DE102011115741B4

DE102011115741B4 - Verfahren zum Beschichten eines Substrats durch Aufspritzen eines metallischen Spritzwerkstoffes sowie ein dazu geeigneter Spritzwerkstoff und die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht

Info

Publication number: DE102011115741B4
Application number: DE102011115741A
Authority: DE
Inventors: Patrick Izquierdo; Eyuep Akin Özdeniz; Jürgen Traber
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-10-23
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2012-09-27
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: DE102011115741A1

Abstract

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1) durch Aufspritzen eines metallischen Spritzwerkstoffes (4), welcher in Drahtform einem Lichtbogen (5) zugeführt wird, darin aufgeschmolzen wird und dann als Schicht (2) auf dem Substrat (1) abgeschieden wird dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) verwendet wird, – der im Wesentlichen Eisen umfasst, – der mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass in der Schicht (2) nach dem Abscheiden beim Erstarren zumindest Martensit und Perlit gebildet werden, – der folgende Legierungsbestandteile enthält: • Kohlenstoff: 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%, • Mangan: 1,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, • Silizium: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, • Kupfer: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats durch Aufspritzen eines metallischen Spritzwerkstoffes, einen dazu geeigneten Spritzwerkstoff sowie die auf dem Substrat abgeschiedene Schicht 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 20 2008 009 964 U1 ist ein drahtförmiger Spritzwerkstoff, insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, bekannt, der sich dadurch auszeichnet, dass der Spritzwerkstoff zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs Martensit, Bainit sowie geringere Anteil feinstreifigen Perlits entstehen, wobei in der Mikrolegierung Festschmierstoffanteile oder Legierungsbestandteile zur Bildung von Festschmierstoffanteilen vorgesehen sind. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,55 Gew.-% bis 0,65 Gew.-% Kohlenstoff, 0,7 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% Mangan sowie 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% Silizium enthalten.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein kostengünstiges verbessertes Verfahren zum Lichtbogendrahtspritzen sowie einen dafür geeigneten Spritzwerkstoff 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 durch Lichtbogendrahtspritzen auf einem Substrat auftragen und sich gut bearbeiten lässt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch einen drahtförmigen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 5.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Beschichten eines Substrats durch Aufspritzen eines metallischen Spritzwerkstoffes mittels Lichtbogendrahtspritzen, verwendet einen drahtförmigen Spritzwerkstoff, der im Wesentlichen Eisen umfasst. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Perlit und Martensit entstehen, wobei zusätzlich Mikrolegierungselemente zur Bildung verschleißfester Phasen sowie zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften vorgesehen sind. Dies läst sich durch folgende Legierungsbestandteile erreichen:

• Kohlenstoff: 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%,
• Mangan: 1,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%,
• Silizium: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%,
• Kupfer: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%

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. Martensit ist ein hartes, verschleißfestes Gefüge.
Die Bildung von Perlit und Martensit kann durch die Art der Abkühlung des Spritzwerkstoffs und durch die Wahl der Legierungsbestandteile der Mikrolegierung beeinflusst werden. Bei einer Anlagerung einer mittels des erfindungsgemäßen Lichtbogendrahtspritzen unter Verwendung des vorgesehenen Spritzwerkstoffs erzeugten Schicht auf einem Substrat, beispielsweise einer Zylinderlauffläche, bildet sich eine weiche, duktile Matrix aus Perlit (insbesondere feinperlitisch) mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit sowie vorzugsweise Chromkarbiden. Die Schicht ist besonders reibungsarm, verschleißbeständig und korrosionsbeständig. Die Verschleißbeständigkeit wird insbesondere durch sich in der Schicht bildende Chromkarbide bewirkt. Auf diese Weise kann die Reibung, insbesondere die Festkörperreibung zwischen der Schicht und einem Reibpartner, beispielsweise Kolbenringen erheblich reduziert werden.
Die Verwendung eines Spritzdrahtes auf Eisenbasis mit den genannten Anteilen an Kohlenstoff erlaubt die Herstellung einer Spritzschicht mit tribologisch optimierter Schichthärte, deren Bearbeitung, insbesondere Zerspannung, mit einem vergleichsweise geringen Aufwand erfolgen kann, so dass auch eine Bearbeitung der Schicht in der Großserie wirtschaftlich durchführbar ist. Der Bereich des Mangananteils erlaubt eine einsatzspezifisch geeignete Anpassung der Schichthärte und deren Oberflächenvolumens. Die Korrosionsbeständigkeit kann durch einen Kupferanteil in den genannten Grenzen erhöht werden ohne dass dadurch die Spritzbarkeit des Werkstoffes merklich verändert wird.
Die Spritzbarkeit des Werkstoffes ist besonders gut bei folgender Legierungszusammensetzung:

• Kohlenstoff: 0,75 Gew.-% bis 0,85 Gew.-%,
• Mangan: 1,5 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%,
• Silizium: 0,1 Gew.-% bis 0,3 Gew.-%,
• Kupfer: 0,20 Gew.-% bis 0,35 Gew.-%

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 ein Substrat mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Schicht.
Gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei drahtförmige Spritzwerkstoffe 4 einem Beschichtungskopf 3 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.
Hierzu wird z. B. ein drahtförmiger Spritzwerkstoff 4 verwendet der im Wesentlichen Eisen umfasst und der mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass in der Schicht 2 nach dem Abscheiden beim Erstarren zumindest Martensit und Perlit gebildet werden, und der folgende Legierungsbestandteile enthält:

• Kohlenstoff: 0,85 Gew.-%,
• Mangan: 1,75 Gew.-%,
• Silizium: 0,3 Gew.-%,
• Kupfer: 0,35 Gew.-%,
• Chrom: 0,1 Gew.-%

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 Kohlenstoffgehalt in Verbindung mit dem Mangangehalt der Mikrolegierung des Spritzdrahtes bewirken ein verbessertes Spritzverhalten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Lichtbogendrahtspritzen kleine Tröpfchen entstehen. Dadurch bildet sich beim Erstarren der einzelnen Tröpfchen eine Spritzschicht mit einer feinen Struktur, welche durch eine relativ geringe Porosität im Vergleich zu den sonst üblichen Spritzschichten auf Eisenbasis gekennzeichnet ist. Der Chromanteil verbessert die Korrosionsbeständigkeit. Er darf jedoch maximal 2 Gew.-% betragen.
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

Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1) durch Aufspritzen eines metallischen Spritzwerkstoffes (4), welcher in Drahtform einem Lichtbogen (5) zugeführt wird, darin aufgeschmolzen wird und dann als Schicht (2) auf dem Substrat (1) abgeschieden wird dadurch gekennzeichnet, dass ein drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) verwendet wird, – der im Wesentlichen Eisen umfasst, – der mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass in der Schicht (2) nach dem Abscheiden beim Erstarren zumindest Martensit und Perlit gebildet werden, – der folgende Legierungsbestandteile enthält: • Kohlenstoff: 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%, • Mangan: 1,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, • Silizium: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, • Kupfer: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der drahtförmige Spritzwerkstoff (4) welch geglüht wird bevor er dem Lichtbogen (5) zugeführt wird.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der drahtförmige Spritzwerkstoff (4) oberflächlich verkupfert wird bevor er dem Lichtbogen (5) zugeführt wird.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der drahtförmige Spritzwerkstoff (4) warmgewalzt oder gezogen wird bevor er dem Lichtbogen (5) zugeführt wird.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4), insbesondere zum Lichtbogendrahtspritzen, umfassend im Wesentlichen Eisen, wobei der Spritzwerkstoff (4) zumindest mit Kohlenstoff als Mikrolegierung derart gebildet ist, dass beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Martensit und Perlit entstehen, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: • Kohlenstoff: 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%, • Mangan: 1,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, • Silizium: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, • Kupfer: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.
Drahtförmiger Spritzwerkstoff (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: • Chrom: 0,01 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% und/oder • Nickel: 0,01 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% und/oder • Molybdän: 0,001 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% und/oder • Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,035 Gew.-% und/oder • Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,035 Gew.-% und/oder • Aluminium: 0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% und/oder • Titan: 0,0001 Gew.-% bis 0,001 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.
Thermisch gespritzte Schicht auf Eisenbasis, insbesondere Lichtbogendraht gespritzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht ein feinperlitisches, martensititisches Gefüge aufweist, und dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: • Kohlenstoff: 0,7 Gew.-% bis 0,9 Gew.-%, • Mangan: 1,2 Gew.-% bis 2,0 Gew.-%, • Silizium: 0,1 Gew.-% bis 0,4 Gew.-%, • Kupfer: 0,2 Gew.-% bis 0,4 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.
Thermisch gespritzte Schicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Legierungsbestandteile enthalten sind: • Chrom: 0,01 Gew.-% bis 2,0 Gew.-% und/oder • Nickel: 0,01 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% und/oder • Molybdän: 0,001 Gew.-% bis 0,05 Gew.-% und/oder • Phosphor: 0,001 Gew.-% bis 0,035 Gew.-% und/oder • Schwefel: 0,001 Gew.-% bis 0,035 Gew.-% und/oder • Aluminium: 0,001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% und/oder • Titan: 0,0001 Gew.-% bis 0,001 Gew.-% jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht.
Verwendung der thermisch gespritzten Schicht nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf einer Zylinderlauffläche oder auf einer Gleit- oder Wälzlagerfläche aufgebracht ist.