DE102013016361B4 - Process for coating a substrate and coated component - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (1), wobei in einem ersten Verfahrensschritt eine Beschichtung (2) durch thermisches Spritzen auf das Substrat (1) aufgetragen wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt das beschichtete Substrat (1) einem Glühprozess unterzogen wird, und wobei der Glühprozess wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturstufen des beschichteten Substrats (1) umfasst. dadurch gekennzeichnet, dass das beschichtete Substrat (1) zuerst bei einer Temperatur von 220 - 300° C spannungsarm geglüht wird, und anschließend bei einer Temperatur von 520 - 680° C einem Homogenisierungsglühen unterzogen wird.Method for coating a substrate (1), wherein in a first method step a coating (2) is applied to the substrate (1) by thermal spraying, wherein in a second method step the coated substrate (1) is subjected to an annealing process, and wherein the Annealing process comprises at least two different temperature levels of the coated substrate (1). characterized in that the coated substrate (1) is first stress-relieved at a temperature of 220 - 300°C and then subjected to a homogenization annealing at a temperature of 520 - 680°C.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Ferner betrifft sie die Verwendung eines derartigen Verfahrens. Letztlich betrifft die Erfindung außerdem ein beschichtetes Bauteil.The invention relates to a method for coating a substrate according to the type defined in more detail in the preamble of
Beschichtete Bauteile, welche durch eine thermisch gespritzte Schicht beschichtet werden, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Thermische Spritzverfahren werden dabei insbesondere im Bereich von Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren oder vor allem auch im Bereich von Lagern eingesetzt. Die thermisch gespritzte Beschichtung ist dann typischerweise eine thermisch gespritzte Lagerschicht, beispielsweise eine Lagerbronze, insbesondere CuSn6Ag1. Die Erfahrung hat nun gezeigt, dass insbesondere bei derartigen gespritzten Lagerbronzen Inhomogenitäten im Schichtaufbau auftreten, welche der Funktionsfähigkeit der Lager entgegenstehen. Es scheint so, dass der grobe lamellare Aufbau mit Porositäten, spröden Phasen und Seigerungen von 6 - 10 % dafür verantwortlich ist. Ebenso scheinen die hohen Eigenspannungen und die daraus resultierende vergleichsweise hohe Härten in der Größenordnung von 170 - 200 HV0,1 eine Rolle zu spielen. Außerdem scheint es so, dass ferner die reduzierte Bruchdehnung von 0,4 - 0,6 % den motorischen Anforderungen nach Partikeleinbettfähigkeit, Biegewechselfestigkeit und Temperaturstabilität widersprüchlich entgegenstehen. Beispielhaft kann in diesem Zusammenhang auf die
Zum Stand der Technik wird auf die
Ferner ist es aus dem Stand der Technik bekannt aufgespritzte Schichten durch eine nachträgliche Wärmebehandlung zu sintern. In diesem Zusammenhang kann auf die
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats anzugeben, welches die genannten Nachteile vermeidet, und welches insbesondere für das Spritzen einer Lagerbronze eine sehr gute Lagereigenschaft der gespritzten Schicht ermöglicht. Außerdem ist es die Aufgabe der Erfindung, ein beschichtetes Bauteil anzugeben, welches insbesondere über ein solches Verfahren erhältlich ist.The object of the present invention is now to specify a method for coating a substrate which avoids the disadvantages mentioned and which enables very good storage properties of the sprayed layer, in particular for spraying a bearing bronze. In addition, it is the object of the invention to specify a coated component which can be obtained in particular via such a method.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst die im Anspruch 6 angegebene Verwendung des Verfahrens die Aufgabe. Letztlich wird die Aufgabe außerdem durch ein beschichtetes Bauteil mit den Merkmalen im Anspruch 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen hiervon ergeben sich aus dem abhängigen Unteranspruch.According to the invention, this object is achieved by a method having the features in the characterizing part of
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines Substrats ist es vorgesehen, dass in einem ersten Verfahrensschritt das Beschichtungsmaterial durch das thermische Spritzen auf das Substrat aufgetragen wird. Dies entspricht soweit dem Stand der Technik. Weitere Schritte wie beispielsweise ein Aufrauen der Oberfläche des Substrats oder eine entsprechende Vorbehandlung desselben sind dabei denkbar und möglich, jedoch nicht zwingend. Anschließend wird in einem zweiten erfindungsgemäßen Verfahrensschritt das beschichtete Substrat einem Glühprozess unterzogen. Ein solcher Glühprozess des beschichteten Substrats sorgt für eine sehr homogene Ausbildung der Beschichtung und hilft, nachteilige Eigenspannungen abzubauen und die Materialeigenschaften des Beschichtungsmaterials auf dem Substrat zu verbessern. Außerdem kommt es durch die Erwärmung in einem gewissen Grad auch zu einem Diffusionsprozess zwischen der Beschichtung und dem Substrat, was letztlich zu einer deutlich verbesserten Anhaftung der Beschichtung auf dem Substrat führt. All dies ist insbesondere für Gleitlagerwerkstoffe von entscheidendem Vorteil, sodass die Anwendung des Verfahrens, ohne dass diese darauf eingeschränkt ist, insbesondere bei der Beschichtung beispielsweise von Stahl mittels thermisch aufgespritzten Gleitlagerwerkstoffen wie beispielsweise der Lagerbronze CuSn6Ag1 liegt.In the method according to the invention for coating a substrate, it is provided that in a first method step the coating material is applied to the substrate by thermal spraying. This corresponds to the state of the art. Further steps such as roughening the surface of the substrate or a corresponding pretreatment of the same are conceivable and possible, but not mandatory. Subsequently, in a second method step according to the invention, the coated substrate is subjected to an annealing process. Such an annealing process of the coated substrate ensures a very homogeneous formation of the coating and helps to reduce disadvantageous internal stresses and to improve the material properties of the coating material on the substrate. In addition, the heating also leads to a certain extent to a diffusion process between the coating and the substrate, which ultimately leads to a significantly improved adhesion of the coating to the substrate. All of this is of decisive advantage, in particular for plain bearing materials, so that the application of the method, without being restricted to this, is in particular for the coating of steel, for example, using thermally sprayed plain bearing materials such as the bearing bronze CuSn6Ag1.
Erfindungsgemäß umfasst der Glühprozess wenigstens zwei unterschiedliche Temperaturstufen des geglühten Bauteils. Ein solcher zweistufiger Prozess der Wärmebehandlung hat sich als besonders Effizient erwiesen, wobei in einem ersten Schritt ein Spannungsarmglühen bei einer Temperatur von 220–300° C erfolgt, welches insbesondere die Rissanfälligkeit der Beschichtung reduziert. Anschließend erfolgt dann ein Homogenisierungsglühen bei einer Temperatur von 520 - 680° C, bei welchem die Eigenspannungen abgebaut werden und entstandene Seigerungen und Ähnliches durch eine Erhöhung der Diffusionsgeschwindigkeit aufgelöst oder zumindest reduziert werden. Außerdem wird die Entstehung von übersättigten Mischkristallen und damit auch die Bildung gröberer Körner unterstützt.According to the invention, the annealing process includes at least two different temperature stages of the annealed component. Such a two-stage process of heat treatment has proven to be particularly efficient, with stress-relief annealing taking place at a temperature of 220-300° C. in a first step, which in particular reduces the susceptibility to cracking of the coating. This is followed by homogenization annealing at a temperature of 520 - 680° C., at which the internal stresses are reduced and segregations and the like that have arisen are resolved or at least reduced by increasing the diffusion rate. In addition, the formation of supersaturated mixed crystals and thus the formation of coarser grains is supported.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass zumindest das Homogenisierungsglühen in einer Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird. Hierdurch lassen sich unerwünschte Reaktionen mit dem Luftsauerstoff vermeiden.In an advantageous development of the method according to the invention, it can be provided that at least the homogenization annealing is carried out in a protective gas atmosphere. This allows unwanted reactions with the oxygen in the air to be avoided.
Dadurch, dass das beschichtete Substrat erfindungsgemäß einem ein- oder insbesondere zweistufigen Glühprozess unterzogen wird, führt letztlich dazu, dass in der aufgespritzten Beschichtung die Anteile an Poren für den eingangs genannten 6 - 10 % auf unter 3 % reduziert werden. Außerdem reduzieren sich die Schichthärten in einen Bereich von ca. 130 - 160 HV0,1 und die Bruchdehnung lässt sich auf 0,8 - 1,2 % steigern. Zusätzlich wird die Haftfähigkeit der Beschichtung, wie bereits angesprochen, durch Diffusionsprozesse an der Grenzfläche zwischen dem Substrat, beispielsweise einem Stahlbauteil, und der Beschichtung, beispielsweise einem Lagerwerkstoff, entsprechend gesteigert. Ein beschichtetes Bauteil, welches insbesondere nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlich ist, besteht aus einem Substrat mit einer darauf thermisch aufgespritzten Beschichtung, welche eine Härte von 130 - 160 HV0,1, eine Bruchdehnung von 0,8 - 1,2 % und einen Anteil von Poren und Seigerungen in der Beschichtung von weniger als 3 %, bezogen auf jede beliebige Querschnittsfläche der Beschichtung, aufweist. Eine solche Eigenschaft der Beschichtung lässt sich beispielweise in einer mikroskopischen Betrachtung eines angeschliffenen Querschnitts durch den Aufbau aus Substrat und Beschichtung sehr leicht aufzeigen, da hier der Anteil der Poren und Seigerungen optisch erfasst und sein Anteil hinsichtlich der gesamten betrachteten Querschnittsfläche bestimmt werden kann. Bruchdehnung und Härte lassen sich über die üblichen Verfahren messen, wobei für die Härtemessung das Vickersverfahren eingesetzt wird, um die Härtewerte nach HV0,1 zu erhalten.Because the coated substrate according to the invention is subjected to a one- or in particular two-stage annealing process, the result is that the proportion of pores in the sprayed-on coating is reduced from the initially mentioned 6-10% to below 3%. In addition, the layer hardness is reduced to a range of approx. 130 - 160 HV0.1 and the elongation at break can be increased to 0.8 - 1.2%. In addition, as already mentioned, the adhesion of the coating is correspondingly increased by diffusion processes at the interface between the substrate, for example a steel component, and the coating, for example a bearing material. A coated component, which is obtainable in particular by the method according to the invention, consists of a substrate with a thermally sprayed coating thereon, which has a hardness of 130-160 HV0.1, an elongation at break of 0.8-1.2% and a proportion of Pores and segregations in the coating of less than 3% based on any cross-sectional area of the coating. Such a property of the coating can be shown very easily, for example, in a microscopic examination of a ground cross section through the structure of substrate and coating, since the proportion of pores and segregations can be optically recorded here and its proportion can be determined with regard to the entire cross-sectional area considered. Elongation at break and hardness can be measured using the usual methods, whereby the Vicker method is used to measure the hardness in order to obtain the hardness values according to HV0.1.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie des beschichteten Bauteils ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand eines Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend beschrieben wird.Further advantageous configurations of the method and of the coated component result from the remaining dependent subclaims and are made clear by means of an exemplary embodiment which is described below.
Die einzige beigefügte Figur zeigt einen Querschnitt durch einen Abschnitt eines Substrats mit einer aufgespritzten Beschichtung.The single figure attached shows a cross-section through a portion of a substrate with a sprayed coating.
In der einzigen beigefügten Figur ist ein Substrat 1, beispielsweise ein Stahlmaterial, zu erkennen. Auf dieses ist eine thermisch aufgespritzte Beschichtung 2, insbesondere eine Beschichtung aus der Lagerbronze CuSn6Ag1, thermisch aufgespritzt. Vor dem thermischen Aufspritzen wurde dabei die in der Darstellung der Figur zwischen dem Substrat 1 und der thermischen Beschichtung 2 liegende Oberfläche des Substrats 1 entsprechend aufgeraut, beispielsweise durch Korundstrahlen, eine mechanische Bearbeitung, das Einbringen von Riefen oder dergleichen. Dies ist für die hier vorliegende Erfindung von untergeordneter Bedeutung, sodass auf das Aufrauen nicht weiter eingegangen wird, insbesondere da dem Fachmann verschiedene Verfahren zum effektiven Aufrauen von Oberflächen des Substrats 1 vor der thermischen Beschichtung allgemein bekannt sind.A
Typischerweise ist es nun so, dass eine thermisch aufgespritzte Beschichtung 2 beispielsweise aus einer Lagerbonze, wenn sie gemäß dem Verfahren nach dem Stand der Technik aufgespritzt ist, typischerweise einen eher groben lamellaren Aufbau aufweist, welcher mit Porositäten von üblicherweise 6 - 10 %, spröden Phasen und Seigerungen versehen ist. Außerdem treten hohe Eigenspannungen mit daraus resultierenden Härten von 170 - 200 HV0,1 auf. Ferner kommt es zu einer reduzierten Bruchdehnung von lediglich 0,4 - 0,6 %. All dies steht den Anforderungen nach Partikeleinbettfähigkeit, Biegewechselfestigkeit und Temperaturstabilität - insbesondere beim Einsatz in Verbrennungsmotoren, z. B. für die Pleuellager - widersprüchlich entgegen. Das in
Dieser Glühprozess ist insbesondere als zweistufiger Glühprozess ausgebildet, bei welchem zuerst ein Spannungsarmglühen und anschließend ein Homogenisierungsglühen stattfindet. Diese Wärmebehandlung in zwei Schritten kann insbesondere so gestaltet sein, dass je nach Anzahl und Gewicht der Bauteile 3, insbesondere in Abhängigkeit der Wirtschaftlichkeit, mittels induktiver Erwärmung, einer Erwärmung über Laser oder einen Durchlaufofen, die entsprechenden Temperaturen an dem beschichteten Bauteil 1 für die noch genannten Haltezeiten eingestellt werden. Der erste Schritt besteht in einer Glühphase bei Temperaturen in der Größenordnung von 220 - 300° C für ca. 30 - 90 Minuten. Dieses Spannungsarmglühen führt zu einer Reduktion der Rissanfälligkeit, insbesondere bei Verwendung der Lagerlegierung CuSn6Ag1 für die Beschichtung 2. Anschließend erfolgt eine weitere Erwärmung für den Homogenisierungs-Glühprozess auf ca. 520 - 680° C für eine Haltedauer von 20 - 150 Minuten. Dieser zweite Glühprozess erfolgt dabei insbesondere unter Schutzgasatmosphäre, beispielsweise in einer Stickstoffatmosphäre.This annealing process is designed in particular as a two-stage annealing process, in which first a stress-relief annealing and then a homogenization annealing takes place. This heat treatment in two steps can in particular be designed in such a way that, depending on the number and weight of the
Anhand eines solchen Spannungsarmglühens mit nachfolgendem Homogenisierungsglühen werden nun die Eigenspannungen abgebaut und entstandene Seigerungen durch Diffusionsbeschleunigung aufgelöst. Ferner wir die Entstehung von übersättigten Mischkristallen und dadurch die Bildung gröberer Körner unterstützt. Die Wärmebehandlung resultiert in einer Beschichtung 2 mit einem Porenanteil, welcher auf unter 3 % der Querschnittsfläche der Beschichtung 2 reduziert ist. Außerdem reduziert sich die Härte der Beschichtung 2 auf ca. 130 - 160 HV0,1 mit einer gleichzeitig gesteigerten Bruchdehnung von 0,8 - 1,2 %. Durch den Glühprozess kommt es außerdem zu einer Verbesserung der Haftfähigkeit der Beschichtung, da durch die Diffusionsprozesse an der Grenzfläche zwischen dem Substrat 1 und der Beschichtung 2 ein Stoffaustausch auftritt, welcher die Anhaftung der Beschichtung verbessert. Vor allem bei einer Lagerschicht ist dies neben einer Verbesserung der oben genannten Eigenschaften ein erheblicher zusätzlicher Gewinn.With the help of such a stress-relief annealing with subsequent homogenization annealing, the internal stresses are now reduced and segregations that have arisen due to diffusion acceleration agreement dissolved. Furthermore, we support the formation of oversaturated mixed crystals and thus the formation of coarser grains. The heat treatment results in a
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