EP1711642B1 - Durch thermisches spritzen aufgebrachte eisenhaltige schicht einer gleitfläche, insbesondere für zylinderlaufflächen von motorblöcken - Google Patents

Durch thermisches spritzen aufgebrachte eisenhaltige schicht einer gleitfläche, insbesondere für zylinderlaufflächen von motorblöcken Download PDF

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EP1711642B1
EP1711642B1 EP05707873A EP05707873A EP1711642B1 EP 1711642 B1 EP1711642 B1 EP 1711642B1 EP 05707873 A EP05707873 A EP 05707873A EP 05707873 A EP05707873 A EP 05707873A EP 1711642 B1 EP1711642 B1 EP 1711642B1
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EP
European Patent Office
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iron
containing layer
heat
layer
metal carbides
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EP05707873A
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EP1711642A1 (de
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Clemens Verpoort
Maik Broda
Tobias Abeln
Gerhard Flores
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Gehring GmbH and Co KG
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Gehring GmbH and Co KG
Ford Global Technologies LLC
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06—Metallic material

Definitions

  • the invention relates to an applied by thermal spraying iron-containing layer of a sliding surface, in particular for cylinder surfaces of engine blocks according to the preamble of claim 1 and a method for producing and the use of this layer.
  • WO 03/106718 is a generic iron-containing layer, which is applied by thermal spraying and which has an amorphous structure with finely divided, nano-crystalline metal borides and / or metal carbides.
  • a layer is well suited as a sliding surface due to the high hardness.
  • the layer is applied in the region of the sliding surfaces on the machine parts to be coated by thermal spraying.
  • the resulting surface of the sprayed-on layer is relatively rough and, in order to serve as a sliding surface, must be smoothed by surface treatment.
  • Such machining preferably takes place by honing, but other machining and non-cutting methods of surface treatment are also possible.
  • WO 89/10434 discloses a sliding layer provided by, for example, thermal spraying, in which a fine-grained distribution of the constituents in a quasi-amorphous state is produced by a punctiform laser beam. Subsequently, hard particles such as TiC, WC; SiC ... be stored in the layer.
  • JP-A-05288274 discloses the selective heat input by laser light for limited local hardening of a applied by thermal spraying layer (eg WC).
  • US-A-4,774,393 discloses the production of lubricating pockets in a lubricating layer by means of concentrated laser light.
  • the sprayed-on layer must be partially removed. For this to be possible, compromises between strength and machinability must be found in the formation of the sprayed-on layer, especially with regard to the total production outlay and the associated production costs. As a result, the sliding surface formed does not always have the best possible properties in terms of wear resistance and / or sliding friction, especially in connection with a lubricant, which it might have due to the superior properties of the iron-containing layer.
  • the iron-containing layer thus comprises further nano-crystalline metal borides and / or metal carbides, which have been produced after application of the iron-containing layer and a subsequent surface treatment by selective heat input into the iron-containing layer.
  • the surface treatment takes place after the application of the iron-containing layer.
  • the surface of the iron-containing layer after application can be finished as much as possible, so that the final surface roughness and / or the final layer thickness is achieved.
  • the layer is applied so that a favorable surface treatment, eg. B. in terms of accuracy and / or cost is possible.
  • the subsequent heat input causes a change in the properties of the layer, for. B. greater hardness, better wear behavior and / or better sliding friction in the heat input.
  • the then possibly necessary post-processing of the surface to z. B. remove burrs or to achieve a lower surface roughness can then be limited to a minimum.
  • heat input z. B. with laser light, no roughening of Surface detectable. This altogether enables a highly accurate production of a sliding surface with the best possible wear and friction behavior at low production costs.
  • the surface treatment may be a mechanical fine machining of the iron-containing layer. These are z. As honing, grinding or polishing. These proven methods allow cost-effective and accurate production of the surface of a sliding layer. Thus, the sliding surface can be finished substantially, that is, a subsequent processing after the heat input is no longer necessary or limited to a little post-processing, for. B. to remove burrs formed during heat input.
  • Finely distributed nanocrystalline metal borides and / or metal carbides are advantageously precipitated from the amorphous structure of the iron-containing layer in the region of the heat input.
  • the iron-containing layer during application may have a relatively high proportion of crystalline and / or partially crystalline structure. This allows the favorable mechanical processing.
  • the heat input creates additional nanocrystalline metal borides and / or metal carbides, which substantially increases the strength of the iron-containing layer in the region of the heat input.
  • the iron-containing layer preferably has a hardness of 1000 to 1250 HV 0.05 in the region of the heat input, but the hardness can readily be adjusted by means of appropriate process parameters and material composition in the range between 800 HV 0.05 and 1500 HV 0.05.
  • Such hardness is currently z. B. in carbide tools based on tungsten carbide / cobalt known, and can now be applied over a large area for sliding surfaces. Due to the high hardness, the iron-containing layer is extremely wear-resistant.
  • the metal borides or metal carbides preferably have a size of 60 to 130 nm. Due to the small size, the friction is reduced and the hardness increased.
  • the selective heat input in the form of geometric figures, regular patterns and / or irregular patterns.
  • These figures or patterns can be made by continuous heat input by passing a point source of heat over the iron-containing layer according to the shape of the figures and patterns.
  • the heat input can also be discontinuous, z. B. to create a dot pattern.
  • adjacent areas can be produced on the sliding surfaces, each having different properties.
  • the iron-containing layer on erosion which are caused by the selective heat input.
  • This can be z. B. take place in that material is removed on the surface of the layer by evaporation.
  • the erosion can again take the form of figures or patterns, as previously described.
  • Such abrasions on sliding surfaces in the form of lubrication pockets, oil collecting grooves, or the like can improve the sliding friction properties.
  • Finely divided nanocrystalline metal borides and / or metal carbides are preferably precipitated from the amorphous matrix of the iron-containing layer at the edge of the ablation.
  • the wear resistance of the edge, z. B. a lubricating pocket substantially increased and it is ensured that even after a long period of operation of the sliding surface, the function of the lubrication pocket, etc. is safely met.
  • the removal preferably takes the form of local depressions.
  • Such depressions are from the EP1275864 known.
  • the disclosure of this document is incorporated by reference into the disclosure of this application.
  • the recesses have a maximum extent of less than 2 mm.
  • These dimensions are not meant to be limiting. For certain applications, these dimensions may be larger or smaller. In particular, no specific dimension ratio of the depressions is to be observed. Rather, each of the dimensions length, width and depth can be adapted to the requirements of the respective depression.
  • the heat input preferably takes place by means of laser light and / or electron beams.
  • These energy sources can deliberately selectively introduce heat or energy into the iron-containing layer in a small area, as is the case, for example. B. is required for the preparation of the wells described above.
  • these sources of energy in a small space such. Example, within a cylinder bore of an internal combustion engine or a hydraulic cylinder, are used to produce the inventive iron-containing layer.
  • all other suitable energy sources are also usable, which allow the heat input to produce the inventive iron-containing layer.
  • inventive iron-containing layer can be produced in any suitable combination with the method for producing an iron-containing layer, just as, conversely, the inventive method for the production can be used to produce an iron-containing layer.
  • the inventive iron-containing layer is used in the production of sliding surfaces on machine parts, in particular of connecting rod bearings, crankshaft bearings, piston rings, cylinder surfaces and pistons.
  • machine parts in particular of connecting rod bearings, crankshaft bearings, piston rings, cylinder surfaces and pistons.
  • this includes all machines where such machine components are located, eg. B. hydraulic cylinder, gearbox, shaft bearings.
  • the coating is particularly suitable for thermal shock claimed motors.
  • Thermal shock occurs when, during cold start, at low ambient temperatures, engines rapidly spin up to maximum speed under load.
  • the sliding surface is highly resilient, since due to the nano-crystalline precipitations of the metal borides and metal carbides, a layer with extremely high hardness is formed.
  • the borides lead to a very low coefficient of friction, so that this layer also has excellent sliding properties.
  • a preferred use of the iron-containing layer according to the invention can be carried out in the repair of worn sliding surfaces.
  • the layer has an excellent mechanical bond to the base material due to the amorphous solidification and is thus able to be subsequently applied to.
  • the order of the layer can be made on a post-processed, cleaned and / or blasted surface. This allows the flexible use of the layer in any repair work on sliding surfaces. Due to the high hardness and strength of the layer also a possible weakening of the base material is compensated by wear or subsequent removal, so that the original strength of the base material can be almost reached again.
  • Application example is the critical web area between cylinder bores of an engine block.
  • FIG. 1 shows a base material 1, on which an iron-containing layer 2 is applied.
  • the layer 2 On the surface 3, the layer 2 is already finished and has reached its final surface finish as a sliding surface.
  • a laser beam 4 is introduced with a high energy density heat in the layer 2 localized, whereby a region 5 of the heat input is formed, which is limited approximately by the boundary line 6.
  • the material of the layer 2 evaporates partially, and there is the recess 7, which preferably extends in the form of a lubricating pocket over the layer 2. If the recess is designed as a lubricating pocket, have proven advantageous dimensions a width b of up to 70 microns and a depth t of up to 40 microns.
  • the longitudinal extent is not shown here, but here a maximum length of not more than 2 mm has been found to be advantageous.
  • FIG. 2 a micrograph of an iron-containing layer in the region of the heat input is shown.
  • a material structure results, for example, in a region which is in FIG. 1 is marked with the section 8.
  • the applied iron-containing layer 2 in this case has an area 5 of the heat input. This was created by the recess 7 was made by evaporation of material due to heat input by a laser beam, not shown.
  • the region 5 shows, especially in the edge zone 9 of the recess 7, an increased density of finely divided nano-crystalline metal borides 10 and metal carbides 10 compared to the base material of the layer 2, where no heat treatment was carried out.
  • the edge zone 9 in the region 5 of the heat treatment to an even greater hardness than the non-heat-treated layer 2 itself.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein Verfahren zur Herstellung sowie die Verwendung dieser Schicht.
  • Aus der WO 03/106718 ist eine gattungsbildende eisenhaltige Schicht bekannt, die durch thermisches Spritzen aufgetragen wird und die eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist. Eine solche Schicht ist aufgrund der hohen Härte gut als Gleitfläche geeignet. Dazu wird die Schicht im Bereich der Gleitflächen auf die zu beschichtenden Maschinenteile durch thermisches Spritzen aufgetragen. Die sich ergebende Oberfläche der aufgespritzten Schicht ist relativ rauh und muß, um als Gleitfläche dienen zu können, durch eine Oberflächenbearbeitung geglättet werden. Bevorzugt erfolgt eine solche Bearbeitung durch Honen, es sind aber auch andere spanabhebende und nichtspanende Verfahren der Oberflächenbearbeitung möglich.
  • Aus Dokument US-B1-6258185 ist eine, durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht bekannt, die eine amorphe Struktur mit nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist. Die Schicht wird mittels Wärmeeintrag durch Laserlicht nachbehandelt.
  • WO-A-89/10434 offenbart eine durch z.B. thermisches Spritzen autgebrachte Gleitschicht, in der durch einen punktuellen Laserstrahl eine feinkörnige Verteilung der Bestandteile in einem quasi amorphen Zustand hergestellt wird. Nachträglich können Hartteilchen wie z.B. TiC, WC; SiC... in der Schicht eingelagert werden.
  • JP-A-05288274 offenbart den punktuellen Wärmeeintrag durch Laserlicht zur begrenzt lokalen Aufhärtung einer durch thermisches Spritzen aufgebrachten Schicht (z.B. WC).
  • US-A-4 774 393 offenbart die Herstellung von Schmiertaschen in einer Gleitschicht mittels konzentrierten Laserlichts.
  • Durch die Oberflächenbearbeitung muß die aufgespritzte Schicht teilweise abgetragen werden. Damit dies möglich ist, müssen bei der Bildung der aufgespritzten Schicht Kompromisse zwischen Festigkeit und Bearbeitbarkeit gefunden werden, vor allem auch hinsichtlich des gesamten Fertigungsaufwandes und der damit verbundenen Herstellungskosten. Dadurch weist die gebildete Gleitfläche nicht immer die bestmöglichen Eigenschaften hinsichtlich Verschleißfestigkeit und/oder Gleitreibung, vor allem auch in Verbindung mit einem Schmiermittel, auf, die sie aufgrund der überlegenen Eigenschaften der eisenhaltigen Schicht haben könnte.
  • Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, eine eisenhaltige Schicht so zu verbessern, daß sie insbesondere bei der Verwendung als Gleitfläche höhere Verschleißfestigkeit und/oder bessere Gleitreibungseigenschaften aufweist und möglichst kostengünstig gefertigt werden kann.
  • Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1 bzw. 3.
  • Erfindungsgemäß weist die eisenhaltige Schicht damit weitere nano-kristalline Metallboride und/oder Metallkarbide auf, die nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung durch punktuellen Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht entstanden sind.
  • Indem nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung durch punktuellen Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht weitere nano-kristalline Metallboride und / oder Metallkarbide entstehen, können in ausgewählten Bereichen der Gleitfläche, z. B. im hochbelasteten oberen und unteren Umkehrpunkt einer Zylinderlaufbahn, zusätzliche harte Bereiche erzeugt werden. Der punktuelle Wärmeeintrag erlaubt es auch, kleine lokale Stellen mit größerer Härte und/oder geänderten Oberflächeneigenschaften zu erzeugen. Dabei kann die Ausdehnung des punktuellen Wärmeeintrages wesentlich geringer als die gesamte Ausdehnung der Gleitfläche sein.
  • Ein weiterer Vorteil ist, daß die Oberflächenbearbeitung nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht erfolgt. Damit kann die Oberfläche der eisenhaltigen Schicht nach dem Auftrag soweit wie möglich fertigbearbeitet werden, so daß die endgültige Oberflächenrauhigkeit und/oder die endgültige Schichtdicke erreicht wird. Da die eisenhaltige Schicht nach dem Auftragen noch nicht ihre endgültigen Eigenschaften aufweisen muß, wird die Schicht so aufgetragen, daß eine günstige Oberflächenbearbeitung, z. B. hinsichtlich Genauigkeit und/oder Kosten, möglich ist. Der nachfolgende Wärmeintrag bewirkt eine Änderung der Eigenschaften der Schicht, z. B. größere Härte, besseres Verschleißverhalten und/oder besseres Gleitreibungsverhalten im Bereich des Wärmeeintrags. Die dann noch ggf. erforderliche Nachbearbeitung der Oberfläche, um z. B. Grate abzutragen oder eine geringere Rauhtiefe zu erreichen, kann dann auf ein Minimum beschränkt werden. In der Regel ist bei Wärmeeintrag, z. B. mit Laserlicht, keine Aufrauhung der Oberfläche feststellbar. Damit wird insgesamt eine hochgenaue Fertigung einer Gleitfläche mit bestmöglichen Verschleiß- und Reibungsverhalten bei geringen Fertigungskosten ermöglicht.
  • Dabei kann die Oberflächenbearbeitung eine mechanische Feinbearbeitung der eisenhaltigen Schicht sein. Dies sind z. B. Honen, Schleifen oder Polieren. Diese erprobten Verfahren erlauben ein kostengünstiges und genaues Herstellen der Oberfläche einer Gleitschicht. Damit kann die Gleitfläche im wesentlichen fertigbearbeitet werden, daß heißt eine nachträgliche Bearbeitung nach dem Wärmeeintrag ist nicht mehr notwendig bzw. beschränkt sich auf eine geringe Nachbearbeitung, um z. B. beim Wärmeeintrag entstandene Grate zu entfernen.
  • Vorteilhaft werden im Bereich des Wärmeeintrags feinverteilte nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide aus der amorphen Struktur der eisenhaltigen Schicht ausgeschieden. Damit kann die eisenhaltige Schicht beim Auftragen einen relativ hohen Anteil an kristalliner und/oder teilkristalliner Struktur aufweisen. Dies erlaubt die günstige mechanische Bearbeitung. Durch den Wärmeeintrag entstehen zusätzliche nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide, die die Festigkeit der eisenhaltigen Schicht im Bereich des Wärmeeintrags wesentlich erhöht.
  • Bevorzugt weist die eisenhaltige Schicht im Bereich des Wärmeeintrags eine Härte von 1000 bis 1250 HV 0,05 auf, jedoch kann die Härte durch entsprechende Prozeßparameter und Materialzusammensetzung ohne weiteres im Bereich zwischen 800 HV 0,05 und 1500 HV 0,05 eingestellt werden. Eine solche Härte ist bisher z. B. bei Hartmetallwerkzeugen auf Basis von Wolfram-Karbid / Kobalt bekannt, und kann jetzt auch für Gleitflächen großflächig angewendet werden. Aufgrund der hohen Härte ist die eisenhaltige Schicht extrem verschleißfest. Die Metallboride bzw. Metallkarbide weisen bevorzugt eine Größe von 60 bis 130 nm auf. Aufgrund der geringen Größe wird die Reibung reduziert und die Härte gesteigert.
  • Vorteilhaft weist der punktuelle Wärmeeintrag die Form von geometrischen Figuren, regelmäßigen Mustern und/oder unregelmäßigen Mustern auf. Diese Figuren oder Muster können durch kontinuierlichen Wärmeintrag erfolgen, indem eine punktuelle Wärmequelle über die eisenhaltige Schicht hinweg entsprechend der Form der Figuren und Muster geführt wird. Der Wärmeeintrag kann auch diskontinuierlich erfolgen, z. B. um ein Punktmuster zu erzeugen. Mittels dieser Figuren und Muster können benachbarte Bereiche auf den Gleitflächen erzeugt werden, die jeweils andere Eigenschaften aufweisen.
  • In einer bevorzugten Ausführung weist die eisenhaltige Schicht Abtragungen auf, die durch den punktuellen Wärmeeintrag entstanden sind. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, daß Material and der Oberfläche der Schicht durch Verdampfen entfernt wird. Dabei können die Abtragungen wieder die Form von Figuren oder Mustern, wie vorher beschreiben, aufweisen. Solche Abtragungen auf Gleitflächen in Form von Schmiertaschen, Ölsammelnuten, o. ä. können die Gleitreibungseigenschaften verbessern.
  • Bevorzugt sind am Rand der Abtragungen feinverteilte nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide aus der amorphen Matrix der eisenhaltigen Schicht ausgeschieden sind. Damit wird die Verschleißfestigkeit des Randes, z. B. einer Schmiertasche, wesentlich erhöht und es ist gewährleistet, daß auch nach längerer Betriebszeit der Gleitfläche die Funktion der Schmiertasche etc. sicher erfüllt wird.
  • Bevorzugt weist die Abtragung die Form von lokalen Vertiefungen auf. Derartige Vertiefungen sind aus der EP1275864 bekannt. Der Offenbarungsgehalt dieses Dokumentes wird in die Offenbarung dieser Anmeldung durch Referenz einbezogen. Beispielsweise weisen dabei die Vertiefungen eine maximale Ausdehnung von kleiner 2 mm auf. Als günstige Abmessungen für Schmiertaschen hat sich erwiesen, wenn die Vertiefungen eine maximale Länge von 2 mm, eine maximale Breite von 70 µm und eine maximale Tiefe von 40 µm aufweisen. Dies stellt einen guten Kompromiß zwischen tribologischen Eigenschaften und Fertigungsaufwand der Schmiertaschen dar. Aufgrund dieser Abmessungen, einzeln oder in Kombination, ist die optimale Funktion der Vertiefungen als Schmiertaschen der Gleitfläche gewährleistet. Diese Abmessungen nicht einschränkend zu verstehen. Für bestimmte Anwendungen können diese Abmessungen auch größer oder kleiner sein. Insbesondere ist dabei kein bestimmtes Abmessungsverhältnis der Vertiefungen einzuhalten. Vielmehr kann jede der Abmessungen Länge, Breite und Tiefe an die Erfordernisse der jeweiligen Vertiefung angepaßt werden.
  • Bevorzugt erfolgt der Wärmeeintrag mittels Laserlicht und/oder Elektronenstrahlen. Diese Energiequellen können in einem kleinen Bereich gezielt punktuell Wärme bzw. Energie in die eisenhaltige Schicht einbringen, wie es z. B. zur Herstellung der vorher beschriebenen Vertiefungen erforderlich ist. Außerdem können diese Energiequellen auf engem Raum, wie z. B. innerhalb einer Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors oder eines Hydraulikzylinders, eingesetzt werden, um die erfinderische eisenhaltige Schicht zu erzeugen. Es sind jedoch auch alle anderen geeigneten Energiequellen verwendbar, die den Wärmeeintrag zur Erzeugung der erfinderischen eisenhaltigen Schicht erlauben.
  • Die Ausführung der Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Bespiele beschränkt. Es versteht sich von selbst, daß insbesondere die erfinderische eisenhaltige Schicht in beliebiger geeigneter Kombination mit dem Verfahren zur Herstellung einer eisenhaltigen Schicht erzeugt werden kann, wie auch umgekehrt das erfinderische Verfahren zur Herstellung benutzt werden kann, eine eisenhaltige Schicht zu erzeugen.
  • Verwendung findet die erfinderische eisenhaltige Schicht bei der Herstellung von Gleitflächen an Maschinenteilen, insbesondere von Pleuellagern, Kurbelwellenlagern, Kolbenringen, Zylinderlaufflächen und Kolben. Dies schließt neben Verbrennungsmotoren alle Maschinen ein, wo sich derartige Maschinenbauteile befinden, z. B. Hydraulikzylinder, Getriebe, Wellenlagerungen.
  • Bevorzugte Anwendung sind hochbelastete Zylinderlaufflächen von aufgeladenen Diesel- und Benzinmotoren. Aufgrund der hohen mechanischen Verklammerung der Schicht mit dem Grundmaterial eignet sich die Beschichtung insbesondere auch für Thermoschock beanspruchte Motoren. Thermoschock tritt auf, wenn beim Kaltstart bei niedrigen Umgebungstemperaturen Motoren schnell unter Last auf Höchstdrehzahl hochdrehen. Indem die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und / oder Metallkarbiden aufweist, ist die Gleitfläche hochbelastbar, da aufgrund der nano-kristallinen Ausscheidungen der Metallboride und Metallkarbide eine Schicht mit extrem hoher Härte entsteht. Weiterhin führen die Boride zu einem sehr geringen Reibungskoeffizient, so daß diese Schicht auch hervorragende Gleiteigenschaften aufweist.
  • Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen eisenhaltigen Schicht kann bei der Reparatur verschlissener Gleitflächen erfolgen. Die Schicht besitzt eine ausgezeichnete mechanische Verbindung bzw. Verklammerung zum Grundmaterial aufgrund der amorphen Erstarrung und ist damit in der Lage, nachträglich auf aufgetragen zu werden. Dabei kann der Auftrag der Schicht auf eine nachbearbeitete, gesäuberte und / oder gestrahlte Oberfläche erfolgen. Dies erlaubt den flexiblen Einsatz der Schicht bei jedweden Reparaturarbeiten an Gleitflächen. Aufgrund der hohen Härte und Festigkeiten der Schicht wird auch eine evt. Schwächung des Grundmaterials durch Verschleiß oder nachträglichen Abtrag ausgeglichen, so daß die ursprüngliche Festigkeit des Grundmaterials nahezu wieder erreicht werden kann. Anwendungsbeispiel ist der kritische Stegbereich zwischen Zylinderbohrungen eines Motorblocks.
  • Selbstverständlich sind die hier beschriebenen Schichten und Verfahren nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele begrenzt. Vielmehr können die Schichten und/oder die Verfahren in jeder geeigneten Kombination der hier beschriebenen Merkmalen Verwendung finden.
  • Weitere Einzelheiten der Erfindung sind in den Abbildungen zu sehen. Es zeigen:
    • Fig. 1
    einen schematischen Schnitt durch eine eisenhaltige Schicht; und
    Fig. 2
    ein Mikroskopaufnahme einer eisenhaltigen Schicht im Bereich des Wärmeeintrages.
  • Figur 1 zeigt ein Grundmaterial 1, auf das eine eisenhaltige Schicht 2 aufgetragen ist. An der Oberfläche 3 ist die Schicht 2 bereits feinbearbeitet und hat ihre endgültige Oberflächenbeschaffenheit als Gleitfläche erreicht. Mittels eines Laserstrahls 4 wird mit hoher Energiedichte Wärme in die Schicht 2 örtlich begrenzt eingebracht, wodurch ein Bereich 5 des Wärmeeintrags entsteht, der ungefähr durch die Grenzlinie 6 begrenzt wird. Dabei verdampft das Material der Schicht 2 teilweise, und es entsteht die Vertiefung 7, die vorzugsweise in Form einer Schmiertasche sich über die Schicht 2 erstreckt. Wenn die Vertiefung als Schmiertasche ausgebildet ist, haben sich als vorteilhafte Abmessungen eine Breite b von bis zu 70 µm und eine Tiefe t von bis zu 40 µm erwiesen. Die Längserstreckung ist hier nicht dargestellt, doch hat sich hier eine maximale Länge von nicht mehr als 2 mm als vorteilhaft herausgestellt.
  • In Figur 2 ist eine Mikroskopaufnahme einer eisenhaltigen Schicht im Bereich des Wärmeeintrages gezeigt. Eine solche Werkstoffstruktur ergibt sich beispielsweise in einem Bereich, der in Figur 1 mit dem Ausschnitt 8 gekennzeichnet ist. Die aufgebrachte eisenhaltige Schicht 2 weist dabei einen Bereich 5 des Wärmeintrages auf. Dieser ist entstanden, indem die Vertiefung 7 durch Materialverdampfung aufgrund Wärmeeintrages durch einen nicht dargestellten Laserstrahl hergestellt wurde. Der Bereich 5 zeigt, insbesondere in der Randzone 9 der Vertiefung 7, eine erhöhte Dichte an feinverteilten nano-kristallinen Metallboriden 10 und Metallkarbiden 10 gegenüber dem Grundmaterial der Schicht 2, wo keine Wärmebehandlung durchgeführt wurde. Damit weist die Randzone 9 im Bereich 5 der Wärmebehandlung eine noch größere Härte auf als die nicht wärmebehandelte Schicht 2 selbst.

Claims (8)

  1. Durch thermisches Spritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht (2) einer Gleitfläche, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei die eisenhaltige Schicht (2) weitere metallische, metalloide und/oder nicht-metallische Elemente beinhaltet, die eisenhaltige Schicht (2) eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die eisenhaltige Schicht (2) weitere nano-kristalline Metallboride (10) und/oder Metallkarbide (10) aufweist, die nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht (2) und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung durch punktuellen Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht (2) entstanden sind, wobei die eisenhaltige Schicht (2) Abtragungen aufweist, die durch den punktuellen Wärmeeintrag entstanden sind, die Abtragungen die Form von lokalen Vertiefungen (7) aufweisen, und am Rand (9) der Abtragungen feinverteilte nanokristalline Metallboride (10) und/oder Metallkarbide (10) aus der amorphen Matrix der eisenhaltigen Schicht (2) ausgeschieden sind.
  2. Eisenhaltige Schicht nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der punktuelle Wärmeeintrag die Form von geometrischen Figuren, regelmäßigen Mustern und/oder unregelmäßigen Mustern aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung einer eisenhaltigen Schicht (2) einer Gleitfläche, wobei die eisenhaltige Schicht (2) durch thermisches Spritzen aufgebracht wird, sie weitere metallische, metalloide und/oder nicht-metallische Elemente beinhaltet und sie eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht (2) und einer anschließenden Oberflächenbearbeitung durch punktuellen Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht (2) weitere nano-kristalline Metallboride (10) und/oder Metallkarbide (10) entstehen, wobei durch den punktuellen Wärmeeintrag Material in der eisenhaltigen Schicht (2) abgetragen wird, das Material in der eisenhaltigen Schicht (2) in Form von lokalen Vertiefungen (7) abgetragen wird und am Rand (9) der Abtragungen feinverteilte nanokristalline Metallboride (10) und/oder Metallkarbide (10) aus der amorphen Struktur der eisenhaltigen Schicht (2) ausgeschieden werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Oberflächenbearbeitung eine mechanische Feinbearbeitung der eisenhaltigen Schicht (2) ist, insbesondere ein Honen, Schleifen oder Polieren.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der punktuelle Wärmeeintrag in Form von geometrischen Figuren, regelmäßigen Mustern und/oder unregelmäßigen Mustern erfolgt.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Wärmeeintrag mittels Laserlicht (4) und/oder Elektronenstrahlen erfolgt.
  7. Verwendung einer eisenhaltigen Schicht nach einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung von Gleitflächen an Maschinenteilen, insbesondere von Pleuellagern, Kurbelwellenlagern, Kolbenringen, Zylinderlaufflächen und Kolben.
  8. Verwendung einer eisenhaltigen Schicht nach Anspruch 1 oder 2 zur Reparatur verschlissener Gleitflächen.
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