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Die
vorliegende Erfindung betrifft Werkstoffe, insbesondere Bauteile,
mit verbesserten Verschleißschutzschichten.
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Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung einen Werkstoff, insbesondere
ein Bauteil, aus mindestens einem sperrschichtbildenden Metall oder dessen
Legierungen und Mischungen, wobei der Werkstoff an seiner Oberfläche
zumindest teilweise mit einer Verschleißschutzschicht auf
Basis eines Oxids des sperrschichtbildenden Metalls versehen ist,
gemäß dem Oberbegriff von Schutzanspruch 1 bzw.
2.
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Ein
solcher Werkstoff, insbesondere ein solches Bauteil, eignet sich – wie
nachfolgend noch im Detail ausgeführt – vorzugsweise
zur Anwendung auf dem Gebiet des Maschinenbaus (z. B. für
den Automobilbau, wie z. B. Komponenten von Verbrennungsmotoren,
insbesondere Zylinder, Zylinderlaufbahnen, Kolben und Kolbenteilbereiche,
wie z. B. deren Ringnut, Nockenwellen, Tassenstößel,
Ventile, Lagerstellen an Pleueln etc.), der Medizin und Medizintechnik, der
Elektronik und Elektrotechnik, der Optik, der Optoelektronik, der
Lasertechnik, der Luft- und Raumfahrttechnik, des Turbinenbaus,
der Vakuumtechnik, der Datenverarbeitung, der Lebensmittelindustrie, der
Haushaltsgeräteindustrie oder der Textilmaschinenindustrie.
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Die
Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Werkstoffen
von sperrschichtbildenden Metallen, wie Aluminium, Magnesium, Titan
oder dergleichen sowie deren Legierungen, ist grundsätzlich
bekannt. Zu diesem Zweck können unterschiedliche Verfahren
zur Erzeugung derartiger Verschleißschutzschichten zum
Einsatz kommen.
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Allein
die Vielzahl der Applikationen des Oberflächenveredelns
im Automobilbau und anderen technischen Bereichen, insbesondere
im Bereich des Maschinenbaus, zeigt den Bedarf an Technologien, welche
die gesteigerten Anforderungen an die Funktionalität von
Werkstoffen bzw. Bauteilen erfüllen.
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Eine
Möglichkeit zur Erzeugung derartiger Verschleißschutzschichten
sind sogenannte naßchemische Verfahren mittels Elektrolyse,
insbesondere mittels anodischer Oxidation. So lassen sich mittels anodischer
Oxidation, insbesondere mittels der sogenannten plasmachemischen
anodischen Oxidation bzw. anodischen Oxidation unter Funken- bzw.
Lichtbogenentladung (synonym auch als sogenanntes "ANOF-Verfahren"
bezeichnet) in geeigneten, üblicherweise wäßrigen
oder wäßrig-organischen Elektrolytlösungen,
Verschleißschutzschichten mit guten Verschleißschutzeigenschaften
erhalten.
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Die
anodische Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung ist in
wäßrigen Elektrolyten eine Gas/Festkörper-Reaktion
unter Plasmabedingungen, bei welcher der hohe Energieeintrag am Fußpunkt
der Entladungssäule auf der Anode flüssiges Metall
erzeugt, welches mit dem aktivierten Sauerstoff ein kurzzeiterschmolzenes
Oxid bildet; daher wird diese Reaktion synonym auch als plasmachemische
anodische Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung oder
einfach nur als plasmachemische anodische Oxidation bezeichnet.
Die Schichtbildung erfolgt über Partialanoden. Der Funkenentladung
ist ein Formierbereich vorgelagert (z. B. P. Kurze, Dechema-Monographien,
Band 121, VCH Verlagsgesellschaft 1990, Seiten 167 bis 180 mit
weiteren Literaturhinweisen). Die Elektrolyte werden so kombiniert,
daß ihre positiven Eigenschaften vereint werden und qualitativ
hochwertige, anodisch erzeugte Oxidkeramikschichten auf den betreffenden
Sperrschichtmetallen (z. B. Aluminium) entstehen. Durch Kombinationen
verschiedener Salze im Elektrolytbad können höhere
Salzkonzentrationen im Elektrolytbad und damit höhere Viskositäten
erreicht werden. Solche hochviskosen Elektrolyte haben eine hohe
Wärmekapazität, stabilisieren den ausgebildeten
Sauerstoffilm auf der Anode und ermöglichen damit eine gleichmäßige
Oxidschichtausbildung (vgl. z. B. DD-PS 142 360).
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Die
plasmachemische anodische Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung
basiert somit auf einem plasmachemischen Prozeß, der in wäßrigen
oder wäßrig-organischen Elektrolyten abläuft,
wobei das zu beschichtende Werkstück aus sperrschichtbildendem
Metall üblicherweise als Anode geschaltet wird. Durch Einwirkung
des im Elektrolyten erzeugten Sauerstoffplasmas auf die Metalloberfläche
wird das Metall, wie zuvor geschildert, somit in kurzer Zeit erschmolzen,
und es entsteht ein festhaftender Oxidkera mik-Metallverbund auf
dem Werkstück. Die erzeugte Oxidkeramikschicht wächst aufgrund
ihrer Volumenzunahme zu 50% nach außen. Kanten, Hohlräume
und Reliefs werden gleichmäßig, insbesondere konturengetreu,
beschichtet, d. h. es treten keine Kanteneffekte wie bei galvanischen Verfahren
auf. Darüber hinaus verfügt das zuvor beschriebene
Verfahren der plasmachemischen anodischen Oxidation über
ein ausgezeichnetes Streuvermögen. Die Schichteigenschaften
können außerdem modifiziert werden: So können
unter anderem die Gleiteigenschaften verbessert werden, insbesondere durch
die Einlagerung von fluorierten Polymeren.
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Mit
dem zuvor geschilderten plasmachemischen Anodisationsverfahren können
praktisch alle Oberflächen sperrschichtbildender Metalle
bzw. deren Legierungen und Mischungen veredelt werden. Im Gegensatz
zu konventionellen Anodisierschichten ist mit dem plasmachemischen
Anodisationsverfahren die Herstellung keramischer Schichten möglich, welche
sich wesentlich in ihrer Morphologie und Oberflächenmikrogeometrie
von herkömmlichen Eloxal®-Schichten
unterscheiden. Die typische Oberflächengestaltung der erzeugten
Schichten ist in weiten Grenzen durch Prozeßparameterwahl
variierbar. Grundsätzlich resultiert jedoch ein dreischichtiger Aufbau
aus äußerer porenreicher Oxidkeramikschicht, darunterliegender
porenarmer Oxidkeramikschicht und wiederum darunterliegender ca.
100 nm dicker Sperrschicht, worunter sich die eigentliche Substratschicht
aus sperrschichtbildendem Metall befindet. Da die auf diese Weise
erzeugten Schichten eine gewisse Oberflächenporosität
aufweisen, was sie im Hinblick auf Korrosion in gewisser Weise anfällig
macht, sind gegebenenfalls Nachbehandlungsverfahren zum Verschließen
dieser Poren erforderlich (z. B. Einlagerung von Fluorpolymeren,
Wasserdampfbehandlung etc.).
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Der
Mechanismus der plasmachemischen Anodisation unter Funkenentladung
ist vielfach untersucht worden und läßt sich wie
folgt zusammenfassen: Auf dem Werkstoff aus sperrschichtbildendem
Metall oder dessen Legierung bzw. Mischung befindet sich üblicherweise
eine Sperrschicht. Durch Erhöhung der Spannung des anodisch
gepolten Metalls bei der plasmachemischen anodischen Oxidation unter
Funken- bzw. Lichtbogenentladung wächst die zuvor beschriebene
Sperrschicht. Es entsteht an der Phasengrenze aus Metall/Gas/Elektrolyt
partiell ein Sauerstoffplasma, durch welches sich die Oxid keramikschicht
in zuvor geschilderter Weise bildet. Das Metallion in der Oxidkeramikschicht
resultiert aus dem Metall, und der Sauerstoff stammt aus der anodischen
Reaktion in dem verwendeten Elektrolyten. Die Oxidkeramik ist bei
den ermittelten Plasmatemperaturen von etwa 7.000 Kelvin flüssig;
zur Seite des Metalls hin ist die Zeit ausreichend, damit sich die
Schmelze der Oxidkeramikschicht gut zusammenziehen und so eine aufgesinterte
porenarme Oxidkeramikschicht bilden kann. Zur Seite des Elektrolyten
hin wird die Schmelze der Oxidkeramik schnell durch den Elektrolyten
abgekühlt, und die noch abwandernden Gase, insbesondere
Sauerstoff und Wasserdampf, hinterlassen eine Oxidkeramikschicht
mit einem weitmaschig verknüpften Kapilarsystem. Es entsteht
der zuvor geschilderte dreischichtige Aufbau aus äußerer
porenreicher Oxidkeramikschicht, darunterliegender porenarmer Oxidkeramikschicht
und wiederum darunterliegender Sperrschicht, worunter sich dann
das eigentliche Metallsubstrat befindet. Aus rasterelektronenmikroskopischen
Untersuchungen wurde ein Porendurchmesser für die äußere
porenreiche Oxidkeramikschicht von etwa 0,1 bis etwa 30 μm
bestimmt (vgl. z. B. G. P. Wirtz et al., "Ceramic Coatings
by Anodic Spark Deposition", Materials & Manufacturing Processes 6(1), Seiten
87 bis 115 (1991)).
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Ein
Verfahren der zuvor beschriebenen Art, welches die Technologie der
plasmachemischen anodischen Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung
("ANOF-Technologie") nutzt, ist beispielsweise in der auf die Anmelderin
selbst zurückgehenden deutschen Patentschrift
DE 41 39 006 C2 sowie in
der parallelen europäischen Patentschrift
EP 0 545 230 B1 beschrieben.
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Alternativ
kommen zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf
Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen auch Laserbehandlungsverfahren
zum Einsatz.
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So
beschreibt speziell die
DE
102 02 184 C1 ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten
in oberflächennahen Bereichen von Bauteilen, insbesondere
Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, aus einem Aluminiumbasisverbundwerkstoff,
wobei zumindest Teile der Oberfläche der Bauteile eine
Härtung erfahren und die Verschleißschutzschicht
aus Aluminiumnitriden in einer Aluminiummatrix gebildet wird, wobei
die Verschleißschutzschicht mittels einer Lasernitrierbehandlung
erzeugt wird, wobei Energie impulsförmig in die Oberfläche
eingebracht wird, so daß sich in den oberflächennahen
Bereichen eine Umschmelzschicht bildet und es dabei zu einer Umsetzung
von Stickstoff aus einer Stickstoffatmosphäre oder aus
der Luft mit Aluminium aus dem Verbundwerkstoff kommt derart, daß die
Aluminiumnitride in der Umschmelzschicht feindispers und gradiert
vorliegen. Das auf diese Weise gebildete Aluminiumnitrid (AlN) ist
zwar sehr hart (ca. 1.230 HV = Vickers-Härte), ist aber
auch sehr spröde. Es neigt daher zur Rißbildung
und ist somit für viele Anwendungen, insbesondere im Automobilbau,
nicht brauchbar. Insbesondere Sicherheitsbauteile, die Schwingungen
ausgesetzt sind, wie z. B. Aluminiumbauteile für Verbrennungsmotoren,
wie insbesondere Kolben, Zylinderlaufflächen, Ventile und
dergleichen, sind stark gefährdet, wenn sie mit einer derartigen Aluminiumnitridschicht
versehen sind. Der Einsatz solcher mit Aluminiumnitridschichten
versehenen Bauteile kann im Betriebszustand den gesamten Motor zum
Ausfall bringen. Auch ist die Schichtdicke der hergestellten Aluminiumnitridschicht
relativ gering. Zudem tritt bei einer punktuellen Belastung der
Oberfläche ein sogenannter "Eierschaleneffekt" auf: Es kommt
zu einer plastischen Verformung des Grundmaterials, was die Ursache
für die nachfolgende Rißbildung ist.
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Eine
weitere Möglichkeit der Oberflächenveredelung
mittels Laserbehandlung besteht darin, durch die Laserbehandlung
oxidkeramische Schutzschichten auf Aluminiumwerkstoffen herzustellen, wobei
Hartstoffpartikel, wie z. B. Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2)
etc., auf die Oberfläche des Aluminiumwerkstoffes aufgeschmolzen
werden (vgl. Laser und Optoelektronik, 29 (4), Seiten 48
bis 52, 1997). Der Nachteil dieser grundsätzlichen
Möglichkeit, Feststoffe durch Laser aufzuschmelzen und auf
die betreffenden Werkstoffoberflächen aufzubringen, besteht
darin, daß diese Partikel sich nicht gleichmäßig
auf die Werkstoffoberfläche aufbringen lassen. Insbesondere
bei kompliziert geformten Bauteilen ist eine gleichmäßige
Beschichtung nicht zu realisieren. Außerdem wird oftmals
eine schlechte Haftung der aufgeschmolzenen Partikel in bezug auf die
Werkstoffoberfläche beobachtet, was oftmals die Ursache
in einer bereits vorhandenen Oxidschicht auf dem zu behandelnden
Werkstück hat.
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Die
auf die Anmelderin selbst zurückgehende
DE 10 2006 051 709 A1 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten
auf Werkstoffen aus sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen
mittels Laserbehandlung, wobei die Werkstoffoberfläche
in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre einer
Laserbestrahlung ausgesetzt wird derart, daß die obere
bzw. äußere Schicht der Werkstoffoberfläche
mit dem Sauerstoff zu einem Oxid des Werkstoffmetalls reagiert und
die darunterliegende Schicht des Werkstoffs umgeschmolzen wird,
ohne mit dem Sauerstoff zu reagieren.
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Ein
Nachteil der zuvor geschilderten Verfahren des Standes der Technik
besteht unter anderem darin, daß diese Verfahren die Werkstoffoberflächen nicht
immer bzw. nicht immer verläßlich mit einem ausreichenden
Verschleißschutz ausstatten. Insbesondere resultieren bisweilen
Verschleißschutzschichten, welche nicht immer die geforderten
mechanischen oder anderweitigen Eigenschaften, wie Abriebfestigkeit,
Festigkeit bei punktförmiger Belastung, Schichthaftung,
Korrosionsbeständigkeit oder dergleichen, mit sich bringen.
Wie zuvor geschildert, wird bei einigen der nach dem Stand der Technik
erzeugten Verschleißschutzschichten auch ein unerwünschter
"Eierschaleneffekt" bei Auftreten einer punktuellen Belastung der
Oberfläche beobachtet, verbunden mit einer unerwünschten
plastischen Verformung des Grundmaterials mit nachfolgender Rißbildung.
Auch neigen die nach dem Stand der Technik erzeugten Verschleißschutzschichten
bisweilen zu einer übermäßigen Sprödigkeit.
Des weiteren fehlt es bei einigen dieser Verschleißschutzschichten
des Standes der Technik auch an der geforderten Homogenität über
das gesamte Schichtengefüge. Schließlich führen
die zuvor geschilderten Verfahren des Standes der Technik oftmals
zu Verschleißschutzschichten mit ausgeprägter
Porenstruktur an der Oberfläche, einhergehend mit einer
gewissen Korrosionsanfälligkeit, so daß unter
Umständen zusätzliche Nachbehandlungsmaßnahmen
zum Verschließen dieser Poren (wie z. B. Wasserdampfbehandlung,
Verfüllen der Poren mit fluorierten Polymeren etc.) erforderlich
werden können.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem liegt daher
in der Bereitstellung von Verschleißschutzschichten auf
Werkstoffen, insbesondere Bauteilen, von sperrschichtbildenden Metallen,
welche die zuvor geschilderten Nachteile des Standes der Technik
zumindest weitgehend vermeiden oder aber wenigstens abschwächen.
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Zur
Lösung des zuvor geschilderten Problems schlägt
die vorliegende Erfindung daher einen Werkstoff, insbesondere ein
Bauteil, nach Schutzanspruch 1 bzw. 2 vor. Weitere, insbesondere
vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand
der diesbezüglichen Unter- und Nebenansprüche.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung sind somit Werkstoffe, insbesondere Bauteile,
von sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen und Mischungen,
wobei die Werkstoffe an ihrer Oberfläche zumindest teilweise
mit einer Verschleißschutzschicht auf Basis eines Oxids
des sperrschichtbildenden Metalls versehen sind, wobei die Verschleißschutzschicht
durch anodische Oxidation mit nachfolgender Schmelzbehandlung, insbesondere
Aufschmelz- oder Umschmelzbehandlung, der Werkstoffoberfläche
erhalten ist.
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Mit
anderen Worten sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung somit
Werkstoffe, insbesondere Bauteile, von sperrschichtbildenden Metallen oder
deren Legierungen und Mischungen, wobei die Werkstoffe an ihrer
Oberfläche zumindest teilweise mit einer Verschleißschutzschicht
auf Basis eines Oxids des sperrschichtbildenden Metalls versehen sind,
wobei die Verschleißschutzschicht durch ein mehrstufiges,
insbesondere zweistufiges Verfahren erhältlich ist, wobei
das Verfahren als ersten Verfahrensschritt eine anodische Oxidation
der Werkstoffoberfläche umfaßt, gefolgt von einem
zweiten Verfahrensschritt des Schmelzens, insbesondere Aufschmelzens
und/oder Umschmelzen, der im ersten Verfahrensschritt generierten
Oxidschicht.
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Erfindungsgemäß resultieren
somit Verschleißschutzschichten mit ausgezeichneten Verschleißschutzeigenschaften,
insbesondere mit exzellenter Korrosionsbeständigkeit sowie
ausgezeichneter Abriebfestigkeit und extremer mechanischer Härte,
wobei die Verschleißschutzschichten – im Unterschied
insbesondere zu Aluminiumnitridschichten des Standes der Technik – keiner lei
Sprödigkeit aufweisen und infolge ihrer Homogenität
ausgezeichnete mechanische Eigenschaften gleichmäßig über
die gesamte Schicht besitzen, insbesondere auch bei punktueller
Belastung der Oberfläche nicht zu einem sogenannten "Eierschaleneffekt"
neigen.
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Mit
den erfindungsgemäßen Werkstoffen, insbesondere
Bauteilen, bzw. den erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten
sind eine Vielzahl von Vorteilen verbunden, welche nachfolgend in
nicht beschränkender Weise und rein beispielhaft geschildert
sind:
Insbesondere resultieren im Rahmen der vorliegenden Erfindung
Werkstoffoberflächen, welche stets und verläßlich
mit einem ausreichenden Verschleißschutz ausgestattet sind.
Insbesondere resultieren Verschleißschutzschichten, welche
stets die geforderten mechanischen oder anderweitigen Eigenschaften,
wie Abriebfestigkeit, Festigkeit auch bei punktförmiger
Belastung, Schichthaftung, Korrosionsbeständigkeit oder
dergleichen, mit sich bringen. Selbst bei Auftreten von punktuellen
mechanischen Belastungen an der Oberfläche tritt keine
unerwünschte plastische Verformung des Grundmaterials und
keine unerwünschte Rißbildung ein. Auch neigen die
erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten zu
keinerlei Sprödigkeit.
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Des
weiteren weisen die erfindungsgemäßen Verschleißschutzschichten
auch eine homogene Ausbildung über das gesamte Schichtengefüge
auf; dies ist dadurch bedingt, daß das aus der anodischen Oxidation
resultierende Schichtengefüge in erfindungsgemäßer
Weise nachfolgend noch einem Aufschmelz- bzw. Umschmelzvorgang unterzogen
wird. Dies führt neben der zuvor geschilderten Homogenität
im übrigen auch zur Ausbildung eines sehr feinkörnigen
bzw. sehr feindispersen Schichtengefüges, einhergehend
mit einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere
der Festigkeit.
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Des
weiteren führt der Verfahrensschritt des Aufschmelzens
bzw. Umschmelzens zu einer signifikanten Verminderung bis hin zu
einer vollständigen Beseitigung der durch den ersten Verfahrensschritt der
anodischen Oxidation bedingten Porenstruktur an der Werkstoffoberfläche.
Diese zumindest weitgehende Beseitigung der Porenstruktur an der
Oberfläche führt zu verbesserten mechanischen
Eigenschaften und einer gesteigerten Korrosionsbeständigkeit.
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Insbesondere
können auf diese Weise zusätzliche Nachbehandlungsmaßnahmen
zum Verschließen der durch den ersten Verfahrensschritt
der anodischen Oxidation bedingten Porenstruktur an der Werkstoffoberfläche
vermieden werden.
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Schließlich
führt der Aufschmelz- bzw. Umschmelzvorgang des aus der
anodischen Oxidation resultierenden Schichtengefüges auch
zu einer signifikanten Steigerung der Kristallinität der
Verschleißschutzschicht, verbunden mit einer signifikanten
Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere einer
signifikanten Steigerung der mechanischen Festigkeit. Im Fall von
Werkstoffen beispielsweise auf Basis von Aluminium oder Aluminiumlegierungen
resultiert ein erhöhter Korundanteil in den Verschleißschutzschichten
aus Aluminiumoxid Al2O3, und
im Fall von Werkstoffen beispielsweise auf Basis von Titan oder
Titanlegierungen resultiert ein erhöhter Rutil- und/oder
Anatasanteil in den Verschleißschutzschichten aus Titandioxid
TiO2.
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Es
versteht sich von selbst, daß alle nachfolgenden Ausführungen,
welche – insbesondere zur Vermeidung unnötiger
Wiederholungen – nur zu einzelnen Erfindungsaspekten gemacht
werden, sich selbstverständlich auch auf die übrigen
Erfindungsaspekte beziehen und diesbezüglich entsprechend geltend,
auch ohne daß dies ausdrücklich vermerkt ist.
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Des
weiteren versteht es sich von selbst, daß alle nachfolgenden
Angaben von ausgewählten Bereichen, Spezies und Zahlenwerten
nur rein beispielhaft und die Erfindung veranschaulichend und typischerweise
und im allgemeinen darstellend zu verstehen sind, so daß es
für den Fachmann selbstverständlich ist, daß der
Fachmann einzelfallbedingt oder anwendungsbezogen hiervon abweichen
kann, ohne daß der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen
ist.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung kann das eingesetzte sperrschichtbildende
Metall aus beliebigen sperrschichtbildenden Metallen oder deren Legierungen
und Mischungen ausgewählt sein. Insbesondere ist das sperrschichtbildende
Metall ausgewählt aus der Gruppe von Aluminium (Al), Magnesium
(Mg), Titan (Ti), Tantal (Ta), Zirkonium (Zr), Niob (Nb), Hafnium
(Hf), Antimon (Sb), Wolfram (W), Molybdän (Mo), Vanadium
(V) und/oder Wismut (Bi) sowie deren Legierungen und Mischungen.
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Vorzugsweise
besteht der Werkstoff aus einem sperrschichtbildenden Metall aus
der Gruppe von Aluminium, Magnesium und/oder Titan sowie deren Legierungen
und Gemischen. Besonders bevorzugt ist Aluminium oder dessen Legierungen.
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Insbesondere
kann es sich bei dem eingesetzten Werkstoff, insbesondere Bauteil,
um einen Druckguß oder Guß, insbesondere einen
Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, oder eine
Knetlegierung, insbesondere Aluminiumknetlegierung, handeln. Insbesondere
kann der eingesetzte Druckguß oder Guß, insbesondere
Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, oder die
Knetlegierung, insbesondere Aluminiumknetlegierung, grobkörnig
ausgebildet sein. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird dann
die Werkstoffoberfläche, welche anodisch oxidiert wird,
in ein feinkörniges bzw. feindisperses Gefüge überführt,
wie nachfolgend noch geschildert.
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In
erfindungsgemäß bevorzugter Weise wird die anodische
Oxidation als plasmachemische anodische Oxidation, insbesondere
als (plasmachemische) anodische Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung – synonym
auch als ANOF-Verfahren bezeichnet – durchgeführt.
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Dabei
kann die anodische Oxidation, insbesondere die plasmachemische anodische
Oxidation, vorzugsweise die plasmachemische anodische Oxidation
unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung (ANOF), grundsätzlich
galvanostatisch oder potentiostatisch durchgeführt werden,
wobei vorzugsweise potentiostatisch verfahren wird.
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In
erfindungsgemäß bevorzugter Weise kann die anodische
Oxidation, vorzugsweise plasmachemische anodische Oxidation, insbesondere
plasmachemische anodische Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung
(ANOF), in einem Elektrolytbad mit einem pH-Wert im Bereich von
2 bis 8 erfolgen. Dabei kann beispielsweise eine vorgegebene Stromdichte,
insbesondere eine Stromdichte von mindestens 1 A/dm2,
aufrechterhalten bzw. konstantgehalten werden, bis sich die Spannung
auf einen Endwert, vorzugsweise einen konstanten Endwert, insbesondere
von bis zu 500 Volt, einstellen.
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In
erfindungsgemäß bevorzugter Weise wird die anodische
Oxidation, vorzugsweise plasmachemische anodische Oxidation, insbesondere
plasmachemische anodische Oxidation unter Funkenentladung (ANOF),
in einem zumindest im wesentlichen chloridfreien Elektrolyten durchgeführt.
Vorteilhafterweise sollte dabei der Chloridionengehalt des Elektrolyten
weniger als 5·10–3 Mol/l
betragen.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann
derart vorgegangen werden, daß die anodische Oxidation,
vorzugsweise plasmachemische anodische Oxidation, insbesondere plasmachemische
anodische Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung (ANOF),
bei konstanter Elektrolytbadtemperatur erfolgt. Dabei kann die Elektrolytbadtemperatur
insbesondere in den Grenzen von ±2°C konstantgehalten
werden. Insbesondere wird dabei die Elektrolytbadtemperatur im Bereich von –30°C
bis +15°C, insbesondere –10°C bis +15°C,
ausgewählt.
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In
erfindungsgemäß besonders bevorzugter Weise wird
die anodische Oxidation, vorzugsweise plasmachemische anodische
Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung (ANOF), in einem Elektrolytbad
mit Phosphat-, Borat- und/oder Fluoridionen, insbesondere mit mindestens
0,1 mol/l von jedem einzelnen dieser Anionen und/oder insbesondere
mit bis zu insgesamt 2 mol/l aller vorgenannter Anionen durchgeführt.
Dabei wird vorteilhafterweise die anodische Oxidation, vorzugsweise
plasmachemische anodische Oxidation, insbesondere plasmachemische
anodische Oxidation unter Funkenentladung (ANOF), in einem Elektrolytbad
mit mindestens einem Stabilisator aus der Gruppe von Harnstoff,
Hexamethylendiamin, Glykol und/oder Glycerin sowie deren Mischungen,
insbesondere in Mengen von bis zu insgesamt 1,5 mol/l, durchgeführt.
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In
erfindungsgemäß besonders bevorzugter Weise wird
die anodische Oxidation gemäß der auf die Anmelderin
selbst zurückgehenden
DE 41 39 006 A1 bzw.
EP 0 545 230 A1 durchgeführt.
Für weitergehende diesbezügliche Einzelheiten
kann somit auf die beiden vorgenannten Druckschriften verwiesen werden,
deren gesamter Offenbarungsgehalt hiermit durch Bezugnahme eingeschlossen
ist.
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Was
den zweiten Verfahrensschritt (d. h. das Aufschmelzen bzw. Umschmelzen
der zuvor durch anodische Oxidation generierten Oxidschicht) anbelangt,
so erfolgt dieser Verfahrensschritt, d. h. das Aufschmelzen bzw.
Umschmelzen der anodischen Oxidschicht, in erfindungsgemäß bevorzugter
Weise mittels Laserbehandlung.
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Im
allgemeinen erfolgt im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Aufschmelzen
bzw. Umschmelzen der zuvor durch anodische Oxidation generierten
Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung, derart, daß zumindest
ein Teil der zuvor durch anodische Oxidation generierten Oxidschicht, insbesondere
zumindest die obere bzw. äußere Schicht, aufgeschmolzen
bzw. umgeschmolzen wird. Dies ist mit den zuvor geschilderten Vorteilen
und Eigenschaftsverbesserungen verbunden (z. B. Verfeinerung des
Gefüges, Verschließen der Poren, Erhöhung
der Kristallinität, Erhöhung der mechanischen Härte,
Verbesserung der Schichthaftung etc.).
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In
erfindungsgemäß bevorzugter Weise wird das Aufschmelzen
bzw. Umschmelzen der zuvor durch anodische Oxidation generierten
Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung, derart durchgeführt,
daß der Aufschmelz- bzw. Umschmelzvorgang, insbesondere
die Laserbehandlung, durch die zuvor durch anodische Oxidation generierte
Oxidschicht hindurch bis in das darunterliegende sperrschichtbildende
Metall des Werkstoffs durchgeführt wird. Auf diese Weise
wird zum einen eine deutliche Verbesserung der Schichthaftung erzielt,
und zum anderen wird ein für das mechanische Verhalten
besonders günstiger Härtegradient im Schichtengefüge
erzeugt, da auch ein Teil des sperrschichtbildenden Werkstoffmetalls
in ein feinerkörniges bzw. feinerdisperses Gefüge überführt
wird.
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Grundsätzlich
kann das Aufschmelzen bzw. Umschmelzen der zuvor durch anodische
Oxidation generierten Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung,
in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen oder aber einer inerten Atmosphäre
(z. B. Inertgase, wie Helium, Neon, Argon etc.) durchgeführt
werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird
das Aufschmelzen bzw. Umschmelzen der zuvor durch anodische Oxidation
generierten Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung, mittels
eines La sers mit einer Wellenlänge im Bereich von 700 bis
1.200 nm, insbesondere 800 bis 1.100 nm, durchgeführt.
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Vorteilhafterweise
kann das Aufschmelzen bzw. Umschmelzen der zuvor durch anodische
Oxidation generierten Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung,
mittels eines nichtgepulsten Diodenlasers oder mittels eines Nd:YAG-Lasers,
insbesondere jeweils mit einer Wellenlänge im Bereich von 800
bis 1.100 nm, erfolgen.
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Im
allgemeinen wird das Aufschmelzen bzw. Umschmelzen der zuvor durch
anodische Oxidation generierten Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung,
derart durchgeführt, insbesondere die mittels Laserbestrahlung
einwirkende bzw. eingestrahlte Energie derart bemessen, daß die
Aufschmelz- bzw. Umschmelztemperatur an der Oberfläche
der zuvor durch anodische Oxidation generierten Oxidschicht mindestens
500°C, vorzugsweise mindestens 750°C, insbesondere
mindestens 1.000°C, besonders bevorzugt mindestens 1.500°C,
ganz besonders bevorzugt mindestens 2.000°C, beträgt.
In jedem Fall ist – in Abhängigkeit vom Werkstoffmetall – die
einwirkende bzw. eingestrahlte Energie derart zu bemessen, daß mindestens
die Schmelz- bzw. Erweichungstemperatur der aufzuschmelzenden bzw.
umzuschmelzenden Oxidschicht erreicht wird.
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Im
allgemeinen erfolgt das Aufschmelzen bzw. Umschmelzen der zuvor
durch anodische Oxidation generierten Oxidschicht, insbesondere
die Laserbehandlung, derart, daß die eingesetzte Leistungsdichte
des Lasers im Bereich von 102 bis 1010 W/cm2, vorzugsweise
im Bereich von 104 bis 108 W/cm2, insbesondere im Bereich von 105 bis 107 W/cm2, gewählt wird.
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In
erfindungsgemäß bevorzugter Weise wird das Aufschmelzen
bzw. Umschmelzen der zuvor durch anodische Oxidation generierten
Oxidschicht, insbesondere die Laserbehandlung, in Abwesenheit von
Stickstoff bzw. in einer stickstofffreien Atmosphäre durchgeführt.
Auf diese Weise wird effizient verhindert, daß sich etwaige
Nitride des sperrschichtbildenden Metalls bilden können,
welche zu einer unerwünschten Versprödung und
Rißbildung unter mechanischer Belastung führen
könnten.
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Im
allgemeinen ist die Verschleißschutzschicht erfindungsgemäß derart
ausgebildet, daß diese eine Gesamtdicke von 5 bis 750 μm,
insbesondere 10 bis 500 μm, vorzugsweise 25 bis 350 μm,
besonders bevorzugt 50 bis 300 μm, ganz besonders bevorzugt
75 bis 250 μm, aufweist.
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Wie
zuvor ausgeführt, resultieren im Rahmen der vorliegenden
Erfindung Verschleißschutzschichten mit besonderer mechanischer
Festigkeit, insbesondere mechanischer Härte. Im allgemeinen beträgt
die Vickers-Härte (HV) der Verschleißschutzschicht
mindestens 300 HV, insbesondere mindestens 500 HV, vorzugsweise
mindestens 1.000 HV, besonders bevorzugt mindestens 1.500 HV, ganz
besonders bevorzugt mindestens 2.000 HV oder mehr.
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Des
weiteren resultieren erfindungsgemäß besonders
ebene und gleichmäßige Verschleißschutzschichten,
wobei erfindungsgemäß Kanten, Hohlräume
und Reliefs des Werkstoffs, insbesondere Bauteils, gleichmäßig,
insbesondere konturengetreu, beschichtet werden, so daß keine
Kanteneffekte auftreten. Im allgemeinen werden Verschleißschutzschichten
mit einer Rauheit (Rauhtiefe) Ra ≤ 8 μm, insbesondere ≤ 5 μm,
vorzugsweise ≤ 2 μm, besonders bevorzugt ≤ 1 μm,
ganz besonders bevorzugt ≤ 0,5 μm, erhalten.
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Wie
zuvor ausgeführt, werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung
Verschleißschutzschichten mit einem hohen Kristallinitätsgrad
erhalten. Im allgemeinen weisen die erfindungsgemäß erhaltenen Verschleißschutzschichten
eine Kristallinität von mindestens 50%, insbesondere mindestens
60%, vorzugsweise mindestens 70%, besonders bevorzugt mindestens
80%, ganz besonders bevorzugt mindestens 90% oder mehr, auf.
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Im
Falle eines Werkstoffs, insbesondere Bauteils, auf Basis von Aluminium
oder dessen Legierungen wird der kristalline Anteil im allgemeinen durch
Korund (α-Al2O3)
gebildet. Im Fall von Titan oder dessen Legierungen wird der kristalline
Anteil durch Rutil und/oder Anatas gebildet.
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Im
Fall eines Werkstoffs, insbesondere Bauteils, auf Basis einer siliziumhaltigen
Sperrschichtmetallegierung, insbesondere einer siliziumhaltigen
Aluminiumlegierung, werden Verschleißschutzschichten erhalten,
welche außerdem Siliziumdioxid (SiO2),
insbesondere in der Form von Mullit, enthal ten, wobei der Anteil
an Siliziumdioxid, insbesondere in Form von Mullit, bis zu 10%,
insbesondere bis zu 20%, vorzugsweise bis zu 30%, betragen kann,
und zwar in Abhängigkeit vom Siliziumgehalt der Legierung.
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Des
weiteren zeichnen sich die erfindungsgemäß erhaltenen
Verschleißschutzschichten durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit
aus. Insbesondere beträgt die Standfestigkeit im Salznebeltest
nach DIN 50021 mindestens 100 Stunden, insbesondere mindestens
250 Stunden, vorzugsweise mindestens 500 Stunden, besonders bevorzugt
mindestens 1.000 Stunden, ganz besonders bevorzugt mindestens 2.000
Stunden, noch mehr bevorzugt mindestens 3.000 Stunden.
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Des
weiteren zeichnen sich die erfindungsgemäß erhaltenen
Verschleißschutzschichten durch eine besonders gute Schichthaftung
auf dem Werkstoff, insbesondere Bauteil, aus. Insbesondere weisen
die erfindungsgemäß erhaltenen Verschleißschutzschichten
eine Schichthaftung, insbesondere Schichthaftung gemäß Stempelabrißversuch,
von mindestens 10 MPa, insbesondere mindestens 20 MPa, vorzugsweise
mindestens 25 MPa, besonders bevorzugt mindestens 30 MPa, auf. Wie
zuvor ausgeführt, läßt sich die Schichthaftung
dadurch noch erhöhen, daß der Vorgang des Aufschmelzens
bzw. Umschmelzens, insbesondere mittels Laserbehandlung, durch die
Verschleißschutzschicht hindurch bis in den unterliegenden
Werkstoff, insbesondere das Bauteil, hinein durchgeführt
wird.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung lassen sich besonders gute Schichtdickentoleranzen
erhalten. Im allgemeinen weisen die erfindungsgemäß erhältlichen
Verschleißschutzschichten eine Schichtdickentoleranz von
höchstens ±20 μm, insbesondere höchstens ±10 μm,
vorzugsweise höchstens ±5 μm, besonders
bevorzugt ±1 μm, auf.
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Des
weiteren weisen die erfindungsgemäß erhältlichen
Verschleißschutzschichten eine hohe elektrische Isolationsfestigkeit
auf. Insbesondere beträgt die elektrische Durchschlagfestigkeit,
insbesondere die Durchschlagfestigkeit Spitze/Platte, mindestens
5 Volt/μm, insbesondere mindestens 7 Volt/μm, vorzugsweise
10 Volt/μm, besonders bevorzugt mindestens 12 Volt/μm.
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Im
allgemeinen ist die erfindungsgemäß erhältliche
Verschleißschutzschicht wenigstens an ihrer Oberfläche
zumindest im wesentlichen porenfrei ausgebildet. Durch den Vorgang
des Aufschmelzens bzw. Umschmelzens, insbesondere mittels Laserbehandlung,
wird die ursprünglich porös ausgebildete anodische
Oxidschicht in ein im wesentlichen porenfreies Gefüge überführt,
was zu den zuvor geschilderten Vorteilen führt (z. B. Verbesserung
der mechanischen Eigenschaften, Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
etc.) Wie bereits ausgeführt, sind die erfindungsgemäß erhältlichen
Verschleißschutzschichten feinkörnig bzw. feindispers
ausgebildet. Insbesondere besitzen die erfindungsgemäß erhältlichen
Verschleißschutzschichten ein feinkörniges bzw.
feindisperses Gefüge mit einer Korngröße < 10 μm,
insbesondere < 7 μm,
vorzugsweise < 5 μm,
besonders bevorzugt < 2 μm,
ganz besonders bevorzugt < 1 μm.
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Weiterhin
sind die erfindungsgemäß erhältlichen
Verschleißschutzschichten abriebfest ausgebildet.
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Aufgrund
der zuvor ausgeführten Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Werkstoffe, insbesondere Bauteile, eignen sich diese insbesondere
zur Verwendung für das technische Gebiet des Maschinenbaus,
bevorzugt des Automobilbaus, vorzugsweise als Komponenten von Verbrennungsmotoren,
insbesondere Zylinder, Zylinderlaufbahnen, Kolben, Nockenwellen,
Tassenstößel, Ventile, Lagerstellen an Pleueln
oder dergleichen.
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Insbesondere
eignen sich die erfindungsgemäßen Werkstoffe,
insbesondere Bauteile, zur Verwendung als Kolben von Verbrennungsmotoren.
Dabei können die erfindungsgemäßen Werkstoffe,
insbesondere Bauteile, zumindest partiell bzw. teilweise mit der
Verschleißschutzschicht beschichtet sein, vorzugsweise
mindestens im Bereich einer Ringnut, vorzugsweise der obersten Ringnut,
der Kolben.
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Mit
anderen Worten kann der erfindungsgemäße Werkstoff,
insbesondere das erfindungsgemäße Bauteil, ein
Werkstoff auf dem technischen Gebiet des Maschinenbaus, insbesondere
des Automobilbaus, vorzugsweise eine Komponente von Verbrennungsmotoren,
insbesondere ein Zylinder, eine Zylinderlauf bahn, ein Kolben, eine
Nockenwelle, ein Tassenstößel, ein Ventil, eine
Lagerstelle an Pleueln oder dergleichen, sein. Vorzugsweise kann
der erfindungsgemäße Werkstoff, insbesondere das
erfindungsgemäße Bauteil, ein Kolben von Verbrennungsmotoren,
insbesondere mit zumindest partieller Beschichtung, vorzugsweise
mindestens im Bereich der obersten Ringnut des Kolbens, sein.
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Weiterhin
kann der erfindungsgemäße Werkstoff, insbesondere
das erfindungsgemäße Bauteil, zur Verwendung für
das technische Gebiet der Medizin und Medizintechnik, der Elektronik
und Elektrotechnik, der Optik, der Optoelektronik, der Lasertechnik,
der Luft- und Raumfahrttechnik, des Turbinenbaus, der Vakuumtechnik,
der Datenverarbeitung, der Lebensmittelindustrie, der Haushaltesgeräteindustrie
oder der Textilmaschinenindustrie vorgesehen sein.
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So
kann der erfindungsgemäße Werkstoff, insbesondere
das erfindungsgemäße Bauteil, ein Werkstoff auf
dem technischen Gebiet der Medizin und Medizintechnik (z. B. Implantate,
chirurgische Instrumente etc.), der Elektronik und Elektrotechnik, der
Optik und der Optoelektronik (z. B. hochwertige optische Instrumente,
insbesondere für die Astrophysik etc.), der Lasertechnik,
der Luft- und Raumfahrtechnik (z. B. Helikopterrotoren, Hitzeschilde
etc.), des Turbinenbaus (z. B. Flügelräder, Turbinenschaufeln,
Turbinenräder etc.), der Vakuumtechnik, der Datenverarbeitung,
der Lebensmittelindustrie, der Haushaltsgeräteindustrie
oder der Textilmaschinenindustrie sein.
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Gemäß einer
typischen Ausführungsform kann erfindungsgemäß wie
folgt vorgegangen werden:
Wie zuvor beschrieben, wird erfindungsgemäß zunächst
eine anodische Oxidation an der Oberfläche des betreffenden
Werkstoffs bzw. Bauteils durchgeführt, was in erfindungsgemäß bevorzugter
Weise mittels plasmachemischer anodischer Oxidation unter Funkenentladung
erfolgt, vorzugsweise nach dem auf die Anmelderin selbst zurückgehenden
Verfahren gemäß
DE 41 39 006 A1 bzw.
EP 0 545 23 0 A1 .
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Dem
schließt sich dann ein Aufschmelz- bzw. Umschmelzvorgang
der auf diese Weise erhaltenen anodischen Oxidschicht vorzugsweise
mittels Laserbehandlung in zuvor beschriebener Weise an.
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Erfindungsgemäß läßt
sich die erfindungsgemäße zweistufige Vorgehensweise
auch dann einsetzen, wenn selektiv nur ein bestimmter Bereich des Werkstoffs
bzw. Werkstückes aus sperrschichtbildenden Metallen oxidiert
werden soll (z. B. nur die Ringnut eines Kolbens für Verbrennungsmotoren).
Dabei kann zunächst gezielt nur der betreffende Teilbereich anodisiert
und nachfolgend mittels Laserbehandlung gezielt nur dieser Teilbereich
umgeschmolzen werden, wobei zu diesem Zweck insbesondere mit einer Düse
gearbeitet werden kann, die auf den umzuschmelzenden Teilbereich
gerichtet wird und durch die das Reaktionsgas für die Laserbehandlung strömt.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise ist es beispielsweise
möglich, die Ringnut eines Aluminiumkolbens aus G-AlSi12MgCuNi
mit einer Verschleißschutzschicht überwiegend
aus Korund mit einer Harte der Verschleißschutzschicht
von bis zu ca. 2.000 HV und mehr sowie einer Schichtdicke der oberen
Schicht von bis zu mehr als 100 μm und einer Rauheit Ra von nur 0,4 bis 0,5 μm herzustellen. Zu
diesem Zweck kann der Aluminiummotorkolben nach selektiver anodischer
Oxidation nur der Ringnut beispielsweise in einer Einspannvorrichtung
gedreht und der Laser auf diese Ringnut des Kolbens gerichtet werden.
Es ist dabei alternativ auch möglich, den Laser zu bewegen
und das Werkzeug bzw. den Werkstoff, auf dem die Verschleißschutzschicht
anzubringen ist, zu fixieren. Durch die Laserbehandlung entstehen
sehr hohe Temperaturen auf der so behandelten Werkstoffoberfläche,
so daß die zuvor erzeugte anodische Oxidschicht des betreffenden
sperrschichtbildenden Metalls umgeschmolzen bzw. aufgeschmolzen
wird.
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Wie
zuvor geschildert, wird dabei die Bildung von Korund (α-Al2O3) im Fall von
aluminiumbasierten Werkstoffen und gegebenenfalls Mullit (SiO2) im Fall von siliziumhaltigen Legierungen
induziert.
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Im
Fall von Aluminium als Grundwerkstoff umfaßt die Verschleißschutzschicht
Aluminiumoxid (Al2O3)
in der Modifikation Korund zu mindestens 60% (siehe obige Ausführungen).
Es werden Vickers-Härten von bis zu ca. 2000 HV (0,1)
und mehr bestimmt. Diese hohe Härte ist darauf zurückzuführen,
daß vorzugsweise Korund als Hochtemperaturform des Aluminiumoxids
entsteht. Röntgenographische Messungen haben ergeben, daß der
Korundanteil insbesondere im Bereich von 60% bis 90% und sogar mehr
variiert.
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Bei
Aluminiumlegierungen mit hohen Anteilen von Silizium, wie z. B.
GD-AlSi12, GD-AlSi9Cu3, G-AlSi12MgCuNi, ADC 12 etc., entsteht neben
Korund (α-Al2O3)
auch Mullit (SiO2), welches gleichermaßen
sehr hart ist. Aus röntgenographischen Messungen wurde
gefunden, daß der Anteil von Mullit (SiO2)
z. B. bei Einsatz der Legierung GD-AlSi12 in der Korundmatrix bis
zu 30% beträgt.
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Im
Falle des Einsatzes von Aluminiumwerkstoffen, die ein grobkörniges
Gefüge aufweisen, so z. B. einer Zylinderlauffläche
in einem Al-Kurbelgehäuse aus GD-AlSi12 oder einem Al-Motorkolben
aus G-AlSi12MgCuNi, erfolgt vorteilhafterweise zudem ein Umschmelzen
des grobkörnigen Gefüges des unterliegenden Grundwerkstoffs
zu einem sehr feinkörnigen Gefüge, sofern – wie
erfindungsgemäß bevorzugt – der Umschmelzvorgang
bis in den unterliegenden Werkstoff hinein durchgeführt
wird. Die umgeschmolzene Werkstoffschicht hat bei Al-Werkstoffen eine
Vickers-Härte, je nach eingesetzter Legierung, von typischerweise
150 bis 200 HV (im Vergleich hierzu hat grobkörniger Al-Guß oder
Al-Druckguß Vickers-Härten von nur 60 bis 80 HV)
und ist feindispers bzw. feinkörnig ausgebildet.
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Weitere
Ausgestaltungen, Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung
sind für den Fachmann beim Lesen der Beschreibung ohne weiteres
erkennbar und realisierbar, ohne daß er dabei den Rahmen
der vorliegenden Erfindung verläßt.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele
veranschaulicht, welche die vorliegende Erfindung jedoch keinesfalls
beschränken sollen.
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Ausführungsbeispiele
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Ausführungsbeispiel 1 (erfindungsgemäß)
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Eine
Probeplatte aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu1,5 mit
einer Oberfläche von 6,4 dm2 wird
entfettet und anschließend mit destilliertem Wasser gespült.
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Die
so vorbehandelte Probeplatte wird nachfolgend in einem ersten Verfahrensschritt
einer plasmachemischen anodischen Oxidation unter Funkenentladung
(ANOF) gemäß dem in der
DE 41 39 006 A1 bzw.
EP 0 545 230 A1 beschriebenen
Verfahren unterzogen. Zu diesem Zweck wird die Probeplatte in einem
wäßrig-organischen chloridfreien Elektrolytbad
mit 0,13 mol/l Natriumionen, 0,28 mol/l Ammoniumionen, 0,240 mol/l
Phosphationen, 0,238 mol/l Borationen, 0,314 mol/l Fluoridionen
und 0,6 mol/l Hexamethylentetramin (Stabilisator und Komplexbildner)
bei einer konstanten Elektrolyttemperatur von 12°C ±2°C
bei einer Stromdichte von 3,5 A/dm
2 plasmachemisch-anodisch
oxidiert. Nach einer Beschichtungszeit von 60 min wird ein Spannungsentwert
von 250 Volt erreicht. Die keramisierte Probeplatte wird gespült
und getrocknet. Die Schichtdicke der Keramikschicht beträgt
ca. 110 μm.
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Nachfolgend
wird ein Aufschmelzen bzw. Umschmelzen der auf diese Weise erhaltenen
plasmachemischen anodischen Oxidschicht mittels Laserbehandlung
bis in die unterliegende Probeplatte hindurch durchgeführt
(Wellenlänge des Lasers: ca. 1.000 mm, Leistungsdichte
des Lasers: ca. 106 W/cm2,
stickstoffreie Atmosphäre).
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Es
resultiert ein erfindungsgemäßer Werkstoff mit
einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verschleißschutzschicht
mit feinkörnigem bzw. feindispersem Gefüge (Korngröße:
ca. 1 bis 1,5 μm).
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Die
Schichthärte wird mit ca. 2.125 HV (0,1) bestimmt. Die
Schichthaftung gemäß Stempelabrißversuch
liegt bei ca. 31,5 MPa. Die Standfestigkeit im Salznebeltest nach DIN
50021 beträgt mehr als ca. 3.103 Stunden. Die
Schichtdickentoleranz beträgt weniger als ±1 μm.
Die elektrische Durchschlagfestigkeit (Spitze/Platte) beträgt
mehr als 15 Volt/μm. Der Kristallinitätsgrad wird
zu mehr als 90% bestimmt. Die Rauheit (Rauhtiefe) Ra liegt
bei weniger als 0,5 μm.
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Ausführungsbeispiel 2 (nicht
erfindungsgemäß)
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Ausführungsbeispiel
1 wird wiederholt, jedoch mit der Abweichung, daß der zweite
Verfahrensschritt weggelassen wird (d. h. es wird nur der Verfahrensschritt
der plasmachemischen Anodisation unter Funkenentladung durchgeführt).
Die mechanische Härte der resultierenden Schicht wird mit
ca. 1.930 HV (0,1) bestimmt. Die Schichthaftung gemäß Stempelabrißversuch
liegt bei ca. 27,9 MPa. Die Standfestigkeit im Salznebeltest nach DIN
50021 beträgt ca. 2.928 Stunden. Die Durchschlagfestigkeit (Spitze/Platte)
wird mit ca. 12,5 Volt/μm bestimmt. Der Kristallinitätsgrad
liegt bei ca. 78%. Die Schichtentoleranz liegt unterhalb von ±5 μm.
Die Rauheit (Rauhtiefe) Ra liegt bei ca.
0,9 μm. Das Gefüge besitzt eine Korngröße
von mehr als ca. 1,5 um.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung resultieren somit Verschleißschutzschichten
mit ausgezeichneten mechanischen und anderweitigen, insbesondere
elektrischen, antikorrosiven etc. Eigenschaften. Gegenüber
den Verschleißschutzschichten des Standes der Technik sind
die mechanischen Eigenschaften, wie Abriebfestigkeit, Festigkeit
auch bei punktförmiger Belastung, Schichthaftung, Korrosionsbeständigkeit
oder dergleichen, deutlich verbessert. Auch neigen die Verschleißschutzschichten nach
der vorliegenden Erfindung zu keinerlei Sprödigkeit. Es
wird eine homogene Ausbildung über das gesamte Schichtengefüge
erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste
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erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 4139006
C2 [0011]
- - EP 0545230 B1 [0011]
- - DE 10202184 C1 [0013, 0014]
- - DE 102006051709 A1 [0016]
- - DE 4139006 A1 [0039, 0066, 0077]
- - EP 0545230 A1 [0039, 0066, 0077]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - P. Kurze,
Dechema-Monographien, Band 121, VCH Verlagsgesellschaft 1990, Seiten
167 bis 180 [0007]
- - G. P. Wirtz et al., "Ceramic Coatings by Anodic Spark Deposition",
Materials & Manufacturing Processes
6(1), Seiten 87 bis 115 (1991) [0010]
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- - J. Barnikel et al. "Nitrieren von Aluminiumlegierungen mit
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- - Laser und Optoelektronik, 29 (4), Seiten 48 bis 52, 1997 [0015]
- - DIN 50021 [0055]
- - DIN 50021 [0080]
- - DIN 50021 [0081]