EP3068928A1 - Verfahren zur herstellung einer beschichteten oberfläche eines tribologischen systems - Google Patents

Verfahren zur herstellung einer beschichteten oberfläche eines tribologischen systems

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EP3068928A1
EP3068928A1 EP14821488.5A EP14821488A EP3068928A1 EP 3068928 A1 EP3068928 A1 EP 3068928A1 EP 14821488 A EP14821488 A EP 14821488A EP 3068928 A1 EP3068928 A1 EP 3068928A1
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EP
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coating
wear
layer
honing
workpiece
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EP14821488.5A
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Urban Morawitz
Clemens Verpoort
Christian Rosenkranz
Gerhard Flores
Andreas Wiens
Andreas Wagner
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Henkel AG and Co KGaA
Ford Werke GmbH
Original Assignee
Henkel AG and Co KGaA
Ford Werke GmbH
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Publication date
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders
    • F02F1/20—Other cylinders characterised by constructional features providing for lubrication

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a coated surface of a friction and wear-optimized cylinder liner and has previously been the background of increasing demands for a reduction of CO2 emissions in internal combustion engines of motor vehicles.
  • NiSiC nickel-silicon carbide dispersion layer
  • thermal coating methods are used (see, for example, DE 102007023297 A1 or US Pat. No. 5,691,004) in which the coating material is melted as an alloyed wire or as a heterogeneous powder and individual melt particles are thrown onto the cylinder wall at high speed and thus build up a thermal sprayed layer ,
  • These layers are very expensive to produce and cause a high thermal load of the cylinder block.
  • the cylinder block can warp, which is undesirable. Especially with weight-optimized and therefore thin-walled cylinders, this effect occurs.
  • DE 195 06 656 A1 discloses a method for the ceramization of light metal surfaces using the spark discharge of electrolytes, in particular for the production of coatings of cylinder liners of internal combustion engines. Further, DE 195 06656 A1 discloses that the coating could be applied by a plasma-chemical process. In this case, reference is made to electrolyte compositions of DD 142 360. DE 195 06 656 A1 does not proceed to the plasma-chemical coating.
  • the referenced DD 142 360 relates to a process for producing alpha-Al 2 O 3 -containing layers on aluminum metals and thus points only to a plasma-electrolytic oxidation of PEO.
  • the object underlying the invention is to provide an economical and suitable for large-scale production process of aluminum workpieces, which leads to a wear-resistant surface; with good oil retention capacity.
  • This object is achieved by a method comprising at least two process steps according to claim 1, which leads in the case of an aluminum cylinder block to a wear-resistant and friction-optimized topography of the cylinder bore.
  • Starting point of the method according to the invention is a relatively coarse machined cylinder bore, which is present as a monolithic aluminum block or which is used as a wet or dry socket.
  • the surface to be machined is in any case made of an aluminum alloy, usually of hypoeutectic aluminum.
  • the pre-processing the surface is brought by honing or fine boring in the desired shape and processed to almost the final dimension.
  • the (still) untreated aluminum can be machined very well and economically. It is possible to produce a cylindrical shape by the pre-machining.
  • One suitable method is fine boring.
  • this desired shape is only insignificantly changed. Since the electrolytically applied layer is very thin, a dimensional correction is virtually impossible. Therefore, almost the final dimension must be reached with the pre-processing.
  • the pre-processing not only produces the desired shape, but also prepares the surface for the subsequent coating.
  • the roughness achieved in the first process step has an influence on the final quality after coating.
  • Roughnesses which lie in the range between 1-4 ⁇ Rz, have proved to be suitable.
  • diamond grains from 010 to 046 were used in honing.
  • the surface is still degreased before the coating is produced.
  • the subsequently applied by electrolysis, ie by PED coating forms the pre-machined (nominal) form equidistant, so that the created by the first process step shape is largely retained.
  • a wear-resistant coating is applied or produced by electrolysis, ie by PED.
  • This layer has a high hardness and is therefore very resistant to wear.
  • the porosity of the layer can be adjusted specifically. The porosity improves oil retention, reduces sliding friction wear and promotes hydrodynamic lubrication.
  • the high hardness reduces the sliding friction in the mixed friction range at lower engine speeds and increases the service life.
  • An electrolytic process according to the invention is the so-called “plasma electrolyte deposition", which is carried out in the aqueous electrolyte and effects both an inward edge change and a layer build-up to the outside.
  • a further advantage of the PED is that, in addition to the layers of aluminum oxide mentioned, it is also possible to produce other metal oxide layers, so that according to the invention titanium oxide layers (.02) can be produced.
  • a suitable method is known from US 7,578,921, B2.
  • wear-resistant coatings which are obtainable by PED from an acidic aqueous electrolyte containing water-soluble compounds of the element titanium, preferably selected from fluorocomplexes, if the workpiece is predominantly connected as an anode. The workpiece is then predominantly connected as an anode if it has taken over a predominantly anodic amount of charge for all the time intervals during which the PED method is operated above the actual decomposition voltage of the electrolyte.
  • Coatings produced in this way consist essentially of oxides / hydroxides of the element titanium and have proven to be particularly resistant to wear. The coatings produced in this way have an altered edge zone inwards with an invasion depth of z. B.
  • the layer thicknesses typically used are well below 70 ⁇ , their hardness is up to 1500 HV.
  • the hardness and topography of the coating can be adjusted via the electrical process parameters of the electrolysis.
  • the coating process takes place in the electrolytic bath.
  • the workpiece is largely masked, so that only the bore to be coated is in contact with the electrolyte and so a selective coating of the bore is possible.
  • the masking is done, for example, with the aid of a lid, which - sealed with O-rings - closes the bore towards the crankcase.
  • the electrode is preferably designed as a cylinder, which has approximately the length of the cylinder bore to be machined and is dimensioned such that a radial gap of about 20-30 mm thickness arises between the electrode and the cylinder bore. Through this gap the electrolyte flows with a volume flow of e.g. 20 L / min in a cylinder bore for a car engine, is deflected to the lid and flows back towards the sealing surface for the cylinder head.
  • the electrode is poled cathodically, the workpiece anodic. Between the electrode and the cathode is a pulsed direct current with a voltage of 400-500 full.
  • the electrolysis can also be done with unpulsed DC with or without superimposed AC component.
  • the coating time is about 2 -10 minutes;
  • the coating can be carried out simultaneously on all cylinders of a block by means of several electrodes.
  • the layer thickness, the resulting layer roughness and the pore size are dependent on the applied electrical current, the voltage, the pulse program used as well as the coating time.
  • the coating usually has a roughness of 2-3 ⁇ Rz and an Rpk value of z. B. 1, 0 - 2.0 ⁇ at a pore size of 2 -3 ⁇ . Regardless of the total layer thickness, it can be said in general that the depth of the edge zone change in the material of the workpiece is about 1/3 of the outwardly growing layer. At a total layer thickness of 20 ⁇ the Randzonenver selectedung is inwards z. B. about 5 ⁇ and about 15 ⁇ layer structure out into the hole.
  • the specified roughness of the layer consists of a waviness, which is due to the pores and the structure of the layer.
  • the coating is therefore finished, if necessary, by a smoothing operation, in order to level the undulations which have arisen during the coating. If the ripple is small, the smoothing process can be omitted.
  • the smoothing can be done by honing or brushing. To level the waviness of the layer, you can work with conventional honing tools. However, it is recommended to minimize the removal and to change the (free) form of the surface only minimally to work with special Glätthhontechnikmaschinemaschineen. Their pendulum-suspended (hon) strip segments are relatively short, based on the length of the cylinder bore, but longer than the short-wave portions of the coating profile and thereby produce the desired smoothing, without significantly changing the geometry of the cylinder bore with minimal material removal.
  • honing brushes which also adapt to the waviness due to the flexibility.
  • These are brushes whose individual bristles consist, for example, of polyamide, in which abrasive hard materials, such as silicon carbide, corundum or diamond grain, are incorporated.
  • so-called flex-honing brushes can be used, which are equipped at the bristle end, for example, with ceramic-bound cutting tubers.
  • the finished smoothed layer topography is superimposed on the roughness before coating and on the layer-characteristic pores.
  • the roughness profile changes, starting from the above values after coating to Rz values of 2.0-2.5 ⁇ m after smoothing.
  • a suitable Rpk value is 0.13 pm.
  • metal-bound diamond grains and ceramic-bound corundum or SiC grains have proven themselves.
  • a layer can be produced with the method according to the invention in a manner which is easy to control in terms of manufacturing technology and which is particularly suitable for tribology because of its pore structure and high material hardness.
  • the heat removal from the combustion chamber via the layer is particularly effective because the layer has been applied quasi-galvanically and thus the best possible substrate connection is made.
  • the layer according to the invention does not influence the geometry of the cylinder bore, or does so only insignificantly, so that the desired shape can be completed even before coating.
  • the order resulting from the coating and the material removal resulting from the optional smoothing must be taken into account.
  • Figure 1 shows the Bohrmantelline after pretreatment by fine boring or honing
  • Figure 2 shows the Bohrmantelline with applied layer, Figure 2.1 the waviness of the layer
  • FIG. 2.2 shows a greatly enlarged representation of the surface of the layer before smoothing
  • FIG. 3 shows the coated surface after-smoothing line
  • Figure 3.1 shows the waviness of the layer after smoothing
  • Figure 3.2 shows a greatly enlarged representation of the surface of the layer after smoothing
  • Figure 4 is a schematic representation of a honing tool for smoothing.
  • FIG 1 the surface line 2 of a pre-processed by honing (cylinder) bore is shown.
  • the substrate is activated for the subsequent coating and has the desired nominal shape.
  • Figure 2 the surface after treatment by PED is shown.
  • a thickness of the coating 9 to about a third represents a change in the edge zone of the substrate and about two-thirds (reference numeral 3) causes a layer structure to the outside.
  • Vorbearbeitungsw the bore (see the surface line 2) is designed so that the surface line 5 of the coating 9 is within the tolerance band of the finished bore.
  • FIG. 2.1 the waviness of the surface line 5 according to FIG. 2 is shown.
  • the ripple is too large, so that a smoothing process must be followed to reduce the ripple.
  • FIG. 2.2 a SEM image of the surface after coating is shown. The pores 8 of the coating fall on.
  • FIG. 3 shows the smoothed generatrix 6, which was achieved, for example, by honing with the tool shown in FIG. In this case, the surface line was smoothed so that a straight generatrix 6 is formed while maintaining the pores 8. After smoothing, the smoothed surface line 6 is also in the tolerance band of the finished bore.
  • the surface of the smoothed generatrix is also shown in FIG. 3.1 in the profile section and in the SEM image FIG. 3.2.
  • Figure 4 shows the principle of Glätthonens with a spring-mounted honing stone 7 at the beginning of Glätthonens.
  • About the radial force FR is the radial loading of the coating. Due to the springs of the honing stone 7 has the ability to reduce the short ripples of the coating without changing the desired shape of the cylinder bore. When smoothing, the pore structures are largely retained.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung einer hinsichtlich Reibung und Verschleiß optimierten Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine vorgeschlagen.

Description

Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Oberfläche eines tribologischen Systems
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer beschichteten Oberfläche einer reibungs- und verschleißoptimierten Zylinderlaufbahn und entstand vordem Hintergrund der zunehmenden Forderungen nach einer Verringerung der CO2-Emissionen bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen.
Durch die Verringerung der Reibung des tribologischen Systems„Zylinderbohrung und Kolbenringe" sinken der Kraftstoffverbrauch und damit auch die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine. Um eine verringerte Reibung zu erreichen, wurde zum Beispiel eine Nickel- Siliziumkarbid-Dispersionsschicht (NiSiC) galvanisch in der Zylinderbohrung abgeschieden. Dieser Komposit-Werkstoff ist durch seine Härte sehr reibungsarm und verschleißfest. Da der galvanische Prozess sehr hohe Beschichtungszeiten erfordert, kann dieses Verfahren nur in der Kleinserie bei Sportwagen- und Rennsportmotoren eingesetzt werden.
Ebenso werden thermische Beschichtungsverfahren eingesetzt (siehe zum Beispiel die DE 102007023297 A1 oder die US 5,691 ,004 ) bei denen der Beschichtungswerkstoff als legierter Draht oder als heterogenes Pulver geschmolzen wird und einzelne Schmelzpartikel mit hoher Geschwindigkeit auf die Zylinderwandung geschleudert werden und somit eine thermische Spritzschicht aufbauen. Diese Schichten sind sehr aufwändig in der Herstellung und verursachen eine hohe thermische Belastung des Zylinderblocks. Dadurch kann sich der Zylinderblock verziehen, was unerwünscht ist. Insbesondere bei gewichtsoptimierten und daher dünnwandigen Zylindern tritt dieser Effekt auf.
Darüber hinaus haben alle thermischen Verfahren den Nachteil, dass die Weiterbearbeitung aufgrund der hohen Blocktemperaturen nach dem Beschichten durch
BESTÄTIGUNGSKOPIE Abkühlphasen verzögert wird und aufgrund der Gefügestruktur und der Härte der aufgebrachten Beschichtung ein wirtschaftliches Ausspindeln der beschichteten Bohrungen durch subtopographische Schichtschädigungen und starkem Werkzeugverschleiß nicht möglich ist.
Die DE 195 06 656 A1 offenbart ein Verfahren zur Keramisierung von Leichtmetalloberflächen unter Nutzung der Funkenentladung von Elektrolyten, insbesondere zur Erzeugung von Beschichtungen von Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen. Weiter offenbart DE 195 06656 A1 , dass die Beschichtung mit einem plasmachemischen Verfahren aufgebracht werden könne. Dabei wird auf Elektrolytzusammensetzungen der DD 142 360 Bezug genommen. Weitergeht die DE 195 06 656 A1 nicht auf die plasmachemische Beschichtung ein. Die in Bezug genommene DD 142 360 betrifft ein Verfahren zur Erzeugung alpha-AI203 haltiger Schichten auf Aluminiummetallen und weist insofern lediglich auf eine Plasma- Elektrolytische Oxidation PEO hin.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein wirtschaftliches und für die Großserienfertigung geeignetes Verfahren von Werkstücken aus Aluminium bereitzustellen, das zu einer verschleißfesten Oberfläche führt; bei gleichzeitig guter Ölhaltefähigkeit.
Außerdem soll ein guter Wärmeübergang gewährleistet sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren umfassend mindestens zwei Prozeßschritte gemäß Anspruch 1 , das im Falle eines Aluminium- Zylinderblocks zu einer verschleißfesten und reibungsoptimierten Topographie der Zylinderbohrung führt.
Ausgangspunkt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine relativ grob bearbeitete Zylinderbohrung, welche als monolithischer Aluminium-Block oder welche als eingesetzte nasse oder trockene Buchse vorliegt. Die zu bearbeitende Oberfläche besteht in jedem Fall aus einer Aluminiumlegierung, üblicherweise aus untereutektischem Aluminium. Durch den ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens (die Vorbearbeitung) wird die Oberfläche durch Honen oder Feinbohren in die gewünschte Form gebracht und bis fast auf das Endmaß bearbeitet. Das (noch) unbehandelte Aluminium lässt sich spanend sehr gut und wirtschaftlich bearbeiten. Es ist möglich, durch die Vorbearbeitung eine zylindrische Form herzustellen. Ein hierfür geeignetes Verfahren ist das Feinbohren. Durch die anschließende erfindungsgemäße Beschichtung wird diese Sollform nur unwesentlich verändert. Da die elektrolytisch aufgebrachte Schicht sehr dünn ist, ist eine Maßkorrektur quasi nicht möglich. Daher muss mit der Vorbearbeitung schon fast das Endmaß erreicht werden.
Durch die Vorbearbeitung wird aber nicht nur die gewünschte Sollform hergestellt, sondern auch die Oberfläche für die nachfolgende Beschichtung vorbereitet.
Insbesondere haben die im ersten Prozessschritt erreichten Rauigkeiten Einfluss auf die Endqualität nach dem Beschichten. Rauigkeiten, welche im Bereich zwischen 1-4 μιη Rz liegen, haben sich als geeignet erwiesen. Demzufolge wurden beim Honen Diamantkörnungen von 010 bis 046 verwendet.
Vor dem Herstellen der Beschichtung wird die Oberfläche in der Regel noch entfettet.
Die nachfolgend durch Elektrolyse, also durch PED aufgebrachte Beschichtung bildet die vorbearbeitete (Soll-)Form äquidistant ab, so dass die durch den ersten Prozessschritt geschaffene Form weitestgehend erhalten bleibt. In dem zweiten Prozessschritt wird eine verschleißfeste Beschichtung durch Elektrolyse, also durch PED aufgebracht bzw. erzeugt. Dabei entsteht kein Verzug am Werkstück und die Sollform der Oberfläche wird nicht verändert. Diese Schicht hat eine große Härte und ist daher sehr verschleißfest. Durch die Wahl der Prozessparameter bei der Elektrolyse kann die Porosität der Schicht gezielt eingestellt werden. Die Porosität verbessert die Ölhaltefähigkeit, reduziert den Gleitreibungsverschleiß und unterstützt die hydrodynamische Schmierung.
Die große Härte reduziert die Gleitreibung im Mischreibungsbereich bei niedrigeren Motordrehzahlen und erhöht die Lebensdauer.
Außerdem ist der Wärmeübergang zwischen Beschichtung und dem Substrat aus Aluminium (Zylinderblock oder -büchse) sehr gut.
Ein erfindungsgemäßes, elektrolytisches Verfahren ist die sogenannte „Plasma Elektrolyt^ Deposition", die im wässrigen Elektrolyt durchgeführt wird und sowohl eine Randzonenveränderung nach innen als auch einen Schichtaufbau nach außen bewirkt.
Ein weiterer Vorteil der PED besteht darin, dass neben den genannten Schichten aus Aluminiumoxid auch andere Metalloxid- Schichten erzeugt werden können, so dass erfindungsgemäß Titanoxid-Schichten (ΤΊ02) erzeugt werden können. Ein geeignetes Verfahren ist aus der US 7,578,921 , B2 bekannt.
Für das erfindungsgemäße Verfahren sind insbesondere solche verschleißfesten Beschichtungen bevorzugt, die mittels PED aus einen sauren wässrigen Elektrolyten enthaltend wasserlösliche Verbindungen des Elements Titan, vorzugsweise ausgewählt aus Fluorokomplexen, erhältlich sind, wenn das Werkstück überwiegend als Anode geschaltet wird. Das Werkstück ist dann überwiegend als Anode geschaltet, wenn es über alle Zeitintervalle, während derer das PED Verfahren oberhalb der tatsächlichen Zersetzungsspannung des Elektrolyten betrieben wird, eine überwiegend anodische Ladungsmenge aufgenommen hat. Derartig erzeugte Beschichtungen bestehen im Wesentlichen aus Oxiden/Hydroxiden des Elements Titans und haben sich als besonders verschleißfest erwiesen. Die auf diese Weise erzeugten Beschichtungen weisen eine veränderte Randzone nach innen mit einer Invasionstiefe von z. B. 3 μητι auf und einen Schichtaufbau nach außen von z. B. 9 pm, sodass sich in diesem Fall eine Schichtdicke von 12 μητι ergibt. Die typischerweise verwendeten Schichtdicken liegen deutlich unterhalb von 70 μητι, ihre Härte beträgt bis zu 1500 HV. Härte und Topographie der Beschichtung lassen sich über die elektrischen Prozessparameter der Elektrolyse einstellen.
Der Beschichtungsprozess erfolgt im elektrolytischen Bad. Das Werkstück wird dabei weitgehend maskiert, so dass nur die zu beschichtende Bohrung in Kontakt zum Elektrolyt steht und so eine selektive Beschichtung der Bohrung möglich ist.
Die Maskierung erfolgt beispielsweise mit Hilfe eines Deckels, der - mit O-Ringen abgedichtet - die Bohrung zum Kurbelraum hin verschließt. Die Elektrode ist bevorzugt als Zylinder ausgebildet, der in etwa die Länge der zu bearbeitenden Zylinderbohrung hat und so bemessen ist, dass zwischen Elektrode und Zylinderbohrung ein radialer Spalt von etwa 20-30 mm Dicke entsteht. Durch diesen Spalt strömt der Elektrolyt mit einem Volumenstrom von z.B. 20 L/min bei einer Zylinderbohrung für einen PKW-Motor, wird an den Deckel umgelenkt und strömt wieder in Richtung der Dichtfläche für den Zylinderkopf.
Die Elektrode ist kathodisch gepolt, das Werkstück anodisch. Zwischen Elektrode und Kathode liegt ein gepulster Gleichstrom mit einer Spannung von 400-500 Voll an. Die Elektrolyse kann auch mit ungepulstem Gleichstrom mit oder ohne überlagertem Wechselstromanteil erfolgen.
Es haben sich Stromdichten von ca. 10-30 A /dm2 bewährt. Die Beschichtungszeit beträgt ca. 2 -10 min; die Beschichtung kann gleichzeitig an allen Zylindern eines Blockes mit Hilfe mehrerer Elektroden durchgeführt werden.
Die Schichtstärke, die entstehende Schichtrauheit und die Porengröße sind abhängig vom der angelegten elektrischen Strom, der Spannung, dem verwendetem Pulsprogramm sowie von der Beschichtungszeit. Die Beschichtung hat in der Regel eine Rauigkeit von 2-3 μητι Rz und einem Rpk-Wert von z. B. 1 ,0 - 2,0 μητι bei einer Porengröße von 2 -3 μητι. Unabhängig von der gesamten Schichtstärke lässt sich allgemein sagen, dass die Tiefe der Randzonenveränderung in das Material des Werkstücks hinein ca. 1/3 von der nach außen aufwachsenden Schicht beträgt. Bei einer gesamten Schichtstärke von 20 μητι beträgt die Randzonenveränderung nach innen z. B. ca. 5 μητι und ca. 15 μητι Schichtaufbau nach außen in die Bohrung hinein.
Die angegebene Rauigkeit der Schicht besteht aus einer Welligkeit, welche durch die Poren und das Gefüge der Schicht bedingt ist. In einem optionalen weiteren Schritt wird die Beschichtung daher bei Bedarf durch einen Glättvorgang endbearbeitet, um die Welligkeiten, die beim Beschichten entstanden sind, einzuebnen. Wenn die Welligkeit gering ist, kann der Glättvorgang entfallen.
Die Glättbearbeitung kann durch Honen oder Bürsten erfolgen. Um die Welligkeit der Schicht einzuebnen, kann man mit konventionellen Honwerkzeugen arbeiten. Es empfiehlt sich jedoch, um den Abtrag zu minimieren und die (Frei-)Form der Oberfläche nur minimal zu verändern, mit speziellen Glätthhonwerkzeugen zu arbeiten. Deren pendelnd aufgehängten (Hon-)Leistensegmente sind relativ kurz, bezogen auf die Länge der Zylinderbohrung, aber länger als die kurzwelligen Anteile des Beschichtungsprofils und erzeugen dadurch die gewünschte Glättung, ohne die Geometrie der Zylinderbohrung signifikant zu verändern bei gleichzeitig minimalen Materialabtrag.
Mit zunehmender Länge der einzelnen Leistensegmente erfolgt eine stärkere Begradigung der Mantellinie. Alternativ ist es auch möglich, mit Honbürsten zu arbeiten, welche sich aufgrund der Flexibilität ebenfalls der Welligkeit anpassen. Das sind Bürsten, deren einzelne Borsten zum Beispiel aus Polyamid bestehen, in die abrasive Hartstoffe, wie Siliziumkarbid, Korund oder Diamantkorn, eingelagert sind. Ebenso können so genannte Flex-Hone-Bürsten verwendet werden, welche am Borstenende zum Beispiel mit keramisch gebundenen schneidstoffhaltigen Knollen ausgerüstet sind.
Wichtig bei allen Varianten der Glättung ist, dass mit geringstmöglichem Materialabtrag die Welligkeit der Oberfläche reduziert wird und somit eine Zylinderlaufbahn mit möglichst hoher Geradheit der Mantellinie erreicht wird. Es wird diametral eine Glätthonzugabe von weniger als 10 μιτι abgetragen.
Beim Glätthonen wird die Porosität der Schicht und mit ihr die Ölhaltefähigkeit weitestgehend erhalten.
Insgesamt ist die fertiggehonte geglättete Schichttopographie überlagert von der Rauigkeit vor dem Beschichten und von den schichtcharakteristischen Poren. Das Rauheitsprofil verändert sich dabei, ausgehend von den oben genannten Werten nach dem Beschichten auf Rz-Werte von 2,0-2,5 μιτι nach dem Glätten. Ein geeigneter Rpk-Wert liegt bei 0,13 pm.
Als Schneidstoffe haben sich metallisch gebundene Diamantkörnungen und keramisch gebundene Korund- oder SiCKörnungen bewährt.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer fertigungstechnisch gut beherrschbaren Weise eine Schicht herstellen lässt, die wegen ihrer Porenstruktur und der hohen Werkstoffhärte tribologisch besonders geeignet ist.
Die Wärmeabfuhr vom Verbrennungsraum über die Schicht ist besonders effektiv, da die Schicht quasi-galvanisch aufgetragen wurde und damit eine bestmögliche Substratanbindung erfolgt. Außerdem beeinflusst die erfindungsgemäße Schicht die Geometrie der Zylinderbohrung nicht oder nur unwesentlich, so dass die Sollform schon vor dem Beschichten fertiggestellt werden kann. Dabei müssen natürlich der durch die Beschichtung entstehende Auftrag und der beim optionalen Glätten anfallende Materialabtrag berücksichtigt werden.
Insgesamt lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren in einer kompakten Fertigungskette realisieren, welche wirtschaftlich und technologisch hocheffizient ist. Es zeigen:
Figur 1 die Bohrungsmantellinie nach der Vorbehandlung durch Feinbohren oder Honen; Figur 2 die Bohrungsmantellinie mit aufgetragener Schicht, Figur 2.1 die Welligkeit der Schicht;
Figur 2.2 eine stark vergrößerte Wiedergabe der Oberfläche der Schicht vor dem Glätten;
Figur 3 die Bohrungsmantellinie mit aufgetragener Schicht nach dem Glätten; Figur 3.1 die Welligkeit der Schicht nach dem Glätten
Figur 3.2 eine stark vergrößerte Wiedergabe der Oberfläche der Schicht nach dem Glätten und
Figur 4 eine schematische Darstellung eines Honwerkzeugs zum Glätten.
In Figur 1 ist die Mantellinie 2 einer durch Honen vorbearbeiteten (Zylinder-)Bohrung dargestellt. In diesem Zustand ist das Substrat für die nachfolgende Beschichtung aktiviert und hat die gewünschte Sollform. In Figur 2 ist die Oberfläche nach der Behandlung durch PED dargestellt. Anhand dieser Figur wird deutlich, dass eine Dicke der Beschichtung 9 zu etwa einem Drittel (Bezugszeichen 4) eine Veränderung der Randzone des Substrats darstellt und zu etwa zwei Dritteln (Bezugszeichen 3) einen Schichtaufbau nach außen hin bewirkt.
Es ist zu beachten, dass das Vorbearbeitungsmaß der Bohrung (siehe die Mantellinie 2) so ausgelegt ist, dass die Mantellinie 5 der Beschichtung 9 im Toleranzband der fertig bearbeiteten Bohrung liegt.
In der Figur 2.1 ist die Welligkeit der Mantellinie 5 gemäß Figur 2 dargestellt. In vielen Anwendungen ist die Welligkeit zu groß, so dass sich ein Glättvorgang zur Verringerung der Welligkeit anschließen muss. In der Figur 2.2. ist eine REM-Aufnahme der Oberfläche nach dem Beschichten dargestellt. Dabei fallen die Poren 8 der Beschichtung auf.
Figur 3 zeigt die geglättete Mantellinie 6, welche zum Beispiel durch Honen mit dem in Figur 4 gezeigten Werkzeug erreicht wurde. Dabei wurde die Mantellinie so geglättet, dass eine geradlinige Mantellinie 6 unter Beibehaltung der Poren 8 entsteht. Nach dem Glätten liegt die geglättete Mantellinie 6 auch im Toleranzband der fertig bearbeiteten Bohrung.
Die Oberfläche der geglätteten Mantellinie ist auch in Figur 3.1 im Tastschnitt sowie in der REM-Aufnahme Figur 3.2 dargestellt.
Figur 4 zeigt das Prinzip des Glätthonens mit einem federnd gelagerten Honstein 7 zu Beginn des Glätthonens. Über die Radialkraft FR erfolgt die radiale Beaufschlagung der Beschichtung. Durch die Federn hat der Honstein 7 die Möglichkeit, die kurzen Welligkeiten der Beschichtung zu verringern, ohne die Sollform der Zylinderbohrung zu verändern. Beim Glätten bleiben die Porenstrukturen weitgehend erhalten.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer verschließfesten Oberfläche eines Werkstücks (1) aus Aluminium oder einer Aluminium-Legierung umfassend die Schritte:
Vorbearbeiten und Aktivieren der Oberfläche durch Honen oder Feinbohren und Aufbringen einer verschleißfesten Beschichtung (9) durch Elektrolyse, indem die verschleißfeste Beschichtung (9) durch Plasma Electronic Deposition (PED) erzeugt wird, wobei die verschleißfeste Beschichtung (9) eine Titanoxid- Beschichtung ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die verschleißfeste Beschichtung (9) durch Plasma Electronic Deposition (PED) aus einem sauren wässrigen Elektrolyten enthaltend wasserlösliche Verbindungen des Elementes Titan erzeugt wird, wobei das Werkstück (1 ) als Anode geschaltet ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Anschluss an das Aufbringen der verschleißfesten Beschichtung (9) die Oberfläche unter Beibehaltung der Porosität der Beschichtung (9) geglättet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Beschichtung (9) durch Honen, insbesondere Glätthonen, oder Bürsten geglättet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Glätten weniger als 5 μηι, und bezogen auf den Durchmesser einer Zylinderbohrung (1 ) weniger als 10 μηι, abgetragen werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zwischen dem Aktivieren und dem Aufbringen der Beschichtung (9) bevorzugt alkalisch entfettet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Vorbearbeitung eine zylindrische Oberfläche erzeugt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Beschichtung eines Werkstücks (1) aus einer untereutektischen Aluminium-Legierung eingesetzt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Verfahren, dadurch gekennzeichnet, dass es zur Herstellung der Zylinderbohrung (1) einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird.
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