoffen in das Netzwerk und eine daraus resultierende Verzögerung eines elastohydrodynamischen Schmierzustandes (EHD) verhindert ist.
Insbesondere ist das Bauteil ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, wobei die Eisenlegierungs-Beschichtung auf eine Innenfläche einer Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses aufgebracht ist. Die Verschleißschutzschicht bildet dann eine Zylinderlaufbahn der Zylinderbohrung und weist optimierte tribologische und motorische Eigenschaften auf. Bevorzugt ist das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung gebildet, wodurch eine erhebliche Gewichtsreduktion des Verbrennungsmotors und daraus resultierend ein verringerter Treibstoffverbrauch und verringerte CO₂-Emmisionen erreicht sind.
Vorteilhafterweise weist die Verschleißschutzschicht eine geschlossene, raue Oberflächentopographie auf, welche durch das im oberflächennahen Bereich der Eisenlegierungs-Beschichtung geschlossene Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen durch teilweise mit Material aufgefüllte Poren und Kanalstrukturen ausgebildet ist. Poren unmittelbar an einer Oberfläche der Verschleißschutzschicht sind geöffnet, wodurch die raue Oberflächentopografie ausgebildet ist. Darunter liegende Poren und Kanalstrukturen in einem Volumen der Eisenlegierungs-Beschichtung sind zu den unmittelbar an der Oberfläche liegenden Poren hin verschlossen. Hierdurch ist sicher gestellt, dass durch die nach außen geöffneten Poren unmittelbar an der Oberfläche der Verschleißschutzschicht kein Öl in die darunter liegenden Poren und Kanalstrukturen eindringen kann. Die raue Oberflächentopografie, insbesondere die nach außen geöffneten Poren bildet ein Ölrückhaltevolumen. Eine daraus resultierende Verbesserung hydrodynamischer Schmiereigenschaften der die Zylinderlaufbahn bildenden Verschleißschutzschicht mit dem geschlossenen Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen reduziert einen Ölverbrauch und einen CO₂-Ausstoß des Verbrennungsmotors. Durch das geschlossene Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen kann kein Öl in diese eindringen, so dass eine erhöhte Ölaufnahme der Verschleißschutzschicht vermieden ist.
Eine derartige erhöhte Ölaufnahme würde zur Verzögerung des elastohydrodynamischen Schmierzustandes (EHD) führen. Des Weiteren würde das in den Poren und Kanalstrukturen gesammelte Öl in bestimmten Motorphasen zu Abdampferscheinungen führen, welche sich als erhöhter Ölverbrauch widerspiegeln. Zudem würde ein erhöhter Verschleiß von Kolbenringen und der Verschleißschutzschicht in Mischreibungszuständen auftreten. Diese Nachteile sind durch das geschlossene Netzwerk von Poren und Kanalstrukturen, so dass kein Öl eindringen kann, vermieden.
Bevorzugt weist die Eisenlegierungs-Beschichtung mehrere Eisen-, Hartstoff- und/oder Festschmierstoffphasen auf, welche sich aus den Legierungskomponenten der Eisenlegierungs-Beschichtung bilden und der Verschleißschutzschicht optimierte tribologische Eigenschaften und eine optimierte Verschleißresistenz verleihen
Eine bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent und jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, neben unvermeidlichen Spuren folgende Legierungskomponenten auf:

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,23 Gew.% bis 0,4 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,7 Gew.% bis 0,98 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 1,4 Gew.% bis 1,9 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,75 Gew.% bis 0,95 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,2 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Molybdän mit einem Anteil von 0,07 Gew.% bis 0,095 Gew.%
• Nickel mit einem Anteil von 0,15 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Aluminium mit einem Anteil von maximal 0,05 Gew.%
• Vanadin mit einem Anteil von 0,17 Gew.% bis 0,2 Gew.%
• Stickstoff mit einem Anteil von 0,005 Gew.% bis 0,013 Gew.%
• Bor mit einem Anteil von 0,0015 Gew.% bis 0,0025 Gew.%
• Titan mit einem Anteil von 0,02 Gew.% bis 0,035 Gew.%

Die Schichthärte der Verschleißschutzschicht ist insbesondere druch die Carbidphasen von Fe und Cr erhöht, wodurch ein Reibbeiwert der Verschleißschutzschicht reduziert ist.
Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent und jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht, neben unvermeidlichen Spuren folgende Legierungskomponenten auf:

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,23 Gew.% bis 0,4 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,7 Gew.% bis 0,98 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 1,4 Gew.% bis 1,9 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,75 Gew.% bis 0,95 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,2 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Molybdän mit einem Anteil von 0,07 Gew.% bis 0,095 Gew.%
• Nickel mit einem Anteil von 0,15 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Aluminium mit einem Anteil von maximal 0,05 Gew.%
• Vanadin mit einem Anteil von 0,17 Gew.% bis 0,2 Gew.%
• Stickstoff mit einem Anteil von 0,005 Gew.% bis 0,013 Gew.%
• Bor mit einem Anteil von 0,0015 Gew.% bis 0,0025 Gew.%
• Titan mit einem Anteil von 0,02 Gew.% bis 0,035 Gew.%
• Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,02 Gew.%
• Schwefel mit einem Anteil von 0,07 Gew.% bis 0,09 Gew.%

Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent und jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht, neben unvermeidlichen Spuren folgende Legierungskomponenten auf:

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,35 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,85 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 1,55 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,9 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,25 Gew.%
• Molybdän mit einem Anteil von 0,095 Gew.%
• Nickel mit einem Anteil von 0,2 Gew.%
• Aluminium mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.%
• Vanadin mit einem Anteil von 0,185 Gew.%
• Stickstoff mit einem Anteil von 0,011 Gew.%
• Bor mit einem Anteil von 0,0025 Gew.%
• Titan mit einem Anteil von 0,022 Gew.%
• Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,02 Gew.%
• Schwefel mit einem Anteil von 0,07 Gew.% bis 0,09 Gew.%

Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent und jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht, folgende Legierungskomponenten auf:

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,8 Gew.% bis 1,0 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,3 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,45 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,45 Gew.% bis 0,55 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,35 Gew.%
• Titan mit einem Anteil von maximal 0,001 Gew.%
• Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.%
• Schwefel mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.%

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,45 Gew.% bis 0,55 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,40 Gew.% bis 0,65 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 1,40 Gew.% bis 1,60 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,15 Gew.% bis 0,35 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,35 Gew.%
• Aluminium mit einem Anteil von 0,15 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Vanadin mit einem Anteil von 0,08 Gew.% bis 0,13 Gew.%
• Titan mit einem Anteil von maximal 0,001 Gew.%
• Phosphor mit einem Anteil von maximal 0,045 Gew.%
• Schwefel mit einem Anteil von maximal 0,05 bis 0,06 Gew.%
• Molybdän mit einem Anteil von maximal 0,03 Gew.%

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,55 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,65 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 1,55 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,35 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,32 Gew.%
• Aluminium mit einem Anteil von 0,2 Gew.%
• Vanadin mit einem Anteil von 0,125 Gew.%

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,55 Gew.% bis 0,65 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,1 Gew.% bis 0,4 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 0,7 Gew.% bis 1,1 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 0,3 Gew.% bis 0,35 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,35 Gew.%

Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent bzw. in Gewichts-ppm (parts per million) und jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht, folgende Legierungskomponenten auf:

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,35 Gew.% bis 0,55 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,15 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 0,7 Gew.% bis 0,9 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 1,00 Gew.% bis 1,20 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,35 Gew.%
• Molybdän mit einem Anteil von 0,18 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Nickel mit einem Anteil von 0,20 Gew.% bis 0,40 Gew.%
• Stickstoff mit einem Anteil von 120 Gew. ppm bis 170 Gew. ppm
• Niob mit einem Anteil von 300 Gew. ppm bis 350 Gew. ppm

In einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht durch Aufbringen einer Eisenlegierungs-Beschichtung auf das Bauteil, welche verschiedene Legierungskomponenten enthält, wird die Eisenlegierungs-Beschichtung erfindungsgemäß mittels thermischen Spritzens aufgebracht, mittels eines spanenden Verfahrens bearbeitet und einer thermischen Behandlung unterzogen. Vorzugsweise wird die Eisenlegierungs-Beschichtung einer Laserbehandlung mittels zumindest eines Laserstrahls als thermische Behandlung unterzogen. Die thermische Behandlung ist dabei geeignet die Oberflächenschicht partiell aufzuschmelzen. Alternativ zur Laserbehandlung kann die Eisenlegierungs-Beschichtung auch einer Behandlung mittels eines Elektronenbeschleunigers oder einer anderen thermischen Behandlung unterzogen werden, um ähnliche Resultate wie durch die Laserbehandlung zu erzielen. Während bei dem thermischen Spritzen eine poröse und mit Kanälen durchzogene Beschichtung gebildet wird und durch das anschließende spanende Verfahren Poren und Kanäle an der Oberfläche freigelegt werden, wird durch die thermische Behandlung, insbesondere die Laserbehandlung, ein Verschließen der Poren und Kanäle zum Inneren der Beschichtung erreicht.
Insbesondere ist das Bauteil ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, wobei die Eisenlegierungs-Beschichtung auf eine Innenfläche einer Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses aufgebracht wird. Die mittels des Verfahrens hergestellte Verschleißschutzschicht bildet dann eine Zylinderlaufbahn der Zylinderbohrung. Bevorzugt ist das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung gebildet.
Das Bearbeiten der Eisenlegierungs-Beschichtung mittels des spanenden Verfahrens erfolgt beispielsweise durch mechanisches oder elektrochemisches Honen oder durch Drehen. Durch dieses Bearbeiten wird ein Aufrauen einer Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung erreicht, wodurch ein Ölrückhaltevolumen ausgebildet wird. Insbesondere werden hierbei unmittelbar unter der Oberfläche liegende Poren und Kanäle nach außen geöffnet, wodurch eine erhebliche Steigerung des zugänglichen Volumens erreicht wird. Durch die anschließende thermische Behandlung, insbesondere Laserbehandlung, wird insbesondere erreicht, dass geöffnete Poren und Kanäle zum Inneren der Beschichtung hin verschlossen werden. Die tribologischen Eigenschaften der Verschleißschutzschicht, d. h. der Zylinderlaufbahn werden hierdurch verbessert.
Das Verfahren ermöglicht die Herstellung einer spezifischen gespritzten Verschleißschutzschicht mit optimierten tribologischen und motorischen Eigenschaften auf dem Bauteil. Die Eisenlegierungs-Beschichtung weist vor der thermischen Behandlung in einem gesamten Volumen verteilte Poren und netzartige Kanalstrukturen auf, wobei zumindest einige der Poren durch die Kanalstrukturen miteinander verbunden sind, so dass sich ein Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen ausbildet.
Durch ein Verdampfen von Materialresten während der thermischen Behandlung, welche bevorzugt als Laserbehandlung durchgeführt wird, wird eine vorgegebene geschlossene, aber raue Oberflächentopographie erzeugt. Es werden auch Poren an einer Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung geöffnet, welche durch das spanende Bearbeiten, d. h. beispielsweise Honen, mit noch anhaftenden Materialresten verschlossen sind. Diese Materialreste werden durch die bevorzugt als Laserbehandlung durchgeführte thermische Behandlung verdampft oder mit der Eisenlegierungs-Beschichtung verschmolzen, wodurch die Poren geöffnet sind und eine raue Oberfläche mit einem Ölrückhaltevolumen bilden.
Um die Materialreste sicher zu entfernen, aber die Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung nicht zu stark aufzuschmelzen und dadurch zu beschädigen, wird, wenn die thermische Behandlung als Laserbehandlung durchgeführt wird, der Laserstrahl von der Laservorrichtung vorzugsweise gepulst abgestrahlt, besonders bevorzugt erfolgt eine Kurzpuls-Laserbehandlung mit einer Pulsdauer von beispielsweise ca. 30 ns. Des Weiteren weist der Laserstrahl bevorzugt eine Energiedichte> 1 J/cm², besonders bevorzugt eine Energiedichte von 1,75 J/cm² bis 5 J/cm² auf.
Des Weiteren werden durch die bevorzugt als Laserbehandlung durchgeführte thermische Behandlung auch durch das spanende Bearbeiten geschwächte Schichtlamellen der Eisenlegierungs-Beschichtung verdampft oder mit dieser verschmolzen. Die Poren und Kanalstrukturen des vor der thermischen Behandlung noch offenen Netzwerks werden im oberflächennahen Bereich durch ein Aufschmelzen der Oberfläche infolge der thermischen Behandlung beim anschließenden Erstarren geschlossen und bilden die raue Oberflächentopografie aus. Als Ergebnis liegt im oberflächennahen Bereich der Verschleißschutzschicht ein geschlossenes Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen vor.
Eine aus der rauen Oberflächentopografie und dem im oberflächennahen Bereich geschlossenen Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen resultierende Verbesserung hydrodynamischer Schmiereigenschaften der die Zylinderlaufbahn bildenden Verschleißschutzschicht reduziert einen Ölverbrauch und einen CO₂-Ausstoß des Verbrennungsmotors. Durch eine Stickstoffdiffusion, d. h. durch ein so genanntes Nitrieren während der thermischen Behandlung wird eine Schichthärte der Verschleißschutzschicht zusätzlich erhöht. Dadurch wird ein Reibbeiwert der Verschleißschutzschicht reduziert.
Im Volumen der Eisenlegierungs-Beschichtung ist das offene Netzwerk aus Poren und Kanalstrukturen weiterhin vorhanden, jedoch kann dort kein Öl mehr eindringen. Eine derartige erhöhte Ölaufnahme würde zu einer Verzögerung eines elastohydrodynamischen Schmierzustandes (EHD) führen. Des Weiteren würde das in den Poren und Kanalstrukturen gesammelte Öl in bestimmten Motorphasen zu Abdampferscheinungen führen, welche sich als erhöhter Ölverbrauch widerspiegeln.
Zudem würde ein erhöhter Verschleiß von Kolbenringen und der Verschleißschutzschicht in Mischreibungszuständen auftreten. Diese Nachteile werden durch das geschlossene Netzwerk von Poren und Kanalstrukturen, so dass kein Öl eindringen kann, vermieden.
Als weiterer Vorteil wird durch das Verdampfen bzw. Verschmelzen der Materialreste und der geschwächten Schichtlamellen durch die thermische Behandlung das Abfallen oder Abschälen der Schichtlamellen während eines Betriebs des Verbrennungsmotors und eine nachfolgende Einlagerung von derartigen abgelösten Partikeln beispielsweise in Kurbelwellengleitlagern verhindert. Dadurch werden Motorschäden vermieden. Des Weiteren werden durch dieses Verdampfen bzw. Verschmelzen der Materialreste und der geschwächten Schichtlamellen ein erhöhter Kolbenringverschleiß, ein daraus resultierender erhöhter Ölverbrauch und ein erhöhter so genannter Blowby-Wert vermieden, d. h. eine Menge eines zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlaufbahn vorbeistreifenden und von einem Arbeitsraum der Zylinderbohrung in ein Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors einströmenden Gases.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Bauteils mit einer thermisch gespritzten Eisenlegierungs-Beschichtung,
2 eine schematische Darstellung eines Bauteils mit einer thermisch gespritzten und danach gehonten Eisenlegierungs-Beschichtung,
3 eine schematische Darstellung einer Laserbehandlung einer thermisch gespritzten und danach gehonten Eisenlegierungs-Beschichtung auf einem Bauteil und
4 eine schematische Darstellung eines Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bauteils 2 mit einer thermisch gespritzten Eisenlegierungs-Beschichtung 1. Das Bauteil 2 ist vorzugsweise ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, wobei die Eisenlegierungs-Beschichtung 1 zur Herstellung einer in 4 näher dargestellten Verschleißschutzschicht 3 auf eine Innenfläche einer Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses aufgebracht wird. Die Verschleißschutzschicht 3 bildet eine Zylinderlaufbahn der Zylinderbohrung. Die Eisenlegierungs-Beschichtung 1 enthält verschiedene Legierungskomponenten.
Bevorzugt weist die Eisenlegierungs-Beschichtung 1 mehrere Eisen-, Hartstoff- und/oder Festschmierstoffphasen auf, welche sich aus den Legierungskomponenten der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 bilden und der Verschleißschutzschicht 3 optimierte tribologische Eigenschaften und eine optimierte Verschleißresistenz verleihen, da eine Schichthärte der Verschleißschutzschicht 3 erhöht ist, wodurch ein Reibbeiwert der Verschleißschutzschicht 3 reduziert ist.
Eine bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung 1 weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent und jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, folgende Legierungskomponenten auf:

Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung 1 weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent und jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht, folgende Legierungskomponenten auf:

Eine weitere bevorzugte Eisenlegierungs-Beschichtung 1 weist neben Eisen (Fe), angegeben in Gewichtsprozent bzw. in Gewichts-ppm (parts per million) und jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht, folgende Legierungskomponenten auf:

• Kohlenstoff mit einem Anteil von 0,35 Gew.% bis 0,55 Gew.%
• Silizium mit einem Anteil von 0,15 Gew.% bis 0,25 Gew.%
• Mangan mit einem Anteil von 0,7 Gew.% bis 0,9 Gew.%
• Chrom mit einem Anteil von 1,00 Gew.% bis 1,20 Gew.%
• Kupfer mit einem Anteil von 0,25 Gew.% bis 0,35 Gew.%
• Molybdän mit einem Anteil von 0,18 bis 0,25 Gew.%
• Nickel mit einem Anteil von 0,20 Gew.% bis 0,40 Gew.%
• Stickstoff mit einem Anteil von 120 Gew. ppm bis 170 Gew. ppm
• Niob mit einem Anteil von 300 Gew. ppm bis 350 Gew. ppm

Die auf das Bauteil 2 aufgespritzte Eisenlegierungs-Beschichtung 1 weist über ein gesamtes Beschichtungsvolumen verteilt Poren 4 und netzartige Kanalstrukturen 9 auf. Zumindest einige der Poren 4 sind über die netzartigen Kanalstrukturen 9 miteinander verbunden, so dass ein Netzwerk aus Poren 4 und Kanalstrukturen 9 ausgebildet ist.
Um eine gleichmäßige Schmierung während eines Betriebs des Verbrennungsmotors sicherzustellen, wird die Eisenlegierungs-Beschichtung 1 mittels eines spanenden Verfahrens bearbeitet, d. h. gedreht oder insbesondere mechanisch oder elektrochemisch gehont. Dabei werden jedoch, wie in 2 dargestellt, Poren 4 an einer Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung 1, welche während eines Betriebs des Verbrennungsmotors ein Schmierstoffrückhaltevolumen bilden, durch eine Anlagerung und/oder Einlagerung von ganz oder teilweise abgetragenen Materialresten 5 ganz oder teilweise verschlossen und dadurch verstopft. Des Weiteren werden durch das spanende Bearbeiten, beispielsweise durch das Honen, hier nicht näher dargestellte Schichtlamellen an der Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung 1, welche sich durch das thermische Spritzen ausbilden, geschwächt.
Aus dem Verschließen der Poren 4 resultiert eine geringere Aufnahmemöglichkeit der Poren 4, so dass diese weniger Schmierstoff aufnehmen können. Des Weiteren werden die Materialreste 5 in den Poren 4 bzw. im Umfeld der Poren 4 sowie die geschwächten Schichtlamellen bei einem Einlaufvorgang des Verbrennungsmotors von Kolbenringen eines sich in der Zylinderbohrung bewegenden, hier nicht dargestellten Kolbens mitgerissen und verursachen einen erhöhten Verschleiß der Kolbenringe und eine starke Riefenbildung in der die Zylinderlaufbahn bildenden Verschleißschutzschicht 3. Um diesem Verschleiß Rechnung zu tragen, wäre daraus resultierend eine nicht optimale Auslegung des Kolbens und der Kolbenringe erforderlich. Des Weiteren können sich diese Materialreste 5 und die geschwächten und abgelösten Schichtlamellen in hier nicht dargestellten Gleitlagerungen, zum Beispiel in Kurbelwellenlagern einbetten und Motorschäden verursachen.
Des Weiteren wird durch das spanende Verfahren das Netzwerk aus Poren 4 und Kanalstrukturen 9 geöffnet, so dass nun in einem Betrieb des Verbrennungsmotors Schmierstoff, beispielsweise Öl, dieses gesamte Netzwerk fluten könnte. Eine derartige erhöhte Ölaufnahme würde zu einer Verzögerung eines elastohydrodynamischen Schmierzustandes (EHD) führen. Des Weiteren würde das in den Poren 4 und Kanalstrukturen 9 gesammelte Öl in bestimmten Motorphasen zu Abdampferscheinungen führen, welche sich als erhöhter Ölverbrauch widerspiegeln. Zudem würde ein erhöhter Verschleiß von Kolbenringen und der Verschleißschutzschicht 3 in Mischreibungszuständen auftreten.
Um dies zu verhindern, wird, wie in 3 dargestellt, nach dem spanenden Bearbeiten, d. h. nach dem Drehen oder Honen, eine Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 einer thermischen Behandlung unterzogen, im hier dargestellten Beispiel einer Laserbehandlung mittels zumindest eines Laserstrahls 6, um derartige in den Poren 4 oder in deren Umgebung angelagerte lose oder hoch stehende Materialreste 5 sowie geschwächte Schichtlamellen mittels eines UV-Laserlichts zu verdampfen oder mit der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 zu verschmelzen. Des Weiteren wird durch die thermische Behandlung, hier durch die Laserbehandlung das Netzwerk aus Poren 4 und Kanalstrukturen 9 im oberflächennahen Bereich durch Aufschmelzen von Grenzufern der Poren 4 und Kanalstrukturen 9 lokal gefüllt und bei einer folgenden Materialerstarrung verschlossen.
Dazu wird in die Zylinderbohrung eine Laservorrichtung 7, welche beispielsweise einen Excimerlaser umfasst, eingeführt. Die Laservorrichtung 7 wird in der Zylinderbohrung auf einer Zylinderbohrungsachse 8 axial und um die Zylinderbohrungsachse 8 rotierend bewegt, wobei im hier dargestellten Beispiel ein einzelner Laserstrahl 6 radial zur Zylinderbohrungsachse 8 abgestrahlt wird und auf die Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 auftrifft.
Um die Materialreste 5 und die geschwächten Schichtlamellen sicher zu entfernen, aber die Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 nicht zu stark aufzuschmelzen und dadurch zu beschädigen, wird der Laserstrahl 6 von der Laservorrichtung 7 vorzugsweise gepulst abgestrahlt, besonders bevorzugt erfolgt eine Kurzpuls-Laserbehandlung mit einer Pulsdauer von beispielsweise ca. 30 ns. Des Weiteren weist der Laserstrahl 6 bevorzugt eine Energiedichte > 1 J/cm², besonders bevorzugt eine Energiedichte von 1,75 J/cm² bis 5 J/cm² auf.
Auf diese Weise wird das in 4 dargestellte Bauteil 2 mit der Verschleißschutzschicht 3 hergestellt, welche eine vorgegebene geschlossene, aber raue Oberflächentopographie aufweist. Die Materialreste 5 und geschwächten Schichtlamellen sind entfernt oder mit der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 verschmolzen, die Poren 4 sind geöffnet und entgratet und das Netzwerk aus Poren 4 und diese verbindenden Kanalstrukturen 9 ist im dem Bauteil 2 abgewandten oberflächennahen Bereich der Eisenlegierungs-Beschichtung 1, welcher die Verschleißschutzschicht 3 der Zylinderlaufbahn bildet, verschlossen. Dadurch ist eine raue Oberflächentopographie gebildet, welche ein ausreichendes Schmierstoffrückhaltevolumen aufweist, um eine optimale und konstante Schmiermittelversorgung sicherzustellen, wobei kein Schmiermittel in das Netzwerk der Poren 4 und Kanalstrukturen 9 im Volumen der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 eindringen kann.
Durch die entfernten Materialreste 5 und geschwächten Schichtlamellen und die wieder geöffneten Poren 4 sowie das im oberflächennahen Bereich geschlossene Netzwerk der Poren 4 und Kanalstrukturen 9 wird ein sehr gutes Einlaufverhalten des Kolbens und der Kolbenringe gegenüber der Verschleißschutzschicht 3, welche die Zylinderlaufbahn bildet, erreicht, wobei durch geringeren Verschleiß während des Einlaufvorgangs weniger Material von den Kolbenringen, dem Kolben und der Zylinderlaufbahn abgetragen wird. Daraus resultierend wird ein tribologisches System der Zylinderbohrung, d. h. die Reibungs- und Schmiereigenschaften zwischen den Kolbenringen bzw. dem Kolben und der Zylinderlaufbahn, optimiert und es werden deutliche Reibleistungsvorteile erzielt.
Durch die Vermeidung der Riefenbildung in der Zylinderlaufbahn und das geschlossene Netzwerk der Poren 4 und Kanalstrukturen 9, wodurch ein Eindringen von Öl in die tiefer im Volumen der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 angeordneten Poren 4 und Kanalstrukturen 9 verhindert wird, sind Ölverbrauchswerte und ein so genannter Blowby-Wert reduziert, d. h. eine Menge eines zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlaufbahn vorbeistreifenden und von einem Arbeitsraum der Zylinderbohrung in ein Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors einströmenden Gases. Durch diese Reduzierung wird ein Betrieb des Verbrennungsmotors optimiert, wodurch eine geringere Abgasnachbehandlung erforderlich ist.
Durch das Entfernen der Materialreste 5 und geschwächten Schichtlamellen wird deren Einbettung in die Gleitlagerungen verhindert, wodurch Motorschäden vermieden werden. Durch die geöffneten Poren 4 an der die Zylinderlaufbahn bildenden Verschleißschutzschicht 3 kann sich eine ausreichende Menge Schmierstoff einlagern, so dass Notlaufeigenschaften des Verbrennungsmotors deutlich verbessert sind, d. h. auch bei einer kurzzeitigen Unterversorgung des Verbrennungsmotors mit Schmierstoff ist ein Motorschaden verhindert.
Des Weiteren erfolgt durch lokale hohe Temperaturen der Oberfläche der Eisenlegierungs-Beschichtung 1 während der thermischen Behandlung, im hier dargestellten Beispiel während der Laserbehandlung, eine Stickstoffdiffusion in die Eisenlegierungs-Beschichtung 1, d. h. ein so genanntes Nitrieren. Diese Stickstoffdiffusion kann noch optimiert werden, indem die Laserbehandlung in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt wird. Durch diese Stickstoffdiffusion wird eine Schichthärte der Verschleißschutzschicht 3 zusätzlich zu einer martensitischen Gefügeumwandlung erhöht. Dadurch wird ein Reibbeiwert der Verschleißschutzschicht 3 reduziert. Daraus resultieren ein geringerer Verschleiß, ein geringerer Kraftstoffverbrauch und ein geringerer CO₂-Ausstoß.
Bezugszeichenliste

1: Eisenlegierungs-Beschichtung
2: Bauteil
3: Verschleißschutzschicht
4: Pore
5: Materialrest
6: Laserstrahl
7: Laservorrichtung
8: Zylinderbohrungsachse
9: Kanalstruktur

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10347145 B4 [0002]
EP 1738859 A1 [0003]
DE 102007018653 A1 [0004]
DE 3922377 C2 [0005]
DE 102009051262 [0006]

Claims

Bauteil (2) mit einer Verschleißschutzschicht (3), wobei die Verschleißschutzschicht (3) durch eine Eisenlegierungs-Beschichtung (1) gebildet ist, welche verschiedene Legierungskomponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) Poren (4) und netzartige Kanalstrukturen (9) aufweist, wobei zumindest einige der Poren (4) über die netzartigen Kanalstrukturen (9) miteinander verbunden sind, so dass ein Netzwerk aus Poren (4) und Kanalstrukturen (9) ausgebildet ist, wobei das Netzwerk aus Poren (4) und Kanalstrukturen (9) in einem dem Bauteil (2) abgewandten oberflächennahen Bereich der Eisenlegierungs-Beschichtung (1) verschlossen ist.
Bauteil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (3) eine geschlossene, raue Oberflächentopographie aufweist.
Bauteil (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) mehrere Eisen-, Hartstoff- und/oder Festschmierstoffphasen aufweist.
Bauteil (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2) ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors ist, wobei die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) auf einer Innenfläche einer Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses angeordnet ist.
Bauteil (2) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (2) mit einer Verschleißschutzschicht durch Aufbringen einer Eisenlegierungs-Beschichtung (1) auf das Bauteil (2), welche verschiedene Legierungskomponenten enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) mittels thermischen Spritzens aufgebracht wird, mittels eines spanenden Verfahrens bearbeitet wird und einer thermischen Behandlung zum Schließen oberflächennaher Poren unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) einer Laserbehandlung mittels zumindest eines Laserstrahls (6) als thermische Behandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) auf eine Innenfläche einer Zylinderbohrung eines Zylinderkurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) mechanisch oder elektrochemisch gehont oder gedreht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierungs-Beschichtung (1) einer Laserbehandlung mit einem gepulsten Laserstrahl (6) unterzogen wird, insbesondere einer Kurzpuls-Laserbehandlung.