DE19929090A1 - Verfahren zur Beschichtung eines Werkstückes mit einem Schmierstoff - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Beschichtung eines Werkstückes mit einem Schmierstoff auf Molybdändisulfid-Basis. Dabei wird das Werkstück vor der Beschichtung einem galvanischen Verchromungsbad ausgesetzt, damit sich ein Hartchrom-Überzug einer Härte von zumindest 600 HV mit perl- oder säulenstrukturartiger Oberfläche bildet. Diese strukturierte Oberfläche wird anschließend durch den Schmierstoff auf Molybdändisulfid-Basis ausgefüllt und geglättet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung eines Werkstückes mit einem Schmierstoff auf Molybdänsulfid-Basis.

Molybdändisulfid (MoS₂) ist ein graphitähnlicher Stoff, der durch seine her­ vorragenden Gleiteigenschaften als Trockenschmierstoff und in zusam­ mengesetzten Schmierstoffen Anwendung findet. Meist wird das Mo­ lybdändisulfid in einem Lösungsmittelgemisch in flüssiger Form aufge­ bracht. Die sich nach dem Trocken einstellende Schichtdicke liegt bei tri­ bologischer Beanspruchung zwischen etwa 5 µ bis 15 µ. Es ist für hohe Druck- und Temperaturbeanspruchungen geeignet und wird vor allem zur Einlaufverbesserung verwendet.

Es ist auch bekannt, die Molybdändisulfid-Beschichtung zu einem kombi­ nierten Schichtsystem zu modifizieren. Solche Schichtsysteme sind für TiN und Al₂O₃ realisiert worden, vergleiche Bae, Y. W. u. a. "Synthesis and fric­ tions behaviour of chemically vapor deposited composite coatings contai­ ning discrete TiN and MoS₂ phases", J. of the American Ceramic Society, 79 (1996) Vol4, 819 bis 824 bzw. Srivatav, A. u. a. "The role of MoS₂ in hard overlay coatings of Al₂O₃ in dry sliding", Wear, 1955 (1992) 229-236.

Mit der vorliegenden Erfindung wird ein längerfristiger Einsatz von Schmierstoffen auf Molybdändisulfidbasis angestrebt. Insbesondere soll die Haftung des Schmierstoffes auf dem Werkstück entscheidend verbes­ sert werden, damit die durch das Molybdändisulfid gebildete Gleitfläche ei­ ne wesentlich höhere Lebensdauer aufweist als bisher. Dabei sollen die bereits bekannten positiven Eigenschaften dieses Schmierstoffes in vollem Umfang gewahrt bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Werkstück vor der Beschichtung mit Molybdändisulfid in an sich bekannter Weise ge­ reinigt und aktiviert wird und daß es sodann einem galvanischen Ver­ chromungsbad ausgesetzt wird zur Bildung eines Überzuges aus Hart­ chrom einer Härte von zumindest 600 HV mit perl- oder säulenstrukturarti­ ger Oberfläche und daß diese perl- oder säulenstrukturartige Oberfläche durch den anschließend aufgebrachten Schmierstoff auf Molybdändisulfid- Basis ausgefüllt und geglättet wird.

Es hat sich überraschend gezeigt, daß die perl- oder säulenstrukturartige Oberfläche der Hartchromunterschicht eine außerordentlich hohe Haftwir­ kung auf das Molybdändisulfid ausübt. Hinzu kommt, daß das Molybdändi­ sulfid, soweit es die untere Hartchromschicht überragt, im praktischen Be­ trieb in einer Art Einlaufvorgang innerhalb kurzer Zeit je nach Einsatz und Belastung verdichtet wird, derart, daß die oberen Enden der Perl- oder Säulenstruktur mehr oder weniger freigelegt werden und als hochbelastba­ re Tragflächen für das zu lagernde Gegenstück fungieren. Demgegenüber sind die Zwischenräume, die mindestens 80% der Reibfläche ausmachen, mit Molybdändisulfid gefüllt, woraus eine dauerhafte Reduzierung des Rei­ bungswiderstandes resultiert.

Derartig beschichtete Werkstücke haben bei Versuchen ohne zusätzliche Schmierstoffe eine bis zu siebzigfache Standzeit gegenüber Werkstücken mit MoS₂ auf glatter gehärteter Oberfläche erbracht.

Die Herstellung des Hartchromüberzuges mit perl- oder säulenstrukturarti­ ger Oberfläche erfolgt zweckmäßig gemäß dem deutschen Patent 25 02 284. Dort wird ein Verchromungsbad beschrieben, mit dem sich glänzende bis metallgraue Chromüberzüge mit perlstrukturartiger Oberfläche einer Härte bis etwa 1500 HV erzielen lassen. Diese Chromüberzüge mit dem Handelsname "Duralloy" zeichnen sich durch hohe Verschleißfestigkeit aus.

Zwar ist es durch die DE 195 29 843 desselben Anmelders bekannt, diesen Hartchromüberzug durch galvanisch aufgebrachtes Schwarzchrom zu be­ schichten, wodurch sich ebenfalls sehr gute Gleiteigenschaften ergeben. Man konnte aus dieser Schwarzchrom-Beschichtung allerdings keine Anre­ gung ableiten, statt dessen eine nicht galvanische Beschichtung aus Mo­ lybdändisulfid vorzusehen.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Beschichtung mit Molybdändisulfid ist eine galvanische Abscheidung ungeeignet. Statt dessen empfiehlt es sich, den Schmierstoff mit einer Trägerflüssigkeit zu vermischen und flüssig auf­ zubringen, etwa aufzupinseln oder aufzusprühen. Das Molybdändisulfid kann dabei in einem lufttrocknenden Lösungsmittel vorliegen, wobei dieses Lösungsmittel insbesondere Esther, Buthylacetat und gegebenenfalls ein anorganisches Bindemittel enthält.

Der Schmierstoff sollte dabei in einer solchen Dicke aufgetragen werden, daß das nach der Trocknung verbleibende Molybdändisulfid eine Schicht­ dicke von 5 µ bis 15 µ erreicht.

Zur Erzielung einer guten Haftung empfiehlt es sich, daß der Schmierstoff gasförmig im Vakuum aufgedampft oder mittels Sputtertechnik oder Ga­ sentladungstechnik aufgebracht wird. Neben den sogenannten physical waper deposition-Verfahren (PVD-Verfahren) kommt auch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) in Betracht. Bei diesen Verfahren wird entweder reines Molibdändisulfid beschichtet oder - was noch zweckmäßiger ist - die Molibdändisulfidbeschichtung erfolgt gemeinsam mit Titan, wobei der Titananteil maximal etwa 10% beträgt. Ebenso kann das Molibdändisulfid auch gemeinsam mit Chrom, Nickel und oder Gold aufgebracht werden.

Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, die Beschichtung durch die soge­ nannte Arctechnik vorzunehmen: Dabei werden durch einen elektrischen Lichtbogen Molibdändisulfid- und andere Ionen aus einer Quelle herausge­ schleudert, so daß sie sich auf dem zu beschichtetenden Werkstück ab­ scheiden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Zeichnungen näher erläutert; dabei zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Werkstück nach dem Aufbringen der Hartchrom- und der Schwarzchromschicht und

Fig. 2 den gleichen Querschnitt nach dem Einlaufen des Werkstückes.

Ausgegangen wird von einem metallischem Werkstück, das zunächst ther­ misch mit maximal 70°C und elektrolytisch entfettet und sodann durch ei­ ne 5%ige Schwefelsäurebeize vom basischen in den sauren Zustand überführt wird, um es für die anschließende galvanische Behandlung zu aktivieren. Sodann wird das Werkstück in ein Verchromungsbad getaucht, das 400 bis 500 g/l Chromtrioxid, 2 bis 4 g/l Strontiumsulfat, 4 bis 26 g/l Kaliumsilikofluorid, 2 bis 8 g/l Kaliumdichromat und 4 bis 50 g/l technische 2.2-Dichlormalonsäure enthält. Hinsichtlich der übrigen Behandlungspara­ meter sei auf das bereits genannte deutsche Patent 25 02 284 verwiesen.

Das Werkstück 1 (vergl. Fig. 1 und 2) enthält dadurch einen Hartchrom- Überzug 2 mit einer Schichtdicke von zumindest 2 µ, vorzugsweise etwa 4-6 µ oder mehr. Die Badparameter werden so eingestellt, daß sich an der Oberfläche der Hartchromschicht eine mehr oder weniger regelmäßige Perlstruktur 2a mit einer Rauhtiefe von zumindest etwa 1 µ, vorzugsweise etwa 1,5 µ bis etwa 5 µ einstellt.

Nach dieser Behandlung wird das Werkstück gespült, um die Reste des Chrombades zu entfernen.

Sodann wird Molybdändisulfid, das in einem Lösungsmittelgemisch mit an­ organischem Bindemittel in flüssiger Form vorliegt, durch Pinseln oder durch Sprühen auf die Perlstruktur 2a aufgebracht. Der Auftrag sollte in solcher Menge erfolgen, daß die Perlstruktur 2a der Hartchromschicht zu­ mindest ausgefüllt und geebnet wird, zweckmäßig auch eine gewisse Überdeckung erhält, wie dies bei der in Fig. 1 dargestellten Molybdändi­ sulfidschicht 3 der Fall ist.

Die Aushärtung der Schicht 3 erfolgt in etwa 30 Minuten bei Raumtempe­ ratur.

Alternativ kann das Molibdändisulfid auch durch Zerstäubung im Vakuum auf die Perlstruktur aufgebracht werden.

Fig. 2 zeigt den Endzustand des erfindungsgemäßen Zweischichtsystems, wie es sich nach einer kurzen Einlaufphase einstellt. Dabei ist die er­ wähnte Überdeckung der Molybdändisulfidschicht soweit abgetragen und in die Perlstruktur hinein verdichtet worden, daß sie etwa bündig mit den obe­ ren Enden der Perlstruktur 2a verläuft. Man erhält somit eine zusammen­ hängende Molybdändisulfidphase, die von einer Vielzahl von Hartchromin­ seln durchsetzt ist. Sie weist keinerlei Poren oder Risse auf und ist da­ durch auch hochgradig korrosionsbeständig.

Erfindungsgemäß beschichtete Werkstücke sind für alle Gleit- und Rollage­ rungen, auch Spindeln oder dergleichen geeignet, bei denen es auf niedri­ ge Reibung bei hoher Lebensdauer ankommt.

Claims (12)

1. Verfahren zur Beschichtung eines Werkstückes (1) mit einem Schmier­ stoff (3) auf Molybdändisulfid-Basis, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück (1) vor der Beschichtung zunächst gereinigt und akti­ viert wird und sodann einem galvanischen Verchromungsbad ausgesetzt wird zur Bildung eines Überzuges (2) aus Hartchrom mit einer Härte von zumindest 600 HV und mit perl- oder säulenstrukturartiger Oberfläche (2a) und daß diese perl- oder säulenstrukturartige Oberfläche durch den an­ schließend aufgebrachten Schmierstoff (3) auf Molybdändisulfid-Basis ausgefüllt und geglättet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß spätestens nach dem Einlaufen des Werkstückes (1) die oberen Enden der Perl- oder Säulenstruktur (2a) freigelegt werden und als Tragstruktur für das zu lagernde Gegenstück fungieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen Enden der Perl- oder Säulenstruktur (2a) maximal 20%, vorzugsweise weniger als 12% der fiktiven planen Werkstückoberfläche ausmachen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff (3) beim Aufbringen oder danach in die Vertiefungen der Perl- oder Säulenstruktur (2a) hinein verdichtet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff (3) mit einer Trägerflüssigkeit vermischt und flüssig aufgebracht, insbesondere aufgepinselt oder aufgesprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Molybdändisulfid in einer lufttrocknenden Trägerflüssigkeit bereit­ gestellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerflüssigkeit Esther, Buthylacetat und gegebenenfalls ein an­ organisches Bindemittel enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff (3) in einer Schichtdicke von etwa 5 µ bis etwa 15 µ aufgetragen wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff (3) gasförmig im Vakuum aufgedampft oder mittels Sputtertechnik oder Gasentladungstechnik aufgebracht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff (3) in nahezu reinem Molybdändisulfid vorliegt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmierstoff (3) aus einer Mischung von Molibdändisulfid mit an­ deren Metallen, insbesondere Titan, Chrom, Nickel und/oder Gold besteht.

12. Werkstück beschichtet nach dem Verfahren gemäß einem der vorher­ gehenden Ansprüche.