DE10347099A1 - Metal part for use in an engine or transmission, has layer which has recesses which are filled with friction-preventing material - Google Patents

Metal part for use in an engine or transmission, has layer which has recesses which are filled with friction-preventing material Download PDF

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Abstract

The metal part (1) has a layer (2) which is provided with recesses (3; 3', 3''', 3'''). At least some of the recesses are permanently filled with a friction preventing; wear reducing, heat conducting and/or abrasion-/corrosion resistant material (4-6). An independent claim is also included for the use of the metal component in an engine or transmission.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall mit modifizierter, verschleißbeständiger Oberfläche, vorzugsweise für den Einsatz in einem Motor oder in einem Getriebe oder dergleichen aus Aluminium.The The present invention relates to a metal component with modified, wear-resistant surface, preferably for the Use in a motor or in a transmission or the like made of aluminum.

Es ist allgemein wünschenswert, für Bauteile, welche einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sind, Oberflächengüten bereitzustellen, die dem Verschleiß besser entgegenwirken. In diesem Zusammenhang sollen Flächen auf solchen Bauteilen, die mit Flächen anderer Bauteile in Kontakt stehen und sich relativ zu diesen bewegen, eine geringe Reibung aufweisen. Darüber hinaus werden Oberflächen mit einer hohen Abrasions- bzw. Korrosionsbeständigkeit bevorzugt.It is generally desirable for components, which one increased Are exposed to wear, Provide surface qualities the better the wear counteract. In this context, surfaces on such components, those with surfaces other components in contact and move relative to these, have a low friction. In addition, surfaces with a high abrasion or corrosion resistance prefers.

Aus dem Stand der Technik sind hierzu mehrere Ansätze bekannt. So ist beispielsweise aus der DE 3408557 C2 bekannt, die Oberfläche eines einem erhöhten Verschleiß ausgesetzten Hebelteils zur Ventilsteuerung in Brennkraftmaschinen mit einer porösen anodischen Oxidschicht zu versehen. Zur Reibungsverminderung und damit einhergehend zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes wird mittels des Verfahrens der Elektrolyse in die Poren dieser Schicht Molybdänsulfid eingebracht. Molybdänsulfid eignet sich als Trockenschmierstoff, welcher die Reibungsbeständigkeit der entsprechenden Oberfläche verbessert. Aufgrund des hierbei zur Anwendung kommenden Her stellungsverfahrens werden jedoch sämtliche Poren der Oxidschicht mit dem Trockenschmierstoff ausgefüllt.Several approaches are known from the prior art for this purpose. For example, from the DE 3408557 C2 It is known to provide the surface of a lever member exposed to increased wear for valve control in internal combustion engines with a porous anodic oxide layer. To reduce friction and, consequently, to increase the wear resistance, molybdenum sulfide is introduced into the pores of this layer by means of the electrolysis process. Molybdenum sulfide is useful as a dry lubricant which improves the friction resistance of the corresponding surface. However, due to the forth coming to apply Her forth method, all the pores of the oxide layer are filled with the dry lubricant.

Aus der DE 4442186 C2 ist es allgemein für Gleitelemente in geschmierten tribologischen Systemen bekannt, einen Schichtwerkstoff bereitzustellen, welcher eine metallische Trägerschicht, beispielsweise aus Stahl, und zu beiden Seiten eine Funktionsschicht, beispielsweise aus AlSn aufweist. Über die Funktionsschichten wird eine weichere, chemisch oder elektrolytisch abgeschiedene Deckschicht als Einlaufschicht aufgebracht, sodass die Erosions- und Korrosionsbeständigkeit der Funktionsschicht nachhaltig verbessert wird. Während der Einlaufphase, das heißt beim Gleiten der jeweiligen Oberfläche relativ zu einem anderen Bauteil, wird die weiche, durch Galvanisieren aufgetragene Deckschicht größtenteils abgetragen und gleichzeitig in die Poren eingeschmiert, sodass die mit der weicheren Schicht aufgefüllten Poren quasi Inseln in der härteren Matrix bilden und so für bessere Gleiteigenschaften sorgen. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, nur eine definierte Menge der Poren mit der gewünschten Materialfüllung zu versehen, sodass die nachfolgenden Eigenschaften des Bauteils, das heißt die Güte der Oberflächenbeschaffenheit hinsichtlich Verschleiß und Reibung, im Wesentlichen zufällig sind und sich nicht für gezielte Anwendungen bestimmen lassen.From the DE 4442186 C2 For sliding elements in lubricated tribological systems, it is generally known to provide a layer material which comprises a metallic carrier layer, for example of steel, and on both sides a functional layer, for example of AlSn. The functional layers are used to apply a softer, chemically or electrolytically deposited covering layer as a running-in layer, so that the erosion and corrosion resistance of the functional layer is sustainably improved. During the break-in phase, that is, when sliding the respective surface relative to another component, the soft, applied by electroplating cover layer is largely removed and simultaneously lubricated in the pores, so that the filled with the softer layer pores form quasi islands in the harder matrix and To ensure better gliding properties. However, it is not possible to provide only a defined amount of pores with the desired material filling, so that the subsequent properties of the component, that is, the quality of the surface texture in terms of wear and friction, are essentially random and can not be determined for targeted applications ,

Des Weiteren ist es bekannt, beispielsweise aus der EP 0708892 B1 , Flächen auf einem Metall-Stützmaterial mit gesinterten Schichten zu überziehen, wobei eine darüber aufgetragene Auskleidungsschicht in Poren der gesinterten Schicht eingebracht ist und über die gesinterte Schicht hinausragt, um eine definierte Lageroberfläche mit geringer Reibung herzustellen, wobei bevorzugt Polytetrafluoräthylen mit fibrilierten Aramidfasern zum Einsatz kommen soll. Bei derartigen, vor allem im Bereich von Gleitlagern zum Einsatz kommenden Zusammensetzungen sind mithin zwei Schichten auf dem Trägerstoff des Gleitlagers vorgesehen, wobei die Poren der gesin terten Schicht lediglich die Haftung der darüber liegenden Auskleidungsschicht verbessern und nicht die Oberflächeneigenschaft der gesinterten Schicht selbst definieren.Furthermore, it is known, for example from the EP 0708892 B1 To coat surfaces on a metal support material with sintered layers, wherein a lining layer applied over it is introduced into pores of the sintered layer and protrudes beyond the sintered layer to produce a defined bearing surface with low friction, preferably using polytetrafluoroethylene with fibrilated aramid fibers should. In such, especially in the field of plain bearings for use coming compositions therefore two layers are provided on the carrier of the sliding bearing, wherein the pores of the sintered layer tend to improve the adhesion of the overlying lining layer and not define the surface property of the sintered layer itself.

Ausgehend von dem vorhergehend geschilderten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil aus Metall bereitzustellen, welches sich im Hinblick auf den Einsatz des Bauteils mit einer entsprechenden gezielten Oberflächeneigenschaft hinsichtlich Reibung, Verschleiß, Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit versehen lässt.outgoing from the prior art described above, it is the Object of the present invention to provide a metal component, which with regard to the use of the component with a appropriate targeted surface property with regard to friction, wear, abrasion and corrosion resistance and thermal conductivity provided.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Is solved This object with the features of claim 1. Further advantages and features of the invention will become apparent from the dependent claims.

Gemäß der Erfindung ist demzufolge die Schicht, welche die porenförmigen Ausnehmungen beinhaltet, in ihrer Funktion und Eigenschaft gezielt festlegbar, indem mehrere Parameter ausgewählt werden, welche durch ihr Zusammenwirken die gewünschte(n) Eigenschaften) bewerkstelligen.According to the invention is therefore the layer containing the pore-shaped recesses, in their function and property purposefully determinable by several Parameters are selected which through their interaction accomplish the desired properties.

Abgesehen davon, dass sich die Eigenschaft der Schicht im Wesentlichen durch eine Auswahl des Materials für diese Schicht einerseits und durch eine Auswahl für das Material oder die Materialien, die von den Poren aufgenommen werden, bestimmt, umfassen einflussnehmende Parameter unter anderem die Tiefe, Dichte und den Durchmesser der Poren sowie den Füllgrad der Poren und die Anzahl der insgesamt in der Schicht gefüllten Poren. Ein Abgleich dieser Parameter untereinander führt zu der gewünschten Eigenschaft, wie beispielsweise verminderte Reibung oder hohe Wärmeleitfähigkeit, wobei mehrere Eigenschaften selbstverständlich gleichzeitig erzielt werden können.apart that the property of the layer is essentially due to a selection of material for this layer on the one hand and through a choice for the material or the materials that are taken up by the pores, Among other things, influencing parameters include depth, density and the diameter of the pores and the degree of filling of the pores and the number the total filled in the layer Pores. A comparison of these parameters with each other leads to the desired property, such as reduced friction or high thermal conductivity, Of course, several properties are achieved simultaneously can.

Die Poren können sich im Wesentlichen über die gesamte Dicke der Schicht annähernd bis zu dem angrenzenden Bauteil erstre cken. Jedoch sind auch beliebige Tiefen denkbar, welche in ein und derselben Schicht vorkommen können und entsprechend den zu erzielenden Eigenschaften variiert sind.The pores can approach substantially the entire thickness of the layer substantially to that lengthen the adjacent component. However, any depths are conceivable, which can occur in one and the same layer and are varied according to the properties to be achieved.

In diesem Zusammenhang bestimmt sich auch die Dichte der porenförmigen Ausnehmungen, das heißt die Anzahl der Ausnehmungen in der Schicht einerseits sowie das damit unmittelbar verbundene Volumen der Ausnehmungen andererseits. Vorzugsweise wird ein Gesamtvolumen der Ausnehmungen von zwischen 10 und 50 % des Schichtvolumens vorgeschlagen.In This relationship also determines the density of the pore-shaped recesses, the is called the number of recesses in the layer on the one hand and the on the other hand directly connected volumes of the recesses. Preferably is a total volume of the recesses of between 10 and 50% the layer volume proposed.

Selbstverständlich ist neben der Anzahl der Ausnehmungen sowie deren Tiefe für die Bestimmung des durch diese eingenommenen Volumens auch der Durchmesser der Poren mitbestimmend, wobei, sofern dies hinsichtlich der zu erzielenden Eigenschaften sinnvoll ist, in ein und derselben Schicht Poren mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen sein können. Vorzugsweise liegt der Durchmesser der Poren in einem Bereich von 1 bis 100 μm.Of course it is in addition to the number of recesses and their depth for the determination the volume occupied by these also the diameter of the Determining pores, wherein, if this is to be achieved Properties makes sense, in one and the same layer pores with Different diameters can be provided. Preferably, the Diameter of the pores in a range of 1 to 100 microns.

Es wird deutlich, dass zur Erzielung einer definierten Funktion der Oberfläche sich die vorhergehend erwähnten Parameter gezielt festlegen lassen und die Eigenschaft und Funktionalität der Oberfläche sich durch ein Abändern zumindest eines dieser Parameter gezielt variieren lässt.It It becomes clear that in order to achieve a defined function of the surface the ones mentioned above Have parameters specifically set and the property and functionality of the surface itself by changing it at least one of these parameters can be selectively varied.

Die Schicht, die entsprechende verschleißhemmende bzw. reibungsmindernde und/oder wärmeleitende und/oder abrasions-/korrosionsbeständige Eigenschaften aufweisen soll, besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Al2O3. Die Materialien, welche zur Erzielung der vorhergehend erwähnten Eigenschaften innerhalb dieser Schicht bevorzugt zum Einsatz kommen, werden aus den Werkstoffen C, B, B2O3, H3, BO3, MoS2, BN oder dergleichen ausgewählt.The layer, which should have corresponding wear-inhibiting or friction-reducing and / or heat-conducting and / or abrasion / corrosion-resistant properties, consists in a preferred embodiment of Al 2 O 3 . The materials which are preferably used for achieving the aforementioned properties within this layer are selected from the materials C, B, B 2 O 3 , H 3 , BO 3 , MoS 2 , BN or the like.

Ein derart in seinen Eigenschaften festgelegtes Bauteil soll insbesondere in Umgebungen zum Einsatz kommen, welche erhöh ten Belastungen ausgesetzt sind, welche Verschleiß, Korrosion usw. nach sich ziehen, wie beispielsweise als Werkzeug, als Bauteil für einen Verbrennungsmotor oder in einem Getriebe oder dergleichen, wobei die Bauteile vorzugsweise aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen hergestellt sind.One such specified in its properties component should in particular in environments exposed to increased loads are what wear, Corrosion, etc., such as a tool, as a component for an internal combustion engine or in a transmission or the like, the components preferably made of aluminum or aluminum alloys are made.

Es zeigt die einzige Figur schematisch ein Bauteil aus Metall, welches mit einer erfindungsgemäßen Schicht versehen ist. Die Zeichnung ist rein exemplarisch und dient lediglich der Veranschaulichung. Der Fachmann erkennt, dass sich die hier dargestellten einzelnen Ausführungen innerhalb einer einzigen Schicht je nach Anforderungsprofil dieser Schicht beliebig variieren lassen.It the sole figure shows schematically a metal component, which with a layer according to the invention is provided. The drawing is purely exemplary and merely serves the illustration. The skilled artisan will recognize that the ones shown here individual versions within a single shift depending on the requirement profile of this Layer can be varied as desired.

Das Bauteil 1, welches aus einem beliebigen harten Metall, wie beispielsweise Stahl, besteht, weist auf einer Oberfläche, die besonderem Verschleiß ausgesetzt ist, wie beispielsweise einer Zylinderlauffläche in einem Aluminium-Motorblock, eine Schicht 2 aus Al2O3 auf.The component 1 , which consists of any hard metal, such as steel, has a layer on a surface that is subject to particular wear, such as a cylinder surface in an aluminum engine block 2 from Al 2 O 3 .

In dieser Schicht sind mehrere Poren 3 angeordnet.There are several pores in this layer 3 arranged.

Die Poren sind zu der Oberfläche der Schicht 2 hin offen und weisen gegebenenfalls unterschiedliche Tiefen auf, wie dies exemplarisch die Poren 3', 3'' und 3''' darstellen.The pores are at the surface of the layer 2 open and possibly have different depths, as exemplified by the pores 3 ' . 3 '' and 3 ''' represent.

Befindet sich in den Poren 3 kein weiteres Material aufgenommen, dienen diese Poren der Aufnahme eines Schmierstoffes, der auf der Oberfläche der Schicht 2 anhaftet. Somit können diese Poren ohne Füllung als Schmierstoff-Reservoir dienen und zu einer verbesserten Haftung und Speicherung, beispielsweise von Öl, herangezogen werden.Located in the pores 3 Absorbing any additional material, these pores serve to accommodate a lubricant that is on the surface of the layer 2 adheres. Thus, these pores can serve as a lubricant reservoir without filling and for improved adhesion and storage, for example of oil, are used.

Da der Schmierstoff Öl auch ein guter Wärmeleiter ist, lässt sich an der Oberfläche der Schicht 2 infolge Reibung entstehende Wärme im Falle von Poren 3', die sich nahezu bis zu der Bauteil-Oberfläche erstrecken, auf einfache und effektive Weise in das Bauteil 1 abführen.As the lubricant oil is also a good conductor of heat, it can be attached to the surface of the layer 2 friction generated heat in the case of pores 3 ' , which extend almost to the component surface, in a simple and effective manner in the component 1 dissipate.

Gemäß der Erfindung können die Poren auch mit einer Füllung versehen sein. Hierbei kommen vorzugsweise Trockenschmierstoffe zur Anwendung. So ist exemplarisch gezeigt, wie Poren mit einem Trockenschmierstoff 4 bis an die Oberfläche der Schicht 2 gefüllt sind.According to the invention, the pores may also be provided with a filling. Dry lubricants are preferably used here. For example, it is shown how pores with a dry lubricant 4 to the surface of the layer 2 are filled.

Es ist jedoch auch denkbar, dass eine Pore nur bis zu einem gewissen Grad mit einem Füllmaterial versehen ist. So ist gezeigt, wie eine Pore nur in ihrem unteren Bereich mit einem Füllmaterial 5 gefüllt ist. Das Füllmaterial 5 weist extrem verschleißhemmende Eigenschaften auf, wobei es vorzugsweise härter als die bereits verschleißhemmende harte Matrix aus Al2O3 der Schicht 2 ist, sodass bei einem gewissen Abtrag der Schicht 2 das in den Poren verbleibende Material 5 als "Verschleißbegrenzer" dient.However, it is also conceivable that a pore is provided only to a certain extent with a filling material. So it's shown how a pore only in its lower part with a filler 5 is filled. The filling material 5 has extremely wear-inhibiting properties, wherein it is preferably harder than the already wear-resistant hard matrix of Al 2 O 3 of the layer 2 is, so with a certain removal of the layer 2 the material remaining in the pores 5 serves as a "wear limiter".

Es ist jedoch auch denkbar, wie dies exemplarisch gezeigt ist, dass eine Pore zwei unterschiedliche Materialien aufweist, nämlich im unteren Bereich ein verschleißhemmendes Material 5 und darüber angebracht einen Trockenschmierstoff 6.However, it is also conceivable, as shown by way of example, that a pore has two different materials, namely a wear-inhibiting material in the lower region 5 and attached thereto a dry lubricant 6 ,

Es ist zu erkennen, dass dem Gestaltungsspielraum innerhalb der Schicht 2, was die Materialauswahl, die Verteilung und Geometrie der Poren sowie die Anzahl der gefüllten Poren und deren Füllgrad angeht, keine Grenzen gesetzt sind, sodass sich gezielt definierte Eigenschaften der Schicht 2 und damit des Bauteils 1 bewerkstelligen lassen, um dieses Bauteil 1 für unterschiedliche Applikationen in geeigneter Weise auszugestalten.It can be seen that the room for maneuver within the shift 2 what the material selection, the distribution and geometry of the pores so As the number of filled pores and their degree of filling is concerned, there are no limits, so that specifically defined properties of the layer 2 and thus of the component 1 to accomplish this component 1 for different applications in a suitable manner.

Claims (9)

Bauteil (1) aus Metall mit zumindest einer Oberfläche, welche mit einer anderen Oberfläche eines anderen Bauteils über Relativbewegungen zusammenwirken kann, wobei auf der Oberfläche des Bauteils (1) eine Schicht (2) dauerhaft aufgebracht ist, welche porenförmige Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') aufweist, welche zu der Oberfläche der Schicht (2) hin offen sind und sich von der Oberfläche der Schicht (2) in Richtung zu dem Bauteil (1) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausbildung einer definierten Funktion der Oberfläche der Schicht (2) zumindest einige der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') zumindest teilweise mit einem reibungsvermindernden, verschleißhemmenden, wärmeleitenden und/oder abrasions-/korrosionsbeständigen Material (4, 5, 6) dauerhaft ausgefüllt sind.Component ( 1 ) of metal with at least one surface which can interact with another surface of another component via relative movements, wherein on the surface of the component ( 1 ) a layer ( 2 ) is permanently applied, which pore-shaped recesses ( 3 ; 3 ' . 3 '' . 3 ''' ), which leads to the surface of the layer ( 2 ) are open and away from the surface of the layer ( 2 ) in the direction of the component ( 1 ), characterized in that by forming a defined function of the surface of the layer ( 2 ) at least some of the recesses ( 3 ; 3 ' . 3 '' . 3 ''' ) at least partially with a friction-reducing, wear-inhibiting, heat-conducting and / or abrasion / corrosion-resistant material ( 4 . 5 . 6 ) are permanently filled out. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') zumindest teilweise im Wesentlichen über die gesamte Dicke der Schicht (2) erstrecken.Component according to claim 1, characterized in that the recesses ( 3 ; 3 ' . 3 '' . 3 ''' ) at least partially substantially over the entire thickness of the layer ( 2 ). Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') in der Schicht (2) in Abhängigkeit der gewünschten Eigen schaften der Oberfläche der Schicht (2) des Bauteils (1) ausgewählt ist.Component according to claim 1 or 2, characterized in that the density of the recesses ( 3 ; 3 ' . 3 '' . 3 ''' ) in the layer ( 2 ) depending on the desired properties of the surface of the layer ( 2 ) of the component ( 1 ) is selected. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') in der Schicht (2) in Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften der Oberfläche der Schicht (2) des Bauteils (1) ausgewählt ist.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter of the recesses ( 3 ; 3 ' . 3 '' . 3 ''' ) in the layer ( 2 ) depending on the desired properties of the surface of the layer ( 2 ) of the component ( 1 ) is selected. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser in einem Bereich von 1 bis 100 μm liegt.Component according to claim 4, characterized that the diameter is in a range of 1 to 100 microns. Bauteil nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') zwischen 10 und 50 % des Volumens der Schicht (2) beträgt.Component according to claims 3 to 5, characterized in that the total volume of the recesses ( 3 ; 3 ' . 3 '' . 3 ''' ) between 10 and 50% of the volume of the layer ( 2 ) is. Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) wenigstens teilweise aus Al2O3 besteht.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the layer ( 2 ) consists at least partially of Al 2 O 3 . Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus den Werkstoffen C, B, B2, O3, H3, BO3, MoS2, BN oder dergleichen ausgewählt ist.Component according to one of the preceding claims, characterized in that the material of the materials C, B, B 2 , O 3 , H 3 , BO 3 , MoS 2 , BN or the like is selected. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Bauteil in einem Motor oder einem Getriebe oder dergleichen, welche aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt sind.Use of a component according to one of claims 1 to 9 as a component in a motor or a transmission or the like, which are made of aluminum or aluminum alloys.
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