DE102010049840B4

DE102010049840B4 - Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht

Info

Publication number: DE102010049840B4
Application number: DE102010049840.8A
Authority: DE
Inventors: Ümit Akay; Dr. Ing. Erdmann Christian Martin; Dipl.-Ing. Özdeniz Eyuep Akin; Dr. Ing. Rückert Franz
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2023-01-26
Anticipated expiration: 2030-10-28
Also published as: DE102010049840A1

Abstract

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, so dass die Verschleißschutzschicht (3) eine geschlossene, raue Oberflächentopographie aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zur Herstellung eines Bauteils mit einer Verschleißschutzschicht.
Die deutsche Patentanmeldung DE 102 39 093 A1 beschreibt eine Reibschicht für zwei sich gegenüberliegende sowie aufeinander zu- und voneinander wegbewegbare und dabei umlaufende Reibteile, wobei wenigstens ein Reibteil aus einer auf einem Träger starr angeordneten Reibschicht besteht und sich zwischen der Reibschicht und dem dazugehörigen Reibteilgegenstück ein Medium befindet. Die Materialbestandteile der Materialzusammensetzung für die Reibschicht aus Verbundwerkstoff, weiteren Zusätzen und seiner Bindemittelzusammensetzung sind derart ausgewählt, dass die Materialzusammensetzung und damit die Reibschicht durch die Wärmebehandlung zu ihrer Fertigstellung hervorgerufene ausgeprägte Schwundeigenschaften und Schwund gegenüber dem Material des Trägers der Reibschicht aufweist. Durch den Schwundvorgang wird während der Wärmebehandlung der Reibschicht eine Netzstruktur aus unregelmäßig verteilten und direkt untereinander verbundenen kanalartigen Vertiefungen in der gesamten Reibschicht ausgebildet.
Die deutsche Patentanmeldung DE 43 21 673 A1 beschreibt ein Verfahren zum thermischen Sprühen einer mit einem festen Schmiermittel wie beispielsweise Graphit imprägnierten Metallmatrix auf ein metallisches Ziel unter Verwendung der folgenden Stufen: (a) Ausbilden einer Flamme oder eines Lichtbogens, in den ein abschmelzbarer Strang vorgeschoben wird, der durch einen Hohlmantel aus Metall und einen in diesem befindlichen Kern im wesentlichen aus festen Schmiermittelpulverpartikeln gebildet ist, wobei die Flamme oder der Lichtbogen das Metall dieses Stranges schmelzen, (b) Anlegen eines Druckstrahls aus zerstäubendem Gas und mit einem Anteil an Graphitpartikeln an die Schmelze, um einen Sprühnebel aus geschmolzenem schweren Metall fortzuschleudern, mit in diesem im allgemeinen homogen verteilten Graphitpartikeln, die auf ihrem Weg von der Flamme oder dem Lichtbogen zum Ziel vor einem Abschmelzen geschützt sind, und (c) eine Oberflächenwärmebehandlung im wesentlichen nur des Auftrages zum Ausfällen zusätzlichen Graphits, während das Metall verdichtet und die Mikrostruktur gesteuert wird.
Die europäische Patentanmeldung EP 0 666 326 A1 beschreibt ein Laser-Schock-Behandlungsverfahren unter Verwendung eines lichtabsorbierenden Materials mit kontrollierter Dicke zum Aufbringen eines Schocks auf ein metallisches Werkstück, indem ein lichtabsorbierendes Material durch Bestrahlung mit Laserlicht verdampft wird und eine Druckerhöhung aufgrund des Verdampfens des lichtabsorbierenden Materials genutzt wird, mit den Schritten: Ausbilden einer lichtabsorbierenden Materialschicht zum Absorbieren von Laserlicht auf einer Oberfläche des metallischen Werkstücks, Bedecken der lichtabsorbierenden Materialschicht mit einem lichtdurchlässigen Material, und Bestrahlen der lichtabsorbierenden Materialschicht mit einem Laserlicht-Impuls durch das lichtdurchlässige Material, wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Schritt des Ausbildens der lichtabsorbierenden Materialschicht gleichzeitig ihre Dicke gemessen wird und der Wert der gemessenen Dicke bei einem Rückkopplungs-Regelungsbetrieb des Schritts des Ausbildens der lichtabsorbierenden Materialschicht verwendet wird, um eine vorbestimmte Dicke der lichtabsorbierenden Materialschicht auf der Oberfläche des Werkstücks aufrechtzuerhalten
Das amerikanische Patent US 5 169 674 A zeigt eine metallische „Close-out“ Versiegelungsschicht welche auf die Oberfläche eines thermischen Barrierebeschichtungssystems aufgetragen wird, um das keramische Material in der Beschichtung zu versiegeln. Diese Siegel „Close-out“ -Schicht besteht aus Glasperlen, die präpariert sind, um die Oberfläche zu verdichten.
Die deutsche Übersetzung DE 689 16 597 T2 des europäischen Patents EP 356287 B1 betrifft Beschichtungs- bzw. Überzugsmaterialien für Metallsubstrate, Substrate, die mit diesen Materialien beschichtet sind und die Anwendungsmöglichkeiten dieser beschichteten Substrate. Die erfindungsgemäßen Beschichtungsmaterialien sind dadurch gekennzeichnet, daß sie der Formel A)(a)Cu(b)Fe(c)X(d))(e) entsprechen, worin X für ein oder mehrere Elemente steht, die aus V, Mo,Ti, Zr, Nb, Cr, Mn, Ru, Rh, Ni, Mg, W, Si und den seltenen Erden ausgewählt sind, I die unvermeidlichen Verunreinigungen aus der Herstellung darstellt, e ≤ 2, 14 ≤ b ≤ 30, 7 ≤ c ≤ 20, 0 ≤ d ≤ 10, wobei c+d ≥ 10 und a +b+c+d+e = 100% der Anzahl der Atome, und dass es zumindest 40 Gew.-% einer quasikristallinen Phase enthält.
Die deutsche Patentanmeldung DE 43 21 713 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Scheibenbremsenrotors mit einem selbstschmierenden, thermisch leitenden Überzug, der die Abriebfestigkeit einer Scheibenbremsenanordnung, in der dieser Rotor verwandt wird, erhöht, mit aufeinanderfolgenden Stufen.
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.
Die deutsche Patentanmeldung DE 199 41 564 A1 betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils mit einem durch thermisches Spritzen erzeugten Teilchenstrahl. Hierbei überstreicht der Teilchenstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteils wenigstens teilweise in einem vorbestimmten Muster.
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 veröffentlichten Anmeldung DE 10 2009 051 262 A1 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 anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 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

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:

• 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.%

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

• 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 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.

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, so dass die Verschleißschutzschicht (3) eine geschlossene, raue Oberflächentopographie aufweist.
Bauteil (2) nach Anspruch 1, 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 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zylinderkurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung gebildet ist.