EP1522610B1 - Verfahren zur Herstellung einer Verschleissschutzschicht - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht mit den weiteren Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• Ganz allgemein bezieht sich die Erfindung auf die Gestaltung von Gleitflächen an Maschinenbauteilen, um deren tribologische Eigenschaften zu verbessern. Die Maschinenbauteile können aus konventionellem oder warmfestem Stahlwerkstoff, aber auch aus Leichtmetalllegierungen, insbesondere Titan-, Magnesium- oder Aluminiumlegierungen bestehen.
• Als einschlägig vorbekannter Stand der Technik kann zunächst auf die EP 0 745 450 B1 verwiesen werden, die insbesondere ein Verfahren zum Bearbeiten der Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen aus einer Aluminiumlegierung mittels eines Lasers beschreibt, dessen Energie impulsförmig unter Beeinflussung der Oberflächenstruktur im Mikrobereich indiziert wird. Die Bearbeitung wird unter überwiegender Stickstoffumgebung durchgeführt. Dabei hat sich vorteilhafterweise gezeigt, dass bei einer Laufflächenbehandlung im Mikrobereich mit einem gepulsten Laser bei Verwendung einer Stickstoffumgebung sich auf der Lauffläche eine mehrere µm starke Aluminiumnitrit-Oberflächenschicht ausbildet, die nahezu homogen und glattflächig vorliegt, so dass hervorragende tribologische Eigenschaften und eine hohe Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit erreicht werden.
• Unter dem Titel "UV-Laser lässt Motoren aus Grauguss lange leben" wird in den VDI-Nachrichten vom 07. März 2003 auf Seite 18 von einem neuen Laserverfahren berichtet, welches drastisch den Ölverbrauch von Motoren verringert. Dabei kommt eine UV-Photonen-Belichtungsanlage zum Einsatz, die die Grauguss-Zylinderlaufbahnoberflächen so bearbeitet, dass sie und die Kolbenringe weniger verschleißen und der Ölverbrauch gegenüber herkömmlich gefertigten Motoren stark reduziert wird.
• Aus DE 100 59 903 A1 ist ein Kolben aus einer nitridbildenden Basislegierung für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kolbenschaft und Ringnuten bekannt, der mittels eines Laserstrahls zumindest in Teilbereichen eine Härtung erfahren hat. Diese ist durch Umsetzung eines Werkstoffes der Basislegierung in einer Stickstoffatmosphäre oder an der Luft erzeugt, so dass in dem Teilbereich fein verteiltes AIN-Dispersoid vorliegt.
• Die WO 01/66830 A2 beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen einer Metallschicht auf Oberflächen von Leichtmetallen, bei dem Eisen aus einem Fe(II)-Verbindungen enthaltenden wässrigen Abscheidebad unter Verwendung von dimensionsstabilen, in dem Abscheidebad unlöslichen Anoden auf den Oberflächen elektrolytisch abgeschieden wird. Das Verfahren ist insbesondere zum Beschichten von Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren und von rotationssymmetrischen Teilen mit Schichten mit sehr hoher Verschleißbeanspruchung, insbesondere Ventile, Düsen und andere Teile von Hochdruckeinspritzsystemen für Kraftfahrzeugmotoren geeignet.
• In diesem Dokument ist auch auf die DE 196 53 210 A1 verwiesen, die korrosionsbeständige Eisenschichten erwähnt, die auf galvanotechnischem Wege auf Aluminium und dessen Legierungen abgeschieden werden können. Bevorzugte Verwendung ist die Beschichtung von Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren.
• Aus DD 274 636 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung des Korrosionsverhaltens galvanischer Eisenschichten und Eisendispersionsschichten bekannt geworden, wobei die galvanisch aufgetragene Eisenschicht selektiv in einer sehr geringen Tiefe mittels Lasertechnik aufgeschmolzen wird und die Laserspuren dabei so angeordnet sind, dass sie sich berühren oder überlappen. Dabei kommt ein CO2-Laser zu Einsatz.
• In der europäischen Patentanmeldung EP 0 411 244 A1 ist schließlich eine verschleißfeste Beschichtung auf den Laufflächen von auf reibenden Verschleiß ausgesetzten Maschinenteilen und das Verfahren zu ihrer Herstellung beschrieben, wobei die Beschichtung aus einer Eisenlegierung gebildet wird. Zum Auftragen können auch galvanische Verfahren zum Einsatz kommen und das anschließende Umschmelzen und Verschmelzen der aufgetragenen Schicht mit dem Grundwerkstoff kann mittels Laserstrahl bewerkstelligt werden. Beim Umschmelzen handelt es sich dabei um ein langsames, intensives Aufschmelzen des Werkstoffes.
• Aus der DE 40 40 436 A1 ist schließlich noch ein Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen aus Leichtmetalllegierungen bekannt, bei dem mittels Hochenergiestrahlen (Laser- oder Elektronenstrahlen) die gesamte Zylinderlauffläche einer Phasenumwandlung festflüssig-fest unterworfen wird und nachfolgend eine mechanische Nachbearbeitung erfolgt. Parallel dazu kann eine Legierung der gesamten Oberfläche mit Nickel erfolgen, in dem die Zylinderlauffläche vor einer Phasenumwandlung galvanisch oder anderweitig beschichtet wird.
• Im Anschluss an die Phasenumwandlung erfolgt dann die mechanische Feinbearbeitung der Oberfläche durch Feindrehen und Honen.
• Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht, insbesondere einer Zylinderlauffläche für eine Brennkraftmaschine, bereitzustellen, mit dem tribologisch besonders günstige und fertigungstechnisch gut beherrschbare Beschichtungen erzielt werden können.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind mit den Unteransprüchen beansprucht.
• Erfindungsgemäß wird also zunächst galvanisch eine Eisen-Beschichtung aufgetragen, die verschiedene Legierungskomponenten und/oder Partikel enthält, während daraufhin diese Beschichtung einer Kurzpuls-Laserbehandlung in Stickstoffatmosphäre oder an der Luft mit einer Energiedichte >1J/cm² unterzogen wird, wobei die Zusammensetzung des Elektrolyten dergestalt erfolgt, dass in der abgeschiedenen Eisen-Beschichtung 0,1% bis 4% Si sowie 0,1% bis 2% Mn, S ≤ 0,15%, 0,1% bis 0,6% Cr und 0,1% bis 40% Co enthalten sind. Zum Aufbringen der Eisen-Beschichtung kann man sich der bekannten Verfahrensweisen bedienen. Bevorzugt kommt das von der Gramm Technik GmbH, DE-Ditzingen, entwickelte GST-Verfahren zur Anwendung, welches mit einem geschlossenen, modular aufgebauten Anlagesystem als fertigungsintegrierte Beschichtungsanlage arbeitet und beispielsweise im Sonderdruck 9/94 der Zeitschrift mo-Beschichten von Metall und Kunststoff - beschrieben ist sowie auch in der Patentliteratur behandelt wird (vgl. DE 39 03 696 A1 ).
• Durch die erfindungsgemäße Belichtung der Oberfläche der galvanisch abgeschiedenen Eisen-Beschichtung oder durch Belichtung der durch Honen vorbearbeiteten Eisen-Beschichtung mit einem Kurzpulslaser können die Graphiteinschlüsse an der Oberfläche freigelegt werden, so dass eine mikrohydrodynamisch wirkende Gleitfläche entstehen kann. Bevorzugt ist die Energiedichte der Kurzpulslaserbehandlung ≥ 1 J/cm², insbesondere 1,75 J/cm² bis 5 J/cm². Die an der Oberfläche offenen Graphiteinschlüsse haben die Fähigkeit Öl aufzunehmen, das heißt, sie dienen als Schmierstoffreservat.
• Die Kurzpuls-Laserbehandlung ist, wie eingangs erwähnt, als solche bereits hinlänglich bekannter Stand der Technik. Bei der Anwendung hinsichtlich der vorliegenden Erfindung kann daher auf die bereits vorhandenen Erkenntnisse des Standes der Technik zurückgegriffen werden.
• Als bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung werden entsprechende Komponenten, insbesondere Zylinderlaufflächen, von Verbrennungskraftmaschinen oder Hubkolbenmaschinen angesehen. Weitere erwähnenswerte Komponenten sind z. B. Pleuelstangen (insbesondere Pleuelaugen), Kurbelwellen, Nockenwellen, Ventilführungen und Schlepphebel.
• In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung weist der galvanische Verfahrensparameter Stromdichte Werte von 5-500 A/dm² vorzugsweise 20-500 A/dm² auf, um eine nanokristalline Gefügestruktur mit einer Härte von 100 HV bis 900 HV, insbesondere 150 HV bis 900 HV zu erzeugen.
• Ein weiterer galvanischer Verfahrensparameter ist die Gleichstromfrequenz. Mit einer eingestellten Gleichstromfrequenz von 100 HZ - 10.000 HZ, typisch 1.00 HZ - 2.000 HZ, wobei zur Keimbildung der Betrieb im Unterdruck bei 0,6 bar - 0,99 bar, vorzugsweise 0,8 bar - 0,9 bar erfolgt, weist die abgeschiedene Eisenschicht Zugfestigkeiten von Rm = 300 Mpa bis Rm = 3.000 Mpa auf. Durch die Erhöhung der Stromdichte wird die Härte und Zugfestigkeit gesteigert. Durch Erhöhung des Unterdruckes der Strömungsgeschwindigkeit wird die Duktilität und Nanokristallinität verbessert, ebenso wie durch die Erhöhung der Pulsfrequenz.
• Um die Verschleißfestigkeit der abgeschiedenen Eisen-Schicht weiter zu steigern, werden in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung dem Elektrolyten Elemente zugegeben, so dass in der abgeschiedenen EisenSchicht 0% bis 4% Si, insbesondere 1,8% bis 2,8% Si, sowie 0% bis 2% Mn, insbesondere 0,3% bis 1,0% Mn, S ≤ 0,15% und 0% bis 0,6% Cr, insbesondere 0,15% bis 0.4% Cr, Cu ≤ 0,1%, sowie 0% bis 40% Co, insbesondere 10% bis 20% Co, enthalten sind.
• In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass bei der galvanischen Abscheidung der Verschleißschutzschicht Nano- oder Mikropartikel mit abgeschieden werden, nämlich, alternativ oder kumulativ Nitride, wie beispielsweise Si₃ N₄ oder B₄N, Karbide, wie beispielsweise Si C oder MoS₂, polykristalliner Diamant, keramische Partikel aller Art, Oxide, Polymere, Phosphide usw. Die Nanopartikel besitzen bevorzugt eine Größe von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise 50 nm bis 200 nm. Die Größe der Mikropartikel kann zwischen 0,5 µm und 50 µm, vorzugsweise 1 µm bis 6 µm liegen. Vorteilhaft hat sich ein Einzel- oder Gesamtvolumenanteil der Partikel von 2% bis 30%, insbesondere 2% bis 20%, ergeben.
• Als tribologisch äußerst vorteilhaft haben sich mikrohydrodynamisch wirkende Oberflächenstrukturen erwiesen. Sie zeichnen sich durch eine erheblich gesteigerte Tragfähigkeit und damit in gleichem Maße reduzierte Mischreibung der Gleitpartner aus. In der Folge ergibt sich eine beachtliche Verschleiß- und Reibverlustleistungsreduzierung. Bei Kolbenmaschinen ist darüber hinaus ein um ca. 75% reduzierter Ölverbrauch gegenüber konventionell gehonten Zylinderlaufbahnen zu vermerken. Eine derartig mikrohydrodynamisch wirkende, tribologisch beanspruchte Gleitfläche lässt sich durch Einlagerung von Kohlenstoffpartikeln in die galvanisch abgeschiedene Schicht verwirklichen.
• Eine gleichartige, mikrohydrodynamische Oberflächenstruktur lässt sich durch die Einlagerung von Polymeren sowie kohlenstoffhaltigen organischen und anorganischen Verbindungen in der galvanischen Eisen-Beschichtung durch die erfindungsgemäße Kurzpulslaserbelichtung erzeugen. Dabei entsteht durch die hohe Pulsleistung ein Metalldampfplasma als hoch energetische Gasphase, das seinerseits ein atmosphärisches Plasma initiiert und hierbei den Stickstoff der Luft, der als N₂ vorhanden ist, in atomaren Stickstoff überführt. Als atomarer Stickstoff ist dieser reaktiv, kann also chemisch reagieren. Bei der Kurzpulslaserbelichtung entzieht dieser atomare Stickstoff den Polymeren Wasserdampf, das heißt, die Polymerketten werden aufgebrochen. Hierbei rekombinieren die Polymere sowie die kohlenstoffhaltigen organischen und anorganischen Verbindungen zu graphitähnlichen Strukturen. Im Metalldampfplasma enthaltene Silicide und Carbide werden durch den atomaren Stickstoff in Nitride (Siliciumnitrid, Carbonitrid) überführt, die sich dann mikrokristallin bzw. nanokristallin auf der Werkstückoberfläche niederschlagen.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung einer Verschleißschutzschicht durch galvanisches Aufbringen einer Beschichtung mit anschließender Beaufschlagung durch Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst eine Eisen-Beschichtung aufgetragen wird, die verschiedene Legierungskomponenten enthält, wonach die Eisen-Beschichtung einer Kurzpuls-Laserbehandlung in Stickstoffatmosphäre oder an der Luft mit einer Energiedicht > 1 J/cm²unterzogen wird, wobei die Zusammensetzung des Elektrolyten dergestalt erfolgt, dass in der abgeschiedenen Eisen-Beschichtung 0,1% bis 4% Si sowie 0,1% bis 2% Mn, S ≤ 0,15%, 0,1% bis 0,6% Cr und 0,1% bis 40% Co enthalten sind.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine Energiedichte der Kurzpuls-Laserbehandlung von 1,75 bis 5 J/cm² und weiter dadurch gekennzeichnet, dass die abgeschiedene Eisen-Beschichtung 1,8% bis 2,8 % Si, 0,3% bis 1,0% Mn, 0,15% bis 0,4 Cr und 10% bis 20% Co enthält.
3. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die galvanisch abgeschiedene Eisenschicht durch spezifische Verfahrensparameter mit Stromdichten von 5-500 A/dm² vorzugsweise 20-500 A/dm², mit einer Gleichstromfrequenz von 100-10.000 Hz - typisch 1.000-2.000 Hz und einem Betrieb im Unterdruck bei 0,6-0,99 bar, vorzugsweise 0,8-0,9 bar, auf eine nanokristalline Gefügestruktur und eine abgeschiedene Eisen-Beschichtung mit einer Härte von 100 HV bis 900 HV, insbesondere 150 HV bis 350 HV, und einer Zugfestigkeit von Rm = 300 Mpa bis Rm = 3000 Mpa eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der galvanischen Abscheidung Nano- oder Mikropartikel mit abgeschieden werden, und zwar kumulativ Nitride, wie beispielsweise Si₃ N₄ oder B₄N, Karbide, wie beispielsweise SiC oder MoS₂, polykristalliner Diamant, keramische Partikel aller Art, Oxide, Polymere, Phosphide und Kohlenstoff.
5. Verfahren nach Patentanspruch 4, gekennzeichnet durch eine Größe der Nanopartikel von 5 nm bis 500 nm, vorzugsweise 50 nm bis 200 nm.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das bei der Kurzpuls-Laserbehandlung sich bildende Metalldampfplasma Silicide und Carbide in nanokristalline Nitride überführt werden und diese sich auf der Oberfläche niederschlagen.