DE102011006295A1 - Preparing a coated metal construction part on iron basis comprises forming a burnishing layer on a part of the metal construction partial surface in a burnishing method and applying a layer made of a sliding material on the burnishing layer - Google Patents
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Abstract
Description
Gebiet der ErfindungField of the invention
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten Metallbauteils auf Eisenbasis, bei dem zumindest auf einem Teil der Metallbauteiloberfläche in einem Brünierverfahren eine Brünierschicht ausgebildet wird.The invention relates to a method for producing a coated iron-based metal component, in which a burnishing layer is formed at least on a part of the metal component surface in a burnishing method.
Hintergrund der ErfindungBackground of the invention
Metallbauteile mit einer durch ein Brünierverfahren aufgebrachten Brünierschicht kommen in vielen technischen Anwendungen zum Einsatz. Ein Beispiel ist der Bereich der Lagertechnik, vornehmlich der Bereich der Wälzlager. Die Brünierschicht wird mittels eines Brünierverfahrens ausgebildet, indem das zu brünierende Werkstück ein- oder mehrmals in saure beziehungsweise alkalische Lösungen oder Salzschmelzen eingetaucht wird. Es bildet sich an der Oberfläche eine Oxidschicht aus FeO oder Fe2O3 oder eine Mischoxidschicht (Konversionsschicht) aus diesen beiden Oxiden aus. Die Brünierschicht ist in der Regel tief schwarz und insbesondere gegen alkalische Medien resistent.Metal components with a burnishing layer applied by a burnishing process are used in many technical applications. An example is the field of storage technology, especially the area of rolling bearings. The burnishing layer is formed by means of a burnishing method in which the workpiece to be burned is immersed one or more times in acidic or alkaline solutions or molten salts. An oxide layer of FeO or Fe 2 O 3 or a mixed oxide layer (conversion layer) of these two oxides is formed on the surface. The burnishing layer is usually deep black and especially resistant to alkaline media.
Da sich Brünierschichten durch eine sehr glatte, wenig Rauhigkeit aufweisende Oberflächen auszeichnen, dienen sie insbesondere im Bereich der Lagertechnik häufig zur Verbesserung der Einlaufeigenschaften und insbesondere der Erhöhung der Lebensdauer für in tribologischem Kontakt befindliche und hochbelastete Bauteile. Die Verschleißfestigkeit der Brünierschichten ist jedoch relativ gering, das heißt, dass sie bei tribologisch belasteten Werkstücken relativ schnell verschleißen, weshalb es erforderlich ist, eine kontinuierliche Schmierung sicherzustellen. Dies ist jedoch in manchen Einsatzgebieten nicht möglich, Probleme erwachsen auch im Falle eines Schmiermittelunterschusses.Since burnishing layers are distinguished by very smooth surfaces with little roughness, they are frequently used, in particular in the field of bearing technology, to improve the running-in properties and, in particular, to increase the service life for components which are in tribological contact and highly stressed. However, the wear resistance of the burnishing layers is relatively low, that is, they wear relatively quickly in tribologically loaded workpieces, which is why it is necessary to ensure a continuous lubrication. However, this is not possible in some applications, problems also arise in the case of a lubricant deficit.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines eine Brünierschicht aufweisenden Metallbauteils anzugeben, bei dem die Verschleißfestigkeit der Brünierschicht verbessert ist Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass auf die Brünierschicht in einem Gasphasenabscheideverfahren eine Schicht aus einem Gleitwerkstoff aufgebracht wird.The invention is therefore based on the problem to provide a method for producing a burnishing layer having a metal component, in which the wear resistance of the burnishing layer is improved to solve this problem is provided according to the invention in a method of the type mentioned that the burnishing layer in a Gasphasenabscheideverfahren a Layer is applied from a sliding material.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass auf die Brünierschicht eine zusätzliche Gleitschicht aufgebracht wird, die aus der Gasphase abgeschieden wird. Dies ist möglich, da wie ausgeführt die Brünierschicht eine äußerst geringe Rauhigkeit aufweist und sich infolgedessen hervorragend als Substrat für eine aus der Gasphase abgeschiedene Gleitschicht eignet, die sehr gut auf der Brünierschichtoberfläche haftet. Mittels dieser Gleitschicht lässt sich eine deutliche Verbesserung der Verschleißfestigkeit der Brünierschicht und damit eine Verbesserung der Beständigkeit derselben infolge einer Minderung des Reibkoeffizienten erreichen. Hieraus resultiert eine Verlängerung der Lebensdauer der aufgebrachten Funktionsoberfläche, nämlich der Brünierschicht, auf der also letztlich der Schmierstoff „unmittelbar” abgeschieden ist. Eine Verlängerung der Lebensdauer um mehr als das zehnfache im Vergleich zu nicht mit der Gleitwerkstoffschicht belegten Brünierschichten ist ohne weiteres erreichbar.The method according to the invention is characterized in that an additional sliding layer, which is deposited from the gas phase, is applied to the burnishing layer. This is possible since, as stated, the burnishing layer has an extremely low roughness and, as a result, is outstandingly suitable as a substrate for a vapor-deposited sliding layer which adheres very well to the burnishing layer surface. By means of this sliding layer can be a significant improvement in the wear resistance of the burnishing layer and thus improve the resistance of the same due to a reduction in the coefficient of friction can be achieved. This results in an extension of the life of the applied functional surface, namely the burnishing layer, on which therefore ultimately the lubricant is deposited "directly". An extension of the service life by more than ten times as compared to burnishing layers not covered by the sliding material layer is readily achievable.
Durch die erfindungsgemäße Herstellweise der Metallbauteile lässt sich das Einsatzspektrum dieser Metallbauteile, insbesondere im Lagerbereich, deutlich erweitern, beispielsweise auf kleine Lager mit einem Innendurchmesser < 75 mm, die prozesstechnisch keine respektive nur sehr aufwendige Nacharbeiten im Bereich der Brünierschicht zulassen beziehungsweise die aufgrund der sehr geringen Lagertoleranzen eine möglichst dünne und maßhaltige Beschichtung benötigen. Ein weiterer Einsatzbereich betrifft sehr große, dünnwandige und verzugs- und spannungsgefährdete Lager, beispielsweise Lager für die Computertomographie, sowie Lager, die nur unter geringfügiger oder Mangelschmierung laufen, wie beispielsweise in der Vakuumtechnik eingesetzte Lager. Ein weiterer Einsatzbereich ist der mechatronischer Komponenten sowie linear bewegte Bauteile wie beispielsweise Steuerkolben und Ähnliches. Die Aufzählung ist nicht abschließend, sondern lediglich exemplarisch.Due to the manufacturing method according to the invention of the metal components, the range of application of these metal components, especially in the storage area, can be significantly extended, for example, small bearings with an inner diameter <75 mm, the process technically allow no or only very expensive rework in the area of the burnishing or due to the very low Storage tolerances require a very thin and dimensionally stable coating. Another area of application relates to very large, thin-walled and distortion-prone and stress-prone bearings, such as bearings for computed tomography, as well as bearings that run only under minor or deficient lubrication, such as bearings used in vacuum technology. Another field of application is the mechatronic components as well as linearly moving components such as control pistons and the like. The list is not exhaustive, but merely exemplary.
Im Bereich der Wälzlagertechnik kann ein Metallbauteil beispielsweise ein Wälzkörper selbst oder aber die Laufbahn eines Innen- oder Außenrings oder dergleichen sein.In the field of rolling bearing technology, a metal component may for example be a rolling element itself or else the raceway of an inner or outer ring or the like.
Die aus der Gasphase abgeschiedene Gleitwerkstoffschicht kann beliebiger Natur sein, solange sie die gewünschten Gleit- oder Schmiereigenschaften aufweist. Beispielsweise sind als Gleitwerkstoffe MoS2, WC, NbC, SbC, TaC oder BiC zu nennen, bei denen es sich allesamt um Werkstoffe handelt, die die tribomechanischen Eigenschaften verbessernde sowie die Lebensdauer verlängernde Oberflächen bilden. Die Schichtdicke der aufgebrachten Schicht sollte zwischen 50–500 nm, insbesondere zwischen 100–400 nm liegen. Sie ist so zu wählen, dass die gewünschte Oberflächeneigenschaft gegeben ist.The gaseous phase deposited slip layer may be of any nature as long as it has the desired lubricating or lubricating properties. For example, as sliding materials MoS 2 , WC, NbC, SbC, TaC or BiC be mentioned, which are all materials that form the tribomechanical properties improving and extending the life surfaces. The layer thickness of the applied layer should be between 50-500 nm, in particular between 100-400 nm. It is to be chosen so that the desired surface property is given.
Das Gasphasenabscheideverfahren kann ein PVD-, PACVD- oder CVD-Verfahren sein, wobei das jeweils verwendete Verfahren gegebenenfalls in Abhängigkeit des abzuscheidenden Gleitwerkstoffs gewählt wird.The gas phase deposition process may be a PVD, PACVD or CVD process, the process used being optionally selected depending on the slip material to be deposited.
Die Brünierschicht selbst sollte eine mittlere Rauhigkeit Ra ≤ 0,1 μm, insbesondere Ra ≤ 0,05 μm aufweisen. Zwar bildet die Brünierschicht eine sehr glatte, ebene Oberfläche aus, jedoch kann es im Einzelfall, gegebenenfalls auch in ebene Oberfläche aus, jedoch kann es im Einzelfall, gegebenenfalls auch in Abhängigkeit des abzuscheidenden Gleitwerkstoffs, erforderlich sein, im Rahmen eines Polierverfahrens die Brünierschichtrauhigkeit zu reduzieren. The burnishing layer itself should have an average roughness Ra ≦ 0.1 μm, in particular Ra ≦ 0.05 μm. Although the burnishing layer forms a very smooth, even surface, it can in individual cases, if appropriate even in a flat surface, but it may be necessary in individual cases, possibly also depending on the sliding material to be deposited, to reduce the burnishing roughness as part of a polishing process ,
Ein Nachbearbeiten der abgeschiedenen Gleitwerkstoffschicht ist in der Regel nicht erforderlich, da, nachdem bereits die als Substrat dienende Brünierschicht äußerst glatt ist, auch die darauf abgeschiedene Gleitwerkstoffschicht sehr glatt ist. Gegebenenfalls besteht die Möglichkeit, die Gleitwerkstoffschicht zusätzlich zu beölen.A reworking of the deposited Gleitwerkstoffschicht is usually not required, because even after serving as a substrate burnishing layer is extremely smooth, and the deposited thereon Gleitwerkstoffschicht is very smooth. If necessary, it is possible to lubricate the sliding material layer in addition.
Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner ein Metallbauteil, das insbesondere nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist. Das Metallbauteil zeichnet sich durch eine zumindest auf einem Teil der Metallbauteiloberfläche in einem Brünierverfahren ausgebildeten Brünierschicht aus, auf welcher zusätzlich eine in einem Gasphasenabscheideverfahren erzeugte Schicht aus einem Gleitwerkstoff aufgebracht ist.In addition to the process itself, the invention further relates to a metal component, which is produced in particular by the described method. The metal component is characterized by a burnishing layer formed in a burnishing process on at least part of the metal component surface, on which layer of a sliding material produced in a vapor deposition process is additionally applied.
Bei dem Metallbauteil kann es sich um ein beliebiges Bauteil handeln, vornehmlich handelt es sich dabei jedoch um Wälzlager- und/oder Gleitlagerbauteile, beispielsweise Innen- und/oder Außenringe, Wälzkörper oder Käfige für Wälzkörper und Ähnliches.The metal component can be any component, but primarily it concerns rolling bearing and / or sliding bearing components, for example inner and / or outer rings, rolling elements or cages for rolling elements and the like.
Die aufgebrachte Gleitwerkstoffschicht kann aus MoS2, WC, NbC, SbC, TaC oder BiC sein, sie sollte eine Dicke zwischen 50–500 nm, insbesondere zwischen 100–400 nm aufweisen.The applied sliding material layer can be MoS 2 , WC, NbC, SbC, TaC or BiC, it should have a thickness between 50-500 nm, in particular between 100-400 nm.
Insgesamt lässt die Erfindung die Herstellung von in mehrerlei Hinsicht vorteilhafter Metallbauteile zu. So bleiben zum einen durch die lediglich etwa 1500–2000 nm dicke Funktionsschicht bestehend aus der Brünierschicht und der Gleitwerkstoffschicht die Maße des Metallbauteils nahezu unverändert, was insbesondere im Bereich der Lagertechnik von Vorteil ist. Auch zeigt die Funktionsschicht eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit, wie auch die tribologischen Eigenschaften hierdurch deutlich verbessert und die mechanische Beanspruchbarkeit respektive Verschleißfestigkeit deutlich gesteigert werden kann. Eine Nacharbeit der Funktionsschicht ist nicht erforderlich. Infolge der hervorragenden tribologischen Eigenschaften können ferner kostengünstigere und auch niedrigviskosere Schmierstoffe, die eine geringer innere Reibung aufweisen, verwendet werden, wie auch etwaige Schmierstoffwechselintervalle verlängert werden können. Auch ist ein Einsatz der Metallbauteile, beispielsweise in Form von Wälzlagern, unter Trockenreibung oder Mangelschmierung möglich. Ein weiteres vorteilhaftes Kriterium der erfindungsgemäß aufgebrachten Funktionsschicht ist ihre deutlich höhere thermische Stabilität, verglichen mit anderen Schichten. Denn infolge der Abscheidung aus der Gasphase sind die erfindungsgemäß aufgebrachten Schichten beispielsweise die MoS2-Schicht, bis etwa 600°C stabil, wodurch sich ein noch größeres Einsatzgebiet ergibt.Overall, the invention allows the production of metal components which are in many respects advantageous. On the one hand, the dimensions of the metal component remain virtually unchanged due to the functional layer, which only has a thickness of approximately 1500-2000 nm, consisting of the burnishing layer and the sliding material layer, which is advantageous in particular in the field of bearing technology. Also, the functional layer shows a very low surface roughness, as well as the tribological properties significantly improved thereby and the mechanical strength and wear resistance can be significantly increased. A rework of the functional layer is not required. Further, due to the excellent tribological properties, lower cost and lower viscosity lubricants having less internal friction may be used, as well as any lubricant change intervals may be extended. It is also possible to use the metal components, for example in the form of rolling bearings, under dry friction or insufficient lubrication. Another advantageous criterion of the functional layer applied according to the invention is its significantly higher thermal stability compared to other layers. Because as a result of the deposition from the gas phase, the layers applied according to the invention, for example, the MoS 2 layer, stable up to about 600 ° C, resulting in an even larger application.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
In der Figur ist eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäß hergestellten Metallbauteils
Das Metallbauteil
Auf der Außenseite des Bauteilkörpers
Die Brünierschicht
Zum Brünieren des Bauteilkörpers
Nach Beendigung des ersten Brünierschritts wird der Bauteilkörper
Nach dem zweiten Brünierbad wird der Bauteilkörper
Der fertig beschichtete Bauteilkörper
Hierauf wird nun die Gleitstoffschicht
Die Dicke der Funktionsschicht
Als Gleitwerkstoff wird bevorzugt MoS2 verwendet, wobei aber auch andere Gleitwerkstoffe wie WC, Nb oder TaC und Ähnliches abgeschieden werden können.As a sliding material MoS 2 is preferably used, but other sliding materials such as WC, Nb or TaC and the like can be deposited.
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Metallbauteilmetal component
- 22
- Bauteilkörpercomponent body
- 33
- Funktionsschichtfunctional layer
- 44
- BrünierschichtBrünierschicht
- 55
- GleitwerkstoffschichtGleitwerkstoffschicht
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Legal Events
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Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120827 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20120827 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20140214 Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20140214 |
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES AG & CO. KG, DE Free format text: FORMER OWNER: SCHAEFFLER TECHNOLOGIES GMBH & CO. KG, 91074 HERZOGENAURACH, DE Effective date: 20150407 |
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