DE10300966A1

DE10300966A1 - Gleitschichten und Verfahren zu deren Herstellung

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Publication number: DE10300966A1
Application number: DE10300966A
Authority: DE
Inventors: Karl-Jörg Achenbach; Heinz Huber; Johannes Vlcek
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-01-14
Filing date: 2003-01-14
Publication date: 2004-07-29
Anticipated expiration: 2023-01-15
Also published as: DE10300966B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht 1 in einem Gusskörper 2. Durch kinetisches Kaltgaskompaktieren werden Werkstoffpartikel 3 in die Gleitfläche 2.1 des Gusskörpers 2 eingebracht. Die Werkstoffpartikel 3 bilden dabei keine geschlossene Schicht und bauen auch keine über ihre Korngröße hinausgehende Schicht aus Werkstoffpartikeln 3 auf. Der Gusskörper 2 wird im Bereich der Gleitschicht 1 durch die Werkstoffpartikel 3 aufgeschwemmt. Die Gleitschicht 1 wird durch die Gleitfläche 2.1 im Gusskörper 2 und durch die nach außen gerichtete Seitenfläche 3.1 der inselartig eingebrachten Werkstoffpartikel 3 gebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht auf einem Gusskörper durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln zur Herstellung von Lagern, Tragschichten, Laufbahnen und Zylinderlaufbahnen.

Es ist bereits ein Verfahren zum Beschichten von Zylinderbohrungswänden eines Motorblocks aus Aluminium aus der EP 0 716 158 B1 bekannt. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte. Gießen eines Motorblocks aus einer Aluminiumlegierung. Oberflächenbehandlung der gegossenen Zylinderwände, um Verunreinigungen zu entfernen und eine gereinigte Oberfläche bereitzustellen. Bloßlegen frischen Metalls auf der gereinigten Oberfläche, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen. Abscheiden einer plasmagespritzten Beschichtung auf der bloßgelegten frischen Metalloberfläche aus einem Pulvergemisch, das Feststoffschmierpartikel enthält.

Außerdem ist aus der US 5,302,414 und aus der EP 0 484 533 A1 das Verfahren des sogenannten kinetischen Kaltgaskompaktierens bekannt. Das kinetische Kaltgaskompaktieren steht für ein Spritzverfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Bauteil. Dabei werden Werkstoffpartikel aus Metall, Legierungen und nicht leitenden Werkstoffen mit Geschwindigkeiten von 300 bis 1200 m/s auf die Werkstofffläche aufgebracht. Die Temperatur liegt dabei unterhalb des Schmelzpunktes der Werkstoffpartikel. Dadurch sind Schichten von mehreren zehntel Millimetern erzeugbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für eine Beschichtung eines Gusskörpers derart auszugestalten, dass die Prozesszeiten und die Schichtdicken reduziert werden.

Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Werkstoffpartikel ausschließlich in und auf die Gleitfläche des Gusskörpers ein- und aufgebracht werden und jeder gespritzte Werkstoffpartikel zumindest teilweise unmittelbar mit der Gleitfläche des Gusskörpers in Kontakt steht.

Das Herstellungsverfahren bewirkt, dass der pulverförmige Werkstoff, beziehungsweise die Spritzpartikel, mittels Überschallströmung auf den Gusskörper beziehungsweise das Substrat beschleunigt wird und sich in die randnahe Zone hineinbohrt und verhakt. Eine geschlossene Schicht von Werkstoffpartikeln wird erfindungsgemäß nicht erzeugt. Die Gleitfläche der Ausnehmung selbst wird erfindungsgemäß als Gleitschicht ausgebildet. Der Gusskörper wird in der randnahen Zone durch die hineingebohrten Werkstoffpartikel quasi aufgeschwemmt. Die Spritzpartikel werden in die Oberfläche teilweise oder ganz inkorporiert.

Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Gleitfläche des Gusskörpers nur solange mit Werkstoffpartikeln bespritzt wird, bis maximal 99% der Gleitfläche mit Werkstoffpartikeln besetzt sind. Bevorzugt liegt die Flächenbedeckung der Gleitfläche mit Werkstoffpartikeln bei 50 bis 85%. Je nach Verwendungszweck sind aber auch geringere Flächenbedeckungen im Bereich von 20 bis 50% zweckmäßig. Damit wird erreicht, dass die Werkstoffpartikel nicht untereinander kompaktieren und übereinander geschichtet ein Gleitlager oder eine Gleitschicht aufbauen.

Je nach geometrischer Ausgestaltung des Gusskörpers und des Gegenkörpers kann es zweckmäßig sein die Bereiche unterschiedlich zu beschichten, oder einzelne Bereiche auch ganz von der Beschichtung auszunehmen.

Somit kann das Gleitlager und die Gleitschicht auch aus Werkstoffpartikeln aufgebaut werden, die zum klassischen Kompaktieren, beziehungsweise für klassische Spritzverfahren nicht geeignet sind. Die Werkstoffpartikel dringen auch bei Korngrößen von 10 bis 30 μm im allgemeinen sehr tief in den Gusskörper ein. Die Partikelmorphologie bleibt häufig unverändert erhalten.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft, dass es mindestens folgende Verfahrensschritte aufweist. Eine Mischung von gleichen oder verschiedenen Komponenten von Werkstoffpartikeln wird homogen gemischt, beispielsweise in einem Taumelmischer. Ein Pulverförderer wird mit der Mischung aus Werkstoffpartikeln gefüllt und druckdicht verschlossen. Ein Trägergas wird auf eine gewünschte Prozesstemperatur vorgeheizt. Ein Spritzwerkstoffstrahl wird durch Expansion des Trägergases und durch Zufuhr von Werkstoffpartikeln erzeugt. Der Spritzabstand zwischen der Gleitfläche des Gusskörpers und dem Austritt einer Lavaldüse wird zwischen 5 und 100 mm eingestellt.

Vor dem Mischen wird der Durchmesser der Werkstoffpartikel beziehungsweise der Fraktion bestimmt. Die Werkstoffpartikel können durchaus verschiedene Durchmesser aufweisen. Das Aufheizen des Trägergases vor dem Beschichten dient in erster Linie dazu, die Ausströmgeschwindigkeit in der Lavaldüse zu steigern. Gleichzeitig werden die Werkstoffpartikel erwärmt, was gegebenenfalls die Deformationskinetik beeinflusst. Die Lavaldüse ist in ihrer Länge und der Mach-Zahl zwischen 2,0 und 5,0 an das Trägergas wie Luft, Stickstoff, Helium und andere Trägergase angepasst. Die Beschichtung erfolgt je nach Bauteil mit einer speziell ausgebildeten Innenspritzdüse oder mit einem Lavaldüsenrohr für eine Beschichtung von außen.

Der Spritzabstand ist abhängig vom Trägergas, der Düsengeometrie und dem Spritzwerkstoff. Die spezifische Masse und die thermophysikalischen Eigenschaften des Spritzwerkstoffs sowie die Geometrie der Werkstoffpartikel variiert. Ferner sind die Strömungsbedingungen durch unterschiedliche Durchmesser und Längen am Gusskörper beziehungsweise an der Gleitfläche für den Spritzabstand von Bedeutung.

Zudem sind folgende Verfahrensschritte vorteilhaft. Die Temperatur des Gusskörpers wird gemessen und der Gusskörper gegebenenfalls mit einem Gas gekühlt. Die Überfahrgeschwindigkeit über den Gusskörper in senkrechter Richtung zum Spritzwerkstoffstrahl wird zwischen 1 und 100 mm/s, im Besonderen zwischen 5 und 30 mm/s eingestellt. Die Pulverförderrate wird in Abhängigkeit der Überfahrgeschwindigkeit zwischen 30 und 100 g/min eingestellt.

Die Kühlung des Bauteils erfolgt mit Luft, kalter Luft oder CO₂ und ist in Bezug auf die Verminderung von Oxidation vorteilhaft. Ferner ist die Überfahrgeschwindigkeit des Spritzwerkstoffs, also die Relativgeschwindigkeit von der Lavaldüse zum Gusskörper an die Strahlgeometrie angepasst. Ein gleichmäßiges Auftragen wird durch eine konstante Geschwindigkeit erreicht.

Die Pulverförderrate ist an die Überfahrgeschwindigkeit angepasst, da eine erhöhte Förderrate den Strömungszustand in der Lavaldüse beeinflusst und die Partikelgeschwindigkeit senkt. Die Förderung des Pulvers ist durch eine Vibrationseinrichtung günstig zu beeinflussen. Hierzu ist auch eine Pumpenförderung nutzbar. Die Zu- und Abfuhr von Bauteilen beziehungsweise Gusskörpern erfolgt durch eine Handlingseinheit.

Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass jeder Punkt auf der Gleitfläche des Gusskörpers zum Einbringen der Werkstoffpartikel maximal zweimal mit dem Spritzwerkstoffstrahl überfahren, beziehungsweise mit Werkstoffpartikeln bespritzt wird. Die Häufigkeit ist abhängig von den vorstehend genannten Randbedingungen und vom Werkstoff des Gusskörpers und der Werkstoffpartikel.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass der Innendurchmesser einer die Gleitfläche aufweisenden zylinderförmigen Ausnehmung im Gusskörper durch das Einspritzen der Werkstoffpartikel reduziert wird. Durch das zumindest teilweise Eindringen der Werkstoffpartikel in den Gusskörper wird Material verdrängt und aufgeschwemmt. Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren lassen sich Innendurchmesser von Gleitlagern beim Beschichten auf wenige Mikrometer genau einstellen und entsprechend genau lassen sich Lagerspiele ausbilden. Im allgemeinen wird die Oberfläche noch polierend nachbehandelt, beispielsweise durch Läppen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf Gusskörper mit einer Ausnehmung für ein Gleitlager, wobei das Gleitlager durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln auf einer Gleitfläche der Ausnehmung ausgebildet ist und das Gleitlager eine zu einem Lagerkörper hin gerichtete Gleitschicht aufweist. Dabei ist für die vorliegende Erfindung von besonderer Bedeutung, dass die Gleitschicht des Gleitlagers durch die Gleitfläche der Ausnehmung im Gusskörper und durch die nach außen gerichteten Seitenflächen der Werkstoffpartikel gebildet ist.

Durch das Einbringen von einzelnen Werkstoffpartikeln als Tragschichten sind für die Beschichtung sehr kurze Prozesszeiten erreichbar, da keine Schicht von mehreren zehntel Millimetern aufgetragen wird. Die nachfolgende Bearbeitung ist entsprechend reduziert. Ferner führt die geringere Prozesszeit zu einer geringeren Wärmeeinbringung, was den Einsatz von Werkstoffen, wie Si- oder Fe-C alloys mit freiem C erlaubt, die aufgrund zu hoher Prozesswärme nicht verarbeitet werden könnten. Auch der Gusskörper wird durch die geringere Prozesszeit nicht so stark erhitzt.

Bei den Werkstoffen der Spritzpartikel handelt es sich überwiegend um Hartstoffe aus der Gruppe der Metalle, intermetallischen Phasen oder der Keramiken. Hierzu zählen unter anderem Si, Cr, Mo, W, Ti und/oder Al, und/oder deren Verbindungen untereinander und/oder deren Carbide und/oder Nitride.

Gegebenenfalls werden als Spritzpartikel auch geringe Anteile an Festschmierstoffen oder Verbindungen mit Festschmierstoffen verwendet.

Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass alle Werkstoffpartikel im Gusskörper im Bereich der Ausnehmung eine Trägerstruktur oder eine Matrix bilden. Dabei wechseln sich die Bereiche des Gusskörpers und die Bereiche der Werkstoffpartikel ab. Die Trägerstruktur ist derart gebildet, dass sich benachbarte Werkstoffpartikel gegenseitig berühren. Die somit gebildeten Zwischenräume der Werkstoffpartikel sind mit Gusskörperwerkstoff gefüllt.

Vorteilhaft ist es hierzu, dass die Werkstoffpartikel mit Bezug zur Gleitschicht im Bereich von bis zu 50 μm Tiefe in den Gusskörper eingebracht sind. Dadurch lässt sich eine Trägerstruktur aufbauen, die bis zu 50 μm stark ausgebildet ist.

Außerdem ist es vorteilhaft, dass die Werkstoffpartikel als tragende Inseln in die Gleitschicht des Gusskörpers eingebracht sind und zumindest teilweise vom Gusskörper umgeben sind. Dadurch ist keine geschlossene Schicht von aneinander angrenzenden Werkstoffpartikeln gebildet. Die Gleiteigenschaften des Gleitlagers werden durch die Materialeigenschaften des Gusskörpers mitbestimmt.

Die Menge an Werkstoffpartikeln pro Volumeneinheit des Gusskörpers variiert in Abhängigkeit der Werkstoffe des Gusskörpers und der Werkstoffpartikel und in Abhängigkeit der Verfahrensparameter.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Gusskörper aus Aluminium-Guss und die Werkstoffpartikel aus Metall, aus einer Legierung, aus nicht leitenden Werkstoffen und/oder aus Polymeren gebildet. Generell sind übereinstimmende Partikeldurchmesser günstig. Um Dämpfungseigenschaften einzubringen, ist eine feinere Fraktion von dämpfenden Werkstoffen vorteilhaft. Auch zum Einbringen von Feststoffen wie TiC oder SiC ist eine feinere Fraktion günstig, da somit eine feinere Verteilung der Werkstoffpartikel erreicht wird.

Das bisher bekannte Modell, ein Gleitlager komplett über mehrere zehntel Millimeter Stärke aufzuspritzen, wird durch die erfindungsgemäße Ausbildung ersetzt. Die Gleitlager sind einfacher herzustellen und wesentlich leichter.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen und in der Beschreibung erläutert und in den Figuren dargestellt.
Dabei zeigen:
1 eine Skizze von einem Schliff einer Probe eines Gleitlagers im Bereich einer Gleitschicht im Maßstab 1:1800;
2 eine Skizze von einem Schliff einer Probe eines Gleitlagers im Bereich einer Gleitschicht im Maßstab 1:720.
1 zeigt eine Skizze von einem Schliff einer Probe eines Gleitlagers 1.1 im Bereich einer Gleitschicht 1 im Maßstab 1:1800. Das Gleitlager 1.1 wird durch eine Ausnehmung 2.2 in einem Gusskörper 2 gebildet. Die Ausnehmung 2.2 weist hierzu eine Gleitfläche 2.1 auf, die im vorliegenden Beispiel einen Hohlzylinder bildet.
In die Gleitfläche 2.1 und in den Gusskörper 2 sind durch ein kinetisches Kaltgaskompaktierverfahren Werkstoffpartikel 3 eingebracht. Dadurch wird auf der Gleitfläche 2.1 eine Gleitschicht 1 und somit ein Gleitlager 1.1 erzeugt.
Die Werkstoffpartikel 3 werden durch ein Trägergas auf eine Überschallgeschwindigkeit von 500 bis 1500 m/s beschleunigt und bohren sich beim Auftreffen auf die Gleitfläche 2.1 zumindest teilweise im randnahen Bereich in den Gusskörper 2 hinein.
Die Gleitschicht 1 des Gleitlagers 1.1 wird somit durch die Gleitfläche 2.1 und durch die nach außen gerichteten Seitenflächen 3.1, 3.1a, 3.1b, 3.1c, 3.1d der zahlreich eingebrachten Werkstoffpartikel 3, 3a, 3b, 3c, 3d gebildet. Das Gleitlager 1.1 wird entsprechend im Bereich der ersten 10 μm der randnahen Zone durch den Gusskörper 2 selbst und durch mehrere in den Gusskörper 2 eingebrachte Werkstoffpartikel 3, 3a, 3b, 3c, 3d gebildet.
Neben den Werkstoffpartikeln 3, 3a, 3b, 3c, 3d, die nur teilweise in den Gusskörper 2 eindringen und einen Teil der Gleitschicht 1 bilden, sind mehrere Werkstoffpartikel 3e, 3f, 3g völlig in den Gusskörper 2 eingedrungen und werden von diesem eingeschlossen. Diese Werkstoffpartikel 3e, 3f, 3g bilden zusammen mit den Werkstoffpartikeln 3, 3a, 3b, 3c, 3d eine tragende Struktur im randnahen Bereich von bis zu 20 μm.
Entsprechend 1 ist in 2 eine Skizze von einem Schliff einer Probe des Gleitlagers 1.1 im Bereich einer Gleitschicht 1 im Maßstab 1:720 dargestellt. Auch bei dieser Probe wird die Gleitschicht 1 durch die Gleitfläche 2.1 und durch die Seitenflächen 3.1, 3.1a, 3.1b, 3.1c, 3.1d der Werkstoffpartikel 3, 3a, 3b, 3c, 3d gebildet.
Das Gleitlager 1.1 wird im Bereich der ersten 10 μm der randnahen Zone durch den Gusskörpers 2 selbst und durch mehrere in den Gusskörper 2 eingebrachte Werkstoffpartikel 3, 3a, 3b, 3c, 3d aufgebaut. Die teilweise in den Gusskörper 2 eingedrungenen Werkstoffpartikel 3, 3a, 3b, 3c, 3d bilden zusammen mit den ganz eingedrungenen und vom Gusskörper 2 umschlossenen Werkstoffpartikeln 3e, 3f, 3g tragende Inseln innerhalb des Gusskörpers 2 und somit ein Gleitlager 1.1.

1: Gleitschicht
1.1: Gleitlager
2: Gusskörper
2.1: Gleitfläche
2.2: Ausnehmung
2.3: Innendurchmesser
3: Werkstoffpartikel
3a: Werkstoffpartikel
3b: Werkstoffpartikel
3c: Werkstoffpartikel
3d: Werkstoffpartikel
3e: Werkstoffpartikel
3f: Werkstoffpartikel
3g: Werkstoffpartikel
3.1: Seitenfläche
3.1a: Seitenfläche
3.1b: Seitenfläche
3.1c: Seitenfläche
3.1d: Seitenfläche

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Gleitschicht (1) auf einem Gusskörper (2) durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln (3) auf eine Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffpartikel (3) ausschließlich in und auf die Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2) ein- und aufgebracht werden und jeder gespritzte Werkstoffpartikel (3) zumindest teilweise unmittelbar mit der Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2) in Kontakt steht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2) maximal solange mit Werkstoffpartikeln (3) bespritzt wird, bis zu 99% der Gleitfläche (2.1) mit Werkstoffpartikeln (3) besetzt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2) zu 30 bis 85% mit Werkstoffpartikeln (3) bedeckt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Herstellung einer Mischung von gleichen oder verschiedenen Komponenten von Werkstoffpartikeln (3) b) Füllen eines Pulverförderers mit der Mischung aus Werkstoffpartikeln und druckdichtes Verschließen des Pulverförderers; c) Vorheizen eines Trägergases auf eine gewünschte Prozesstemperatur; d) Starten des Spritzwerkstoffstrahls durch Expansion des Trägergases und durch Zufuhr von Werkstoffpartikeln (3); e) Spritzabstand zwischen der Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2) und dem Austritt einer Lavaldüse zwischen 5 und 100 mm einstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Messung der Temperatur des Gusskörpers (2) und gegebenenfalls Kühlung des Gusskörpers (2) mit einem Gas; b) Überfahrgeschwindigkeit in senkrechter Richtung zum Spritzwerkstoffstrahl über den Gusskörper (2) zwischen 1 und 100 mm/s, im Besonderen zwischen 5 und 30 mm/s einstellen; c) Pulverförderrate in Abhängigkeit der Überfahrgeschwindigkeit zwischen 30 und 100 g/min einstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Punkt auf der Gleitfläche (2.1) des Gusskörpers (2) zum Einbringen der Werkstoffpartikel (3) maximal zweimal mit dem Spritzwerkstoffstrahl überfahren, beziehungsweise mit Werkstoffpartikeln (3) bespritzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Innendurchmesser (2.3) einer die Gleitfläche (2.1) aufweisenden zylinderförmigen Ausnehmung (2.2) im Gusskörper (2) durch das Einspritzen der Werkstoffpartikel (3) reduziert wird.
Gusskörper (2) mit einer Ausnehmung (2.2) für ein Gleitlager (1.1), wobei das Gleitlager (1.1) durch kinetisches Kaltgaskompaktieren von Werkstoffpartikeln (3) auf einer Gleitfläche (2.1) der Ausnehmung (2.2) ausgebildet ist und das Gleitlager (2.3) eine zu einem Lagerkörper hin gerichtete Gleitschicht (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitschicht (1) des Gleitlagers (1.1) durch die Gleitfläche (2.1) der Ausnehmung (2.2) im Gusskörper (2) und durch die nach außen gerichteten Seitenflächen (3.1) der Werkstoffpartikel (3) gebildet ist.
Gusskörper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass alle Werkstoffpartikel (3) im Gusskörper (2) im Bereich der Ausnehmung (2.2) eine Trägerstruktur oder eine Matrix bilden.
Gusskörper nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffpartikel (3) mit Bezug zur Gleitschicht (1) im Bereich von bis zu 50 μm Tiefe in den Gusskörper (2) eingebracht sind.
Gusskörper nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstoffpartikel (3) als tragende Inseln in die Gleitschicht (1) des Gusskörpers (2) eingebracht sind und zumindest teilweise vom Gusskörper (2) umgeben sind.