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