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Die Erfindung betrifft eine Funktionsschicht nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung einen drahtförmigen Spritzwerkstoff nach der im Oberbegriff von Anspruch 8 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft letztlich auch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäß Anspruch 9.
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Eine gattungsgemäße Funktionsschicht sowie ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einem Spritzwerkstoff wird in der
DE 10 2012 013 020 B3 beschrieben. Die dortige Funktionsschicht mit der Aufgabe, die Reibung zu minimieren, ist dabei durch das sogenannte Chromäquivalent CrÄ und das sogenannte Nickeläquivalent NiÄ im Schäffler-Diagramm beschrieben. Die Zusammensetzung der beschriebenen Schicht ist dabei weitgehend frei von Austenit und besteht somit im Wesentlichen aus Martensit, gegebenenfalls mit einem kleinen Anteil an Ferrit. Um dies zu erreichen liegen die Werte des Nickeläquivalents im Schäffler-Diagramm unterhalb einer Geraden gemäß der Formel 19 – 0,8 × CrÄ.
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Eine weitere Funktionsschicht und ein drahtförmiger Spritzwerkstoff, um eine solche herzustellen, wird außerdem in dem deutschen Patent
DE 10 2010 021 300 B4 beschrieben. Die Angaben, welche hier in Gew.-% der Eisenbasislegierung der Funktionsschicht bzw. des Spritzdrahts angegeben werden, liegen hinsichtlich des Nickeläquivalents alle vergleichsweise hoch, nämlich oberhalb von 13,9 Nickeläquivalent. In der Praxis hat sich ein derartiger Werkstoff zwar hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit durchaus bewährt, er hat jedoch in der Paarung mit üblichen Werkstoffen für Kolbenringe, insbesondere auch bei chromhaltigen Werkstoffen, Gleiteigenschaften, welche hinsichtlich der Beanspruchung in einem Motor noch nicht optimal sind.
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In den beiden genannten Schriften wird dabei jeweils angegeben, dass die Funktionsschicht zur Minimierung der Reibleistung frei oder zumindest weitgehend frei von Ferrit sein soll. Typischerweise geht man davon aus, dass Ferrit sich eher nachteilig auswirkt, weshalb die bisher genutzten Legierungen der Funktionsschichten zur Minimierung der Reibleistung frei oder weitgehend frei von Ferrit sind.
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Um der Problematik, dass herkömmliche Kolbenringe mit chromhaltigen Funktionsschichten häufig sehr schlecht hinsichtlich der Gleiteigenschaften zusammenwirken, ist es in der nicht vorveröffentlichten
DE 10 2015 006 271 beschrieben, dass als Gegenkörper für ein Gleitsystem mit einer derartigen reibleistungsreduzierten Funktionsschicht auf dem Gegenkörper eine Beschichtung mit diamantähnlichem Kohlenstoff (DLC) vorgesehen werden kann. Dies ist jedoch vergleichsweise aufwändig hinsichtlich der Herstellung und Beschichtung der Gegenkörper.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Funktionsschicht mit verbesserten tribologischen Eigenschaften gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche eine hohe Korrosionsbeständigkeit mit einer hohen Verschleißbeständigkeit, sehr guten Reibungseigenschaften und einer guten Zerspanbarkeit der Funktionsschicht vereint.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Funktionsschicht mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen. Außerdem löst ein drahtförmiger Spritzwerkstoff mit den Merkmalen im Anspruch 8 die Aufgabe. Ferner ist im Anspruch 9 ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats näher beschrieben. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich auch hier aus dem abhängigen Unteranspruch.
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Die erfindungsgemäße Funktionsschicht für reduzierte Reibleistung, welche insbesondere auf die Innenfläche von Zylinderlaufbahnen in Verbrennungsmotoren oder auf Bremsscheiben aufgebracht werden kann, umfasst vergleichbar wie die Schicht im gattungsgemäßen Stand der Technik eine Eisenbasislegierung mit Legierungsbestandteilen gemäß den Kenngrößen Chromäquivalent (CrÄ) und Nickeläquivalent (NiÄ) des Schäffler-Diagramms. Den Erfindern hat sich nun gezeigt, dass sie wider der Erwartung und wider den Lehren in dem oben genannten bisherigen Stand der Technik von Ferrit in der ausgebildeten Funktionsschicht profitieren können. Es hat sich nämlich gezeigt, dass insbesondere bei höheren Chromgehalten von mehr als 14% bis 18% Chrom bezogen auf das Gesamtgewicht der Funktionsschicht durch das Ferrit Vorteile zu erzielen sind. Sicherlich sind solche hohen Anteile an Chrom für den Korrosionsschutz nicht in allen Motortypen, falls die Funktionsschicht als Beschichtung von Zylinderlaufbahnen in Brennkraftmaschinen eingesetzt wird, notwendig. Insbesondere bei der Verwendung von Ottokraftstoff ist nicht von einer so hohen Korrosivität auszugehen, dass Chromgehalte von mehr als 12–13% notwendig wären. Beim Einsatz von Dieselkraftstoffen schlechterer Qualität, insbesondere wenn diese Schwefel in einer Größenordnung von mehr als 200 ppm aufweisen, muss jedoch zur Verhinderung der Korrosion der Funktionsschicht der Chromanteil darüber hinaus erhöht werden. Bisher ist man davon ausgegangen, dass dies nur ohne Ferrit in der Funktionsschicht möglich sei. Den Erfindern hat sich nun aber gezeigt, dass Ferrit, insbesondere in einem Anteil von mehr als 5% oder sogar mehr als 10% durchaus hilfreich ist, vor allem bei den entsprechend hohen Chromanteilen von vorzugsweise mehr als 14–18%. In dieser Situation sorgt das zusätzliche Ferrit, so hat es sich gezeigt, für eine verbesserte innere Haftung innerhalb der Funktionsschicht, sodass diese besser anhaftet und stabiler ist.
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Außerdem beeinflusst das Ferrit die Porosität der Funktionsschicht, was insbesondere beim Einsatz als Laufschicht in Zylindern von Verbrennungsmotoren von entscheidender Bedeutung ist. Durch das Ferrit und die durch das Ferrit offensichtlich verbesserte innere Haftung innerhalb der Funktionsschicht entstehen bei der typischerweise stattfindenden spanenden Nachbearbeitung, beispielswiese durch Honen, geringe Porositäten bzw. werden durch die spanende Nachbearbeitung freigelegt. Diese vergleichsweise geringen Porositäten eignen sich ideal, um Schmiermittel aufzunehmen und die tribologischen Eigenschaften der Schicht gegenüber auf ihr gleitenden Elementen deutlich zu verbessern. Anders als bei hochchromhaltigen Schichten aus dem Stand der Technik kommt es aber bei der spanenden Nachbearbeitung nicht zu größer flächigen Ausbrüchen und einer Porosität mit einzelnen großflächigen Poren. Diese wären bei einer Brennkraftmaschine höchst unerwünscht, da sie letztlich Blowby-Wege für die Verbrennungsgase öffnen würden, was die Dichtheit (Kompression) zwischen dem Kolben und dem Zylinder beeinträchtigt und sich damit nachteilig auf die Leistungsfähigkeit des Motors auswirkt.
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Um solche idealen Eigenschaften nun zu erreichen, muss in jedem Fall Ferrit in der Funktionsschicht sein. Insbesondere kann der Ferritanteil dabei größer als 0,1%, insbesondere mehr als 5% bzw. mehr als 10%, wie oben bereits angegeben, betragen.
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In jeder Ausgestaltungsvariante der erfindungsgemäßen Funktionsschicht ist es ferner vorgesehen, dass das Nickeläquivalent kleiner ist als das Chromäquivalent – 7,4, da dies der Formel der 0% Ferritlinie entspricht. In besonderen Bereichen des Schäffler-Diagramms, und hier insbesondere zwischen einem Chromäquivalent von 10 und einem Chromäquivalent, welches gemäß der Formel 23,75 – 1,25 Nickeläquivalent liegt, muss das Nickeläquivalent sogar kleiner als das Chromäquivalent – 9 sein. Die Beziehung des Chromäquivalents kleiner oder gleich 23,75 – 1,25 Nickeläquivalent ergibt sich dabei durch Umformung aus der Formel Nickeläquivalent = 19 – 0,8 Chromäquivalent, welche die Trennlinie zwischen dem Bereich mit Martensit bzw. Martensit und Ferrit von dem Bereich mit Austenit und Martensit bzw. Austenit und Martensit und Ferrit trennt. Im Schäffler-Diagramm rechts oberhalb dieser Linie gilt dann wieder der Zusammenhang Nickeläquivalent kleiner Chromäquivalent – 7,4, wobei das Nickeläquivalent eine Größe von 13,9 nicht übersteigt, solange das Chromäquivalent nicht wenigstens 22,8 beträgt.
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In diesem grob dreieckigen Bereich und hier insbesondere in den Bereichen mit einem Chromäquivalent von mehr als 18 liegen die bevorzugten Funktionsschichten für einen Einsatz unter hochkorrosiven Bedingungen.
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Die erfindungsgemäße Funktionsschicht, so hat es sich gezeigt, ist auch beim Einsatz von kommerziell erhältlichen Kolbenringen, beispielsweise chromhaltigen Kolbenringen, außerordentlich gut und haben sehr niedrige Reibwerte und keine Affinität, also keine Fressneigung. Insbesondere kann dies auch dadurch erreicht werden, dass das Material der Funktionsschicht sich sehr gut an der Oberfläche spanend bearbeiten lässt. Bei einer solchen Bearbeitung und/oder einem Einlaufprozess – auch ohne Bearbeitung – entsteht dabei eine harte Randschicht über dem vergleichsweise weichen Kern, was zu den sehr guten tribologischen Eigenschaften, insbesondere für den Einsatz als Zylinderlauffläche in einem Verbrennungsmotor oder auch als Beschichtung für Bremsscheiben führt.
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Kubischflächenzentrierte Metalle, also das Austenit, sind gemäß des allgemeinen Fachwissens in der Tribologie bei metallischen Paarungen unbedingt zu vermeiden. Auch geht man im Allgemeinen davon aus, dass Austenit sehr temperarturinstabil ist, sodass es insbesondere im Bereich einer Zylinderlaufbahn ungeeignet erscheint. Außerdem ist Austenit weich, was ebenfalls hinsichtlich des zu erwartenden Verschleiß als eher negativ anzusehen ist. Nun hat sich den Erfindern aber ferner gezeigt, dass mit einem austenithaltigen Material aus dem oben beschriebenen Bereich innerhalb des Schäffler-Diagramms dennoch eine hervorragende Funktionsschicht für reduzierte Reibleistung erzielt werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es daher so, dass der Anteil an Austenit bis zu 50% des Gesamtgewichts der Funktionsschicht beträgt, während der Rest Martensit und Ferrit ist. Ein solcher Anteil von wenigstens 50% Austenit ermöglicht, anders als der Aufbau im eingangs zuerst erwähnten Stand der Technik, eine Ausbildung von duktilen Bereichen und harten Bereichen innerhalb der Funktionsschicht. Insbesondere kann die Funktionsschicht vergleichsweise einfach und effizient bearbeitet werden, beispielsweise durch eine spanende Bearbeitung – wie insbesondere Honen – auf ihre endgültigen Maße, beispielsweise auf das Endmaß der Zylinderbohrung des Verbrennungsmotors. Durch die Bearbeitung und/oder einen anschließenden Einlaufprozess zwischen der Funktionsschicht und einem mit der Funktionsschicht zusammenwirkenden Reibpartner wird dann ein Aufbau erreicht, welcher im Bereich der Oberfläche verhärtet ist, während er im darunterliegenden Bereich eine deutlich geringere Härte aufweist. Insbesondere kann die Härte nach Vickers an der bearbeiteten Oberfläche größer, vorzugsweise um mehr als den Faktor 1,5 größer, als die Härte nach Vickers im Inneren der Funktionsschicht sein. Durch diese besonders vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Funktionsschicht wird eine hohe Verschleißfestigkeit bei sehr guter Anhaftung und guten tribologischen Eigenschaften gewährleistet.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Funktionsschicht ist es ferner vorgesehen, dass diese eine Oberflächenporosität von 1–12% aufweist, mit Porenwerten von 50–1000 μm3/mm2, bevorzugt 50–300 μm3/mm2. Eine solche Oberflächenporosität von 1–12% mit der entsprechenden Größe der Poren ermöglicht die Aufnahme eines Schmierstoffs in der Oberflächenschicht, sodass die tribologischen Eigenschaften beim Einsatz in einem Gleitsystem, wie beispielsweise einem Gleitsystem zwischen einer Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors und den darauf gleitenden Kolbenringen, optimiert werden. Dies führt letztlich zu einem Verbrauchsvorteil bei einem derartigen Verbrennungsmotor. Wie oben bereits erwähnt, sind dabei bevorzugt die kleineren Poren von Interesse, da diese Schmierstoff aufnehmen ohne Blowby-Wege für das Gas, beim Einsatz in einem Verbrennungsmotor zu ermöglichen. In der Praxis bedeutet dies einen entscheidenden Vorteil, welcher, so hat es sich gezeigt, vor allem durch das Zulassen einer geeigneten Menge an Ferrit in der Funktionsschicht erzielt werden kann.
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Um die entsprechenden Werte des Chromäquivalents und Nickeläquivalents im Schäffler-Diagramm zu erreichen, ist die Eisenbasislegierung mit Kohlenstoff, Mangan und Chrom legiert. Sie kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee darüber hinaus Nickel, Molybdän und/oder Silizium enthalten.
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In der Praxis ist es nun so, dass derartige Funktionsschichten typischerweise durch eine thermische Beschichtung auf das Substrat, als beispielsweise das Material des Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors, aufgebracht werden. Ein entsprechendes Verfahren hierfür kann beispielsweise das sogenannte Lichtbogendrahtspritzen sein. Hierfür wird ein drahtförmiger Spritzwerkstoff in einem Lichtbogen aufgeschmolzen und mittels eines beschleunigten Prozessgases auf dem Substrat abgeschieden. Das Verfahren ist grundlegend aus dem Stand der Technik bekannt. Als Prozessgas kann dabei gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee Stickstoff verwendet werden, um Korrosions- und Oxidationseffekte zwischen dem Prozessgas und den aufgeschmolzenen Teilen des drahtförmigen Spritzwerkstoffs zu verhindern.
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Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es dabei vorgesehen sein, dass nach dem Aushärten der Funktionsschicht eine mechanische Bearbeitung, insbesondere durch spanabhebende Verfahren, erfolgt. Eine solche mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Honen, kann die Maßhaltigkeit der Funktionsschicht verbessern und führt außerdem zu einer Randverhärtung der Funktionsschicht, da sich hier im Gefüge der Funktionsschicht zusätzliches Martensit ausbildet. Hierdurch lässt sich die Härte im Randbereich der Funktionsschicht, also an ihrer Oberfläche, gegenüber der Härte im Inneren der Funktionsschicht um einen Faktor von bis zu 2 steigern, was zu idealen tribologischen Eigenschaften der Funktionsschicht führt und diese einerseits sehr gut anhaftend und andererseits sehr verschleißbeständig macht.
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Unweigerlich kommt es beim Aufschmelzen des drahtförmigen Spritzwerkstoffs, beispielsweise in einem Lichtbogen, zu einem Abdampfen gewisser Bestandteile der Legierung. Um eine Funktionsschicht gemäß der oben beschriebenen Definition zu erreichen, kann deshalb ein drahtförmiger Spritzwerkstoff eingesetzt werden, welcher eine Eisenbasislegierung umfasst, die gemäß den Kenngrößen Nickeläquivalent und Chromäquivalent des Schäffler-Diagramms ein Chromäquivalent größer als 7,9 und ein Nickeläquivalent zwischen 0,5 und einem Wert des Nickeläquivalents von NiÄ = CrÄ – 6 aufweist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Funktionsschicht sowie des Verfahrens zum Beschichten eines Substrats gemäß der Erfindung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
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Dabei zeigen:
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1 ein Substrat mit einer durch Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Funktionsschicht;
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2 ein Schäffler-Diagramm, welches den Bereich der erfindungsgemäßen Funktionsschicht in schraffierter Darstellung zeigt;
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3 ein Diagramm einer Stromdichte-Potenzialmessung zur Erfassung des Passivierungsvermögens; und
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4 eine stark vergrößerte Ansicht der Oberfläche zur Visualisierung der Porosität.
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In der Darstellung der 1 ist eine in ihrer Gesamtheit mit 1 bezeichnete Vorrichtung zu erkennen, um ein mit 2 bezeichnetes Substrat, beispielsweise den Werkstoff eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors, mit einer die Reibleistung reduzierenden Funktionsschicht 3 zu versehen. Die Vorrichtung 1 stellt dabei eine Vorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen (LDS) dar. Über einen Beschichtungskopf 6 werden dabei zwei mit 4 bezeichnete drahtförmige Spritzwerkstoffe zugeführt, zwischen welchen ein mit 5 bezeichneter Lichtbogen gezündet wird. In dem Lichtbogen 5 schmilzt das Material der drahtförmigen Spritzwerkstoffe 4 auf und wird über ein Prozess- bzw. Trägergas auf das Substrat 2 gesprüht. Das über das beschleunigte Prozessgas auf das zu beschichtende Substrat 2 aufgebrachte Material des drahtförmigen Spritzwerkstoffs 4 haftet auf dem Substrat 2 an, kühlt ab und bildet die gewünschte Funktionsschicht 3. Als Prozessgas kann idealerweise Stickstoff eingesetzt werden, welcher die Homogenität und Feinkörnigkeit der Funktionsschicht 3 typischerweise verbessert. Im Anschluss daran erfolgt eine mechanische Nachbearbeitung der Funktionsschicht 3, einerseits um das gewünschte Endmaß der Funktionsschicht 3 zu realisieren und andererseits um durch die mechanische Nachbearbeitung, beispielsweise durch Honen, die Oberfläche der Funktionsschicht 3 zu verdichten, was zu einer erhöhten Härte und damit verbesserten Verschleißeigenschaften der triboligischen Funktionsschicht 3 führt.
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Um einerseits eine möglichst hohe Korrosionsbeständigkeit der Funktionsschicht 3 zu gewährleisten und andererseits eine gute Verschleißbeständigkeit der Funktionsschicht 3 bei der Möglichkeit diese möglichst einfach spanend nachzubearbeiten zu gewährleisten, wird das Material für den drahtförmigen Spritzwerkstoff 4 so ausgewählt, dass die fertig aufgespritzte Funktionsschicht 3 in den Kenngrößen Nickeläquivalent (NiÄ) und Chromäquivalent (CrÄ) des Schäffler-Diagramms in einem bestimmten Bereich zu liegen kommt.
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In der Darstellung der 2 ist ein Schäffler-Diagramm aufgezeichnet. Der Bereich, in welchem die Funktionsschicht 3 zu liegen kommt, ist dabei kreuzschraffiert eingezeichnet. Eine den schraffierten Bereich nach links oben in jedem Fall beschränkende Gerade ist die 0% Ferrit-Linie, deren Formel NiÄ = CrÄ – 7,4 ist. Das Material der Funktionsschicht 3 weist also in jedem Fall Ferrit auf. Der nunmehr beschriebene Bereich zwischen den dargestellten Linien wird Martensit M und Ferrit F oder weiter rechts oben Martensit M, Ferrit F und Austenit A oder auch zu 100% Ferrit im Bereich rechts unten enthalten. Zwischen einem Chromäquivalent von 10 und der Trennlinie zwischen Martensit sowie Martensit und Austenit, welche der Formel NiÄ = 19 – 0,8 CrÄ folgt, liegt das Nickeläquivalent unterhalb von CrÄ – 9. Die Formel der Trennlinie zwischen Martensit auf der einen Seite und Martensit und Austenit auf der anderen Seite lässt sich dabei auch nach dem Chromäquivalent entsprechend umformen, sodass man die Beziehung CrÄ = 23,75 – 1,25 NiÄ erhält.
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Solange das Chromäquivalent unterhalb des Werts von 22,8 liegt, bleibt das Nickeläquivalent dabei unter 13,9, sodass letztlich eine Art grob dreieckige Form erreicht wird. In der Darstellung der 2 ist es nun so, dass die kreuzschraffierte Form bei einem Chromäquivalent von 30 endet. Dies muss prinzipiell nicht sein, hat sich in der Praxis jedoch als bewährte Obergrenze für das Chromäquivalent gezeigt, sodass in diesem Diagramm der Bereich entsprechend eingezeichnet ist, ohne dass dieser durch die Erfindung zwingend auf Chromäquivalente von weniger als 30 eingeschränkt sein muss.
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Dieser ideale Bereich für die Eigenschaften der Funktionsschicht 3 im Schäffler-Diagramm hat eine hohe Korrosionsbeständigkeit, insbesondere wenn er frei von Chrom-Karbiden ist, da hierdurch chromverarmte Bereiche vermieden werden, welche zu interkristalliner Korrosion führen könnten. Ferner erlaubt er die Verwendung von sehr hohen Chromanteilen in der Funktionsschicht, was die Funktionsschichten auch gegenüber einem kritischen Einsatz, beispielsweise in Dieselmotoren mit sehr schwefelhaltigem Dieselkraftstoff, ermöglicht. Dies ist sicherlich nicht in allen Anwendungen notwendig, stellt aber für die beschriebene Anwendung in einem Dieselmotor, in welchem gegebenenfalls Dieselkraftstoffe mit hohem Schwefelgehalt zum Einsatz kommen, einen entscheidenden Vorteil dar.
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Ein Material innerhalb dieses Bereichs, welches als Beispiel für die nachfolgenden Diagramme und Darstellungen verwendet wird, kann beispielsweise ein Material mit einem Chromäquivalent von 14,13 und einem Nickeläquivalent von 4,85 sein. Es kann aus einer Eisenbasislegierung gebildet werden, welche in der Funktionsschicht 3 zusätzlich 0,75% Nickel, 0,12% Kohlenstoff, 1,0% Mangan, 12,5% Chrom, 0,1% Molybdän und 1,0% Silizium aufweist. Die Werte sind dabei jeweils in Gew.-% bezogen auf das Gesamtgewicht der Funktionsschicht 3 zu verstehen, wobei der Rest durch das Eisen der Eisenbasislegierung gebildet wird. Dies ist nur ein Beispiel für eine in diesem Fall mit vergleichsweise wenig Chrom ausgebildete Funktionsschicht. Funktionsschichten für den Einsatz unter hochkorrosiven Bedingungen, beispielsweise in Dieselmotoren mit Diesel, welcher mehr als 200 ppm Schwefel enthält, können auch bei weitaus höheren Chromanteilen Chromäquivalente in der Größenordnung von 18–28, bei Nickeläquivalenten in der Größenordnung zwischen 1 und 12, bei entsprechend hohen Chromäquivalenten auch bis zu einem Nickeläquivalent von 20 aufweisen.
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Für ein das zuerst genannte beispielhafte Material ist im Diagramm der 3 die Korrosionsstromdichte über dem Potenzial aufgetragen. Deutlich ist im Bereich des Potenzials zwischen etwa 500 und 1500 mV ein sogenanntes Passivierungsplateau zu erkennen, welches ein Maß für die sehr gute Korrosionsbeständigkeit des Materials der Funktionsschicht 3 ist.
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Nach der Fertigbearbeitung der Funktionsschicht, welche sich vergleichsweise leicht mechanisch bearbeiten lässt, auf das endgültige gewünschte Maß der Zylinderbohrung, wird ein Aufbau erreicht, welcher an der Oberfläche der Funktionsschicht 3 eine verfestigte Zone mit sehr feiner Körnung und mehr Martensit aufweist, während im Schichtinneren der Funktionsschicht 3 die Körnung entsprechend gröber und der Anteil an Austenit höher ist. Dies hat positive Auswirkungen auf die Schichthärte bei einer Härtemessung nach Vickers (HV0,1). Im Bereich der Oberfläche ergeben sich dabei mittlere Werte in der Größenordnung von bis zu 500 HV0,1, im Schichtinneren ergeben sich Werte in der Größenordnung von ca. 200 bis 300 HV0,1. Im Mittel liegt also die Härte im Bereich der Oberfläche um zumindest das 1,5-, idealerweise das 2-fache oberhalb der Vickers-Härte im Bereich des Schichtinneren. Dies führt zu einer idealen Verschleißbeständigkeit der Funktionsschicht 3. Dabei kann beobachtet werden, dass die Beschichtungen im Bereich der Oberflächenrandschicht, und hier insbesondere der ersten 5 μm, eine sehr feine Körnung zeigen. Dann nimmt die Körnung in Richtung auf das Substrat hin entsprechend zu, sodass ein duktilerer Bereich entsteht, welcher die härtere Oberfläche trägt.
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Die Funktionsschicht 3 mit der beschriebenen Zusammensetzung hat dabei gegenüber den Funktionsschichten gemäß dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie auch bei üblicherweise eingesetzten Reibpartnern, wie sie beispielsweise im Bereich der Motorentechnik auftreten, also beispielsweise nitrierten Kolbenringen mit über eine PVD-Beschichtung aufgebrachtem Chromnitrid, DLC-Beschichtungen oder Beschichtungen mit einer sogenannten Chrom-Diamant-Schicht (GDC) oder ähnlichem, sehr gute Gleiteigenschaften aufweist, welche über den gesamten Betriebsbereich hinweg unterhalb einer kritischen Reibwertgrenze, welche auch als Fressgrenze bezeichnet wird, liegen.
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Idealerweise ist es dabei so, dass die Funktionsschicht 3 eine vergleichsweise große Porosität von 3–18% aufweist, mit einer Porengröße von 50–1000 μm3/mm2. Dies ermöglicht die Aufnahme einer gewissen Schmierstoffmenge innerhalb der Funktionsschicht 3, was sich nochmals verbessernd auf die Gleiteigenschaften auswirkt. In der Darstellung der 4 ist ein Ausschnitt der Oberfläche entsprechend dargestellt, in welchem durch dunkle Farbe erkennbar die Poren der Oberfläche zu sehen sind. Der Gesamtausschnitt ist dabei etwa 1 mm breit und 1,5 mm hoch.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012013020 B3 [0002]
- DE 102010021300 B4 [0003]
- DE 102015006271 [0005]
