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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Laufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses, bei dem ein Spritzwerkstoff aufgeschmolzen und mittels eines thermischen Spritzverfahrens als Schicht auf der Laufbahn abgeschieden wird sowie einen Spritzwerkstoff und eine thermisch gespritzte Schicht.
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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 mittels atmosphärischen Pulverplasma-Spritzen (APS), Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (High-Velocity-Oxygen-Fuel Spray Coating = HVOF), Plasmaspritzens (Plasma transferred wire arc spray coating = PTWA) oder mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS). Bei diesem 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.
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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.
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Aus der
DE 20 2008 009 963 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 Bainit und Martensit entstehen. Im Spritzwerkstoff sind u. a. 0,45 Gew.-% bis 0,55 Gew.-% Kohlenstoff und 0,15 Gew.-% bis 0,25 Gew.-% Aluminium enthalten.
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Um die zunehmenden Anforderungen des Leichtbaus in der Kraftfahrzeugindustrie erfüllen zu können, sind Stähle mit verringerter Dichte von besonderem Interesse. Aus der
DE 10 2005 027 258 A1 ist dichtereduzierter hochkohlenstoffhaltiger Stahl oder UHC-Stahl (Ultra High Carbon) bekannt. Dieser weist neben vergleichsweise geringer Dichte als weitere Vorteile ein superplastisches Gefüge und eine geringe Verzunderungsneigung auf. Die Dichtereduzierung des UHC-Stahls resultiert insbesondere durch einen im Vergleich zu anderen Stählen hohen Aluminium-Anteil.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Beschichten der Laufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses sowie einen kostengünstigen verbesserten Spritzwerkstoff anzugeben. Bei der Festlegung des Spritzwerkstoffs werden neben den Schichteigenschaften auch das Spritzverhalten des Spritzwerkstoffs und die Bearbeitbarkeit der Spritzschicht gezielt beeinflusst.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine dichte, tribologisch geeignete thermische Spritzschicht anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Beschichten der Laufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Spritzwerkstoff mit den Merkmalen des Anspruchs 3 und eine thermisch gespritzte Schicht mit den Merkmalen des Anspruchs 6.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten der Laufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses wird ein Spritzwerkstoff aufgeschmolzen und mittels eines thermischen Spritzverfahrens als Schicht auf der Laufbahn abgeschieden, wobei als Spritzwerkstoff eine Legierung auf Eisenbasis verwendet wird, welche zumindest 0,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff enthält, vorzugsweise aber nicht mehr als 2,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, wobei die Legierung als weiteren Bestandteil 1 bis 15 Gewichtsprozent Aluminium enthält, vorzugsweise mind. 3 und höchstens 8 Gewichtsprozent, wobei die Gewichtsprozentangaben jeweils auf ein Gesamtgewicht bezogen sind.
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Eine Beschichtung aus einem solchen Spritzwerkstoff weist vergleichbare Eigenschaften auf wie eine Beschichtung aus einem Spritzwerkstoff gemäß der
DE 20 2008 009 963 U1 , insbesondere eine hohe Härte und Abriebfestigkeit, aber der wesentlich erhöhte Aluminium-Anteil sorgt neben der Gewichtsreduzierung dafür, dass die Schicht gegenüber Umwelteinflüssen passiviert wird, insbesondere wird das Korrosionsverhalten besonders gegenüber Schlechtsprit wesentlich verbessert.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Legierung verwendet, welche als weitere Bestandteile 0,5 bis 7 Gewichtsprozent Chrom enthält sowie zusätzlich:
- – Molybdän: 0,25 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder
- – Silizium: 0,25 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder
- – Nickel: 0,25 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder
- – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% oder
- – weitere Chrombestandteile bis zu einem Gesamtanteil von 16 Gew.-%,
jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht.
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Durch diese alternativen weiteren Bestandteile der Legierung lässt sich der Spritzwerkstoff jeweils an besondere Anforderungen anpassen ohne dabei seine wesentlichen Eigenschaften zu verlieren. Ein zusätzlicher Mangan- oder Silizium-Anteil bewirkt zum Beispiel eine Verbesserung des Spritzverhaltens während Chrom sich positiv auf das Korrosionsverhalten der erzeugten Spritzschicht auswirkt. Untersuchungen haben gezeigt, dass für die Herstellung einer geeigneten Spritzschicht bei der Auswahl der Legierungszusammensetzung des Spritzdrahtes ein Abdampfen von bis zur 0,5 Gew.-% Chrom während des Beschichtungsprozesses berücksichtigt werden muss.
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In vorteilhafter Ausgestaltung des Verfahrens wird der Spritzwerkstoff pulverförmig in einem APS- oder HVOF-Verfahren oder drahtförmig in einem PTWA oder LDS-Verfahren verwendet. Für die beiden letztgenannten Verfahren kann je nach Legierungszusammensetzung auch ein Fülldraht vorteilhaft eingesetzt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Ein erfindungsgemäßer Spritzwerkstoff für das thermische Beschichten der Laufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses basiert auf einer Eisenlegierung, welche zumindest 0,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, vorzugsweise aber nicht mehr als 2,5 Gewichtsprozent Kohlenstoff, sowie als weiteren Bestandteil 1 bis 15 Gewichtsprozent, vorzugsweise mind. 3 und höchstens 8 Gewichtsprozent, Aluminium enthält, wobei die Gewichtsprozentangaben jeweils auf ein Gesamtgewicht bezogen sind.
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Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff und Aluminium als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs zumindest Perlit, Bainit und geringere Anteile Martensit entstehen, wobei zusätzlich Mikrolegierungselemente zur Bildung verschleißfester Phasen sowie zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften vorgesehen sein können. 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. Eine bei einer Anlagerung des erfindungsgemäßen Spritzwerkstoffs thermisch gespritzte Schicht auf einer Zylinderlauffläche, umfasst Bainit, verschleißfeste Inseln aus Martensit sowie feinstreifigen Perlit.
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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.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein erfindungsgemäßer drahtförmiger Spritzwerkstoff mittels Lichtbogendrahtspritzen (LDS) auf die Laufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses gespritzt, wobei sich die erfindungsgemäße Spritzschicht ausbildet. Beim Lichtbogendrahtspritzen werden einem Beschichtungskopf zwei drahtförmige Spritzwerkstoffe zugeführt. Zwischen den drahtförmigen Spritzwerkstoffen wird ein Lichtbogen gezündet. Dabei schmilzt der drahtförmige Spritzwerkstoff und wird mittels eines Trägergases gezielt auf die zu beschichtende Laufbahn aufgebracht, wo er abkühlt, erstarrt und die Schicht bildet.
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Der drahtförmige Spritzwerkstoff umfasst im Wesentlichen Eisen. Der Spritzwerkstoff ist zumindest mit Kohlenstoff und Aluminium als Mikrolegierung derart gebildet, dass bereits beim Erstarren des Spritzwerkstoffs überwiegend Perlit und Bainit entstehen. Weiter sind in der Mikrolegierung Legierungsbestandteile zur Bildung von verschleißfesten Phasen (Martensit) und zur Reibwertreduzierung vorgesehen.
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Folgende Legierungsbestandteile sind vorgesehen:
- – Kohlenstoff 0,5 Gew.-% bis 2,5 Gew.-%,
- – Aluminium 3 bis 8 Gew.-%,
- – Chrom 0,5 bis 7 Gew.-%.
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Die Mengenangaben sind in Gewichtsprozent jeweils bezogen auf ein Gesamtgewicht, falls keine anderen Angaben gemacht sind.
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Bevorzugt weist der drahtförmige Spritzwerkstoff zusätzlich folgende Bestandteile auf:
- – Molybdän: 0,25 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder
- – Silizium: 0,25 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder
- – Nickel: 0,25 Gew.-% bis 5 Gew.-% oder
- – Mangan: 0,5 Gew.-% bis 10 Gew.-% oder
- – weitere Chrombestandteile bis zu einem Gesamtanteil von 16 Gew.-%.
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Der Hauptbestandteil der Mikrolegierung ist Eisen.
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Das Lichtbogendrahtspritzen mit einem aus dieser Mikrolegierung gebildeten drahtförmigen Spritzwerkstoff führt zu einer besonders homogenen Schicht mit geringer Porosität und geringer Rauhigkeit.
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Der gegenüber der
DE 20 2008 009 963 U1 erhöhte Kohlenstoffgehalt, sowie ggf. der erhöhte Mangangehalt und der Siliziumgehalt der Mikrolegierung bewirken ein verbessertes Spritzverhalten, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass beim Lichtbogendrahtspritzen regelmäßige, kleine 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). Deshalb ist im Gegensatz zur
DE 103 08 563 B3 auch keine Haftvermittlerschicht erforderlich, sondern die Spritzschicht wird erfindungsgemäß direkt auf die Oberfläche der Zylinderlaufbahn aufgespritzt.
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Der erhöhte Mangangehalt führt darüber hinaus zu einer überwiegend perlitisch/bainitischen Gefügeausbildung bei der Erstarrung der Spritzschicht.
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Beim Erstarren der Schicht entsteht feinstreifiger Perlit und Bainit. Bainit ist ein zähes Zwischenstufengefüge kohlenstoffhaltiger Stähle. Perlit ist ein Mischgefüge aus weichen ferritischen und harten karbidischen Phasen. Die Schicht weist eine weiche, duktile Matrix aus Perlit und Bainit mit harten, verschleißfesten Inseln aus Martensit auf.
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Die Legierungsbestandteile des Drahtes sind so bemessen, dass der Abbrand bzw. das Abdampfen von bestimmten Elementen, z. B. von Kohlenstoff und Chrom, berücksichtigt ist. Die Legierungszusammensetzung der aufgespritzten Schicht ist entsprechend dem Abbrand bzw. dem Abdampfen verändert. Die Drahtzusammensetzung ist auf die Zieleigenschaften der gespritzten Schicht abgestimmt
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Die sich ergebende Spritzschicht zeigt gute Bearbeitbarkeit und hervorragende tribologische Eigenschaften sowie einen sehr guten Verschleißwiderstand.
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Vergleichbare Spritzschichten lassen sich auch mit pulverbasierten Spritzwerkstoffen mittels APS oder HVOF erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10308563 B3 [0003, 0026]
- DE 202008009963 U1 [0004, 0010, 0026]
- DE 102005027258 A1 [0005]