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Die
Erfindung betrifft allgemein eine Nitrocarburierschicht zur Reibungs-
und Verschleißminimierung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein
Verfahren zur Herstellung einer Nitrocarburierschicht.
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Oberflächen von
eisenhaltigen Werkstoffen, die intensiv aneinander reiben, zeigen
ein hohes Korrosions- und Verschleißverhalten. Seit Anfang der 80er
Jahre ist es bekannt, dass dieses Verhalten durch die nachträgliche Oxidation
von Nitridschichten deutlich verbessert werden kann. Besonders gute
Ergebnisse werden durch die Kombination der Verfahrensschritte Nitrocarburieren
und anschließendes Oxidieren
erreicht. Beide Verfahrensschritte können sowohl in gasförmigen als
auch flüssigen
Medien erfolgen. Bevorzugt werden Nitrocarburierung und Oxidation
in einem in Schmelze befindlichen Salzbad durchgeführt, wobei
die Nitrocarburierung auf Basis von Alkalicarbonaten und -cyanaten
erfolgt.
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So
offenbart beispielsweise die
DE 32 45 689 C3 ein Verfahren zur Nitrocarburierung
von Metallringen, bei dem ein Stapel dieser Ringe in eine Kammer
eingesetzt wird, die evakuiert und dann mit einer gasförmigen Mischung
eines Aufkohlungsgases und eines Nitriergases im Verhältnis von
25:75 bis 75:25 Vol.-% gefüllt
wird, wobei mit einer Temperatur zwischen 450°C und 650°C die Nitrocarburierung der
radialen Außenflächen und
der Seiten der Ringe durchgeführt
wird. Auf diese Weise wird eine erhebliche Verringerung des Verschleißes erreicht.
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Die
Wissenschaft von Reibung, Verschleiß und Schmierung gegeneinander
bewegter Körper wird
als Tribologie bezeichnet. Die 1 zeigt
einen geschmierten Reibkontakt 10 (tribologisches System),
bestehend aus einem Körper 11 und
einem Gegenkörper 12,
die durch einen Schmierfilm 13 getrennt sind. Die beiden
Körper 11, 12 bestehen
beispielsweise aus einem eisenhaltigen Material. Mindestens einer
der Körper 11, 12 ist
mit einer Nitrocarburierschicht 14 als Verschleißschutz
beschichtet. Die Nitrocarburierschicht 14 besteht im gezeigten Beispiel
aus einer auf dem Körper 11 aufgebrachten kompakten
Verbindungsschicht 15 und einer darauf abgeschiedenen,
keramikähnlichen,
porösen
Schicht 16 (Porensaum). Verbindungsschicht 15 und
Porensaum 16 bestehen aus dem gleichen Material, liegen aber
jeweils in einer anderen Phase vor, was sich durch entsprechende
Wahl der Prozessparameter erreichen lässt. Die Körper 11, 12 bewegen
sich relativ zueinander, was durch den Doppelpfeil bei 17 angedeutet
ist.
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Die
tribologische Wirkungsweise der Nitrocarburierschicht 14 ist
wie folgt. Durch Einstellung der Beschichtungsparameter kann die
Bildung von Poren und damit das Entstehen eines Porensaums minimiert
bzw. verhindert werden. Wenn kein oder nur ein Porensaum 16 mit
geringer Dichte (0,5 μm) auf
der kompakten Verbindungsschicht 15 vorhanden ist, weist
die Verbindungsschicht 15 nur eine sehr geringe Porendichte
und -größe auf.
Dies resultiert in einem geringen Reibkoeffizienten dieser Schicht
im geschmierten Kontakt mit einem metallischen Gegenkörper 12,
z.B. auch bei schlecht schmierenden Medien wie beispielsweise Kraftstoff als
Schmierstoff. Ein geringer Reibkoeffizient wirkt sich positiv auf
den Verschleiß aus,
die Schicht ist also stabiler. Bei Verwendung von Schmierstoffen
mit geringer hydrodynamischer Wirkung (z.B. Kraftstoffe) oder bei
flächig
ausgedehnten Reibkontakten besteht jedoch die Gefahr, dass der die
Körper 11, 12 trennende
Schmierfilm 13 reißt
und dadurch ein Adhäsivverschleiß auftritt.
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Liegt
jedoch ein ausgeprägter
Porensaum 16 vor, so führt
dies zu einem höheren
Reibkoeffizienten und damit zu einem höheren Verschleiß und einer
höheren
Temperaturentwicklung. Bei einem ausgeprägten Porensaum besitzen die
Poren eine Breite von ungefähr
1 μm und
sind bis zu ungefähr
10 μm tief. Die
hohe Porendichte und -größe fördert zudem
die Neigung der Schicht, zwischen den Poren auszubrechen, da die
Poren Ansatzpunkte für
Risse bilden. Auf der anderen Seite wirken die großen Poren
als Schmierstoffdepot und helfen dadurch, insbesondere bei schlecht
schmierenden Medien, das Abreißen des
Schmierfilms und damit den Adhäsivverschleiß zu verhindern.
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Ein
ausgeprägter
Porensaum zeigt also im Vergleich zu einem minimalen bzw. nicht
vorhandenen Porensaum eine gegenläufige Wirkung. Es ist daher
wünschenswert,
diese gegenläufigen
Wirkungen so miteinander zu verbinden, dass ein möglichst geringer
Reibkoeffizient (kleine Poren, geringe Porendichte) entsteht, ohne
dass der Schmierfilm abreißt.
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Nachteilig
an den bisherigen Lösungen
ist dabei, dass auch bei Anwesenheit von kleinen und verhältnismäßig wenigen
Poren die Schicht allgemein instabiler wird, da, wie bereits erwähnt, die
Poren Ausgangspunkte für
Risse in der Schicht darstellen.
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So
wird bereits in „Nitrocarburieren
gegen Verschleiß und
Korrosion", mo,
Jahrgang 54 (2000) 7, Seiten 47 bis 49; D. Liedke „Zum Verschleißverhalten
nitrocarburierter Stähle" HTM 42 (1987) 4,
Seiten 197 bis 204 und G. Wahl „Verbesserung der Bauteileigenschaften
durch Nitrocarburieren im Salzbad, Zwischenbearbeiten und Oxidieren", HTM 42 (1987) 3,
Seiten 161 bis 168 darauf hingewiesen, dass eine Bearbeitung nitrocarburierter
Bauteile nötig
ist und dazu beispielsweise ein Zwischenpolieren empfohlen. Weiterhin
ist der
US 6,294,029
B1 ein Oberflächenbehandlungsverfahren
zu entnehmen, bei dem ein aufgekohlter Gegenstand nachfolgend einem
Polierschritt unterzogen wird.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Nitrocarburierschicht hat
gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass sie die Möglichkeit
der Rissbildung zumindest vermindert, wenn nicht ganz ausschließt.
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Ein
weiterer Vorteil liegt darin, dass Schmierstoffdepots erhalten bleiben
und so das Auftreten von Adhäsivverschleiß minimiert
wird.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten
Maßnahmen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen
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1 schematisch
den Aufbau eines tribologischen Systems nach dem Stand der Technik;
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2A und 2B schematisch
den Aufbau des erfindungsgemäßen tribologischen
Systems; und
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3A und 3B schematisch
zwei mögliche
Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Nitrocarburierschicht.
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Ziel
der Erfindung ist es, Reibung und Verschleiß in tribologischen Systemen
zu minimieren. Dabei soll einerseits erreicht werden, dass die erfindungsgemäße Nitrocarburierschicht
einen möglichst geringen
Reibungskoeffizienten aufweist, andererseits soll gleichzeitig verhindert
werden, dass in der Schicht vorhandene Poren als Ansatzpunkte für Risse
dienen können
und so die Schicht instabil machen.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße Nitrocarburierschicht eine
Mikrostrukturierung aufweist, die als Schmierstoffdepot wirkt und
gleichzeitig die Schicht stabilisiert, da sie eine definierte Struktur
aufweist und so ein Ausbrechen der Schicht verhindert. Auf diese
Weise wird die Porenbildung verhindert, die ursächlich für die Rissbildung in der Schicht
sind.
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Die 2 zeigt den Aufbau der erfindungsgemäßen Nitrocarburierschicht.
Dabei ist in 2A die Aufbringung der Schicht
vor dem eigentlichen Nitrocarburierungsprozess und in 2B die
Aufbringung nach dem Nitrocarburierungsprozess gezeigt.
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2A zeigt
einen Körper 18,
der dem Körper 11 in 1 entspricht.
Auf diesen Körper 18 soll in
einem späteren
Prozessschritt eine kompakte Verbindungsschicht 19 aufgebracht
werden. Diese kompakte Verbindungsschicht 19 entspricht
der in 1 gezeigten Schicht 15.
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Im
Gegensatz zu der in 1 gezeigten Schicht 15 wird
die Schicht 19 vor dem Aufbringen auf den Körper 18 mit
einer Mikrostrukturierung 20 versehen. Hierbei muss die
Dimension der Strukturierung so groß gewählt werden, dass sich die Struktur
durch die Schicht 19 hindurch auf der Oberfläche des
Körpers 18 abbildet.
Dieses Strukturierungsverfahren erlaubt daher nur gröbere Strukturen.
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Strukturen,
die in eine bereits bestehende Nitrocarburierschicht eingebracht
werden, also nach dem eigentlichen Nitrocarburierungsprozess (vgl. 2B),
können
dagegen von beliebiger Größe sein.
Dabei kann also die Größenordnung
der Poren, beispielsweise im Bereich von ungefähr 1 μm bis ungefähr 10 μm, so gewählt sein, dass die Wirkung
der im Stand der Technik vorhandenen Poren möglichst genau nachgebildet
wird.
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Generell
können
fast beliebige Strukturen erzeugt werden, wobei eine Limitierung
nur durch die Grenzen des Strukturierungsprozesses gegeben ist. Soll
die Schicht auf einer glatten Oberfläche aufgebracht werden, wird
die Schicht innerhalb der Grenzen des Beschichtungsprozesses ebenfalls
eine glatte Oberfläche
aufweisen. Anschließend
kann in diese Schicht eine Strukturierung eingebracht werden. Bei dieser
Vorgehensweise wird die Wahl der Struktur also lediglich durch den
Fertigungsprozess selbst beschränkt.
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Falls
nach der Beschichtung keine weiteren Prozessschritte gewünscht sind,
besteht die Möglichkeit,
vor der eigentlichen Beschichtung eine strukturierte Oberfläche zu erzeugen.
In diesem Fall wächst die
Schicht über
die Struktur. Dadurch wird diese Struktur "verschmiert". Daher muss die Struktur so groß gewählt werden,
dass sie sich nach dem Beschichten noch abbildet. Sie muss daher
größer sein als
die Schichtdicke aus dem Beschichtungsprozess.
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Das
Aufbringen der Mikrostrukturen in die Schicht 19 kann beispielsweise
durch Laserstrukturierung erreicht werden. Dabei wird mittels eines
Laserstrahls lokal eine hohe Energie in das Material eingebracht,
das an dieser Stelle herausgeschleudert wird, wobei ein Krater entsteht.
Analoge Verfahren sind z.B. Laserstrahlschweißen oder Laserstrahlschneiden.
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Eine
weitere Möglichkeit
des Einbringens der Mikrostrukturen in die Schicht 19 kann
beispielsweise durch einen kombinierten Schleif- und Läpp- beziehungsweise
Polierprozess erfolgen. Durch grobes Schleifen wird zunächst die
Oberfläche
des Körpers 18 aufgeraucht.
Dadurch entstehen Schleifriefen. Danach werden durch Läppen und/oder
Polieren die Rauheitsspitzen abgetragen, wobei eine relativ glatte Fläche entsteht.
Die Vertiefungen aus dem Schleifprozess bleiben dabei jedoch erhalten,
so dass am Ende eine glatte Oberfläche mit einzelnen tiefen Riefen
zurück
bleibt.
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In
der erfindungsgemäßen Nitrocarburierungsschicht
sind also die bisher im Stand der Technik in der Schicht vorhandenen,
nicht exakt definierten Poren durch definierte Mikrostrukturen ersetzt worden.
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Mögliche Formen
dieser Mikrostrukturen sind in den 3A und 3B gezeigt.
Wie in 3A dargestellt, können die
Mikrostrukturen in Form von Kanälen 21 ausgebildet
sein. Diese Kanäle sind
bevorzugt senkrecht zur Bewegungsrichtung 23 der sich relativ
zueinander bewegenden Körper
angeordnet (vgl. 1), um ein Heraustreiben des
darin gespeicherten Schmierstoffes durch die Bewegung zu verhindern.
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Eine
weitere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Mikrostrukturen ist in 3B gezeigt.
Hier sind die Strukturen als Näpfchen 22 ausgebildet,
so dass der Schmierstoff bei der Reibung der Körper an Ort und Stelle gehalten
wird. Die Näpfchen
haben bevorzugt eine Tiefe von 1–10 μm und einen Durchmesser von
5–10 μm.
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Die
erfindungsgemäße Nitrocarburierungsschicht
ermöglicht
eine deutliche Verbesserung des Reibungs- und Verschleißverhaltens
von eisenhaltigen Werkstücken.
Gleichzeitig bietet sie den Vorteil, dass die vorhandene Mikrostrukturierung
als Schmierstoffdepot fungiert und so einem Adhäsivverschleiß vorbeugt.