DE102011009443B3

DE102011009443B3 - Drahtförmiger Spritzwerkstoff

Info

Publication number: DE102011009443B3
Application number: DE102011009443A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Izquierdo Patrick; Dipl.-Ing. Özdeniz Eyuep Akin
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-01-26
Filing date: 2011-01-26
Publication date: 2012-03-29
Anticipated expiration: 2031-01-27
Also published as: CN103328678A; WO2012100798A1; US9546414B2; CN103328678B; EP2668308B1; US20130295412A1; JP2014509260A; EP2668308A1; JP5710025B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs ein feinperlitisches, bainitisches, martinsitisches Gefüge entsteht, in welchem feinverteilte Nitride vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen und eine thermisch gespritzte Schicht, welche auf einem Substrat abgeschieden ist.
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 10 2008 034 547 B3 ist drahtförmiger Spritzwerkstoff für eine thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis mit einem bainitischen, martinsitischen Gefüge bekannt, welche einen Kohlenstoffgehalt von 0,23 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% sowie einen Chromgehalt von 0,75 Gew.-% bis 0,95 Gew.-% und weitere Legierungsbestandteile aufweist.
Aus der DE 10 2008 034 549 B3 ist drahtförmiger Spritzwerkstoff für eine thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis mit einem perlitischen, bainitischen, martinsitischen Gefüge bekannt, welche einen Kohlenstoffgehalt von 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% sowie einen Kupfergehalt von 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-% und weitere Legierungsbestandteile aufweist.
Aus der DE 10 2008 034 551 B3 ist drahtförmiger Spritzwerkstoff für eine thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis mit einem bainitischen, martinsitischen Gefüge bekannt, welche einen Kohlenstoffgehalt von 0,35 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% sowie einen Kupfergehalt von 0,25 Gew.-% bis 0,35 Gew.-% und weitere Legierungsbestandteile aufweist.
Aus der DE 10 2009 039 453 A1 bzw. der DE 20 2009 001 002 U1 ist drahtförmiger Spritzwerkstoff für eine thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis mit einem perlitischen, bainitischen, martinsitischen Gefüge bekannt, welche einen Kohlenstoffgehalt von 0,1 Gew.-% bis 0,28 Gew.-% sowie einen Siliziumgehalt von 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% und weitere Legierungsbestandteile aufweist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, 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 einen drahtförmigen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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 und Bainit 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.
Ebenso kann das Verhältnis von Bainit zu Perlit 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 Perlit und Bainit sowie verschleißfeste Inseln aus Martensit.
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 Perlit und Bainit entstehen. Weiter sind in der Mikrolegierung Legierungsbestandteile zur Bildung von verschleißfesten Phasen aus Martensit und zur Reibwertreduzierung vorgesehen.
Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:

– Kohlenstoff 0,28 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%
– Silizium 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%
– Mangan 1,0 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%
– Chrom 0,05 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%
– Kupfer 0,04 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%
– Stickstoff 0,005 Gew.-% bis 0,03 Gew.-%

Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, falls keine anderen Angaben gemacht sind.
Die Elemente Vanadin, Molybdän, Phosphor, Schwefel und Aluminium und Nickel sind bevorzugt zumindest in Spuren enthalten, d. h. in Anteilen von zumindest 0,001 Gew.-%. Bevorzugt werden maximale Gehalte von 0,15 Gew.-%. für Vanadin, 0,1 Gew.-%. für Nickel, 0,03 Gew.-%. für Molybdän sowie 0,01 Gew.-%. für die weiteren genannten Elemente.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 bevorzugt eine Mikrolegierung mit folgenden Bestandteilen verwendet:

– Kohlenstoff 0,4 Gew.-%
– Silizium 0,7 Gew.-%
– Mangan 1,32 Gew.-%
– Kupfer 0,06 Gew.-%
– Chrom 0,19 Gew.-%
– Stickstoff 0,015 Gew.-%

Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.
Das Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus diesen Mikrolegierungen gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 führt zu einer besonders homogenen Schicht 2 mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.
Der geringe Kohlenstoffgehalt und der erhöhte Mangangehalt und der erhöhte Siliziumgehalt der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Lichtbogendrahtspritzen kleine regelmäßige, 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.
Der Stickstoffzusatz fördert die Bildung von verschleißfesten Nitriden, tribologisch auch wirksam hinsichtlich einer Reibwertreduzierung.
Beim Erstarren der Schicht 2 entstehen feinstreifiger Perlit und Bainit sowie verschleißfeste Inseln aus Martensit. Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Perlit ist ein Mischgefüge aus weichen ferritischen und harten karbidischen Phasen. Die Bildung von Bainit und Perlit kann durch Spritzparameter, die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung beeinflusst werden. Die Schicht 2 wird in Form einer weichen, duktilen Matrix aus Perlit und Bainit mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit ausgebildet.
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 zu vermeiden.
Der Draht ist niedriglegiert, wobei die Wahl speziell auf kostengünstige Legierungselemente ausgerichtet ist.
Die sich ergebende Spritzschicht zeigt gute Bearbeitbarkeit und verbesserte tribologische Eigenschaften sowie einen guten Verschleißwiderstand.
Bezugszeichenliste

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

Claims

Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Perlit, Bainit und Martensit entsteht, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile vorgesehen sind: • Kohlenstoff 0,28 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, • Silizium 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%, • Mangan 1,0 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%, • Chrom 0,05 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, • Kupfer 0,04 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%, • Stickstoff 0,005 Gew.-% bis 0,03 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Legierungsbestandteile enthalten sind, insbesondere Vanadin mit bis zu 0,15 Gew.-%., Nickel mit bis zu 0,1 Gew.-%., Molybdän mit bis zu 0,03 Gew.-%., Phosphor, Schwefel und Aluminium mit bis zu 0,01 Gew.-% jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verkupferung einer Oberfläche des Spritzwerkstoffs (4) vorgesehen ist.
Thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis, dadurch gekennzeichnet, dass sie folgende Legierungsbestandteile aufweist: • Kohlenstoff 0,28 Gew.-% bis 0,6 Gew.-%, • Silizium 0,6 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%, • Mangan 1,0 Gew.-% bis 1,4 Gew.-%, • Chrom 0,05 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%, • Kupfer 0,04 Gew.-% bis 0,15 Gew.-%, • Stickstoff 0,005 Gew.-% bis 0,03 Gew.-%, jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
Thermisch gespritzte Schicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Laufbahnschicht im Inneren eines Zylinderkurbelgehäuses einer Kolbenhubmaschine angeordnet ist