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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher definierten Art. Außerdem betrifft die Erfindung ein Bauteil nach der im Oberbegriff von Anspruch 7 näher definierten Art.
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Verfahren zum Aufrauen von metallischen Oberflächen zur Verbesserung der Haftung von hierauf thermisch aufgespritzten Schichten sowie hierdurch erhältliche Bauteile sind aus dem Stand der Technik grundlegend bekannt.
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Die thermisch gespritzten Beschichtungen, welche insbesondere durch Plasmaspritzen oder besonders bevorzugt durch Lichtbogendrahtspritzen aufgetragen sein können, dienen zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften zwischen der beschichteten Fläche und einem Gegenelement. Bei der beschichteten Fläche kann es sich insbesondere um eine Zylinderinnenfläche und hier vorzugsweise eine Zylinderlauffläche in einem Verbrennungsmotor handeln, welche mit einem später darauf laufenden Kolben in Kontakt kommt.
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Zur Verbesserung der Anhaftung der thermisch gespritzten Schicht beschreibt die
DE 195 08 687 C2 ein Strahlverfahren, bei dem eine Vorbehandlung der Innenseite von Zylinderbohrungen aus einer gegossenen Aluminiumlegierung durch ein Bestrahlen mit abrasivem Material wie beispielsweise kaltem Eisenschrot oder Aluminiumoxid erfolgt. Ziel ist es, die Anhaftung der thermisch gespritzten Schicht zu verbessern, insbesondere indem eine aufgeraute und Hinterschnitte aufweisende Oberfläche entsteht, mit welcher sich die thermisch gespritzte Schicht verklammern kann.
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In der Praxis hat sich gezeigt, dass dieses Strahlen mit abrasivem Material zu sehr stark variierenden Verhältnissen der aufgerauten Oberfläche führt und deshalb in der Praxis wenig prozesssicher ist. Darüber hinaus ist es so, dass das abrasive Material die zu bearbeitenden Bauteile verunreinigt und diese nachfolgend entsprechend gereinigt werden müssen. Darüber hinaus stellt auch die Entsorgung des abrasiven Materials einen Nachteil dar.
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Dies gilt vergleichbar auch für einen Prozess, bei welchem das Oberflächenaktivieren in Form eines Hochdruckwasserstrahlens erfolgt, welches so aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt ist. Auch hier spielt insbesondere die Entsorgung des von der zu beschichtenden Flächeabgetragenen Materials bzw. der Strahlflüssigkeit eine nicht unerhebliche Rolle und stellt einen wirtschaftlichen Nachteil dar. Insbesondere für das Hochdruckwasserstrahlen gilt außerdem, dass der anlagentechnische Aufwand sowohl hinsichtlich der Investition als auch hinsichtlich des Bauraums sehr hoch ist. Durch die Verwendung von Hochdruck sind außerdem hohe Sicherheitsanforderungen einzuhalten und es entsteht ein hoher Energieverbrauch. Neben der bereits angesprochenen Entsorgung der Rückstände sind dies weitere gravierende Nachteile.
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Aus der
DE 10 2006 004 769 A1 ist ein Verfahren zum Aufrauen von metallischen Oberflächen zur Oberflächenkonditionierung für thermische Spritzschichten bekannt. Dieses Verfahren nutzt einen zweistufigen Prozess, bei dem zuerst eine materialabhebende Behandlung der Oberfläche erfolgt. Anschließend erfolgt ein Verformen bzw. Umformen dieser vorbehandelten Oberfläche, um in dem Bereich, in dem zuvor das Material abgetragen worden ist, Hinterschnitte gegenüber der Oberfläche zu schaffen. Die Haftung der thermisch aufgespritzten Schicht wird hierdurch verbessert. Allerdings ist es auch hier so, dass die Anzahl und die Ausgestaltung der auftretenden Bereiche mit Hinterschnitten unvorhersehbar variiert. Aus der
DE 10 2012 021 089 A1 ist daher ein Verfahren bekannt, bei welchem über eine gezielt ausgestaltete Schneidenform in einem oder mehreren Schnitten eine aufgeraute Oberfläche geschaffen wird, welche die gewünschten Hinterschnitte mit einer hohen mechanischen Präzision gewährleistet.
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Die beiden zuletzt beschriebenen Verfahren haben dabei jedoch den Nachteil, dass sie einen vergleichsweise hohen Fertigungsaufwand mit einem entsprechend hohen damit einhergehenden Verschleiß an Werkzeugen verursachen. Mit zunehmendem Verschleiß der Werkzeuge ändern sich die Oberflächenstrukturen. Poren und Unstetigkeiten können außerdem den Verschleiß am Werkzeug erhöhen und schlimmstenfalls zu einem Ausbrechen von Schneiden und Kanten am Werkzeug führen. Daher ist es notwendig, um die gewünschte Prozesssicherheit zu gewährleisten, die Werkzeuge relativ häufig auszutauschen, was jeweils mit entsprechenden Rüstzeiten in der Produktion und der Notwendigkeit der Bereitstellung neuer Werkzeuge bzw. neuer Schneiden oder dem Nachschärfen bestehender Schneiden einhergeht. Alles in allem ist dies sehr zeit- und kostenaufwändig.
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Ferner ist es so, dass das Ergebnis beim mechanischen Aufrauen durch eine spanende Bearbeitung, ebenso aber auch beim Eindrücken oder Einwalzen einer geeigneten aufgerauten Struktur, bei den benötigten kleinen Abmessungen stark schwankt. Abhängig von der lokalen Härteverteilung im Bauteil sowie in Abhängigkeit von Poren und Unstetigkeiten in dem die Oberfläche tragenden Substrat ist ein gleichmäßiges Ergebnis, welches eine gute Anhaftung der Beschichtung gewährleistet, nicht immer gegeben.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche anzugeben, welches die im Stand der Technik genannten Nachteile bei der Vorbereitung der thermisch zu beschichtenden Oberflächen vermeidet. Ferner ist es die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung, ein dementsprechendes Bauteil anzugeben.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Ein Bauteil mit den Merkmalen im Anspruch 7 löst die Aufgabe ebenfalls. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder des erfindungsgemäßen Bauteils ergeben sich dabei aus den abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche auf einem Substrat wird, wie im Stand der Technik, die Oberfläche des Substrats zuerst aufgeraut, wonach über ein thermisches Beschichtungsverfahren die Beschichtung aufgebracht wird. Das thermische Beschichtungsverfahren kann beispielsweise eine thermische Spritzbeschichtung, insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen, Plasma-Spritzverfahren oder Ähnliches, sein. Erfindungsgemäß ist es so, dass das Aufrauen der Oberfläche des Substrats mittels einer Laserbearbeitung erfolgt. Das Aufrauen der Oberfläche über eine Laserbearbeitung ist außerordentlich effizient, da es sich hierbei um eine kontaktlose und damit verschleißfreie Bearbeitung handelt. Insbesondere sind kaum Rückstände zu entsorgen und über die Energiemenge sowie den Ort und die Dauer der Bearbeitung kann das gewünschte Ergebnis sehr exakt und prozesssicher gesteuert werden. Die Laser-Oberflächenaktivierung kommt ohne den Einsatz von Hilfsstoffen wie Kühl- oder Schmiermittel aus. Die Gefahr einer Kontamination der aktivierten Oberfläche durch Beläge dieser Hilfstoffe und in Folge schwankende Schichthaftung, besteht bei dem erfidungsgemäßen Verfahren daher nicht. Die Bearbeitung hat darüber hinaus den Vorteil, dass sie weitgehend unabhängig von Schwankungen im Werkstoff des Substrats, also Schwankungen in der Legierung, in der Härte, in der Festigkeit, dem Vorhandensein von Poren etc., ist. Somit ist mit einem geringen Energieverbrauch und einem geringen anlagentechnischen Aufwand eine sehr prozesssichere Bearbeitung der Oberfläche mit einer sehr gut reproduzierbar aufgerauten Oberfläche des Substrats möglich.
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Dies gilt insbesondere dann, wenn es gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee vorgesehen ist, dass die Laserbearbeitung mittels wenigstens eines Ultrakurzpuls-Lasers erfolgt. Ein solcher Ultrakurzpuls-Laser, welcher insbesondere als Pikosekunden(ps)- oder Femtosekunden(fs)-Laser ausgebildet sein kann, erlaubt durch diese kurze Wechselwirkungszeiten eine Bearbeitung ohne dass das Substrat nennenswert thermisch beeinflusst wird. Durch die sehr kurzen Pulszeiten lassen sich außerdem, so hat es sich in Untersuchungen der Erfinder gezeigt, besonders günstige Strukturen auf der aufgerauten Oberfläche ausbilden, welche durch ihre geometrische Ausgestaltung außerordentlich vorteilhaft hinsichtlich der Anhaftung der Beschichtung sind, weil sich sehr einfach und effizient geeignete Hinterschnitte ausbilden lassen, in denen die Beschichtung sich entsprechend verklammern kann.
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Das vom Substrat abgetragene Material wird dabei durch die punktuelle thermische Einwirkung des Lasers verdampft. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann dieses bei der Laserbearbeitung verdampfte Material abgesaugt und aufgefangen werden. Dies ist gegenüber den herkömmlichen Verfahren außerordentlich einfach und effizient. Das abgesaugte und aufgefangene Material kann insbesondere einem Recycling zugeführt werden, sodass das Material im Materialkreislauf erhalten bleibt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann ein Laserstrahl des wenigstens einen Lasers dabei in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel auf die Oberfläche des Substrats einwirken. Eine solche in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel zur Oberfläche gestaltete Ausrichtung des Lasers bei der Aufrauhung der Oberfläche des Substrats führt letzten Endes zu einer Art schräg in die Oberfläche verlaufender Ausnehmungen, in deren Bereich das Material des Substrats durch die Laserbearbeitung verdampft worden ist. Diese schräg zur Oberfläche verlaufenden Ausnehmungen schaffen in idealer Weise die benötigten Hinterschnitte, sodass die Beschichtung sich ideal mit der Oberfläche des Substrats verklammern kann.
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Je nach Zugängigkeit der Oberfläche kann der Laser dabei die Oberfläche direkt bearbeiten oder der Laser wird gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee über einen beweglichen Spiegel über die Oberfläche geführt. Der Laser kann so auch in Bereichen, welche direkt nicht überaus gut zugänglich sind, in der gewünschten Art und Weise geführt werden.
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Die Oberfläche kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Idee beispielsweise als eine Zylinderinnenfläche, insbesondere eine Zylinderlauffläche für einen Verbrennungsmotor, ausgebildet sein. In diesem Fall ist es beispielsweise denkbar, über einen beweglichen Spiegel, welcher sich im Inneren des Zylinders dreht, den Laser in der gewünschten Art und Weise senkrecht, oder vorzugsweise in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel über die Oberfläche zu führen, um so die gewünschten Strukturen zur Aufrauhung der Oberfläche schnell, einfach und effizient zu schaffen.
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Das erfindungsgemäße Bauteil umfasst ein Substrat mit einer thermisch beschichteten Oberfläche, wobei das Substrat an der Oberfläche unterhalb der Beschichtung aufgeraut ist. Erfindungsgemäß ist das Aufrauen der Oberfläche mittels einer Laserbearbeitung erfolgt, insbesondere gemäß dem oben beschriebenen Verfahren. Auch hier kann der Laser gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung als ps- oder fs-Laser ausgebildet sein. Die thermische Beschichtung kann insbesondere durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht sein. Das Bauteil kann dabei ein annähernd beliebiges Bauteil sein, wobei es insbesondere so ist, dass das Substrat durch eine Zylinderlaufbuchse oder ein Kurbelgehäuse gebildet wird, und dass die Oberfläche gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des Bauteils eine Zylinderinnenfläche, insbesondere eine Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors, ist.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Varianten der Erfindung ergeben sich außerdem aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
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1 eine prinzipmäßige Schnittdarstellung einer Zylinderbohrung sowie des Verfahrensschritts des Aufrauens mittels Laserbearbeitung;
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2 die Einwirkung von Laserstrahlen bei der Laserbearbeitung sowie das Ergebnis in einer prinzipmäßigen Darstellung;
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3 die Einwirkung eines Laserstrahls bei der Laserbearbeitung mit zwei möglichen Ergebnissen in einer prinzipmäßigen Darstellung; und
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4 ein prinzipmäßiger Querschnitt durch ein Bauteil gemäß der Erfindung.
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In der Darstellung der 1 ist sehr stark schematisiert eine Zylinderbohrung 1 dargestellt. Es soll sich beispielsweise um die Zylinderbohrung 1 in einem Kurbelgehäuse einer Brennkraftmaschine handeln. Die Zylinderbohrung ist in das Material des Kurbelgehäuses, welches nachfolgend als Substrat 2 bezeichnet wird, eingebracht. Sie soll an ihrer mit 3 bezeichneten inneren Zylinderfläche, welche später die Lauffläche für den Kolben in dem Verbrennungsmotor ausbildet, aufgeraut werden. Hierfür dient eine Laserbearbeitung über zwei in der Darstellung der 1 durch Dreiecke angedeutete mit A und B bezeichnete Laserstrahlen. Der Laserstrahl A wirkt dabei in einem von der Senkrechten abweichenden Winkel auf die Oberfläche 3 des Substrats 2 ein und erzeugt in dem Substrat 2 bzw. auf seiner Oberfläche 3 eine entsprechende Struktur, an welcher eine später in an sich bekannter Art und Weise aufgetragene thermische Beschichtung 10, beispielsweise eine durch Lichtbogendrahtspritzen aufgetragene Schicht, entsprechend anhaftet.
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Der Laser A in der Darstellung der 1 ist dabei schräg zur Oberfläche und zu der zentralen Achse Z durch die Zylinderbohrung 1 dargestellt. Er eignet sich daher insbesondere für eine Bearbeitung in dem in der 1 dargestellten oberen Bereich der Oberfläche 3. Der Laserstrahl B strahlt senkrecht von oben entlang der Achse Z in die Zylinderbohrung 1 und wird dort von einem rotierenden Spiegel 4 entsprechend umgelenkt. Der rotierende Spiegel 4 lenkt den Strahl des Lasers B dabei entweder senkrecht oder in einem Winkel zur Senkrechten auf die Oberfläche 3 und sorgt für ein entsprechendes Aufrauen derselben. Dabei können mehrere der Laser A, B gleichzeitig oder nacheinander zum Einsatz kommen. Genauso gut ist die Bearbeitung mit lediglich einem der Laser A oder B oder auch mehr als zwei Lasern grundsätzlich denkbar.
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In der Darstellung der 2 sind wiederum zwei mit A und B bezeichnete Laser angedeutet. Sie bearbeiten die Oberfläche 3 des Substrats 2 entsprechend um diese aufzurauen. Dies ist in der Darstellung der 2a) schematisch dargestellt. In der Darstellung der 2b) ist das Ergebnis dieser Bearbeitung ebenfalls sehr stark schematisiert angedeutet. In der Oberfläche 3 sind zwei Ausnehmungen 5, 6 nach der Bearbeitung über die Laser A, B vorhanden. Der Laser A sorgt für die mit 5 bezeichnete Ausnehmung, der Laser B für die mit 6 bezeichnete Ausnehmung. Beide ragen schräg entsprechend der Winkelstellung der Laser A, B gegenüber der Oberfläche 3 in das Material des Substrats 2. Hierdurch wird eine sehr gleichmäßige Aufrauhung erzielt und es entstehen Hinterschnitte, also Bereiche der Ausnehmungen 5, 6, welche in der Projektion bei einem senkrechten Blick von oben auf die Oberfläche 3 nicht erkennbar sind, da sie unterhalb von stehengebliebenem Material der Oberfläche liegen. Diese Hinterschnitte sorgen für eine sehr gute mechanische Verklammerung der hier nicht dargestellten und später noch auf die Oberfläche 3 aufgespritzten thermischen Beschichtung 10, sodass diese sehr gut an der Oberfläche 3 anhaften kann. Bei den Lasern A, B kann es sich dabei insbesondere um Ultrakurzpuls-Laser handeln, beispielsweise um ps- oder fs-Laser. Diese haben den Vorteil, dass sie kaum thermische Energie in das Substrat 2 eintragen, sondern lediglich punktuell sehr kleine Bereiche des Substrats 2 verdampfen, um die Ausnehmungen 5, 6 zu schaffen.
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In der Darstellung der 3 ist in einer alternativen Ausführungsform die Bearbeitung mit einem der Laser A, welcher hier senkrecht zur Oberfläche 3 des Substrats 2 positioniert ist, zu erkennen. In der 3b) ist ein erstes Ergebnis zu sehen, wiederum eine mit 7 bezeichnete Ausnehmung in der Oberfläche 3 des Substrats 2. Diese weist ebenfalls Hinterschnitte auf, da das durch den Laser A verdampfte Material in etwa tropfenförmig verdampft ist und damit die Seitenkanten wiederum in Richtung des Zentrums der Ausnehmung nach innen verlaufen und die gewünschten Hinterschnitte ausbilden. Durch eine Anpassung der Einwirkdauer und der Energie, mit welcher der Laser A auf die Oberfläche 3 einwirkt, lässt sich die Form und Art der Ausnehmung 7 entsprechend steuern. Eine alternative Ausnehmung 7 ist in der Darstellung der 3c) zu erkennen. Hier besteht die Ausnehmung 7 vergleichbar zur Ausnehmung 7 in 3b) wiederum aus einer punktuellen Ausnehmung, welche hier in der Art eines Kraters ausgebildet ist. Die Tiefe ist dabei vergleichsweise gering und beträgt, wie auch bei den anderen Ausnehmungen 5, 6, 7, lediglich ca. 1 bis 20 μm. Durch die Wahl der Prozessparameter, also insbesondere eine Variation der Anzahl sowie der Höhe der Pulse, wird hier ein leichter Auswurf erzeugt, welcher in der Darstellung der 3c) mit 8 bezeichnet ist. Dieser umgibt den Rand der Ausnehmung 7, sodass idealerweise Hinterschnitte entlang des Auswurfs 8 entstehen, welche die Verklammerung der Beschichtung 10 mit der in dieser Art aufgerauten Oberfläche 3 nochmals weiter verbessern können.
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In der Darstellung der 4 ist abschließend rein beispielhaft basierend auf der Ausgestaltung gemäß 3b) ein prinzipmäßiger Querschnitt durch ein Bauteil 9 zu erkennen, welches das Substrat 2 im unteren Bereich und die thermische Beschichtung 10 im oberen Bereich zeigt. In der Prinzipdarstellung ist dabei sehr gut erkennbar, wie sich das Material der Beschichtung 10 in den analog zur Darstellung in 3 hier mehrfach vorhandenen Ausnehmungen 7 entsprechend ausbreitet und damit für eine mechanische Verklammerung der Beschichtung 10 mit dem Substrat 2 sorgt.
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Dabei soll angemerkt werden, dass die Darstellungen allesamt sehr stark in der Größe vergrößert und überhöht dargestellt sind. Wie bereits erwähnt, beträgt die Tiefe der Ausnehmungen 5, 6, 7 ca. 1 bis 20 μm, der Durchmesser liegt in ähnlichen Bereichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 1950868702 [0004]
- DE 102006004769 A1 [0007]
- DE 102012021089 A1 [0007]
