DE102014006064A1 - Beschichtetes Grauguss-Bauteil und Herstellungsverfahren - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung stellt ein Bauteil bereit, das ein Grauguss-Substrat (3) und zumindest eine Deckschicht (1) umfasst, wobei zwischen dem Substrat (3) und der zumindest einen Deckschicht (1) zumindest eine Oberflächenschicht (2) ausgebildet ist, die nitrid-, carbid- und oxidhaltige Schichten umfasst. Die Deckschicht (1) besteht aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Oxid-Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung des Bauteils offenbart.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einem Grauguss-Substrat mit einer Deckschicht, insbesondere eine Bremsscheibe eines Kraftfahrzeugs, sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
- Aus dem Stand der Technik ist bekannt, das Korrosions- und Verschleißverhalten eisenbasierter Werkstoffe durch Bildung einer geschlossenen Oxidschicht nach erfolgter Nitrierung bzw. Nitrocarburierung in gasförmigen oder flüssigen Medien zu verbessern.
- Bremsscheiben haben Reibringe, die ein tribologisches System mit den Bremsbelägen bilden. Beim Bremsen, wenn die unbewegten Bremsbeläge mit den rotierten Reibringen in Kontakt gebracht werden, erwärmen sich die Reibringe der Bremsscheiben infolge der Reibung. Die Bremswirkung hängt vom Zustand und der Oberflächenbeschaffenheit des Reibrings ab. Gerade die infolge der Bremsvorgänge erhöhte Temperatur der Bremsscheibe gegebenenfalls in Verbindung mit korrosiven Medien, wie Wasser und Streusalz, führen zu oder beschleunigen an den Reibringen auftretende Korrosion. Aus diesem Grund werden Bremsscheiben häufig an den Reibringen mit Korrosionsschutzschicht versehen. Weist diese allerdings beispielsweise infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten Risse auf, die sich bis zum Bremsscheibengrundkörper erstrecken, oder weisen Deckschicht und Grundkörper unterschiedliche elektrochemische Spannungspotentiale auf, kann es zur Korrosion des Grundkörpers unter der Deckschicht (korrosive Unterwanderung) kommen, die zu einer Delamination des beschichteten Grundkörpers und damit zu Einschränkungen bis hin zum Verlust der Bremswirkung führt.
- Um die Beständigkeit der Bremsscheiben gegenüber Korrosion und Oxidation, vor allem auch bei erhöhter Temperatur, zu verbessern, werden die Reibflächen von Bremsscheiben aus eisenbasiertem Material mit einer Korrosionsschutzschicht versehen, indem sie einer nitrocarburierenden Oberflächenbehandlung und anschließender oxidativen Nachbehandlung unterzogen werden.
- So ist aus
DE 10 2007 027 933 B4 ein Verfahren zum Nitrocarburieren von Bremsrotoren eines Kraftfahrzeugs bekannt. Der Bremsrotor aus einem eisenbasierten Material wird erwärmt und in einem temperierten ferritischen nitrocarburierenden Salzbad und einem temperierten oxidierenden Salzbad behandelt. Danach weist die Oberfläche des Bremsrotors eine Verbindungsschicht und eine darunter liegende Diffusionsschicht auf. An der Oberfläche der Verbindungsschicht liegt eine Fe3O4 enthaltende Oxidschicht vor, darunter besteht die Verbindungsschicht vornehmlich aus ε-Eisennitrid, Fe3N, sowie einem geringeren Anteil γ'-Eisennitrid, Fe4N. Die Diffusionsschicht enthält in dem eisenbasierten Material eine Konzentration an diffundiertem Stickstoff, die niedriger als in der Verbindungsschicht ist. -
DE 10 2011 053 253 A1 beschreibt eine Bremsscheibe aus Trägerteil und Reibring, die über Verbindungselemente aus Stahlwerkstoff miteinander verbunden sind. Dabei weisen die Verbindungselemente zumindest an den Endabschnitten eine Korrosionsschutzschicht auf, die in entsprechender Weise aus einer Diffusionsschicht, einer darüber liegenden Eisencarbonitride enthaltende Verbindungsschicht und einer darauf liegenden Oxidschicht besteht. - Die
DE 195 25 182 A1 offenbart ein Gasverfahren zur Erzeugung von Korrosions- und Verschleißschutzschichten auf Eisenbasiswerkstoffen, das die Nachteile der Salzbadverfahren in Bezug auf Umweltbelastung und der erzeugten Oberflächentopographie – die im Salzbadverfahren erzeugten Oberflächen sind rau und erfordern Nachbearbeitung – vermeidet. Dabei erfolgt zunächst die Nitrocarburierung in einem Normaldruck-Gasverfahren, wobei die Verbindungsschicht aus Eisencarbonitriden gebildet wird, woraufhin in einem plasmagestützten Unterdruckverfahren die Oberfläche der Verbindungsschicht aktiviert wird, ehe durch Oxidation im Normaldruck-Gasverfahren eine geschlossene und gleichmäßige Oxidschicht ausgebildet wird. - Das beschriebene Verfahren zur Erzeugung einer Korrosions- und Verschleißschutzschicht auf niedriglegierten Stählen ist unter dem Namen IONIT OXTM von Sulzer Metco, Bergisch Gladbach, bekannt (http://www.sulzer.com/de/Products-and-Services/Coating-Services/Plasma-Heat-Treatment/Processes/IONIT-OX). Näheres über Einsatzgebiete, wie zum Beispiel Bremsscheiben, und Vorteile des Verfahrens werden in online abrufbaren Broschüren beschrieben: „Fahrwerkstechnologie – Oberflächenlösungen für effizienten Einsatz" (https://www.sulzer.com/de//media/Documents/ProductsAndServices/Coating_Services/DLC_Coatings/Brochures/Chassis_V1.pdf) und „Surface Solutions for the Efficient Construction of Chassis, Brakes, Drives and Engines" (http:// www.sulzer.com/de//media/Documents/ProductsAndServices/Coating_Equipment/Plasma_Heat_Treatment/Brochures/Surface_Solutions_Automotive_V1.pdf).
- In
EP 2 394 072 B1 wird ein Verfahren zur Herstellung einer Grauguss-Bremsscheibe für ein Fahrzeug beschrieben, deren Reibflächen mittels Carborieren, Carbonitrieren, Einsatzhärten, Gasnitrieren, Oxidnitrieren, Gasnitrocarburieren, Plasmanitrieren, Plasmaoxidieren, Borieren, Plasmakarborieren oder Plasmaborieren nachbehandelt werden. Die Reibflächen können vor der Nachbehandlung mit einer Beschichtung aus Wolframcarbid, Chromcarbid und Nickel oder aus Wolframcarbid, Cobalt, Chrom und Nickel versehen werden. - Auch aus
DE 10 2011 122 308 A1 ist ein beschichtetes Bauteil bzw. Bremsscheibe bekannt, wobei zwischen Substrat und Deckschicht eine Zwischenschicht durch Phosphatieren, Nitrieren, Borieren, Sputtern, Bainitrieren, Carburieren, Karbonitrieren, Plasmanitrocarburieren, Anodisieren, durch eine chemische Nickel-Dispersion, durch ein thermisches Verfahren, durch ein chemisches Verfahren, durch physikalische Gasphasenabscheidung und/oder durch chemische Gasphasenabscheidung gebildet ist. - Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein weiter verbessertes, gegen Korrosion und Verschleiß geschütztes Bauteil wie eine Bremsscheibe aus Grauguss bereitzustellen, bei dem eine Rissausbreitung in der Deckschicht bis zum Substrat sowie korrosiver Unterwanderung der Deckschicht, die zu Delamination bis zum Totalversagen des Bauteils führt, zu verhindern bzw. zu verzögern.
- Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
- Die Aufgabe, ein solches Bauteil herzustellen, wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
- Weiterbildungen des Bauteils und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
- Ein erfindungsgemäßes Bauteil umfasst ein Grauguss-Substrat mit einer Deckschicht, die gegebenenfalls auch aus mehreren Deckschichtlagen bestehen kann. Dabei ist unmittelbar auf dem Substrat unterhasb der Deckschicht eine Oberflächenschicht ausgebildet, die nitrid-, carbid-, und oxidhaltige Lagen umfasst. Diese Oberflächenschicht ist durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und Oxidieren gebildet. Um die Korrosions- und Rissbeständigkeit sowie den Verschleißschutz zu verbessern, besteht die Deckschicht aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht. Die Deckschicht ist insbesondere als Reibschicht einer Bremsscheibe ausgebildet. „Cermet” bezeichnet sehr harte und verschleißfeste Verbundwerkstoffe aus keramischen Werkstoffen in einer metallischen Matrix mit hoher Thermoschock- und Oxidationsbeständigkeit.
- Die Deckschicht bedeckt das Bauteil dabei bevorzugt nur teilweise. Die Deckschicht ist zumindest auf Funktionsflächen des Bauteils aufgetragen. Eine bevorzugte Funktionsfläche ist dabei die Reibfläche einer Bremsscheibe.
- Die Cermet-Deckschicht in Verbindung mit der durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und Oxidieren gebildeten gehärteten Oberflächenschicht als elektrochemische Barriere verleiht dem Bauteil eine deutlich verbesserte Korrosions- und Rissbeständigkeit. Dadurch kann eine korrosive Unterwanderung mit der Folge des Totalversagens des Schichtsystems durch Delamination deutlich verzögert und somit die Standzeit und Lebensdauer des Schichtsystems bzw. des Bauteils – etwa der Bremsscheibe im Fahrzeug – deutlich verlängert werden.
- Für den Korrosionsschutz des Graugusssubstrats und die Haftfähigkeit der Deckschicht ist dabei der Aufbau der Oberflächenschicht von besonderer Bedeutung.
- Die Oberflächenschicht auf dem Grauguss-Substrat ist durch mehrere ineinander übergehende Lagen oder Schichten gebildet. Die unterste Lage mit einer Dicke von 100 bis 800 μm ist eine Diffusionszone, bei der das Graugussmaterial gelösten Stickstoff, Sondernitride, Karbide und Nitridausscheidungen aufweist. Diese Lage geht in eine Verbindungsschicht mit einer Dicke von 2 bis 20 μm über, welche epsilon-Nitrid oder -Carbonitrid, gamma-Nitrid und Sondernitride aufweist. Die oberste Lage in einer Dicke von 1 bis 3 μm wird im Wesentlichen durch Eisenoxid, insbesondere Fe3O4 gebildet.
- Als metallische Matrix der verschleißfesten Deckschicht, bzw. Cermet-Deckschicht, werden erfindungsgemäß hochlegierte Stähle oder Cr-Nickellegierungen mit einem Cr-Gehalt oberhalb 15 Gew.-% verwendet.
- Besonders geeignet sind hochlegierte CrNiMo-Stähle oder NiCrMo-Legierungen.
- Ein geeigneter CrNiMo-Stahl ist Fe28Cr16Ni4,5Mol,5Si1,75C, weist also eine Zusammensetzung aus 28 Gew.-% Chrom, 16 Gew.-% Nickel, 4,5 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Silizium, 1,75 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, auf.
- Geeignete NiCrMo-Legierungen können eine Zusammensetzung aus 20 bis 23 Gew.-% Chrom, bis zu 5 Gew.-% Eisen, 8 bis 10 Gew.-% Molybdän, 3,15 bis 4,15 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, den auf 100% ergänzenden Gewichtsanteil (Rest) Nickel aufweisen; besonders bevorzugt kann die Legierungszusammensetzung 21,5 Gew.-% Chrom, 2,5 Gew.-% Eisen, 9,0 Gew.-% Molybdän, 3,7 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel aufweisen.
- Ein besonders geeigneter austenitischer nichtrostender Stahl ist 1.4404 oder auch 316L, welcher 16–18,5 Gew.-% Cr, 10–14 Gew.-% Ni und 2–2,5 Gew.-% Mo umfasst.
- Die Keramikkomponente des Cermet-Werkstoffs der Deckschicht umfasst Oxidkeramiken, die aus Al2O3, TiO2, ZrO2 und MgAl2O4 (Spinell) sowie Kombinationen davon ausgewählt sind.
- Die Haftung der Oxidkeramiken wird durch die oberste Lage der Oberflächenschicht auf dem Graugusssubstrat aus Fe3O4 besonders begünstigt.
- In einer Ausführungsform kann die Keramikkomponente Al2O3 und zumindest eine weitere Oxidkeramik umfassen, die aus TiO2, ZrO2, MgAl2O4 ausgewählt ist, wobei Al2O3 einen Anteil von 60 bis 90 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente ausmacht. Eine besonders bevorzugte Keramikzusammensetzung besteht aus 97 Gew.-% Al2O3 und 3 Gew.-% TiO2.
- Der Keramik-Anteil innerhalb des Cermet-Werkstoffs beträgt bevorzugt 30 bis 70 Gew.-%.
- Die Oberflächenschicht an der Grauguss-Substratoberfläche weist eine Oxidschicht über einer nitrocarburierten Verbindungsschicht auf, an die eine Diffusionsschicht angrenzt, in der die Konzentration der in das Substrat eindiffundierten Gase geringer ist als in der Verbindungsschicht. Die Verbindungsschicht enthält vorwiegend ε-Eisennitrid, sowie andere Nitride und Carbide, und die Oxidschicht enthält vorwiegend Eisenoxid. Die Schichtdicke der Diffusionsschicht liegt in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm, die der Verbindungsschicht von 2 bis 30 μm und die der Oxidschicht von 1 bis 5 μm.
- Die Oberflächenschicht kann auf die Funktionsfläche des Bauteils beschränkt werden. Bevorzugt wird sie auf die gesamte Bauteiloberfläche aufgetragen, da hierdurch das gesamte Bauteil eine Korrosionsschutzschicht erhält. Insbesondere wird die Oberflächenschicht auch auf die Oberflächen von Lüftungskanälen oder Durchgangsbohrungen einer innenbelüfteten und gelochten Bremsscheibe aufgebracht. Hierdurch werden ein effektiver Korrosionsschutz der gesamten Bremsscheibe erreicht und ein von Durchgangs- oder Perforationsbohrungen ausgehendes Unterwandern der Deckschicht mit Korrosionsprodukten vermieden.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Deckschicht und der Oberflächenschicht eine Zwischenschicht vorgesehen, die aus einer nickelbasierten Legierung, bevorzugt aus einer Nickelchromlegierung, oder aus dem Matrixmetall des Cermet-Werkstoffs ohne die Keramikkomponente besteht. Diese weitere Zwischenschicht kann eine Schichtdicke im Bereich von 30 bis 120 μm aufweisen. Die Zwischenschicht dient zum Ausgleich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grauguss-Substrat und Cermet-Deckschicht, quasi als elastischer Ausgleich..
- Die Schichtdicke der Cermet-Deckschicht liegt in einem Bereich von 100 bis 500 μm. Vorzugsweise können die Deckschicht und entsprechend auch die Oberflächen- bzw. Zwischenschichten lediglich an tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils vorgesehen sein, während an anderen Bereichen des Bauteils das Substrat an der Oberfläche vorliegt oder andere Beschichtungen vorliegen können.
- Um den Verbund der Deckschicht an dem Substrat zu verbessern, kann die Oberfläche des Substrats und so die Oberflächen- bzw. Zwischenschichten in den durch die Deckschicht bedeckten Bereichen mechanisch aufgeraut bzw. profiliert sein, so dass sich die Deckschicht mit dem Substrat verzahnt.
- Bei dem erfindungsgemäßen Bauteil, das durch die Deckschicht und durch die Oberflächen- und gegebenenfalls auch Zwischenschichten deutlich hinsichtlich Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit verbessert ist, kann es sich um eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug handeln, wobei die Deckschicht an den Reibflächen der Bremsscheibe aufgebracht ist. Neben der verbesserten Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit stellt die Cermet-Deckschicht auch verbesserte tribologische Eigenschaften für das Reibsystem Bremsscheibe-Bremsbeläge bereit.
- Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils umfasst zunächst das Herstellen des Bauteilsubstrats aus Grauguss, beispielsweise das Gießen eines Bremsscheibengrundkörpers aus einer Graugusslegierung. Die Substratoberfläche wird dann zumindest an den Oberflächenbereichen, die tribologisch beanspruchte Flächen des Bauteils bilden, einer Nitrierung, Carburierung, Nitrocarburierung in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren unterzogen und durch anodische oder Plasmaoxidation oxidiert, wobei die Oberflächenschicht gebildet wird. Ein bevorzugtes Härtungsverfahren umfasst das Nitrocarburieren, Plasmaaktivieren und Oxidieren der Substratoberfläche. Für die Deckschicht wird ein Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente bereitgestellt, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht. Bevorzugt werden die Komponenten des Cermet-Werkstoffs als Pulver bereitgestellt und erst beim Aufbringen auf die Oberflächenschicht zum fertigen Cermet-Material vereint. Der Cermet-Werkstoff wird auf die Oberflächenschicht aufgebracht und so die Deckschicht ausgebildet. Das Aufbringen des Cermet-Werkstoffs erfolgt bevorzugt durch thermisches Spritzen, insbesondere Pulverspritzverfahren oder durch Sprühkompaktieren.
- Vor dem Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und Oxidieren können die Oberflächen des Substrats, die die tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils bilden, mechanisch aufgeraut bzw. profiliert werden.
- Alternativ oder zusätzlich zur Profilierung der Substratoberfläche kann nach dem Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und Oxidieren der Substratoberfläche eine nickelbasierte Legierung oder das reine Matrixmetall auf die Oberflächenschicht aufgebracht werden und so eine zusätzliche Zwischenschicht als Verschleißschutz und gegebenenfalls zur Unterstützung der Haftung der Deckschicht an der Oberflächenschicht gebildet werden
- Auch das Aufbringen der nickelbasierten Legierung bzw. des Matrixmetalls kann durch thermisches Spritzen erfolgen. Nickel oder Nickellegierungen werden bevorzugt galvanisch aufgebracht.
- Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt.
- Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
- Dabei zeigen:
-
1 eine Querschnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus Grauguss-Substrat mit Oberflächenschicht und Deckschicht, -
2 eine Querschnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus Grauguss-Substrat mit gehärteter Oberflächenschicht, einer weiteren nickelbasierten Zwischenschicht und Deckschicht, -
3 eine mikroskopische Schliffbildaufnahme durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus Grauguss-Substrat mit profilierter Oberfläche und gehärteter Oberflächenschicht, einer weiteren nickelbasierten Zwischenschicht und Deckschicht, -
4 eine Querschnittansicht durch einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Bauteils aus Grauguss-Substrat mit der aus Diffusionsschicht, Verbindungsschicht und Oxidschicht gebildeten Oberflächenschicht, einer weiteren nickelbasierten Zwischenschicht und Deckschicht. - Die Erfindung bezieht sich auf ein Bauteil mit einem Grauguss-Grundkörper, dessen Korrosions- und Verschleißeigenschaften durch eine gehärtete Oberflächenschicht und eine darauf aufgebrachte Deckschicht, gegebenenfalls auch noch weiteren Schichten, verbessert ist. Die Schichten verhindern bzw. vermindern z. B. die Ausbreitung von Rissen, die im Betrieb des Bauteils an der Oberfläche auftreten können. Dadurch, dass die Rissausbreitung in das Grauguss-Substrat vermieden wird, wird auch eine korrosive Unterwanderung der Schichten wirksam verhindert, so dass es nicht oder erst deutlich später zum Versagen des Bauteils etwa durch Delamination kommt.
-
1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Bauteilausschnitt. An der Oberfläche des Grauguss-Substrats3 , das den Grundkörper des Bauteils bildet, ist durch Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und Oxidieren eine gehärtete Oberflächenschicht2 ausgebildet, auf die eine Deckschicht1 aufgebracht ist. Die Deckschicht1 besteht aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht. -
2 zeigt ein alternativ ausgeführtes Bauteil, das zwischen der gehärteten Oberflächenschicht2 und der Deckschicht1 eine zusätzliche Zwischenschicht4 aus einer nickelbasierten Legierung, vorzugsweise einer korrosionsbeständigen und hochtemperaturfesten Nickelchromlegierung, aufweist. - Die fotografische Mikroskopaufnahme in
3 zeigt ein an der Oberfläche profiliertes Substrat3 . Die gehärtete Oberflächenschicht2 liegt an der Substratoberfläche mit einer Schichtdicke von ca. 30 μm Verbindungsschicht und 3 μm Oxidschicht vor und ist durch die gestrichelte Linie angedeutet. Auf das profilierte Substrat3 bzw. die Oberflächenschicht2 ist in diesem Ausführungsbeispiel eine nickelbasierte Zwischenschicht4 mit einer Schichtdicke von durchschnittlich ca. 100 μm aufgebracht. Wie in der Aufnahme zu sehen ist, variiert die Schichtdicke der Zwischenschicht4 aufgrund der profilierten Substratoberfläche. Die Deckschicht1 aus Cermet weist eine durchschnittliche Dicke von ca. 350 μm auf. Variationen in der Schichtdicke ergeben sich auch hier aus der profilierten Substratoberfläche, die allerdings vorteilhaft durch diesen Verzahnungseffekt für einen besseren Verbund zwischen Deckschicht1 und dem mit der Zwischenschicht4 beschichteten Substrat3 sorgt. - Nachfolgend wird anhand
4 , in der die Schichten eines erfindungsgemäßen Bauteils in einer Ausführungsform mit zusätzlicher Zwischenschicht4 detaillierter skizziert sind, die Herstellung eines erfindungsgemäßen Bauteils erläutert. - Ein erfindungsgemäßes Bauteil weist auf dem Grauguss-Substrat
3 , das den gegossenen Grundkörper bildet, die gehärtete Oberflächenschicht2 auf, die vorzugsweise durch Nitrocarburieren, Plasmaaktivieren und Oxidieren nach dem IONIT OXTM-Verfahren, gegebenenfalls aber auch durch andere Nitrier-, Carburier-, Nitrocarburier- und Oxidationsprozesse gebildet wird. Optional (in4 nicht dargestellt) kann die Substratoberfläche zuvor mechanisch profiliert werden. Die Oberflächenschicht2 setzt sich ausgehend vom Substrat3 aus einer Diffusionsschicht21 , einer Verbindungsschicht22 und einer Oxidschicht23 zusammen. Während der Nitrocarburierung dringen Stickstoff und Kohlenstoff in die Substratoberfläche ein, wobei in der Verbindungsschicht22 , deren Schichtdicke in einem Bereich von 2 bis 30 μm liegt, vorwiegend ε-Eisennitrid bzw. -Carbonitrid sowie in geringerem Umfang γ'-Eisennitrid und Sondernitride gebildet werden. Unter der Verbindungsschicht22 erstreckt sich die Diffusionsschicht21 in das Substrat3 , die geringere Konzentrationen an eindiffundiertem Stickstoff und Kohlenstoff als in der Verbindungsschicht22 aufweist, und in der Stickstoff in „Lösung” im Substratgefüge neben Sondernitriden, Karbiden und Nitridausscheidungen vorliegen. Die Dicke der Diffusionsschicht liegt in einem Bereich von 0,1 bis 0,8 mm, abhängig auch von den Behandlungsbedingungen und den Substrateigenschaften. - Die Oberfläche der Verbindungsschicht
22 wird nach Plasmaaktivierung oxidiert, so dass auf der Verbindungsschicht22 , die eine definierte Porenstruktur aufweist, eine weitgehend geschlossene Oxidschicht23 aus Fe3O4 mit einer Schichtdicke im Bereich von 1 bis 5 μm gebildet wird. - Um den Schichtaufbau aus
4 zu erhalten, wird eine Zwischenschicht4 aus einer nickelbasierten Legierung oder dem Matrixmetall auf die Oxidschicht23 aufgebracht, ehe der Cermet-Werkstoff zur Bildung der Deckschicht1 appliziert wird. Die Zwischenschicht4 kann eine Schichtdicke im Bereich von 30 bis 120 μm und die Deckschicht1 eine Schichtdicke im Bereich von 100 bis 500 μm aufweisen. - Zwischen der Zwischenschicht
4 und der Oxidschicht23 – in Ausführungsbeispielen ohne Zwischenschicht4 entsprechend zwischen der Cermet-Deckschicht1 und der Oxidschicht23 – liegt eine Mischzone11 vor, in der das Eisenoxid der Oxidschicht23 mit der nickelbasierten Legierung bzw. dem Matrixmetall der Zwischenschicht4 (bzw. mit dem Matrixmetall der Deckschicht1 ) vermischt vorliegen. Besteht die Zwischenschicht4 aus einer nickelbasierten Legierung, die sich von dem Matrixmetall unterscheidet, dann liegt auch zwischen der Deckschicht1 und der Zwischenschicht4 eine Mischzone11 vor. Die Dicke der Mischzone11 kann in Abhängigkeit der Auftragungsart und Auftragungsparameter variieren. - Sowohl das Aufbringen der nickelbasierten Legierung bzw. des Matrixmetalls zur Bildung der Zwischenschicht
4 als auch das Aufbringen des Cermet-Werkstoffs zur Bildung der Deckschicht1 kann durch thermisches Spritzen erfolgen. - Die Deckschicht
1 sowie die darunter liegenden Schichten2 ,4 können auf tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils, d. h. im Falle einer Bremsscheibe als Bauteil auf die Reibflächen einer Bremsscheibe, beschränkt sein. - Das Matrixmetall kann ein hochlegierter CrNiMo-Stahl oder eine NiCrMo-Legierung sein. Für die zusätzliche Zwischenschicht kommen nickelbasierte, vorzugsweise NiCr-Legierungen, oder reines Matrixmetall ohne Keramikkomponente in Frage.
- Ein zur Ausbildung der metallischen Matrix der Deckschicht geeigneter CrNiMo-Stahl weist die Zusammensetzung Fe 28Cr 16 Ni 4,5 Mo 1,5 Si 1,75 C auf. Geeignete NiCrMo-Legierung umfassen Zusammensetzungen aus Ni 20–23Cr < 5Fe 8–10Mo 3,15–4,15Nb(+Ta) (InconelTM 625, Special Metals Corporation, Huntington, West Virginia, USA), besonders bevorzugt geeignet ist Ni 21,5Cr 2,5Fe 9,0Mo 3,7 (Nb + Ta).
- Als Material zur Bildung der Zwischenschicht können auch weitere nickelbasierte Legierungen, insbesondere NiCr-Legierungen in Frage kommen.
- Die Keramikkomponente der Deckschicht
1 umfasst Oxidkeramiken wie Al2O3, TiO2, ZrO2 und MgAl2O4 (Spinell). Diese können einzeln oder in Kombinationen als verstärkende Keramikkomponente des Cermets ausgewählt werden. So kann die Keramikkomponente beispielsweise neben Al2O3 als Hauptkomponente zumindest eine weitere Oxidkeramik als Nebenkomponente aufweisen, die aus der Gruppe ausgewählt wird, die TiO2, ZrO2, MgAl2O4 umfasst. Der Anteil an Al2O3 an der gesamten Keramikkomponente, deren Anteil im Cermet-Werkstoff im Bereich von 30 bis 97 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs liegt, kann dabei 60 bis 90 Gew.-% ausmachen. Die weitere Oxidkeramik TiO2, ZrO2 und/oder MgAl2O4 liegt dann entsprechend mit einem Anteil von 10 bis 40 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente vor. Vorzugsweise liegt der Anteil an Al2O3 an der gesamten Keramikkomponente im Bereich von 75 bis 85 Gew.-%, bevorzugt bei 80 Gew.-%. - Die beispielsweise durch thermisches Spritzen aufgebrachte Deckschicht aus dem Cermet-Werkstoff weist eine Porosität unter 5% und eine Mikrohärte zwischen 300 HV.03 und 1000 HV.03 auf.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (11)
- Bauteil, umfassend ein Grauguss-Substrat (
3 ) und zumindest eine Deckschicht (1 ), wobei zwischen dem Substrat (3 ) und der zumindest einen Deckschicht (1 ) unmittelbar auf dem Grauguss-Substrat (3 ) eine Oberflächenschicht (2 ) ausgebildet ist, die nitrid-, carbid- und/oxidhaltige Lagen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Deckschicht (1 ) aus einem Cermet-Werkstoff aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Oxid-Keramikkomponente besteht, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht. - Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Matrix des Cermet-Werkstoffs ein hochlegierter CrNiMo-Stahl ist, der bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 28 Gew.-% Chrom, 16 Gew.-% Nickel, 4,5 Gew.-% Molybdän, 1,5 Gew.-% Silizium, 1,75 Gew.-% Kohlenstoff, Rest Eisen, aufweist, oder eine NiCrMo-Legierung ist, die bevorzugt eine Zusammensetzung umfassend 20 bis 23 Gew.-% Chrom, bis zu 5 Gew.-% Eisen, 8 bis 10 Gew.-% Molybdän, 3,15 bis 4,15 Gew.-% Niob und Tantal in Summe, Rest Nickel, aufweist,
- Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkomponente Oxidkeramiken umfasst, die aus Al2O3, TiO2, ZrO2 und MgAl2O4 und Kombinationen davon ausgewählt sind.
- Bauteil nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramikkomponente Al2O3 und zumindest eine weitere Oxidkeramik umfasst, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend TiO2, ZrO2, MgAl2O4, wobei Al2O3 einen Anteil von 60 bis 97 Gew.-% der gesamten Keramikkomponente ausmacht.
- Bauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenschicht (
2 ) ausgehend von dem Substrat (3 ) eine Diffusionsschicht (21 ), eine nitrid- und carbidhaltige Verbindungsschicht (22 ) und eine Oxidschicht (23 ) aufweist, wobei die Diffusionsschicht (21 ) eine Schichtdicke von 0,1 bis 0,8 mm, die Verbindungsschicht (22 ) eine Schichtdicke von 2 bis 30 μm und die Oxidschicht (23 ) eine Schichtdicke von 1 bis 5 μm aufweist. - Bauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Deckschicht (
1 ) und der Oberflächenschicht (2 ) eine Zwischenschicht (4 ) vorgesehen ist, die aus einer nickelbasierten Legierung, bevorzugt einer Nickelchromlegierung, oder aus der metallischen Matrix besteht, wobei die Zwischenschicht (4 ) aus der nickelbasierten Legierung oder dem Matrixmetall eine Schichtdicke von 30 bis 120 μm aufweist. - Bauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass – die Deckschicht (
1 ) eine Schichtdicke von 100 bis 500 μm aufweist, und/oder – die Deckschicht (1 ) an tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils vorgesehen ist, und/oder – die Oberfläche des Substrats (3 ) in den durch die Deckschicht (1 ) bedeckten Bereichen aufgeraut ist. - Bauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil eine Bremsscheibe für ein Kraftfahrzeug ist, die Oberflächenschicht im Wesentlichen auf der gesamten Bauteiloberfläche und die Deckschicht (
1 ) an den Reibflächen der Bremsscheibe aufgebracht ist. - Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend die Schritte: – Herstellen des Grauguss-Substrats (
3 ), – Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren in einem Gas-, Plasma- oder Salzbadverfahren und/oder durch anodische oder Plasmaoxidation Oxidieren, bevorzugt Nitrocarburieren, Plasmaaktivieren und Oxidieren, des Substrats zumindest an den Oberflächen, die tribologisch beanspruchte Flächen des Bauteils bilden, dabei Bilden der Oberflächenschicht (2 ), – Bereitstellen eines Cermet-Werkstoffs aus einer metallischen Matrix und einer darin verteilten Keramikkomponente, die 30 bis 70 Gew.-% des Cermet-Werkstoffs ausmacht, und – Aufbringen des Cermet-Werkstoffs auf die Oberflächenschicht (2 ) und Ausbilden der Deckschicht (3 ). - Verfahren nach Anspruch 9, umfassend zumindest einen der Schritte: vor dem Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren – mechanisch Aufrauen der Oberflächen des Substrats (
3 ) zumindest an den Oberflächen, die die tribologisch beanspruchten Flächen des Bauteils bilden, und/oder nach dem Nitrieren, Carburieren, Nitrocarburieren und/oder Oxidieren – Aufbringen einer nickelbasierten Legierung oder des Matrixmetalls auf die Oberflächenschicht (2 ), dabei Ausbilden einer Zwischenschicht (4 ). - Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Aufbringen des Cermet-Werkstoffs zur Bildung der Deckschicht (
1 ) und/oder das Aufbringen der nickelbasierten Legierung oder des Matrixmetalls zur Bildung der weiteren Zwischenschicht (4 ) durch thermisches Spritzen erfolgt.
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