DE102014011139A1

DE102014011139A1 - Motorkomponente

Info

Publication number: DE102014011139A1
Application number: DE102014011139.3A
Authority: DE
Inventors: Oliver Neufang; Christian König; Johannes König; Mareike Hahn
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2015-01-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Motorkomponente (1) aus einem Substrat (2), welches mit einer thermisch gespritzten Beschichtung (3) versehen ist, wobei zwischen dem Substrat (2) und der Beschichtung (3) eine Haftschicht (5) angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Motorkomponente ist dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) unmittelbar auf die feinbearbeitete Oberfläche (4) des Substrats (2) aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Motorkomponente nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art.
Motorkomponenten aus einem Substrat mit einer thermischen Beschichtung sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt. Die thermische Beschichtung soll dabei mittels thermischen Spritzens aufgetragen werden, also beispielsweise durch Plasmaspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen. Typischerweise ist es so, dass, um eine ausreichende Haftung der durch thermisches Spritzen aufgetragenen Beschichtung zu gewährleisten, das Substrat entsprechend vorbehandelt wird. Man spricht hierbei auch von einer Aktivierung des Substrats.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, dass das Substrat dafür fertig bearbeitet, typischerweise feinbearbeitet, wird. Eine solche Feinbearbeitung kann insbesondere durch Feinbohren, Feindrehen oder Schlichten erfolgen. Auf die dann relativ glatte Oberfläche, welche beispielsweise bei einer geschlichteten Oberfläche Rautiefen in der Größenordnung von R_z = 5 μm aufweisen können, erfolgt dann die bereits angesprochene Aktivierung. Bei dieser Aktivierung wird die Oberfläche entweder mikroskopisch, beispielsweise durch abrasives Strahlen, oder makroskopisch durch das Einbringen einer gezielten geometrischen Struktur aufgeraut. Mischverfahren, welche beispielsweise auf einem Einbringen einer geometrischen Struktur und einer nachfolgenden Verformung bzw. dem gezielten Brechen der Späne basieren, sind ebenso denkbar. Auf die so aufgeraute Oberfläche wird dann typischerweise die thermische Beschichtung, beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen, aufgetragen.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es auch bekannt, dass für bestimmte Legierungen der Beschichtung zusätzliche Haftschichten auf die aktivierte Oberfläche aufgetragen werden, bevor diese beschichtet wird. Solche Haftschichten sind aus dem allgemeinen Stand der Technik beim thermischen Spritzen bekannt und können beispielsweise als Nickel-Aluminium-Haftvermittler aufgetragen werden.
Aus dem weiteren allgemeinen Stand der Technik in Form der WO 2012/100847 A1 ist insbesondere für eine diamantähnliche Kohlenstoffschicht auf einem Substrat der Einsatz von metallischen Haftschichten bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung liegt nun darin, eine Motorkomponente mit einer Beschichtung durch thermisches Spritzen dahingehend weiterzubilden, dass ein sehr einfacher und in seiner Herstellung kostengünstiger Aufbau der Motorkomponente mit sehr guten Haftungseigenschaften der thermisch gespritzten Beschichtung erzielt werden kann. Außerdem ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mittels thermischen Spritzens anzugeben.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch die Merkmale in den Ansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Motorkomponente und/oder des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den hiervon jeweils abhängenden Unteransprüchen.
Den Erfindern hat sich bei Untersuchungen zur Hafteigenschaft von Schichten in überraschender Weise gezeigt, dass eine Haftschicht auch dann zu außerordentlich guten Hafteigenschaften der thermisch aufgespritzten Beschichtung führt, wenn diese unmittelbar auf die feinbearbeitete Oberfläche des Substrats aufgebracht ist. Auf eine vorherige Aktivierung der Oberfläche des Substrats, bevor die Haftschicht aufgetragen wird, kann also verzichtet werden. Die Untersuchungen und Versuche der Erfinder haben gezeigt, dass die Hafteigenschaften der thermischen Beschichtung bei Verwendung einer Haftschicht sich weitgehend unabhängig von der Vorbereitung bzw. der Aktivierung des Substrats außerordentlich positiv verhalten. Durch die Verwendung einer Haftschicht kann also unter Verzicht auf die aufwändige und damit kosten- und zeitintensive Aktivierung der Oberfläche des Substrats eine hervorragend anhaftende thermische Beschichtung realisiert werden.
Grundlage hierfür scheint die Tatsache zu sein, dass die Haftschicht einen chemischen Verbund mit dem Substrat eingeht und dadurch besonders gute Eigenschaften hinsichtlich der Anhaftung am Substrat zeigen. Den Erfindern ist es bei Haftzugtests nicht gelungen, die Haftschicht von dem – bei diesen Versuchen geschlichteten – Substrat abzuziehen, vielmehr kam es bei den sehr hohen durchschnittlichen Werten von 68 MPa im Mittel zu einem Bruch des Klebers bei nach wie vor anhaftender Haftschicht an dem Substrat. Auf dieser sehr gut anhaftenden Haftschicht kann dann wiederum die thermisch gespritzte Beschichtung entsprechend gut anhaften, sodass insgesamt ein sehr guter Haftverbund der Beschichtung erzielt wird.
Darüber hinaus bietet die erfindungsgemäße Motorkomponente auch die Möglichkeit, Substrate einzusetzen, welche nicht oder nicht wirtschaftlich aktiviert werden können. Erstmals ist es somit auch möglich, Motorkomponenten aus derartigen Substraten zu realisieren und dennoch eine sehr gut anhaftende thermische Beschichtung auf den Motorkomponenten bzw. in Teilbereichen der Motorkomponenten zu erhalten.
Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Motorkomponente weist die Haftschicht dabei Nickel und/oder Aluminium auf. Eine solche Haftschicht, insbesondere eine Haftschicht aus Nickel und Aluminium, hat sich als besonders geeignet erwiesen, um insbesondere Motorkomponenten auf der Basis von Aluminium- oder Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einer entsprechenden thermischen Beschichtung zu versehen, welche auch ohne eine Aktivierung der Oberfläche des Substrats sehr gut anhaftet.
Eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Motorkomponente sieht es dabei vor, dass die Beschichtung Kupfer aufweist. Insbesondere bei kupferlegierten Beschichtungen hat sich der erfindungsgemäße Aufbau der Motorkomponente besonders gut bewährt, vorzugsweise in der Kombination mit einer Haftschicht, welche Nickel und/oder Aluminium, insbesondere Nickel und Aluminium aufweist.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Motorkomponente sieht es dabei vor, dass die Haftschicht ebenfalls mittels thermischen Spritzens, insbesondere mittels Lichtbogendrahtspritzen, auf das Substrat aufgebracht ist. Insbesondere eine solche thermisch gespritzte Haftschicht weist durch eine Überlagerung ihrer Partikel beim thermischen Spritzen eine Oberflächenstruktur auf, welche sich sehr gut für die Anhaftung der später über thermisches Spritzen aufgebrachten Beschichtung eignet. Diese Beschichtung kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ebenfalls durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einer Beschichtung ist es dementsprechend vorgesehen, dass die Beschichtung mittels thermischen Spritzens auf das Substrat aufgetragen wird, wobei erfindungsgemäß das Substrat zuerst feinbearbeitet wird, wonach die Haftschicht aufgetragen wird und wonach die Beschichtung auf die Haftschicht aufgebracht wird. Wie oben bereits ausgeführt, verzichtet das erfindungsgemäße Verfahren, welches sich insbesondere zur Beschichtung von Motorkomponenten einsetzen lässt, auf die Aktivierung der Oberfläche des Substrats. Vielmehr wird unmittelbar nach der Feinbearbeitung beispielsweise durch Feindrehen, Feinbohren oder Schlichten die Haftschicht aufgetragen und auf diese dann wiederum die thermisch gespritzte Beschichtung. Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht es vor, dass die Haftschicht durch thermisches Spritzen, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht ist. Hierdurch werden die oben bereits beschriebenen Vorteile hinsichtlich der freien Oberfläche der Haftschicht erzielt. Als thermisches Spritzen kann auch hier vorzugsweise Lichtbogendrahtspritzen eingesetzt werden, und zwar sowohl für die Beschichtung als auch für die Haftschicht, sofern diese über thermisches Spritzen aufgebracht wird.
Als Motorkomponenten im Sinne der Erfindung können verschiedene Motorkomponenten eingesetzt werden, insbesondere kann es sich bei derartigen Motorkomponenten um Motorkomponenten handeln, bei denen eine thermisch gespritzte Beschichtung bereits bekannt und üblich ist, beispielsweise Zylinderlaufflächen und/oder Kolbenringe in einem Verbrennungsmotor, welche zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften zwischen Zylinderlauffläche und Kolben bzw. Kolbenringen beschichtet werden. Dies dient einer Verbesserung des Motorwirkungsgrades und reduziert den Kraftstoffbedarf. Weitere Motorkomponenten können beispielsweise Pleuel bzw. ihre Pleuelaugen sein, welche mit einer entsprechenden thermischen Beschichtung, insbesondere einer kupferlegierten Beschichtung versehen werden, um die Reibungseigenschaften zu optimieren und damit ebenfalls zur Steigerung des Wirkungsgrads des Motors beizutragen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Motorkomponente bzw. des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich auch aus dem Ausführungsbeispiel, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
1 einen schematischen Schnitt durch eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Motorkomponente; und
2 elektronenmikroskopische Aufnahmen

a) einer mittels Hochdruckwasserstrahlen aktivierten Oberfläche, und
b) der Oberfläche einer Haftschicht im Aufbau gemäß der Erfindung.

In der Darstellung der 1 ist eine Motorkomponente 1 bzw. ein Ausschnitt einer solchen Motorkomponente 1 zu erkennen. Bei der Motorkomponente kann es sich insbesondere um die Zylinderlauffläche, einen Kolbenring, ein Pleuel bzw. dessen Lagerauge oder ähnliches handeln. Die Motorkomponente 1 besteht im Wesentlichen aus einem Substrat 2, auf welches eine Beschichtung 3 als thermische Beschichtung, insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen, aufgebracht ist. In der schematischen Darstellung der 1 ist die Beschichtung 3 dabei an ihrer beispielsweise dem späteren Reibpartner zugewandten in der Darstellung der 1 oben dargestellten Oberfläche nachbearbeitet und weist die angedeutete hohe Oberflächenqualität mit sehr geringer Rauheit auf. Das Substrat 2 ist an seiner der Beschichtung 3 zugewandten Oberfläche 4 ebenfalls feinbearbeitet, beispielsweise geschlichtet, feingebohrt, feingedreht oder dergleichen. Auch diese Oberfläche weist eine sehr geringe Rauheit auf, beispielsweise in der Größenordnung von R_z = 5 μm. Auf diese Oberfläche 4 des Substrats 2 wird eine Haftschicht 5 aufgetragen, insbesondere eine Haftschicht 5 aus Nickel und Aluminium, welche durch ein thermisches Spritzverfahren, insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen, auf die Oberfläche 4 des Substrats aufgetragen wird. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass diese Haftschicht 5 dabei eine sehr gute Anhaftung an dem Substrat 2 hat, welche durch eine chemische Verbindung entsteht, und welche, wie oben bereits erwähnt, in Haftzugtests eine hervorragende Anhaftung erzielt. Durch das Auftragen der Haftschicht 5, insbesondere durch das angesprochene thermische Spritzen, kommt es zu einer weitgehend zufälligen Überlagerung von einzelnen Partikeln der Haftschicht 5 untereinander, sodass in Richtung der später aufgetragenen thermischen Beschichtung 5 eine Oberflächenstruktur erzielt wird, welche in der Darstellung der 2b als Rasterelektronenmikroskop-(REM)-Aufnahme zu erkennen ist. Die Oberfläche der am Substrat 2 sehr gut anhaftenden Haftschicht 5 ist entsprechend rau, wie es stark überhöht in der Darstellung der 1 angedeutet ist. An dieser rauen Oberfläche lässt sich dann eine sehr gute Anhaftung der Beschichtung 5 erzielen, sodass insgesamt ein außerordentlich gut anhaftender Aufbau mit dem Substrat 2 und der Beschichtung 5 realisiert werden kann, ohne dass die Oberfläche 4 des Substrats 2 zuvor durch eine entsprechende Bearbeitung aktiviert bzw. aufgeraut werden müsste.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik hinsichtlich thermisch gespritzter Beschichtungen ist es bekannt, dass von den herkömmlichen Aktivierungsverfahren typischerweise durch das sogenannte Hochdruckwasserstrahlen (HDWS) eine Oberfläche eines Substrats in einer Art und Weise aktiviert werden kann, welche ebenfalls gute Anhaftungseigenschaften ermöglicht. Die REM-Aufnahme in der Darstellung der 2a) zeigt eine derartige über Hochdruckwasserstrahlen aktivierte Oberfläche eines Substrats. Eine deutliche Ähnlichkeit zu der Oberflächenstruktur der Haftschicht 5 in der Darstellung der 2b) ist dabei zu erkennen und könnte als Erklärung dienen, warum der in 1 prinzipmäßig dargestellten Aufbau außerordentlich gute Haftungseigenschaften hat. Einerseits wird hierbei nämlich eine sehr gute Anhaftung der Haftschicht 5 am Substrat 2 durch eine lokal auf die Rauheitsspitzen begrenzte, jedoch hochwirksame, chemische Bindung erzielt und andererseits wird eine Oberflächenstruktur der Haftschicht 5 erreicht, welche dem derzeitigen Ideal einer durch Hochdruckwasserstrahlen aktivierten Oberfläche sehr nahe kommt, sodass vergleichbare Haftungseigenschaften, welche auf mechanischer Verklammerung beruhen, möglich sind.
Durch den Verzicht auf die Aktivierung durch Hochdruckwasserstrahlen – oder auch einer alternativen Methode – lässt sich dabei ein wirtschaftlicher Vorteil erzielen und insbesondere können auch Substrate 2 bei sehr guter Anhaftung der Beschichtung 3 thermisch beschichtet werden, bei denen dies bisher aufgrund einer nicht oder nicht wirtschaftlich sinnvoll möglichen Aktivierung der Oberfläche 4 nicht, oder zumindest nicht im Großserieneinsatz, zu realisieren war.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/100847 A1 [0005]

Claims

Motorkomponente (1) aus einem Substrat (2), welches mit einer thermisch gespritzten Beschichtung (3) versehen ist, wobei zwischen dem Substrat (2) und der Beschichtung (3) eine Haftschicht (5) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) unmittelbar auf die feinbearbeitete Oberfläche (4) des Substrats (2) aufgebracht ist.
Motorkomponente (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) Nickel und/oder Aluminium aufweist.
Motorkomponente (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (5) Kupfer aufweist.
Motorkomponente (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) mittels thermischem Spritzen aufgebracht ist.
Motorkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen durch Lichtbogendrahtspritzen realisiert ist.
Motorkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Zylinderlauffläche und/oder Kolbenring.
Motorkomponente (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 gekennzeichnet durch ihre Ausbildung als Lagerauge eines Pleuels.
Verfahren zum Beschichten eines Substrats (2) mit einer Beschichtung (3) und einer Haftschicht (5) zwischen der Beschichtung (3) und dem Substrat (2), wobei die Beschichtung (5) mittels thermischen Spritzens aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) zuerst feinbearbeitet wird, wonach die Haftschicht (5) auf das feinbearbeitete Substrat (2) aufgetragen wird, und wonach die Beschichtung (3) auf die Haftschicht (5) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht (5) durch thermisches Spritzen auf die feinbearbeitete Oberfläche (4) des Substrats (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass als thermisches Spritzen Lichtbogendrahtspritzen eingesetzt wird.