DE102016108408A1

DE102016108408A1 - Werkstück mit verbesserter Beschichtung

Info

Publication number: DE102016108408A1
Application number: DE102016108408.5A
Authority: DE
Inventors: Marc Diesselberg; Mareike Hesebeck; Galina Haidarschin
Original assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2017-11-09
Anticipated expiration: 2036-05-07
Also published as: CN108138299A; US20180282878A1; JP2018536762A; EP3452628B1; WO2017190941A1; EP3452628A1; JP6609040B2; DE102016108408B4; US11346007B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) für eine Hydraulikvorrichtung (1, 15). Das Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) weist eine Beschichtungsschicht (12) auf, wobei die Beschichtungsschicht (12) Mo, insbesondere metallisches Mo, mit einem Gewichtsanteil von mindestens 1% aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück für eine Hydraulikvorrichtung, welches zumindest teilweise eine Beschichtungsschicht aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Hydraulikvorrichtung und/oder eine Fluidarbeitsmaschine, welche zumindest ein Werkstück aufweist, das zumindest teilweise mit einer Beschichtungsschicht versehen ist.
Immer dann, wenn zwei Oberflächen zweier verschiedener Werkstücke miteinander in Kontakt stehen, kommt es zu Reibung. Anfänglich behindert diese Reibung eine Bewegung der betreffenden Werkstücke, sodass eine vergleichsweise hohe Kraft erforderlich ist, um eine Relativbewegung der beiden Werkstücke gegeneinander zu initiieren. Sobald eine Bewegung begonnen hat, kommt es aufgrund von Reibung unvermeidlich zu einer mechanischen Abnutzung der beiden miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen. Diese Abnutzung führt schlussendlich zum Erfordernis von Wartungsarbeiten (beispielsweise müssen die betreffenden Werkstücke zu einem gewissen Zeitpunkt ausgetauscht werden), weil es ansonsten ab einem gewissen Zeitpunkt zu einem Versagen der Maschine kommen würde. Aber auch bevor es zu einem Versagen kommt, führt die erwähnte Abnutzung (und hier insbesondere eine Abrasion) der betreffenden Oberflächen üblicherweise zu einer geringeren Effizienz der Maschine (beispielsweise aufgrund höherer Schmiermittelverluste aufgrund größerer Spalten), zu einer Geräuscherzeugung (aufgrund von Vibrationen insbesondere aufgrund von größeren möglichen Amplituden für vibrierende Teile), sowie zu weiteren Effekten, sodass teilweise zu einem sehr frühen Zeitpunkt eine vorsorgliche Wartung durchgeführt werden muss.
Aufgrund der Betriebsweise der jeweiligen Vorrichtung, in der die Werkstücke benutzt werden, kann eine Relativbewegung zweier Maschinenteile (Werkstücke) gegeneinander in aller Regel nicht vermieden werden (weil die Maschine ansonsten nicht funktionsfähig wäre). Aus diesem Grunde wurden im Stand der Technik unterschiedliche Vorgehensweisen vorgeschlagen, um die Reibung zu verringern, und auf diese Weise die Wartungsintervalle zu verlängern sowie die Leistungsfähigkeit der Vorrichtung zu erhöhen.
Eine übliche Herangehensweise, die bei einer Vielfalt von technischen Gebieten genutzt wird, ist die Verwendung von Schmiermitteln. Es wird also an der Kontaktfläche der beiden sich gegeneinander bewegenden Teile ein dünner Fluidfilm verwendet. Als Fluide wird üblicherweise eine Bandbreite unterschiedlicher Öle (Mineralöle, synthetische Öle, ein Gemisch hiervon und Ähnliches) verwendet. Im Stand der Technik ist aber auch die Verwendung unterschiedlicher Arten von Fluiden bekannt. In manchen Anwendungsgebieten wird beispielsweise auch eine dünne Fluidschicht, welche (größtenteils) aus Gas besteht, verwendet, um Schmieraufgaben durchzuführen (d.h. es wird ein dünner Gasfilm genutzt).
Obgleich diese Herangehensweise die übliche, in der Realität gut funktionierende Herangehensweise, darstellt, weist sie auch einige Nachteile auf. Insbesondere kommt es erst dann zu einer effektiven Verringerung der Reibung aufgrund einer Schmierung des Kontaktbereichs zweier benachbarter Teile, wenn sich die beiden Oberflächen der Werkstücke einer gewissen Relativgeschwindigkeit gegeneinander bewegen. Dann tritt sogenannte hydrodynamische Schmierung auf. Bei niedrigeren Geschwindigkeiten tritt jedoch lediglich die sogenannte Grenzschichtschmierung auf (bei der eine erhöhte Reibung auftritt und bei der es daher zu einem erhöhten Verschleiß kommt). Zwischen diesen beiden Bereichen tritt eine Mischschmierung auf. Das intrinsische Problem dieser Bereiche besteht darin, dass sie in gewissem Maße zuwiderlaufen, sodass ein Kompromiss gefunden werden muss. Der Vollständigkeit halber sollte darüber hinaus darauf hingewiesen werden, dass es unter bestimmten Bedingungen auch zu einer Trockenreibung kommen kann.
Um die insbesondere Reibung bei höheren Geschwindigkeiten (hydrodynamische Schmierung) gering halten, sollte Öl mit einer geringen Viskosität gewählt werden. Weist ein Öl jedoch eine niedrige Viskosität auf, ist dieses üblicherweise weniger adhäsiv und haftet daher nicht so gut an den Oberflächen des Werkstücks. Dies hat zur Folge, dass im Bereich niedriger Geschwindigkeiten (Grenzschichtschmierung und/oder gemischte Schmierung) üblicherweise eine erhöhte Reibung auftritt, was zu einem erhöhten Verschleiß führt. Aus diesem Grund muss bei der Wahl des Öls ein Kompromiss gewählt werden, wobei der Kompromiss in hohem Maße von den Betriebsbedingungen der fraglichen Maschine abhängt.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass bei einer nicht betriebenen Maschine ein Ölfilm bereits nach einer vergleichsweise kurzen Zeitspanne von den Oberflächen verschwindet. Wird die Maschine nicht betrieben, ist selbstverständlich auch eine Schmiermittelpumpe, die Öl auf die zu schmierenden Oberflächen pumpt, nicht in Betrieb. Eine typische Zeitspanne bis zur Abtrocknung derartiger Oberflächen ist ein bis zwei Tage. Nach dieser Zeitdauer zeigen die Oberflächenbereiche der Vorrichtung im Wesentlichen keine Fluidbedeckung mehr, und dementsprechend tritt auch keine Fluidschmierung mehr auf. Wird die Maschine gestartet, kommt es in der Anfangsphase zu einer vergleichsweise hohen Reibung und ein Verschleiß tritt (unvermeidbar) auf, da die betreffenden Oberflächenteile in der Anfangsphase (typischerweise einige Sekunden) in direktem Kontakt miteinander stehen (zwischen den beiden Oberflächen ist keine Fluidschicht). Die gleiche Situation eines unmittelbaren Oberfläche-zu-Oberfläche-Kontakts (ohne dazwischenliegendem Fluidfilm) kann auftreten, falls es zu einem Versagen (von Teilen der) Maschine kommt (beispielsweise Versagen einer Ölpumpe) oder auch im Falle einer funktionstüchtigen Vorrichtung beim Vorhandensein besonders problematischer Betriebsbedingungen.
Daher müssen bei Vorrichtungen, die eine höhere Zuverlässigkeit und eine erhöhte Lebensdauer erfordern, zusätzliche Maßnahmen umgesetzt werden. Ein typisches Beispiel für derartige „zusätzliche Maßnahmen“ ist die Verwendung von speziellen Beschichtungen für Oberflächenbereiche, die miteinander in Kontakt stehen.
In Abhängigkeit vom technischen Gebiet und damit in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen der miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen, wurden bereits verschiedene Oberflächenbeschichtungsschichten vorgeschlagen.
Ein spezielles technisches Gebiet ist das Gebiet von Fluidarbeitsmaschinen (Fluidpumpvorrichtungen und/oder Fluidmotorvorrichtungen, insbesondere Hydraulikfluidpumpen und/oder Hydraulikfluidmotoren). In diesem Gebiet existieren unterschiedliche Bauarten von Fluidarbeitsmaschinen. Eine gewissermaßen „anspruchsvolle Bauart“ von Fluidarbeitsmaschinen (zumindest wenn es sich um Oberflächenbeschichtungen handelt) ist Schrägachsenmotoren/Schrägachsenpumpen (einschließlich der weiterentwickelten Bauform von Fluidarbeitsmaschinen mit veränderlichem Neigungswinkel der Schrägscheibe; dies wird auch als Taumelscheibe bezeichnet). Dies rührt daher, dass es hier bauartbedingt zu einem Spitze-zu-Oberflächen-Kontakt kommt. Daher liegt zusätzlich zum Erfordernis einer guten Schmierung eine hohe mechanische Kraft/ein hoher mechanischer Druck vor. Aus diesem Grund muss man unterschiedliche Parameter berücksichtigen. Insbesondere muss eine niedrige Reibung vorhanden sein (sowohl mit, als auch ohne Fluidschicht zwischen den beiden miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen), eine gute Benetzbarkeit der Oberflächen bezüglich des benutzten Schmierfluid muss vorhanden sein, eine hohe mechanische Widerstandsfähigkeit muss gegeben sein (geringe Abnutzung der betreffenden Teile), und die betreffenden Beschichtungen müssen hohen mechanischen Kräften/hohen mechanischen Drückem widerstehen können (insbesondere ohne dass es zu sogenannten Pflügeffekten/Deformationseffekten kommt).
Bislang werden in diesem technischen Gebiet Bronzebeschichtungen verwendet, wobei die Bronze typischerweise einen gewissen Bleianteil aufweist. Mit zunehmendem Umweltbewusstsein stellt der Bleianteil jedoch ein zunehmendes Problem dar. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass der gesetzlich erlaubte Bleianteil mit der Zeit geringer wird. Auch muss in der näheren Zukunft von einem kompletten Verbot von jeglichem Bleianteil ausgegangen werden, zumindest in bestimmten rechtlichen Zuständigkeitsgebieten.
Daher besteht ein großer Bedarf an einer Oberflächenbeschichtung, welche gute (oder zumindest akzeptable) mechanische Eigenschaften aufweist, die aber keinen (oder zumindest nur einen sehr geringen) Bleianteil aufweist.
Eine Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, ein eine Beschichtungsschicht aufweisendes Werkstück für eine Hydraulikvorrichtung vorzuschlagen, bei dem die Beschichtungsschicht gegenüber Beschichtungsschichten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Hydraulikvorrichtung und/oder eine Fluidarbeitsmaschine mit zumindest einem Werkstück vorzuschlagen, welches zumindest teilweise eine Beschichtungsschicht aufweist, die gegenüber Beschichtungsschichten, wie sie im Stand der Technik bekannt sind, verbessert ist.
Die Erfindung gemäß den unabhängigen Ansprüchen löst diese Aufgaben.
Es wird vorgeschlagen, ein Werkstück für eine Hydraulikvorrichtung, welches zumindest teilweise eine Beschichtungsschicht aufweist, derart auszubilden, dass die Beschichtungsschicht Mo, insbesondere metallisches Mo, mit einem Gewichtsanteil von zumindest 1% aufweist. Obgleich das Werkstück, das zur Verwendung in Hydraulikvorrichtungen vorgesehen ist, im Wesentlichen aus einem beliebigen Material gefertigt sein kann (um ein paar Beispiele zu nennen: aus einem Keramikmaterial, aus einem Harzmaterial, aus einem Plastikmaterial, aus einem Gummimaterial, aus einem (Kohlenstoff-) verstärkten Fasermaterial, aus Metall und aus ähnlichen Materialien; ein Gemisch aus zwei oder mehr Bestandteilen von dieser Liste und/oder gegebenenfalls sogar weiteren Materialien ist ebenso möglich), ist es üblicherweise von Vorteil, wenn es sich bei dem Werkstück um ein metallisches Werkstück handelt, d.h., dass das Basismaterial (welches üblicherweise die Basisstruktur des betreffenden Materials ausbildet) aus einem Metall gefertigt ist. Bei dem Metall kann es sich im Wesentlichen um ein beliebiges Metall handeln. Es ist jedoch von Vorteil, wenn das Werkstück aus Metall ist, welches üblicherweise für die Verwendung in Maschinen genutzt wird, beispielsweise aus Eisen, Stahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Aluminium und dergleichen (einschließlich Legierungen, die ein, zwei oder mehrere der vorab genannten Metalle und gegebenenfalls weitere Materialien und/oder Metalle aufweisen, ohne dass dies einschränkend zu verstehen ist). Das Werkstück weist zumindest eine Beschichtungsschicht auf. Falls eine Mehrzahl von Beschichtungsschichten vorgesehen wird (was natürlich möglich ist), können die Beschichtungsschichten „übereinandergestapelt“ werden und/oder können die Beschichtungsschichten auf unterschiedlichen Oberflächenbereichen des Werkstücks ausgebildet werden. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Formulierung „zumindest teilweise eine Beschichtungsschicht aufweist“ nicht notwendigerweise bedeutet, dass die gesamte Oberfläche des Werkstücks eine Beschichtungsschicht aufzuweisen hat. Vielmehr ist es üblicherweise ausreichend, wenn die Beschichtungsschicht lediglich in einem Teilbereich der Gesamtoberfläche des Werkstücks ausgebildet ist, beispielsweise in Gestalt einer, zweier, dreier oder mehrerer „Oberflächenstücke“ („patches“). Insbesondere können die Oberflächenstücke vorteilhafterweise (zumindest) solche Oberflächenbereiche bedecken, in denen es üblicherweise zu einem Oberflächenkontakt mit einem weiteren Werkstück kommt und/oder von einem solchen Kontakt auszugehen ist (insbesondere beim Vorhandensein mehr oder weniger normaler Betriebsbedingungen der Gesamtvorrichtung), wobei gegebenenfalls eine „Sicherheitsmarge“ vorgesehen werden kann. Um ein paar Zahlen bezüglich des Anteils an der Gesamtoberfläche bei einem bestimmten Werkstück, die mit einer Beschichtungsschicht versehen werden kann, anzugeben: die Beschichtungsschicht (zumindest einer der Mehrzahl von Beschichtungsschichten) kann mindestens 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% und/oder maximal 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 100% aufweisen. Es ist selbstverständlich möglich, dass die Beschichtungsschicht (einschließlich der Möglichkeit einer oder mehrerer Oberflächenstücke mit Beschichtungsschichten) im Wesentlichen die gleiche Dicke aufweist. Es ist jedoch ebenso möglich, dass unterschiedliche Dicken verwendet werden. Um ein explizites Beispiel zu nennen: die Beschichtungsschicht kann in einem ersten Teilbereich der Gesamtoberfläche eine vergleichsweise große Dicke aufweisen, in einem zweiten Teilbereich der Gesamtoberfläche kann die Beschichtungsschicht eine zweite, vergleichsweise geringe Dicke aufweisen, und in einem dritten Teilbereich der Gesamtoberfläche kann (im Wesentlichen) keine Beschichtungsschicht vorgesehen sein. Es ist auch möglich, dass auch ein vierter, fünfter, sechster und auch weitere Teilbereiche der Gesamtoberfläche Beschichtungsschichten mit unterschiedlichen Dicken aufweisen. Es kann auch von der Verwendung der ersten, der zweiten und/oder der dritten der vorab beschriebenen Beschichtungsschichten abgesehen werden. Um mit dem Beispiel der Verwendung von drei Oberflächenbereichen („Oberflächenstücke“) fortzufahren: der erste Oberflächenbereich, der eine vergleichsweise dicke Beschichtungsschicht aufweist, kann in solchen Bereichen vorgesehen werden, in denen es regelmäßig zu einem Oberflächenkontakt kommt. Der zweite Oberflächenbereich mit einer vergleichsweise dünnen Beschichtungsschicht kann in solchen Oberflächenbereichen vorgesehen werden, in denen es erwartungsgemäß weniger häufig zu einem Oberflächenkontakt kommt (beispielsweise nur ab und an), wohingegen der dritte Oberflächenbereich mit einer extrem dünnen Beschichtungsschicht oder gar keiner Beschichtungsschicht in solchen Bereichen vorgesehen werden kann, in denen man davon ausgeht, dass es nur selten (falls überhaupt) zu einem Oberflächenkontakt kommt. Wie bereits erwähnt wird vorgeschlagen, dass die Beschichtungsschicht Mo (also Molybdän) enthält. Das Molybdän kann im Wesentlichen in jeglicher Form vorhanden sein. Beispielsweise kann das Molybdän in Form eines chemisch gebundenen Teils eines Moleküls vorhanden sein (wobei es sich bei dem Molekül um einen Bestandteil eines aus mehreren Bestandteilen bestehenden Gemisches aus unterschiedlichen Materialien handeln kann). Vorzugsweise ist das Molybdän jedoch zusätzlich und/oder alternativ in Form von metallischem Molybdän vorhanden. Wie das (metallische) Molybdän in der Oberflächenbeschichtung vorhanden ist, ist im Wesentlichen beliebig. Beispielsweise kann es in Form kleiner metallischer Stückchen in einem Gemisch aus unterschiedlichen Bestandteilen vorhanden sein. Es kann sich jedoch auch um einen Anteil in einer Legierung handeln (wobei „Legierung“ nicht nur in einem eng gefassten Sinn zu verstehen ist, derart, dass im Wesentlichen alle Bestandteile des „Gesamtmaterials“ Metalle (oder zumindest Halbmetalle) sind; vielmehr ist es auch möglich, dass „Legierung“ in einem weiteren Sinne zu verstehen ist, derart, dass beliebige Bestandteile im Materialgemisch „erlaubt“ sind). Insbesondere ist es möglich, dass Molybdän Teil eines keramischen Materialgemisches ist und/oder des Molybdän Teil eines gesinterten Materials ist. Es wird erneut darauf hingewiesen, dass mehrere Schichten und/oder mehrere „Oberflächenstücke“ (d.h., nebeneinander angeordnet) vorgesehen werden können, wobei die unterschiedlichen Schichten und/oder die unterschiedlichen Oberflächenstücke sich voneinander unterscheiden können, und zwar nicht nur hinsichtlich der Dicke, sondern auch hinsichtlich des verwendeten Materials (einschließlich einer Änderung der Anteile der betreffenden Materialbestandteile). Wie bereits erwähnt, sollte das Mo einen Gewichtsanteil von zumindest 1% aufweisen (wobei üblicherweise, jedoch nicht zwangsweise, auch genau 1% möglich ist). Erste Experimente haben gezeigt, dass die resultierende Beschichtungsschicht ein besonders vorteilhaftes Verhalten zeigt, falls Molybdän vorhanden ist. Insbesondere ist es durch Verwendung eines auch nur kleinen Anteils an Molybdän im Materialgemisch (wie vorliegend vorgeschlagen) möglich, den Anteil an Blei signifikant zu verringern (und oftmals im Wesentlichen vollständig zu vermeiden). Dadurch ist es möglich, die derzeitige und zukünftige Gesetzgebung zu beachten, ohne die Qualität der Beschichtungsschicht, und damit der Gesamtvorrichtung, übermäßig einzuschränken (wobei es auch möglich ist, die Zuverlässigkeit des betreffenden Teils/der betreffenden Teile sogar zu erhöhen). Wird das betreffende (metallische) Werkstück für eine Hydraulikvorrichtung verwendet, kann, was erste Experimente nachgewiesen haben, die Verwendung von Molybdän in der Beschichtungsschicht sogar weitere ihrer intrinsischen Eigenschaften und Vorteile ausspielen. Insbesondere ist bei der Verwendung von üblichen Hydraulikölen die Benetzbarkeit der Beschichtungsschicht zumindest ausreichend hoch (und üblicherweise sogar sehr hoch). Dadurch trocknen die betreffenden Oberflächen nicht übermäßig schnell ab, sodass das Auftreten von Trockenreibung verringert werden kann, in der Regel sogar erheblich.
Weiterhin kann bei der Verwendung von Molybdän als Bestandteil der Beschichtungsschicht in der Regel eine besonders verschleißarme Beschichtungsschicht realisiert werden, die üblicherweise besonders widerstandsfähig gegenüber „punktartigen Kräften“ ist (d.h. in Bezug auf hohe Kräfte und/oder hohe mechanische Drücke welche auf einen lediglich kleinen Oberflächenbereich einwirken). Die Eigenschaften einer solchen Beschichtungsschicht sind typischerweise im Gebiet von Hydraulikmaschinen besonders erwünscht, insbesondere bei Hydraulikmaschinen, die eine schräg gestellte Schrägscheibe aufweisen, die mit Kolbenschuhen in Kontakt steht.
Die Dicke der Beschichtungsschicht (zumindest einer der Mehrzahl von Beschichtungsschichten) ist vorzugsweise im Bereich von etwa 200 µm. Wird eine Beschichtungsschicht mit einer derartigen Dicke aufgebracht, ähneln die mechanischen Eigenschaften des Werkstücks dem eines unbeschichteten Vergleichsstücks (also hinsichtlich der mechanischen Festigkeit und dergleichen), wohingegen die Vorteile der Beschichtungsschicht, insbesondere im Hinblick auf Abriebfestigkeit und Verschleißfestigkeit, bereits gegeben sind (zumindest üblicherweise führt eine erhebliche Erhöhung der Festigkeit zu keiner signifikanten Erhöhung dieser Parameter). Weiterhin können die Kosten vergleichsweise niedrig bleiben (wobei zu bedenken ist, dass der Auftrag einer Beschichtung mittels thermischer Beschichtungstechniken eine signifikante Zeitspanne erfordert). Selbstverständlich können auch unterschiedliche Dicken aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Dicke größer als 10 µm, 20 µm, 30 µm, 50 µm, 75 µm, 100 µm, 125 µm, 150 µm, 170 µm, 200 µm, 225 µm, 250 µm, 275 µm oder 300 µm sein (als Untergrenze; 0 ist hier ebenfalls möglich) und kann zusätzlich und/oder alternativ maximal 50 µm, 75 µm, 100 µm, 125 µm, 150 µm, 175 µm, 200 µm, 225 µm, 250 µm, 275 µm, 300 µm, 325 µm, 350 µm, 375 µm, 400 µm, 425 µm, 450 µm, 475 µm, 500 µm, 600 µm, 700 µm, 800 µm, 900 µm oder 1 mm (als Obergrenze) sein.
Es ist jedoch auch möglich, dass der Gewichtsanteil von Mo in den Beschichtungsschichten (in zumindest einer der Mehrzahl von Beschichtungsschichten) vom vorab genannten „zumindest 1%“ abweicht. Insbesondere wird vorgeschlagen, dass der Gewichtsanteil von Mo in der Beschichtungsschicht mindestens 2%, 3%, 5%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40% oder 50% und/oder maximal 100%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15% oder 10% ist. Die genannten Zahlen können bei einer, zwei, drei oder auch mehr Schichten (einschließlich im Wesentlichen aller Schichten) verwendet werden, insbesondere wenn eine Mehrzahl an Schichten vorhanden ist. Es soll möglich sein, diese Aussage in analoger Weise auch auf alle anderen Inhaltsangaben (in Bezug auf Materialien, Anteilsangaben, chemische Formeln, Größen (insbesondere Teilchengrößen und Ähnliches)), die im Zusammenhang mit dieser Anmeldung genannt werden, anzuwenden. Erste Versuche haben gezeigt dass, falls die angegebenen Gewichtsanteile gewählt werden, das resultierende Werkstück besonders vorteilhafte Gesamteigenschaften aufweist. Insbesondere können die Zahlen in Abhängigkeit der spezifischen Einsatzbedingungen, bei denen das Werkstück genutzt werden soll, gewählt werden.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, das Werkstück in einer Weise zu fertigen, dass die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl von Beschichtungsschichten) Ni (Nickel) mit einem Gewichtsanteil von weniger als 40%, 35%, 33,3%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 9%, 7%, 6%, 5%, 4,5%, 4%, 3,5%, 3%, 2,5%, 2%, 1,5%, 1% oder 0,5% aufweist, oder im Wesentlichen kein Ni enthält. Erste Versuche haben gezeigt dass bei der Verwendung eines bestimmten Anteils von Mo das Vorhandensein eines zu großen Anteils von Ni überraschenderweise kontraproduktiv sein kann. Aus diesem Grunde ist ein reduzierter Anteil an Ni bevorzugt. Lediglich der Vollständigkeit halber wird darauf hingewiesen, dass die angegebenen Zahlen nicht nur als Obergrenze, sondern zusätzlich oder alternativ auch als Untergrenze verwendet werden können.
Es wird weiterhin vorgeschlagen das Werkstück derart auszubilden, dass die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl von Beschichtungsschichten) weiterhin ein Material enthält, welches der Gruppe entnommen ist, die Cr (Chrom), B (Bor), Si (Silizium), Fe (Eisen) und Mn (Mangan) umfasst. Erste Experimente deuten an, dass die Verwendung eines bestimmten Anteils dieser Materialien (Metalle) die Eigenschaften der Beschichtungsschicht (insbesondere bezüglich des Vorhandenseins eines gewissen Anteils von Mo) noch weiter verbessern können.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass das Werkstück derart ausgebildet ist, dass die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl an Beschichtungsschicht) im Wesentlichen aus einem Material mit der Zusammensetzung Mo25(NiCrBSiFe) oder einer Abwandlung hiervon besteht, wobei der Gewichtsanteil von Mo zwischen 75% und 90%, vorzugsweise zwischen 80% und 85%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Ni zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Cr zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von B zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Si zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Fe zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt. Erste Experimente haben gezeigt, dass dieses spezifische Gemisch an Materialien zu einer besonders vorteilhaften Beschichtungsschicht führt.
Zusätzlich oder alternativ wird vorgeschlagen, das Werkstück derart auszubilden, dass die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl an Beschichtungsschichten) im Wesentlichen aus einem Material mit der Zusammensetzung Fe16Mo2C0.25Mn oder einer Abwandlung hiervon besteht, wobei der Gewichtsanteil von Fe zwischen 75% und 90%, vorzugsweise zwischen 80% und 85%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von C zwischen 0.5% und 2%, vorzugsweise zwischen 1% und 1.5%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Mn zwischen 3% und 7%, vorzugsweise zwischen 4% und 6%, liegt. Bei der Durchführung erster Versuche haben diese gezeigt, dass das angegebene Materialgemisch zu einer besonders vorteilhaften Beschichtungsschicht führt.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, das Werkstück derart auszubilden, dass die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl an Beschichtungsschichten) im Wesentlichen kein Pb (Blei) enthält. Auf diese Weise kann die bestehende und können zukünftige Gesetzgebungen vorteilhafterweise eingehalten werden. Der Begriff „im Wesentlichen kein Blei“ bedeutet, dass es natürlich „erlaubt“ ist, dass gewisse Restmengen/Verunreinigungen, die wirtschaftlich nicht sinnvoll entfernt werden können (und die typischerweise kein Umweltrisiko darstellen) im betreffenden Material vorhanden sein können. Dennoch kann in der Regel ein „absichtlicher Anteil“ von Blei vermieden werden.
Gemäß einem weiteren Vorschlag kann das Werkstück derart ausgebildet werden, dass die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl an Beschichtungsschichten) aus einem Spritzmaterial gefertigt ist und vorzugsweise mittels Spritzbeschichtungsverfahren, insbesondere mittels thermischer Spritzbeschichtungsverfahren wie Plasmaspritzverfahren und/oder Hochgeschwindigkeit-Oxyfuel-Spritzverfahren, aufgebracht wird. Derartige Verfahren sind als solche im Stand der Technik bekannt (obgleich unterschiedliche Materialien verwendet werden). Bei Verwendung des vorliegenden Vorschlags ist es möglich, dass derzeit vorhandene Geräte (und möglicherweise sogar Geräte, welche bereits „vor Ort“ genutzt werden) für die vorliegend vorgeschlagenen Beschichtungsschichten verwendet werden können (möglicherweise nach gewissen Modifikationen). Diese Möglichkeit erhöht die Akzeptanz der vorliegend vorgeschlagenen Beschichtungsschichten. Nichtsdestotrotz ist es bei Verwendung dieser (üblichen Beschichtungungs-)Verfahren möglich, eine Beschichtungsschicht der vorliegend vorgeschlagenen Art, welche üblicherweise herausragende Eigenschaften aufweist, auf üblicherweise vergleichsweise kostengünstige und effiziente Weise zu realisieren.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, das Werkstück derart auszubilden, dass das Spritzmaterial Partikel mit einer Größe aufweist, die für Spritzbeschichtungsverfahren geeignet ist, insbesondere Partikel mit einer Größe aufweist, die im Bereich zwischen 1 µm und 25 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 15 µm, aufweist. Im vorliegenden Zusammenhang kann „aufweisen“ auch als (im Wesentlichen) „bestehend aus“ aufgefasst werden. Ebenso kann hierunter ein gewisser Anteil von mindestens 0%, 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80% oder 90% bis maximal 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% oder 100% verstanden werden. Der Anteil kann sich insbesondere auf einen Gewichtsanteil, auf einen molaren Anteil, auf einen Volumenanteil und dergleichen beziehen. Bei Verwendung von Partikeln mit derartigen Größen weist die resultierende Beschichtungsschicht üblicherweise besonders vorteilhafte Eigenschaften auf; insbesondere ist diese üblicherweise besonders verschleißarm. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Partikel, obgleich diese ein „Vorgängermaterial“ der erzeugten Beschichtungsschicht darstellen, die Struktur der erzeugten Beschichtungsschicht zumindest bei Verwendung üblicher Betriebsbedingungen für die Spritzbeschichtungsverfahren derart beeinflussen, dass die ursprünglich verwendeten Partikelgrößen nach wie vor aus der resultierenden Beschichtungsschicht ermittelt werden können.
Die Werkstücke (und insbesondere die Beschichtungsschicht/die Beschichtungsschichten) können ihre intrinsischen Eigenschaften und Vorteile insbesondere dann ausspielen, wenn bei dem Werkstück die Beschichtungsschicht (zumindest eine der Mehrzahl an Beschichtungsschichten) zumindest in einem Kontaktbereich vorgesehen ist, in dem das Werkstück relativ zu einem anderen Werkstück beweglich angeordnet ist. Wie bereits erwähnt handelt es sich hierbei um eine Art von „typischer Minimalanforderung“. In unterschiedlichen Bereichen kann eine Beschichtungsschicht vorhanden sein oder nicht vorhanden sein und/oder eine Beschichtungsschicht mit einer unterschiedlichen Dicke und/oder mit einer unterschiedlichen Materialzusammensetzung vorgesehen werden. Die in diesem Zusammenhang genannte „Kontaktoberfläche“ ist vorliegend dahingehend zu verstehen, dass dieser Kontaktbereich bei Standardbetriebsbedingungen umfasst (und gegebenenfalls den bei Betriebsbedingungen, die zwar unüblich sind – und daher keine Standardbedingungen darstellen – die aber mit einer ausreichend hohen Wahrscheinlichkeit auftreten können). Im vorliegenden Zusammenhang kann „Kontaktoberfläche“ insbesondere einen direkten Kontakt (ohne dass sich dazwischen ein Schmiermittel befindet) und/oder einen „indirekten“ Kontakt (wobei sich zwischenliegend eine Schmiermittelschicht befindet) bedeuten.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, das Werkstück derart auszubilden dass es sich bei dem Werkstück um eine Vorrichtung handelt, die der Gruppe entnommen ist, welche Schrägscheiben, Exzenter, Kolben, Kolbenschuhe, Zylinder, Zylinderblöcke, Ventile, Ventilplatten, Ventilplattenvorrichtungen, Ventilteilvorrichtungen, Ringe, Auskleidungen, Platten, Plattenvorrichtungen, Lager, Lagerplatten und/oder Lagerplattenvorrichtungen umfasst. Derartige Teile sind üblicherweise in Bezug auf mechanischen Verschleiß besonders anfällig. Aus diesem Grund ist die Verwendung einer Beschichtungsschicht für derartige Teil besonders vorteilhaft und führt üblicherweise zu einer besonders langlebigen „Gesamtmaschine“. Dies ist in der Regel natürlich erwünscht. Es wird darauf hingewiesen, dass es selbst dann, wenn der Begriff einer „Platte“ verwendet wird, es möglich ist, dass die betreffende Vorrichtung auch eine erhebliche Dicke aufweist (derart, dass üblicherweise der Begriff einer „Platte“ nicht verwendet würde). Aus diesem Grunde werden für manche der vorab genannten Vorrichtungen Alternativausdrücke vorgeschlagen (wie Ventilplattenvorrichtungen, Ventilteil, Ventilteilvorrichtung). Die betreffenden Begriffe wurden nicht für alle möglichen und denkbaren Kombination verwendet. Deren Verwendung soll jedoch in analoger Weise auch für andere Vorrichtungen möglich sein. Insbesondere ist die Verwendung des Begriffs „Platte“ typischerweise auf Vorrichtungen mit einer Dicke bis hin zu 1 mm, 2 mm, 3 mm, 4 mm, 5 mm, 6 mm, 7 mm, 8 mm, 9 mm oder 10 mm beschränkt. In der „anderen Richtung“ sollen auch Platten mit einer besonders geringen Dicke möglich sein, wobei manchmal bereits der Begriff einer „Folie“ benutzt werden könnte (beispielsweise für Vorrichtungen bis hin zu 0,1 mm, 1 mm, 0,2 mm, 0,3 mm, 0,4 mm, 0,5 mm, 0,6 mm, 0,7 mm, 0,8 mm, 0,9 mm oder 1 mm). Es ist natürlich für einen Fachmann klar, dass die „Obergrenze“ einer Vorrichtung als „Untergrenze“ für die „nächst folgende“ Vorrichtung verwendet werden kann.
Es wird weiterhin vorgeschlagen, dass das Werkstück zur Verwendung in einer Hydraulikvorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einer Fluidarbeitsmaschine, ausgebildet ist. In einem solchen Fall kann das betreffende Werkstück seine intrinsischen Eigenschaften und Vorteile besonders vorteilhaft ausspielen, was in einer besonders vorteilhaften „Gesamtmaschine“ resultiert.
Weiterhin wird vorgeschlagen, die Hydraulikvorrichtung und/oder die Fluidarbeitsmaschine derart auszubilden, dass sie zumindest ein Werkstück gemäß einem oder mehrerer der vorab genannten Vorschläge aufweist. In einem solchen Fall zeigt die Hydraulikvorrichtung/die Fluidarbeitsmaschine zumindest in analoger Weise die gleichen Eigenschaften, Vorteile und Merkmale wie vorab beschrieben. Weiterhin kann die Hydraulikvorrichtung/Fluidarbeitsmaschine zumindest in analoger Weise im vorab beschriebenen Sinn weitergebildet werden.
Weitere Vorteile, Eigenschaften und Aufgaben der Erfindung werden durch die folgende, detaillierte Beschreibung der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, wobei die Figuren zeigen:
1: eine schematische Querschnittsansicht eines erstes möglichen Ausführungsbeispiels einer Fluidarbeitsmaschine, die mehrere Teile aufweist, wobei einige dieser Teile eine teilweise Oberflächenbeschichtung aufweisen;
2: eine schematische Explosionsansicht eines zweiten möglichen Ausführungsbeispiels einer Fluidarbeitsmaschine, wobei die Fluidarbeitsmaschine mehrere Teile aufweist, und einige dieser Teile eine teilweise Oberflächenbeschichtung aufweisen.
In 1 ist ein erstes mögliches Ausführungsbeispiel einer Fluidarbeitsmaschine 1 dargestellt. Im vorliegenden Fall ist die Fluidarbeitsmaschine 1 vom Typ einer Hydraulikfluidpumpe, bei der eine geneigte Schrägscheibe 2 (oftmals auch als „Taumelscheibe“ bezeichnet) verwendet wird, um zunächst eine Drehbewegung 3 (durch einen Pfeil 3 um die Drehwelle 4 herum dargestellt) in eine auf-und-ab-Bewegung mehrerer Kolben 5, welche sich in ihren entsprechenden zylindrischen Ausnehmungen 6 bewegen, umzusetzen. Die zylindrischen Ausnehmungen 6 sind in einem Zylinderblock 14, der stationär verbleibt, angeordnet. Durch die auf-und-ab-Bewegung der Kolben 5 vergrößert und verkleinert sich das Volumen, welches durch die Kolben 5 und die zylindrischen Ausnehmung 6 eingeschlossen ist, wiederholt. Weiterhin verbinden Fluideinlasskanäle 7 und Fluidauslasskanäle 8 die zylindrischen Ausnehmungen 6 fluidisch mittels geeignet in den Fluidkanälen 7, 8 angeordneter Rückschlagventile 9. Wie bereits erwähnt, verbleibt der Ventilblock 14 (im Wesentlichen) stationär, was für eine Fluidarbeitsmaschine 1 vom vorliegend dargestellten Typ typisch ist. Es ist natürlich nicht ausgeschlossen, dass die Fluidarbeitsmaschine 1 für mobile Anwendungen verwendet wird. Von daher ist im Rahmen der vorliegenden Anmeldung der Begriff „stationär“ oder „starr“ typischerweise in Bezug auf die unmittelbar benachbarte Umgebung aufzufassen (beispielsweise hinsichtlich des Bezugssystems eines Fahrzeugs). Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass abgesehen von der vorliegend dargestellten Ausbildungsform mit Rückschlagventilen 9 selbstverständlich auch abweichende Ausbildungsweisen möglich sind. Um lediglich eine weitere Möglichkeit zu nennen: zusätzlich und/oder alternativ könnte eine Ventilplatte (Ventilplatteneinrichtung, Ventilsegment und dergleichen) verwendet werden.
Basierend auf den sich wiederholenden Vergrößerungen und Verkleinerungen des von den zylindrischen Ausnehmungen 6 und den Kolben 5 eingeschlossenen Volumens wird Fluid von einem Niederdruckreservoir 10 zu einem Hochdruckreservoir 11 (vorliegend nicht im Detail dargestellt) gepumpt, sobald die Drehwelle 4 in eine Drehbewegung versetzt wird. Eine derartige Vorrichtung ist als solche im Stand der Technik bekannt.
Die Erfindung betrifft die Oberflächenbeschichtung 12 (durch schraffierte Bereiche dargestellt), die auf Teilen der Kolben 5 (dem zylindrischen Teil), Teilen der Innenwände der zylindrischen Ausnehmungen 6, Teilen der Oberfläche der Schrägscheibe 2 und Teilen der Oberfläche der Kontaktkugeln 13, welche im unteren Bereich der Kolben 5 angeordnet sind, und zwar dort wo die Kontaktkugeln 13 dem Antriebskontakt mit der Schrägscheibe 2 dienen, ausgebildet ist.
Es ist darauf hinzuweisen, dass (zumindest ein Teil) der Schwerpunkt der vorliegenden Erfindung in den unterschiedlichen Teilen die mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind, liegt, so wie es im Folgenden näher beschrieben wird, sowie in der Oberflächenbeschichtung selbst.
Es ist weiterhin anzumerken, dass die unterschiedlichen Oberflächenbeschichtungen 12 selbstverständlich auch für unterschiedliche Teile der Fluidarbeitsmaschine 1 und/oder für unterschiedliche Ausbildungsformen der Fluidarbeitsmaschine 1 genutzt werden können. Insbesondere sollten dann, wenn zusätzlich und/oder alternativ zu den vorliegend dargestellten Rückschlagventilen 9 eine Ventilplatte (oder eine ähnliche Vorrichtung) verwendet wird, vorzugsweise zusätzliche und/oder andere Oberflächenteile mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden (wohingegen manche Oberflächenteile gegebenenfalls keine Oberflächenbeschichtung mehr benötigen).
Weiterhin können derart beschichtete Teile auch für anders ausgebildete Maschinen verwendet werden. Um lediglich einige Beispiele aus dem technischen Gebiet der Hydraulik zu nennen: die Teile können für Hydraulikpumpen, für Hydraulikmotoren, für kombinierte Hydraulikpumpen und -motoren, für Fluidarbeitsmaschinen (Pumpen, Motoren, kombinierte Pumpen und Motoren) unterschiedlichster Ausbildungsformen wie beispielsweise von einem Typ mit geneigten Schrägscheiben, einem Typ mit unterschiedlich neigbarer Schrägscheibe, einer Fluidarbeitsmaschine welche einen Exzenter zum Antrieb der Kolbenschuhe aufweist, einer Fluidarbeitsmaschine mit rotierendem Zylinderblock, einer Fluidarbeitsmaschine, welche eine Ventilplatte (oder eine ähnliche Vorrichtung) nutzt, und dergleichen verwendet werden (wobei auch eine Fluidarbeitsmaschine, die eine Kombination der vorab genannten und möglicherweise weiterer Eigenschaften nutzt, möglich ist). Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel weisen die Oberflächenbeschichtungen eine Dicke von etwa 200 µm auf (wobei selbstverständlich gewisse Abweichungen auftreten können). Im Übrigen ist es üblicherweise nicht besonders problematisch, falls die Oberflächenbeschichtungen 12 hinsichtlich ihrer Dicke gewisse Abweichungen aufweisen. Beispielsweise kann eine nominelle Oberflächendicke von (um ein Beispiel zu nennen) 200 µm Abweichungen zwischen 190 µm und 210 µm oder sogar 180 µm bis 220 µm aufweisen, ohne dass dies zu spürbaren nachteiligen Effekten führt (zumindest üblicherweise).
Die Oberflächenbeschichtung 12 ist vorliegend mittels Plasmaspritzverfahren aufgebracht, ein Verfahren, das im Stand der Technik bekannt ist. Vorliegend werden für das Plasmaspritzverfahren Partikel mit einer Größe von etwa 10 µm verwendet (mit Abweichungen von etwa ±5 µm). Die Erfindung ist jedoch nicht auf derartige Größen und/oder auf Plasmaspritzbeschichtungsverfahren beschränkt. Ebenso können im Wesentlichen alle Beschichtungsverfahren verwendet werden, insbesondere HVOF-Verfahren (Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel-Spritzverfahren). Zusätzlich und/oder alternativ können auch Teilchen mit einer unterschiedlichen Größe verwendet werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beruht das Plasmaspritzverfahren auf einer Lichtbogenbildung zwischen einer Anode und einer Kathode, was zu einer Plasmabildung aufgrund der Ionisation eines Reaktionsgases führt. Das Beschichtungsmaterial wird in das Plasma eingebracht und schmilzt aufgrund der hohen Temperaturen, die es aufgrund dieser Rahmenbedingungen erfährt. Die genauen Details können natürlich auch variieren.
Die Oberflächenbeschichtung 12 wird in einigen Oberflächenbereichen von einigen Teilen der Fluidarbeitsmaschine 1 lediglich auf solche Oberflächenbereiche aufgebracht, bei denen eine hohe Wahrscheinlichkeit für einen Gleitkontakt zwischen zwei unterschiedlichen Teilen gegeben ist (d.h. solche Oberflächenbereichen, bei denen im Betrieb der Fluidarbeitsmaschine üblicherweise eine Relativbewegung zwischen zwei unterschiedlichen Oberflächenbereichen auftritt).
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist daher die Oberflächenbeschichtung 12 auf die Oberseite der Schrägscheibe 2 beschränkt (welche zu den Kolben 5 und dem Block, in dem die zylindrischen Ausnehmungen 6 ausgebildet sind, benachbart ist). Auf dieser Oberflächenseite der Schrägscheibe 2 befinden sich die Kontaktkugeln 13, welche an den Unterseiten der unterschiedlichen Kolben 5 angebracht sind, in Antriebskontakt mit der (sich drehenden) Schrägscheibe 2. Weiterhin sind die unteren Halbsphären der Kontaktkugeln 13 ebenfalls mit einer Oberflächenbeschichtung 12 versehen. Es ist leicht einzusehen, dass durch die Oberflächenbeschichtungen 12, die auf der Oberseite der Schrägscheibe 2 und auf den unteren Halbsphären der Kontaktkugeln 13 vorgesehen sind, sämtliche Oberflächenbereiche der Kontaktkugeln 13 und der Schrägscheibe 2, die bei normalen Betriebsbedingungen der Fluidarbeitsmaschine 1 miteinander in Kontakt treten können, eine zwischenliegende Oberflächenbeschichtung 12 aufweisen. Aus diesem Grund tritt vorliegend lediglich ein Gleitkontakt zwischen Oberflächenbeschichtungen auf (wobei selbstverständlich bei bestimmten Betriebsbedingungen, wie im Fall einer Fehlfunktion einer Ölpumpe, bei Extrembelastungen und/oder bei besonders nachteiligen Betriebsbedingungen und/oder in dem Fall, in dem die Fluidarbeitsmaschine gerade eben in Betrieb genommen wurde und sich der Ölkreislauf noch nicht voll ausgebildet hat, ein Trockengleitkontakt ohne jegliches Hydrauliköl auftreten kann).
Nichtsdestotrotz tritt aufgrund der Oberflächenbeschichtungen 12 selbst dann, wenn Trockenreibung zwischen den Kontaktoberflächen auftritt, eine niedrigere Reibung und ein geringerer Verschleiß im Verhältnis zu dem Fall auf, in dem keine Oberflächenbeschichtung vorhanden ist, und demgemäß die (typischerweise metallischen) Teile 2, 13 in direktem Kontakt miteinander stehen.
Der große Vorteil der vorliegend verwendeten Oberflächenbeschichtung 12 besteht darin, dass diese im Wesentlichen bleifrei ist, d.h., dass die Oberflächenbeschichtung (abgesehen von einigen Restverunreinigungen) kein Blei aufweist.
Es sollte angemerkt werden, dass es sogar ausreichend ist, wenn die Oberseite der Schrägscheibe 2 lediglich eine ringartige Oberflächenbeschichtung aufweist, die so angeordnet ist, dass ein Gleitkontakt zwischen den Kontaktkugeln 13 und der Schrägscheibe 2 lediglich in solchen Oberflächenbereichen auftritt, die mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind. Jedoch ist die Ausbildung eines solchen Rings auf der Oberseite der Schrägscheibe üblicherweise vergleichsweise schwierig. Aus diesem Grund ist es üblicherweise kostengünstiger, die komplette Oberseite der Schrägscheibe 2 zu beschichten. Weiterhin können zusätzlich weitere Oberflächenbereiche der unterschiedlichen in 1 dargestellten Teile mit einer Oberflächenbeschichtung versehen werden (um ein Beispiel zu nennen könnten die Kolben 5 „vollständig mit einer Oberflächenbeschichtung bedeckt“ werden).
Wie aus 1 ersichtlich werden auf den (äußeren) Zylinderflächen der Kolben 5 und den (inneren) Zylinderflächen der zylindrischen Ausnehmungen 6 ebenfalls Oberflächenbeschichtungen 12 ausgebildet. Es ist leicht einsehbar, dass es dort zu einer Gleitbewegung zwischen den einander kontaktierenden Oberflächen der Kolben 5 und der zylindrischen Ausnehmungen 6 kommt, sobald sich die Kolben 5 unter typischen Betriebsbedingungen der Fluidarbeitsmaschine 1 auf und ab bewegen.
Vorliegend wurden zwei detaillierte Ausführungsbeispiele von Oberflächenbeschichtungen 12 untersucht und vermessen, und die gewonnenen Ergebnisse wurden mit derzeit verwendeten Oberflächenbeschichtungen, die eine Bronzeschicht mit Bleianteil aufweisen, verglichen.
Insbesondere wurde als Substanz 1 ein Material mit der Inhaltsformel Mo25(NiCrBSiFe) verwendet, wohingegen als Substanz 2 ein Material mit der Inhaltsformel Fe16Mo2C0.25Mn verwendet wurde.
Die Oberflächenbeschichtung wurde mit einer nominellen Dicke von 200 µm aufgetragen. Dies wurde mit einer bleihaltigen Bronze verglichen, wie sie im Stand der Technik erhältlich ist. Die bleihaltige Bronze wurde ebenfalls mit einer nominellen Dicke von 200 µm aufgetragen.

Alle Oberflächenbeschichtung wurden auf ein C22 Stahlsubstrat gemäß DIN EN 10083-2 aufgetragen, welches aus perlitischen und ferritischen Phasen (pearlite and ferrite phases) steht. Die Härte des Substrats betrug 195 ± 4 HV0.2 und die Ebenheit wurde mit 13,38 ± 1,08 µm angegeben. Messungen haben ergeben, dass die Oberflächenrauigkeit der entsprechenden Beschichtungen nach einem Läppvorgang die in Tabelle 1 angegebenen Werten aufweist.

	Rpk/µm	Rk/µm	Rvk/µm
Bleihaltige Bronze	0.503 ± 0.013	1.17 ± 0.013	0.666 ± 0.014
Substanz 1	0.136 ± 0.007	0.664 ± 0.01	1.57 ± 0.079
Substanz 2	0.457 ± 0.016	1.858 ± 0.031	2.356 ± 0.128

Im Rahmen der durchgeführten Messungen betrug das Ergebnis der Mikrohärtemessung (HV0.2) auf Basis eines metallographischen Schnitts für die als Referenz verwendete bleihaltige Bronzeschicht 126, wohingegen die Mikrohärte für Substanz 1 etwa 500 HV0.2 und für Substanz 2 etwa 460 HV0.2 betrug. Desgleichen wurde als Adhäsionsfestigkeit (adhesive strength) der thermisch aufgespritzten Beschichtung für Substanz 1: 37 N/mm² und für Substanz 2: 41 N/mm² gemessen.
Die Festfress-Messung (seizure test; zeitliche Abhängigkeit des Reibungskoeffizienten) ergab für beide Substanzen (Substanz 1 und Substanz 2) nach 60 Sekunden Messzeit einen Reibungswert von etwa 0,11, was in etwa dem Wert für bleihaltige Bronze gemäß dem Stand der Technik entspricht (ebenfalls 0,11 nach 60 Sekunden).
Schließlich ist der kritische Anpressdruck (critical contact pressure) am Ende des Festfress-Tests im Verhältnis zu bleihaltiger Bronze sogar verbessert. Während die bleihaltige Bronze einen kritischen Anpressdruck von 650 N/mm² zeigte, zeigte Substanz 1 einen kritischen Anpressdruck von 1250 N/mm², wohingegen Substanz 2 einen kritischen Anpressdruck von 1070 N/mm² zeigte.
Zusammengefasst ist daher ersichtlich, dass die vorliegend untersuchten Materialien, die beide in einem gewissen Ausmaß Molybdän aufweisen, im Verhältnis zu derzeit verwendeter bleihaltiger Bronze sogar mechanische Vorteile aufweisen. Der Vorteil der Umweltfreundlichkeit aufgrund des Fehlens von Blei ist natürlich offensichtlich.
Wie ebenso vorab erwähnt, können die vorab beschriebenen/vorliegend vorgeschlagenen Oberflächenbeschichtungen 12 vorteilhafterweise für weitere Oberflächen, Teile, Vorrichtungen, Oberflächenbereiche, Fluidarbeitsmaschinen und dergleichen verwendet werden. Um die Vorteile der vorliegenden Erfindung und deren Anwendbarkeit detaillierter zu beschreiben, wird daher im Folgenden ein zweites mögliches Ausführungsbeispiel einer Fluidarbeitsmaschine 15 unter Bezugnahme auf 2 beschrieben. Insbesondere ist eine Art von „Kombination“ der Ausführungsbeispiele einer Fluidarbeitsmaschine 1 gemäß 1 und einer Fluidarbeitsmaschine 15 gemäß 2 ebenso möglich (insbesondere durch Kombination bestimmter Merkmale), auch wenn dies vorliegend nicht explizit beschrieben wird. Eine derartige „Kombination“ ist selbstverständlich nicht auf die vorliegend dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele von Fluidarbeitsmaschinen 1, 15 beschränkt.
In 2 ist in schematischer Explosionsansicht ein zweites mögliches Ausführungsbeispiel einer Fluidarbeitsmaschine 15, welche einen drehbaren Zylinderblock 14 aufweist, dargestellt.
Aus Gründen der Verständlichkeit sind manche Teile nicht dargestellt und/oder nicht im Detail dargestellt. Weiterhin werden aus Gründen der Einfachheit für Teile, die eine ähnliche Funktion aufweisen, identische Bezugszeichen verwendet. Dementsprechend bedeutet ein identisches Bezugszeichen nicht notwendigerweise, dass die betreffenden Teile in den beiden Ausführungsbeispielen eine identische Funktion und/oder eine gleichartige Bauweise aufweisen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel von 2 wird eine Fluidarbeitsmaschine 15 mit einem drehbaren Zylinderblock 14 (durch den Drehpfeil 16 angedeutet) vorgeschlagen, die unterschiedliche Oberflächenbeschichtungen 12 aufweist.
Im Betrieb wird der Zylinderblock 14 mittels der Drehwelle 4 in eine Drehbewegung versetzt. Beispielsweise sind die Drehwelle 4 und der Zylinderblock 14 unter Verwendung von Vorsprüngen und Ausnehmungen (beispielsweise nach Art eines Zahnrads) drehfest miteinander verbunden. Um die Drehbewegung des nunmehr drehbaren Zylinderblocks 14 „auszugleichen“ (verglichen mit dem Ausführungsbeispiel gemäß 1) ist die Schrägscheibe 18, auf der sich die Kolbenschuhe 17 der Kolben 5 abstützen (in 2 ist aus Gründen der Einfachheit lediglich ein einziger Kolben 5 dargestellt), nunmehr fest angebracht (d.h., sie dreht sich nicht). Dies schließt nicht notwendigerweise aus, dass der Winkel der Schrägscheibe 18 im Betrieb geändert werden kann.
Wenn sich der Zylinderblock 14 dreht, werden die Kolben 5 vom sich drehenden Zylinderblock 14 mitgeführt. Dementsprechend gleiten die Kolbenschuhe 17 über die Schrägscheibe 18 hinweg und bewegen sich aufgrund der Neigung der Schrägscheibe 18 auf und ab. Daher bewegen sich die Kolben 5 in ihren jeweiligen zylindrischen Ausnehmungen 6, welche im Zylinderblock 14 ausgebildet sind, hin und her. Dies bewirkt ein sich wiederholt in der Größe änderndes internes Volumen, was dazu genutzt werden kann, Hydraulikfluid zu pumpen und/oder Druckenergie in Bewegung umzuwandeln (ähnlich dem Ausführungsbeispiel der Fluidarbeitsmaschine 1 gemäß 1).
Als Folge der Drehbewegung des Zylinderblocks 14 ist die äußere Umfangsfläche 19 des Zylinderblocks 14 mit einer Oberflächenbeschichtung 12 versehen, da sich die äußere Umfangsfläche 19 des Zylinderblocks 14 in einem Gleitkontakt mit einer dazu korrespondierenden Abstützfläche (nicht dargestellt) befindet. Natürlich weisen die äußeren Umfangsoberflächen der Kolben 5 und die inneren Umfangsoberflächen der zylindrischen Ausnehmungen 6 ebenfalls Oberflächenbeschichtungen 12 auf (aufgrund des Gleitkontakts zwischen den zylindrischen Ausnehmungen 6 und den Kolben 5 erforderlich).
Im vorliegend dargestellten Ausführungsbeispiel sind die zylindrischen Ausnehmungen 6 als einfache Durchgangsbohrungen ausgeführt. Es ist leicht einsichtig, dass ein derartiger Aufbau besonders einfach gefertigt werden kann. Dementsprechend ist „oben“ auf dem Zylinderblock 14 eine Lagerplatte 20 angeordnet. Die Lagerplatte 20 ist drehfest (und fluiddicht) am Zylinderblock 14 befestigt. Somit dreht sich die Lagerplatte 20 gemeinsam mit dem Zylinderblock 14 (wie durch den Drehpfeil 16 angedeutet). Um eine einfache aber effektive drehfeste Verbindung zwischen dem Zylinderblock 14 und der Lagerplatte 20 auszubilden, werden vorliegend vorstehende Stifte 21, die in korrespondierende Löcher 22 eingepasst werden, genutzt (selbstverständlich können auch hiervon abweichende Ausbildungsweisen genutzt werden). Die Lagerplatte 20 zeigt mehrere Öffnungen 24, welche typischerweise in Fluidverbindung mit den zylindrischen Ausnehmungen 6 stehen, aber nicht den gleichen Querschnittsdurchmesser wie die zylindrischen Ausnehmungen 6 aufweisen.
Auf der Oberflächenseite der Lagerplatte 16, welche auf der dem Zylinderblock 14 gegenüberliegenden Seite liegt (und die der Ventilplatte 23 benachbart ist), ist eine Ventilplatte 23 angeordnet. Die zueinander benachbarten Oberflächen der Lagerplatte 20 und der Ventilplatte 23 stehen miteinander in Gleitkontakt. Dementsprechend sind die betreffenden Oberflächen mit einer Oberflächenbeschichtung 12 versehen.
Die Ventilplatte 23 ist starr befestigt (d.h., sie dreht sich nicht mit dem Zylinderblock 14 und/oder der Lagerplatte 20 mit). Wie in 2 dargestellt, weist die Ventilplatte 23 ebenfalls mehrere Öffnungen 25 auf.
Die Öffnungen 25 in der Ventilplatte 23 und die Öffnungen 24 in der Lagerplatte 20 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass sie das Verhalten aktiver und/oder passiver Ventile „nachahmen“, wenn sich der Zylinderblock 14/die Lagerplatte 20 im Verhältnis zur Ventilplatte 24 dreht, sodass ein Pumpverhalten und/oder ein Antriebsverhalten der Fluidarbeitsmaschine 15 realisiert werden kann. Ein derartiger Aufbau ist als solcher im Stand der Technik bekannt und der Kürze wegen vorliegend nicht näher beschrieben.
Dank der unterschiedlichen Oberflächenbeschichtungen 12 der unterschiedlichen Oberflächenteile der unterschiedlichen Teile der Fluidarbeitsmaschine 15 kann eine zuverlässige und verschleißarme Fluidarbeitsmaschine 15 mit einer langen Lebensdauer und vergleichsweise geringer Reibung realisiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 10083-2 [0050]

Claims

Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) für eine Hydraulikvorrichtung (1, 15), bevorzugt metallisches Werkstück für eine Hydraulikvorrichtung, welches zumindest teilweise eine Beschichtungsschicht (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) Mo, insbesondere metallisches Mo, mit einem Gewichtsanteil von zumindest 1% aufweist.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gewichtsanteil von Mo in der Beschichtungsschicht (12) mindestens 2%, 3%, 5%, 15%, 20%, 25%, 30%, 40% oder 50% und/oder maximal 100%, 90%, 80%, 75%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 25%, 20%, 15% oder 10% beträgt.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) Ni mit einem Gewichtsanteil von weniger als 40%, 35%, 33.3%, 30%, 25%, 20%, 15%, 10%, 9%, 8%, 7%, 6%, 5%, 4.5%, 4%, 3.5%, 3%, 2.5%, 2%, 1.5%, 1% oder 0.5% aufweist, oder im Wesentlichen kein Ni enthält.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) zusätzlich zumindest ein Material enthält, welches der Gruppe entnommen ist, die Cr, B, Si, Fe und Mn umfasst.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) im Wesentlichen aus einem Material mit der Zusammensetzung Mo25(NiCrBSiFe) oder einer Abwandlung hiervon besteht, wobei der Gewichtsanteil von Mo zwischen 75% und 90%, vorzugsweise zwischen 80% und 85%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Ni zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Cr zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von B zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Si zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Fe zwischen 2% und 5%, vorzugsweise zwischen 3% und 4%, liegt.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) im Wesentlichen aus einem Material mit der Zusammensetzung Fe16Mo2C0.25Mn oder einer Abwandlung hiervon besteht, wobei der Gewichtsanteil von Fe zwischen 75% und 90%, vorzugsweise zwischen 80% und 85%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von C zwischen 0.5% und 2%, vorzugsweise zwischen 1% und 1.5%, liegt und/oder der Gewichtsanteil von Mn zwischen 3% und 7%, vorzugsweise zwischen 4% und 6%, liegt.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) im Wesentlichen kein Pb enthält.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) aus einem Spritzmaterial gefertigt ist und vorzugsweise mittels Spritzbeschichtungsverfahren aufgebracht wird, insbesondere mittels thermischer Spritzbeschichtungsverfahren, wie Plasmaspritzverfahren und/oder Hochgeschwindigkeits-Oxyfuel-Spritzverfahren.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzmaterial Partikel mit einer Größe, die für Spritzbeschichtungsverfahren geeignet ist, aufweist, insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass das Spritzmaterial Partikel mit einer Größe im Bereich zwischen 1 µm und 25 µm, vorzugsweise zwischen 5 µm und 15 µm, aufweist.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsschicht (12) zumindest im Bereich einer Kontaktoberfläche vorhanden ist, in deren Bereich das Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) relativ gegenüber einem anderen Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) beweglich angeordnet ist.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine Vorrichtung handelt, die der Gruppe entnommen ist, welche Schrägscheiben (2), Exzenter, Kolben (5), Kolbenschuhe (13, 17), Zylinder (6), Zylinderblöcke (14), Ventile, Ventilplatten (23), Ventilplattenvorrichtungen, Ventilteilvorrichtungen, Ringe, Auskleidungen, Platten, Lager und/oder Lagerplattenvorrichtungen (20) umfasst.
Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass es derart ausgebildet ist, dass es für die Benutzung in einer Hydraulikvorrichtung (1, 15), insbesondere für die Benutzung in einer Fluidarbeitsmaschine (1, 15), geeignet ist.
Hydraulikvorrichtung und/oder Fluidarbeitsmaschine, gekennzeichnet durch zumindest ein Werkstück (2, 5, 6, 14, 20, 23) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche.