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Die Erfindung betrifft metallische Kraftfahrzeugbauteile mit aufgerauter Oberfläche, die für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet sind.
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Werden thermischen Spritzschichten auf metallische Substrate abgeschieden, so treten in der Regel aufgrund der hohen Temperaturunterschiede zwischen der Spritzschicht und dem Substrat hohe mechanische Spannungen auf, die sich negativ auf die Schichthaftung auswirken. Bei den üblichen thermischen Spritzverfahren, wie Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen werden die Spritzpartikel in schmelzflüssigem Zustand auf das kalte Substrat abgeschieden und mit hoher Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt.
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Ebenso haben auch die unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften von Schicht und Substrat, insbesondere unter hoher mechanischer oder Temperaturwechsel-Belastung einen negativen Einfluss auf die Schichthaftung. Gängige Verschleißschutzschichten können keramisches Material, wie Al2O3, SiC, TiC oder WC enthalten, welches nur geringe physikalische Kompatibilität mit dem Metall des Substrates aufweist.
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Aber auch rein metallische Schichten, wie sie üblicherweise als Laufbahnbeschichtungen von Kolben in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, neigen unter den extremen im Verbrennungsmotor herrschenden Bedingungen zur Ablösung.
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Höchste Anforderungen an die Haftfestigkeit werden beispielsweise bei den Laufflächen von Zylindern in Verbrennungsmotoren gefordert.
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Zur Verbesserung der Haftung thermischer Spritzschichten ist im Allgemeinen eine Aufrauung der Substrat-Oberfläche erforderlich. Hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen Substrat- und Schicht-Material erhöht, sowie ein gewisses Maß an mechanischer Verklammerung bewirkt.
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Als Verfahren zur Aufrauung sind insbesondere das Sandstrahlen, Schleifen oder Feindrehen bzw. Zerspanen von Bedeutung.
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Ein Strahlverfahren ist aus der
DE 195 08 687 C2 bekannt. Darin wird ein thermisches Spritzverfahren offenbart, bei dem zur Vorbehandlung der Innenseite von Zylinderbohrungen aus gegossener Aluminiumlegierung auf das Bestrahlen mit kaltem Eisenschrot oder anderem geeigneten Abrasivmaterial wie Aluminiumoxid verwiesen wird.
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Aus den Veröffentlichungen
"INDUSTRIE-Anzeiger" 34, 35/97, "Hartdrehen statt Feinschleifen", S. 48,
"Maschine und Werkzeug" 6/95 "Hartdrehen überholt Feinschleifen", S. 57–61 sowie
Pfeiffer, F. "Höhere Sphären" in: "Maschinenmarkt", Würzburg 101 (1995), S. 2, 46–49 sind Verfahren zur Endbearbeitung der Oberflächen von Werkstücken durch Drehfräsen oder Hartdrehen, d. h. die Herstellung von Oberflächen besonders hoher Güte beschrieben. Die dort beschriebenen Verfahren dienen als Ersatz für das Schleifen, oder für ein Verfahren, mit dem eine besonders glatte Oberfläche mit geringen Rz-Werten erzielt wird.
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Aus der
DE 198 401 17 C2 ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung der Innenseite von Zylinderbohrungen als Vorbereitung zum Aufbringen einer thermisch gespritzten Schicht bekannt, wobei ein Teil des die Innenseite bildenden Materials durch trockenes Zerspanen ohne Schmierstoff abgetragen wird und eine Oberfläche mit einer definierten Struktur und/oder Güte mit einem Rz-Wert von 25 bis 65 μm gebildet wird. Das Zerspanen kann über Ausspindeln, Bürsten, Rändeln, Zirkularfräsen oder Kombinationen aus einem oder mehreren dieser Verfahren erfolgen.
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Aus der
WO 02/40850 A1 ist ein Verfahren zur Vorbereitung der Oberfläche von Zylinderbohrungen bekannt. Es wird eine Oberflächenaufrauung durch eine zweifache spanabhebende Bearbeitung vorgenommen. Hierbei werden grobe Rillen- oder Wellenstrukturen erzeugt und in diese feinere Rillen- oder Wellenstrukturen eingearbeitet.
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Die bekannten Verfahren zur Vorbehandlung oder Konditionierung der Oberflächen reichen für die Erzielung einer ausreichenden Haftfestigkeit thermisch gespritzter Schichten unter thermischer Wechsellast und mechanischer Beanspruchung nicht mehr aus.
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Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung beschichteter Bauteile mit hoher Schichthaftung.
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Hierfür zweckdienlich ist ein Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem in einem ersten Verfahrensschritt in einer materialabhebenden, oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) in die Oberfläche eingebracht werden, so dass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen (3), insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen bildet. Damit kann ein erfindungsgemäßes metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit aufgerauter Oberfläche, die für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hergestellt werden.
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In einem ersten Verfahrensschritt werden in einer materialabhebenden, oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht. Hierdurch werden durch das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen, insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen gebildet. Hierauf folgte erfindungsgemäß mindestens ein weiterer Verfahrensschritt, der zu hinterschnitten Strukturen führt. Im zweiten Verfahrensschritt werden die erhabenen Mikrostrukturen in der Weise verformend und/oder brechend nachbearbeitet, dass ein wesentlicher Anteil der Strukturen Hinterschnitte bezüglich der Oberfläche ausbildet. Der zweite Verfahrensschritt kann auch einen Materialabtrag beinhalten, der aber im Vergleich zum ersten Verfahrensschritt nur vergleichsweise gering ist.
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Durch die Hinterschnitte ist eine sehr gute und wirksame mechanische Verklammerung der später abgeschiedenen Beschichtung zu erreichen. Da die Spritzpartikel der thermischen Spritzschicht bei der Abscheidung im Wesentlichen noch flüssig sind können sie sich auch in den hinterschnitten den Bereichen abscheiden. Bereits ein geringer Anteil an Beschichtungsmaterial im hinterschnittenen Volumen führt dabei zu einer ganz wesentlichen Verstärkung der Haftfestigkeit. Die Wirkung der Hinterschnitte ist insbesondere bei der Abscheidung der thermischen Spritzschichten von Bedeutung, da mit der Abkühlung der Schichten auch eine starke Schwindung des Schichtmaterials auftritt. Durch die Hinterschnitte ist ein Wegschrumpfen des Schichtmaterials von der Substratoberfläche stark behindert; die Haftung hierdurch wesentlich verbessert.
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Bereits ein geringer Anteil hinterschnittener Strukturen zeigt die erfindungsgemäße Wirkung einer verbesserten Oberflächenhaftung der Schicht. Erfindungsgemäß weisen mindestens 50% der erhabenen Mikrostrukturen mindestens einen hinterschnittenen Bereich auf. Die gesamte hinterschnittene Fläche in der Ebene parallel zur Metalloberfläche beträgt mindestens 3%, besonders bevorzugt mehr als 5%.
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Bezüglich der Einbringung der erhabenen Mikrostrukturen im ersten Verfahrensschritt sind im Prinzip die üblichen Verfahren zur Aufrauung von metallischen Oberflächen geeignet. Hierzu zählt beispielsweise das Zerspanen über Ausspindeln, Bürsten, Rändeln, Zirkularfräsen oder ähnliche Verfahren. Ebenso ist auch das Sandstrahlen geeignet.
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Ein weiteres geeignetes Verfahren ist das Hochdruckwasserstrahlen, insbesondere Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln.
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Während der erste Verfahrensschritt zu einem Materialabtrag führt ist der zweite Verfahrensschritt so ausgelegt, dass nur unwesentlich oder möglichst überhaupt kein Material mehr vom Substrat entfernt wird. Der zweite Verfahrensschritt zielt darauf ab, die Form der Mikrostrukturen soweit zu verändern, dass neue Hinterschneidungen entstehen.
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Nach diesem zweiten Verfahrensschritte können sich auch optional weitere Schritte anschließen, die zu einer weiteren Bildung von Hinterschnitten führen, oder eine Glättung der Oberfläche nach sich ziehen.
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Die Erfindung soll an Hand schematische Zeichnungen und mikroskopischer Aufnahmen beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 eine metallische Oberfläche (1) mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3) nach dem ersten Verfahrensschritt,
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2 eine metallische Oberfläche (1) nach dem zweiten Verfahrensschritt mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3), welche Hinterschneidungen (4) in Form aufgeweiteter Spitzen aufweisen,
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3 eine metallische Oberfläche (1) mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3), nach dem ersten Verfahrensschritt,
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4 eine metallische Oberfläche (1) nach dem zweiten Verfahrensschritt mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3), welche Hinterschneidungen (4) in Form gebogener Spritzen aufweisen,
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5 eine metallische Oberfläche (1) mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) mit Hinterschneidungen (4) nach dem zweiten Verfahrensschritt,
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6 Schliffbild eines Metallischen Kraftfahrzeugbauteils quer zur Oberfläche (1) mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht (5), mit Durchdringungsschicht (6), Mikrostrukturen (3) und Hinterschneidungen (4)
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7 Schliffbild eines Metallischen Kraftfahrzeugbauteils quer zur Oberfläche (1) mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht (5), mit Durchdringungsschicht (6), Mikrostrukturen (3) und Hinterschneidungen (4)
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8 Schliffbild eines Metallischen Kraftfahrzeugbauteils quer zur Oberfläche (1) mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht (5), mit Durchdringungsschicht (6) und Pilz- oder druckknopfförmigen Mikrostrukturen (3)
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In einer bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Verfahrensschritts, wird die durch den ersten Verfahrensschritt aufgeraut Oberfläche einem Walzen, Pressen oder Bestrahlen mit festen und/oder flüssigen Medien ausgesetzt.
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Eine der möglichen Auswirkungen dieses zweiten Verfahrensschritts ist schematisch in 4 dargestellt. Im ersten Verfahrensschritt werden Rillen in die Oberfläche eingebracht (3). Hierauf findet ein seitliches Umbiegen der erhabenen Mikrostrukturen (3) in Rillenform statt. Dies wird beispielsweise durch einen Walzvorgang durchgeführt. Eine bevorzugte Ausrichtung von umgebogenen oder geknickten Mikrostrukturen kann ebenso auch durch schräg ansetzende Bestrahlungsverfahren oder Pressverfahren erfolgen.
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Das Bestrahlen ist dabei besonders geeignet, um ein in alle Richtungen gleichmäßig verteiltes Umbiegen, oder Knicken der erhabenen Strukturen zu bewirken. Geeignete Strahlmedien sind beispielsweise feine rundliche Pulver, mit geringer abrasiver Wirkung, insbesondere als Kugelstrahlen.
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Es ist ebenso möglich, das Bestrahlen des zweiten Verfahrensschrittes mit milden abrasiven Bedingungen zu fahren, beispielsweise durch Sandstrahlen, oder Hochdruckwasserstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln. Die mittlere Partikelgröße der abrasiven Partikel sollte dabei bevorzugt in der gleichen Größenordnung oder feiner als die Rautiefe der zu bestrahlenden Oberfläche liegen. Bevorzugt wird hierbei keine Erhöhung der Rautiefe bewirkt, sondern vielmehr die Oberfläche der Mikrostrukturen selbst aufgeraut.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Bildung der Hinterschnitte des zweiten Verfahrensschrittes durch thermische Verfahren. Als zweiter Verfahrensschritt wird hierbei eine thermische Behandlung der Oberfläche durchgeführt wird, welche zu einem Aufschmelzen der Spitzen der Mikrostrukturen führt.
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Die Wirkung dieser Verfahrensvariante ist exemplarisch in 1 wiedergegeben. Im ersten Verfahrensschritt werden hier Rillen in die Oberfläche eingebracht (3). Hierauf erfolgt beispielsweise durch Beflammen der Oberfläche ein partielles Aufschmelzen der Mikrostrukturen (3). Hierdurch werden Schmelzetröpfchen gebildet, deren Form nach dem Erstarren der Schmelze (2) erhalten bleibt. Die Mikrostrukturen (3) weisen pilzförmige oder druckknopfförmige Strukturen auf und bilden Hinterschnitte (4).
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Weitere geeignete thermische Verfahren sind insbesondere eine Laser- oder Plasmaflammbehandlung.
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In einer weiteren Variante des zweiten Verfahrensschritts wird ein spanabhebendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es maßgeblich, dass die Späne zum Teil nur unvollständig vom Material abgelöst werden. Hierdurch werden die erhabenen Mikrostrukturen teilweise geknickt und gebogen und zusätzliche Hinterschnitte durch die Spanbildung erzeugt. Werden für den ersten und den zweiten Verfahrensschritt jeweils spanabhebende Verfahren eingesetzt, so muss die zweite Schneide entsprechend wesentlich feiner ausgebildet sein.
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Der erste Verfahrensschritt, kann je nach Auswahl des zweiten Schrittes vergleichsweise raue Oberflächen erzeugen, denn in der Regel führt der zweite Verfahrensschritt zu einer Verringerung des Rz-Wetes. Typischerweise liegt die Oberflächenrauigkeit bei Rz-Werten im Bereich von 20 bis 1000 μm. Bevorzugt werden Rz-Werte im Bereich von 20 bis 500 μm eingestellt und besonders bevorzugt liegt der Rz-Wert nach dem ersten Verfahrensschritt im Bereich von 40 bis 100 μm.
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Bevorzugt wird der zweite Verfahrensschritt so geführt, dass eine Verringerung der Rautiefe stattfindet. Wird als zweiter Verfahrensschritt beispielsweise das Walzen durchgeführt, so verringert sich die Rautiefe durch das Umbiegen oder Knicken der Mikrostrukturen deutlich. Bevorzugt führt der zweite Verfahrensschritt zu einer Verringerung der Oberflächenrauigkeit um mindestens 30%. Besonders bevorzugt verringert der zweite Verfahrensschritt den Rz-Wert auf einen Bereich von 20 bis 100 μm.
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In bevorzugter Kombination aus erstem und zweitem Verfahrensschritt werden zuerst durch Sand- und/oder Hochdruckwasserstrahlen beziehungsweise Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln Ausnehmungen in die Oberfläche eingebracht und diese im zweiten Verfahrensschritt durch Hochdruckwasserstrahlen geringerer Strahlenergie ausgehöhlt. Entsprechende typische Strukturen nach dem zweiten Verfahrensschritt sind in 5 abgebildet. Vergleichbare Strukturen sind beispielsweise auch durch die Kombination aus Sand- und/oder Hochdruckwasserstrahlen mit nachfolgendem Pressen, Walzen oder Beflammen erhältlich. Hierdurch lassen sich insbesondere druckknopfförmige Oberflächenstrukturen erzeugen.
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Nach dem zweiten Verfahrenschritt lassen sich im Prinzip weitere Verfahrenschritte anschließen. Beispielsweise kann ein weiterer umformender Verfahrenschritt nachgeschaltet werden.
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Bevorzugt wird die Oberflächenbehandlung aber so geführt, dass unmittelbar nach dem zweiten Verfahrensschritt eine thermische Spritzschicht (5) aufgetragen werden kann. Dabei ist auch auf die Entfernung gegebenenfalls anhaftender Strahlpartikel oder Fräsrückstände zu achten.
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Zu den besonders geeigneten Spritzverfahren zählen das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, das Sputtern, das Plasmaspritzen und das Lichtbogendrahtspritzen. Die Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sehr feine schmelzflüssige oder weiche Tröpfchen oder Spritzpartikel abgeschieden werden, welche gut in die Hinterschneidungen eindringen können.
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Der zweite Verfahrenschritt kann gegebenenfalls auch nur auf Bereiche der gesamten Bauteiloberfläche beschränkt werden.
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Ein erfindungsgemäßes metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit aufgerauter Oberfläche, das für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet ist, weist über wesentliche Teile der aufgerauten Oberfläche wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige erhabene Mikrostrukturen in der Größenordnung von 20 bis 400 μm auf. Der wesentliche Anteil, d. h. mehr als 50% der Mikrostrukturen besitzt dabei Hinterschnitte.
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In alternativer Ausgestaltung weisen die erfindungsgemäßen metallischen Kraftfahrzeugbauteile aufgeraute Oberflächen auf, die für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet sind, wobei die aufgeraute Oberfläche napfförmige oder nach oben teilweise geschlossne Ausnehmungen und Vertiefungen in der Größenordnung von 20 bis 400 μm aufweist. Die Näpfe und teilweise geschlossenen Strukturen bilden Hinterschnitte bezüglich der Bauteiloberfläche.
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In erfindungsgemäßer Ausgestaltung beträgt die hinterschnittene Fläche in der Ebene parallel zur Metalloberfläche mindestens 3%. Besonders bevorzugt liegt die hinterschnitte Fläche im Bereich von 5 bis 30%.
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Ein weiterer Aspekt betrifft metallische Kraftfahrzeugbauteile mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht, die auf einer aufgerauten und mit Hinterschnitten versehenen Oberfläche abgeschieden ist.
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Typische Beispiele derartiger beschichteter Bauteile sind in den 6 bis 8 als Schliffbild quer zur Schichtebene abgebildet. Am Grund der tribologischen oder Verschleißschutz-Schicht (5) liegt eine Durchdringungsschicht (6) vor, in die aus der Oberfläche (1) wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige Mikrostrukturen (3) mit einer Größenordnung von 20 bis 400 μm hineinragen.
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Zur Erzeugung der Strukturen gemäß den Abbildungen 6 und 7 wurde als erster Verfahrenschritt ein Drehen angewendet, wobei Rillen in die Oberfläche eingebracht wurden. Die Breite der Mikrostrukturen liegt bei etwa 20 bis 100 μm, die Höhe bei ca. 30 bis 120 μm. Die mittels Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Schichten (5) erstrecken sich flächendeckend auch über die hinterschnittenen Bereiche (4).
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Die Mikrostrukturen der Oberfläche gemäß 8 wurden durch eine Kombination aus Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln und nachfolgendem Hochdruckwasserstrahlen erzeugt. Die Abscheidung der Schicht erfolgte durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen. Die Strukturen sind im Vergleich zu denen der 6 und 7 erheblich feiner.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19508687 C2 [0008]
- DE 19840117 C2 [0010]
- WO 02/40850 A1 [0011]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”INDUSTRIE-Anzeiger” 34, 35/97, ”Hartdrehen statt Feinschleifen”, S. 48 [0009]
- ”Maschine und Werkzeug” 6/95 ”Hartdrehen überholt Feinschleifen”, S. 57–61 [0009]
- Pfeiffer, F. ”Höhere Sphären” in: ”Maschinenmarkt”, Würzburg 101 (1995), S. 2, 46–49 [0009]
