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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 9 näher definierten Art. Die Erfindung betrifft letztlich auch ein Verfahren zum Beschichten eines Substrats gemäß Anspruch 10.
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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 oberhalb von 13,9 Nickeläquivalent und haben ein Chromäquivalent von mehr als 10,42. 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 immer optimal sind.
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Um dieser Problematik abzuhelfen 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 ausreichende 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 9 die Aufgabe. Ferner ist im Anspruch 10 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. Erfindungsgemäß ist es so, dass das Nickeläquivalent der erfindungsgemäßen Funktionsschicht größer als 13,91 ist, und dass das Chromäquivalent kleiner als 10,42 ist. Eine solche Funktionsschicht hat sich insbesondere für Einsatzzwecke bewährt, bei denen eine ausreichende Korrosionsfestigkeit zwar gewünscht, aufgrund der zu erwartenden Umgebungsbedingungen jedoch keine höhere Korrosionsfestigkeit benötigt wird. Der Einsatzzweck kann beispielsweise im Bereich der schon angesprochenen Bremsscheiben liegen oder insbesondere bei Zylinderlaufbahnen für Verbrennungsmotoren, welche Kraftstoffe mit geringem Schwefelgehalt verwenden. Dies können beispielsweise Ottomotoren sein, wie sie überwiegend in Personenkraftwagen eingesetzt werden.
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Eine solche Funktionsschicht umfasst gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ausschließlich Austenit und Martensit.
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Kubischflächenzentrierte Metalle, also z. B. 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 gezeigt, dass mit einem Material aus dem oben beschriebenen Bereich innerhalb des Schäffler-Diagramms dennoch eine hervorragende Funktionsschicht für reduzierte Reibleistung erzielt werden kann. Die hergestellten Beschichtungen, so hat es sich gezeigt, sind 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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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee ist es dabei so, dass der Anteil an Austenit 50–90% des Gesamtgewichts beträgt, während der Rest Martensit 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 diese frei von Chrom-Karbid. Eine solche Ausgestaltung der Funktionsschicht frei von Chrom-Karbid ermöglicht einen hinsichtlich des Chroms sehr homogenen Aufbau, bei welchem keine chromverarmten Bereiche in der Funktionsschicht auftreten. Diese chromverarmten Bereiche würden das Risiko einer interkristallinen Korrosion erhöhen. Dadurch, dass die Funktionsschicht frei von Chrom-Karbiden ist und somit keine derartigen chromverarmten Bereich vorliegen, kann eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit auch gegen interkristalline Korrosion erreicht werden.
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Gemäß einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Funktionsschicht ist es ferner vorgesehen, dass diese eine Oberflächenporosität von 3–18% aufweist, mit Porenwerten von 50–1000 μm3/mm2. Eine solche Oberflächenporosität von 3–18% 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.
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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.
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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 von höchstens 11 und ein Nickeläquivalent von mehr als 21,6 jeweils bezogen auf das Gesamtgewicht 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 und einen Bereich einer besonders bevorzugten Weiterbildung in kreuzschraffierter Darstellung zeigt;
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3 ein Diagramm einer Stromdichte-Potenzialmessung zur Erfassung des Passivierungsvermögens;
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4 ein Diagramm der Härte der erfindungsgemäßen Funktionsschicht einmal der Oberfläche und einmal des Schichtinneren; und
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5 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 von links unten nach rechts oben verlaufend schräg schraffiert. Er liegt unterhalb (links) eines Chromäquivalents CrÄ von 10,42 und oberhalb eines Nickeläquivalents NiÄ von 13,91. In dem Schäffler-Diagramm der 2 sind außerdem Linien des Ferritanteils eingezeichnet. Eine den schraffierten Bereich nach rechts unten beschränkende Gerade ist die 0% Ferritlinie (0% F), sodass das Material der Funktionsschicht 3 also frei von Ferrit ist. Der nunmehr beschriebene Bereich zwischen den gestrichelt dargestellten Linien wird Martensit M und Austenit A enthalten oder kann oberhalb einer Geraden, welche der Funktion 25 – 0,8 CrÄ folgt, auch ausschließlich Austenit oder unterhalb der Geraden 19 – 0,8 CrÄ ausschließlich Martensit enthalten. Dieses Material hat sich für die Funktionsschicht 3 als besonders geeignet herausgestellt.
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Idealerweise wird von dem beschriebenen Bereich innerhalb des Schäffler-Diagramms der 2 nunmehr der Bereich verwendet, welcher in jedem Fall Austenit und Martensit enthält. Er enthält ferner vorzugsweise Legierungsbestandteile, sodass ein Chromäquivalent von mehr als 10 vorliegt, das Chromäquivalent also zwischen 10 und 10,42 liegt. Hinsichtlich des Nickeläquivalents nach oben gibt es prinzipiell keine Grenzen, wobei sich ein Maximalwert des Nickeläquivalents in der Größenordnung von ca. 19 als Obergrenze in der Praxis bewährt hat. Dies ist der besonders bevorzugte in der Darstellung zusätzlich von links oben nach rechts unten schraffierte und damit in der Darstellung kreuzschraffiert erscheinende Bereich. 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.
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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 10,4 und einem Nickeläquivalent von 14,2 sein. Es kann aus einer Eisenbasislegierung gebildet werden, welche in der Funktionsschicht 3 zusätzlich 0,17% Nickel, 0,46% Kohlenstoff, 0,46% Mangan, 10% Chrom, 0,02% Molybdän und 0,25% 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.
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Für ein solches Material ist im Diagramm der 3 die Korrosionsstromdichte über dem Potenzial aufgetragen. Deutlich ist im Bereich des Potenzials zwischen etwa 300 und 1100 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. In der Darstellung der 4 ist die Schichthärte durch eine Härtemessung nach Vickers (HV0,1) aufgetragen. Im Bereich der Oberfläche ergeben sich mittlere Werte in der Größenordnung von etwas über 1000 HV0,1, im Schichtinneren ergeben sich Werte in der Größenordnung von ca. 500 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.
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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 Schmierstoffinenge innerhalb der Funktionsschicht 3, was sich nochmals verbessernd auf die Gleiteigenschaften auswirkt. In der Darstellung der 5 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 [0004]
