EP3134560A1 - Thermisch beschichtetes bauteil - Google Patents

Thermisch beschichtetes bauteil

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EP3134560A1
EP3134560A1 EP15711655.9A EP15711655A EP3134560A1 EP 3134560 A1 EP3134560 A1 EP 3134560A1 EP 15711655 A EP15711655 A EP 15711655A EP 3134560 A1 EP3134560 A1 EP 3134560A1
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EP
European Patent Office
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pore
coated component
rounding
friction
pores
Prior art date
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Granted
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EP15711655.9A
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Thomas Behr
Jens Böhm
Mareike Hahn
Martin Hartweg
Tobias Hercke
Thomas Kreisl
Manuel Michel
Günter RAU
Christoph Reckzügel
Stefan Schweickert
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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Publication of EP3134560B1 publication Critical patent/EP3134560B1/de
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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
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/131—Wire arc spraying
    • 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
    • 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
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
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    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
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    • F02F1/004—Cylinder liners
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    • F02F3/10—Pistons  having surface coverings
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    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts

Definitions

  • the invention relates to a thermally coated component according to the closer defined in the preamble of claim 1.
  • Components of this type can be approximately a pair of cylinders and pistons whose interaction is of highest relevance, for example in internal combustion engines.
  • the internal combustion engine is essentially determined by the friction between these partners, the cylinder inner surface and the piston. It is known from the prior art to create structures which minimize friction by means of a corresponding mechanical surface treatment, for example by honing, by keeping a certain amount of oil in the region of the surface.
  • the intersecting grooves, which arise during honing, are suitable for this purpose.
  • thermal coating which is made possible in particular by thermal spraying, for example the LDS (arc wire spraying) or PTWA (plasma transferred wire arc) method.
  • thermal spraying for example the LDS (arc wire spraying) or PTWA (plasma transferred wire arc) method.
  • Such surfaces have, in particular, open pores, which also contribute to keeping oil in the area of the surface.
  • thermally applied coating can be linked to a subsequent machining process such as honing.
  • Such a structure is known from the generic DE 10 2012 002 766 A1.
  • the local thermally coated component is characterized by a specific
  • the object of the present invention is now to further optimize such a surface of a thermally coated component.
  • the thermally coated component according to the invention is realized in such a way that pores occurring in the thermally coated surface with respect to a
  • Rounding are optimized so that an increase in the draft rounding, which consists of a ratio of the depth of the draw rounding to a
  • Length portion of the surface or parallel to the surface in which the pore is calculated in each case has a value of more than 2.5 m / mm.
  • Such an increase of the draft rounding, for example, over the entire surface averaged for all pores of more than 2.5 m / mm allows a further significant
  • Such high rise values of the intake rounding can be achieved in particular by honing with ceramic honing stones, preferably if previously with
  • Diamond honing has been honed. As ceramic honing stones are doing
  • Honing strips with ceramic cutting materials such as silicon carbide (SiC) or aluminum oxide (AI203), preferably understood in ceramic bond. Grain sizes of the ceramic cutting materials of more than 400 have proven to be suitable mesh (about 40 ⁇ ) proved. By contrast, diamond honing stones have diamond cutting materials in metallic bonding. In principle, the cutting materials can also by means
  • Synthetic resin or plastic bond are tied to the honing stones, the above-mentioned bonds, however, for economic reasons (life of the honing stones, tooling costs, preparation of the tools) are more advantageous.
  • a boundary line can be detected, which separates the region of the intake rounding of the pore from the surrounding surface.
  • a mean hearing level of the surface surrounding the respective pore is determined (for example by means of white-light interferometry or other conventional measurement technology).
  • points pertaining to this pore are detected which are lowered (by a predetermined value, e.g., the resolution limit of the particular measurement technique) from and adjacent to the surrounding surface. These points then form the boundary line of this pore.
  • a tangent to the boundary line is formed at least in some points of the boundary lines.
  • the mean slope of the indentation rounding is recorded along a defined measuring section.
  • the average slopes of all measuring sections of the pore are averaged, so as to obtain an average value for the draw-in rounding of the respective pore, which is then formulated as a so-called increase in draw-in rounding of the respective pore.
  • you can the process continues at other pores so as to obtain an average of all increases in all draw-in roundnesses of all pores of the entire surface or individual portions of the surface.
  • first boundary line is detected, which separates the area of the rounding of the pore from the surrounding surface.
  • care must be taken in this alternative that the first boundary line runs at a first defined height level.
  • Boundary line is formed, which is displaced in the direction of the pore, ideally in the region in which the draw-in rounding is separated from the pore itself, and which also runs at a defined height level. If then their height is known for the two boundary lines, a height difference can be determined. This height difference can then be divided by the mean distance of the boundary lines from each other, so as to obtain a mean increase in the intake rounding of the respective pore.
  • the measured values can be determined by means of a planar surface measuring method, in particular a white light interferometry, and then converted with a three-dimensional data record on the basis of the measurement. This can then, for example, image processing methods for detecting the
  • the friction-optimized surface is machined, preferably machined. This machining, which can be realized in particular as honing, takes place after the thermal coating has been applied, for example after a
  • the friction-optimized surface can be finished by a multi-stage honing, wherein first with
  • Post-processing with ceramic honing bars leads to very favorable draw-in roundings, so that the advantageous rise values of the draw-in fillets of more than 2.5 ⁇ m / mm, preferably more than 3 m / mm, are achieved.
  • the tribological properties of the friction-optimized surface can be increased even further, in particular by an oil holding volume that is significantly increased again compared with the prior art.
  • FIG. 1 shows a surface with an exemplary pore.
  • FIG. 2 shows the pore of FIG. 1 with a boundary line between the rounding of the pore and the surface surrounding the pore;
  • Fig. 3 is a schematic representation of a cross section through the part of a pore to
  • Fig. 5 is a pore with two boundary lines to illustrate the second
  • Fig. 6 is a schematic representation of a cross section of the pore with the two
  • Fig. 7 is a diagram with Rise values of different pores, which in
  • a pore 1 in a thermally sprayed friction-optimized surface 2 is shown purely by way of example. The here in shades of gray
  • a delimiting line 3 is drawn in and again shown separately in the right-hand representation of FIG.
  • This boundary line 3 which could also be referred to as a first boundary line, as will be seen later, separates the area of a so-called indentation rounding 4, which can be seen in the representations of FIGS. 1 and 2 in corresponding gray tones from which the pore 1 surrounds Surface 2.
  • a mean hearing level of the surface 2 surrounding the pore 1 is first determined by means of white light interferometry. Thereafter, points belonging to this pore 1 are determined, which are lowered by twice the resolution limit compared with this mean level of the lunar level and adjoin the surrounding surface. These points then form the boundary line 3 of the pore 1 with respect to the surface 2.
  • FIG. 3 this is shown again in a principle sectional view of one side of the pore 1.
  • the scale is selected in the direction y in ⁇ in the direction x in mm, resulting in a distorted representation.
  • the pore 1 can be recognized as a partial depression in the surface 2 of the material designated by 5, for example a thermally sprayed coating.
  • a solid line a connection of the actual pore 1 with the surface 2 can be seen, which shows a comparatively shallow transition from an edge 6 of the pore 1 in the region of the intake rounding 4 and thus in the surface 2.
  • With the solid line is a relatively gentle transition of the pore edge 6 in the
  • Induction rounding 4 shown. With the dashed line, which is designated in the illustration of Figure 3 with 4 ', a further intake rounding 4' is shown, which turns out much sharper in the transition to the pore edge than that designated 4
  • a measuring section M of defined length is formed, the length of which is set symmetrically with respect to the boundary line 3 both in the direction of the pore and in the direction of the surroundings.
  • the total length of the measuring section is M 60 ⁇ .
  • Measuring distance M outside the boundary line 3 in the direction of the pore 1 inside the average slope e.g. detected along the measuring path M with a linear regression method. If now this determination of the slope is carried out along the boundary line 3 in several, in particular in all points of this boundary line 3, then a corresponding mean value can be formed, so that a corresponding average gradient of the intake rounding 4 of the pore 1 can be obtained.
  • This average slope is then formulated as a so-called increase in the intake rounding 4, 4 '.
  • This average slope is then formulated as a so-called increase in the intake rounding 4, 4 '.
  • Length x calculated parallel to the surface 2 (corresponding to the average of all projections of all measuring sections M).
  • the value of the rise A is preferably given in pm / mm of the longitudinal section x in the direction of the surface 2. The larger this value is, the smoother the transition from the pore surface 6 into the surface 2.
  • a correspondingly gentle transition corresponds in the not to scale representation of FIG. 3 to the indentation rounding designated by 4.
  • the transition to the void flank 6 becomes less gentle, and could correspond, for example, to the transition indicated at 4 'in FIG. 3.
  • the geometry of the surface can be very easily determined
  • a pore edge line 7 can be created which separates the area of the draw-in rounding 4, 4 'of the pore 1 from the pore 1 itself. This pore edge line 7 then forms the inner boundary of the measurement path M perpendicular to the tangent T. For clarification, such a pore edge line 7 is in the representation of FIG. 5
  • the pore margin line 7 may, if as in this case, as well as the first
  • Boundary line 3, at a height level runs also for an alternative method for determining the slope of the intake rounding 4, 4 'are used.
  • the pore edge line 7 forms a second boundary line 7, while the boundary line 3 forms a first boundary line 3.
  • the method can be used as an alternative to the above-mentioned method and may, depending on the image processing, possibly faster than that described above Be method and claim correspondingly less computing power. Otherwise, it is also true here that a corresponding method can be carried out for each pore, and that, accordingly, for the entire surface 2 or for sections of the surface 2, the rounding of the respective pores 1 is available individually or as an average in order to provide a function-oriented assessment of the surface 2
  • boundary lines 3, 7 more than two boundary lines and / or to judge some of the pores 1 via the first described method and other of the pores 1 via the second described method with respect to the increase A of their intake fillets 4, 4 '.
  • the pores 1 are in a thermal coating 5, which on a cylinder liner or a
  • Cylinder housing is applied for an internal combustion engine of a motor vehicle.
  • the average increase A of pores 1 was determined after the pores 1 in a conventional manner with a
  • Diamond honing tool have been honed. These middle climbs A with
  • Diamond tools honed surface 2 are in the diagram of Figure 7 far right. They have values between -1 and +1, 5 for the slope. These values are therefore relatively small, which is a rather sharp transition of the
  • Porous edge 6 in the area of the rounding 4 speaks.
  • the rounding in these only with diamond-machined pores 1 of the surface 2 would therefore the
  • Measured value has to do with the fact that here material has been found in the area of one of the pores 1 piled up, so that a negative increase has resulted.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein thermisch beschichtetes Bauteil, welches eine reibungsoptimierte Oberfläche (2) einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist, wobei die Oberfläche (2) Poren (1) aufweist. Das erfindungsgemäße thermisch beschichtete Bauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass die Poren (1) eine Einzugsverrundung (4, 4') aufweisen, deren Anstieg (A) als Verhältnis der Tiefe (y) der Einzugsverrundung (4, 4') zu einem Längenabschnitt (x) der Oberfläche (2) oder parallel zu der Oberfläche (2), einen Wert von mehr als 2,5 μm/mm aufweist.

Description

Thermisch beschichtetes Bauteil
Die Erfindung betrifft ein thermisch beschichtetes Bauteil nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Aus dem allgemeinen Stand der Technik ist es bekannt, die Oberflächeneigenschaften wie zum Beispiel die Reibung von Bauteilen, die mit einem Reibungspartner
zusammenwirken, zu optimieren. Bauteile dieser Art können in etwa eine Paarung Zylinder und Kolben sein, deren Zusammenwirken von höchster Relevanz beispielsweise in Verbrennungsmotoren ist. Die Gesamtleistung und der Ölverbrauch eines
Verbrennungsmotors bestimmen sich im Wesentlichen durch die Reibung zwischen diesen Partnern, der Zylinderinnenfläche und dem Kolben. Es ist aus dem Stand der Technik bekannt, durch eine entsprechende mechanische Oberflächenbearbeitung, beispielsweise durch Honen, Strukturen zu schaffen, welche die Reibung minimieren, indem sie dafür sorgen, dass eine gewisse Ölmenge im Bereich der Oberfläche gehalten wird. Die sich überkreuzenden Riefen, welche beim Honen entstehen, sind hierfür geeignet.
Ferner ist es aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, die Zylinderlaufflächen oder auch andere hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften zu optimierenden Bauteile mit Beschichtungen zu versehen. Eine Möglichkeit kann beispielsweise eine sogenannte thermische Beschichtung sein, welche insbesondere durch thermisches Spritzen, beispielsweise dem LDS- (Lichtbogendrahtspritzen) oder PTWA-Verfahren (Plasma Transferred Wire Are) ermöglicht werden. Derartige Oberflächen weisen insbesondere offene Poren auf, welche ebenfalls dazu beitragen, Öl im Bereich der Oberfläche zu halten. Insbesondere kann eine solche thermisch aufgebrachte Beschichtung mit einem anschließenden zerspanenden Prozess wie beispielsweise dem Honen verknüpft werden. Ein derartiger Aufbau ist aus der gattungsgemäßen DE 10 2012 002 766 A1 bekannt. Das dortige thermisch beschichtete Bauteil zeichnet sich durch ein bestimmtes
sogenanntes Ölhalte- bzw. Ölrückhaltevolumen aus, welches dafür sorgt, dass eine entsprechende gewünschte bzw. theoretisch vorbestimmte Menge an Öl im Bereich der reibungsoptimierten Oberfläche während des Betriebs, also wenn die Reibungspartner aufeinander gleiten, verbleibt. Hierdurch lassen sich hinsichtlich der Reibung optimale Bauteilpaarungen schaffen, vorzugsweise für Zylinderlaufbahnen in
Verbrennungsmotoren.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine derartige Oberfläche eines thermisch beschichteten Bauteils noch weiter zu optimieren.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein thermisch beschichtetes Bauteil mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Das thermisch beschichtete Bauteil gemäß der Erfindung ist so realisiert, dass in der thermisch beschichteten Oberfläche auftretende Poren hinsichtlich einer
Einzugsverrundung dahingehend optimiert sind, dass ein Anstieg der Einzugsverrundung, welcher sich aus einem Verhältnis der Tiefe der Einzugsverrundung zu einem
Längenabschnitt der Oberfläche oder parallel zu der Oberfläche, in welcher sich die Pore befindet, errechnet, in jedem Fall einen Wert von mehr als 2,5 m/mm aufweist. Ein solcher Anstieg der Einzugsverrundungen beispielsweise über die gesamte Oberfläche gemittelt für alle Poren von mehr als 2,5 m/mm erlaubt eine erneute deutliche
Steigerung des Ölhaltevolumens durch entsprechend sanfte Übergänge der Porenflanke in die eigentliche Oberfläche. Derartige Oberflächenmerkmale wirken sich sehr vorteilhaft auf den Verschleiß von Reibpartnern auf, z.B. im Fall einer thermisch beschichteten Zylinderlaufbahn auf den Verschleiß von Kolbenringen.
Solche hohen Anstiegswerte der Einzugsverrundung lassen sich insbesondere durch ein Honen mit keramischen Honleisten erreichen, vorzugsweise wenn zuvor mit
Diamanthonleisten gehont worden ist. Als keramische Honleisten werden dabei
Honleisten mit keramischen Schneidstoffen, beispielsweise Siliciumkarbid (SiC) oder Aluminiumoxid (AI203), vorzugsweise in keramischer Bindung verstanden. Als gut geeignet haben sich dabei Korngrößen der keramischen Schneidstoffe von mehr als 400 mesh (circa 40 μηι) erwiesen. Hingegen weisen Diamanthonleisten Diamantschneidstoffe in metallischer Bindung auf. Grundsätzlich können die Schneidstoffe auch mittels
Kunstharz- oder Kunststoffbindung an die Honleisten angebunden werden, die vorstehend genannten Bindungen sind jedoch aus wirtschaftlichen Gründen (Standzeiten der Honleisten, Werkzeugkosten, Aufbereitung der Werkzeuge) vorteilhafter.
Üblicherweise eingesetzte Honleisten, wie z.B. Diamanthonleisten hinterlassen Poren mit einer Einzugsverrundung mit einem entsprechend flachen Übergang zwischen der Porenflanke und der eigentlichen Einzugsverrundung und damit einem eher kleinen Anstiegswert, welcher typischerweise in der Größenordnung zwischen 0,5 und 1 ,5 liegt. Überraschend ist, dass sich durch ein vorzugsweise anschließendes Honen mit keramischen Honleisten der Anstieg der Einzugsverrundungen auf Werte von mehr als 2,5 μιη/mm, typischerweise auf Werte zwischen 3 und 5,5 pm/mm steigern lässt. Die Oberfläche weist dann eine sehr glatte Deckstruktur auf, mit einer entsprechend offenen Porosität ohne eine Verdeckelung der einzelnen Poren. Durch die hohen Anstiegswerte und die entsprechend sanften Übergänge der Porenflanken in die Einzugsverrundungen lässt sich das Olhaltevolumen dann gegenüber dem Stand der Technik nochmals deutlich steigern, insbesondere um ca. 40 - 50 %.
Zur Erfassung der Einzugsverrundung kann beispielsweise eine Begrenzungslinie erfasst werden, welche den Bereich der Einzugsverrundung der Pore von der umgebenden Oberfläche separiert. Dazu wird zunächst ein mittleres Höhnenniveau der die jeweilige Pore umgebenden Oberfläche bestimmt (z.B. mittels Weißlichtinterferometrie oder auch anderer üblicher Messtechnik). Danach werden zu dieser Pore gehörende Punkte ermittelt, welche gegenüber diesem mittleren Höhnenniveau (um einen vorgegebenen Wert, z.B. die Auflösungsgrenze der jeweiligen Messtechnik) abgesenkt sind und an die umgebende Oberfläche angrenzen. Diese Punkte bilden dann die Begrenzungslinie dieser Pore.
Danach wird zumindest in einigen Punkten der Begrenzungslinien eine Tangente zur Begrenzungslinie gebildet. Senkrecht zu dieser Tangente wird entlang einer definierten Messstrecke die mittlere Steigung der Einzugsverrundung erfasst. Anschließend werden die mittleren Steigungen aller Messstrecken der Pore gemittelt, um so einen Mittelwert für die Einzugsverrundung der jeweiligen Pore zu erhalten, welcher dann als sogenannter Anstieg der Einzugsverrundung der jeweiligen Pore formuliert wird. Anschließend kann das Verfahren an anderen Poren fortgesetzt werden, um so einen Mittelwert aller Anstiege aller Einzugsverrundungen aller Poren der gesamten Oberfläche oder einzelner Abschnitte der Oberfläche zu erhalten.
Alternativ dazu ist es auch denkbar, mit mehreren Begrenzungslinien zu arbeiten. Dazu wird zunächst wieder eine erste Begrenzungslinie erfasst, welche den Bereich der Verrundung der Pore von der umgebenden Oberfläche separiert. Zusätzlich muss bei dieser Alternative darauf geachtet werden, dass die erste Begrenzungslinie auf einem ersten definierten Höhenniveau verläuft. Anschließend wird innerhalb eine zweite
Begrenzungslinie ausgebildet, welche in Richtung der Pore verschoben ist, idealerweise in dem Bereich, in dem die Einzugsverrundung von der Pore selbst separiert ist, und welche ebenfalls auf einem definierten Höhenniveau verläuft. Wenn dann für die beiden Begrenzungslinien ihre Höhe bekannt ist, kann eine Höhendifferenz ermittelt werden. Diese Höhendifferenz lässt sich dann durch den mittleren Abstand der Begrenzungslinien voneinander dividieren, um so einen mittleren Anstieg der Einzugsverrundung der jeweiligen Pore zu erhalten.
Die Messwerte können dabei über ein flächenhaftes Oberflächenmessverfahren, insbesondere eine Weißlichtinterferometrie, ermittelt und anschließend mit einem dreidimensionalen Datensatz auf Basis der Messung umgewandelt werden. Dieser kann dann beispielsweise über bildverarbeitende Verfahren zur Erfassung der
Begrenzungslinien, der Steigungen und des Anstiegs verwendet werden.
Wie bereits erwähnt ermöglichen Anstiege von mehr als 2,5 μιη/mm der
Einzugsverrundungen der Poren eine deutliche Verbesserung der tribologischen
Eigenschaften der Oberfläche.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen thermisch
beschichteten Bauteils kann es dabei vorgesehen sein, dass die reibungsoptimierte Oberfläche mechanisch bearbeitet, bevorzugt spanend bearbeitet ist. Diese spanende Bearbeitung, welche insbesondere als Honen realisiert sein kann, erfolgt dabei nachdem die thermische Beschichtung aufgetragen ist, beispielsweise nachdem eine
Zylinderlauffläche oder eine Zylinderbuchse durch thermisches Spritzen an der
Oberfläche beschichtet worden ist. Durch das Honen wird dann die Oberflächenqualität verbessert und die Oberfläche, z. B. der Zylinder auf das gewünschte Maß gebracht. Gemäß einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee kann dabei die reibungsoptimierte Oberfläche durch ein mehrstufiges Honen endbearbeitet sein, wobei zuerst mit
Diamanthonleisten und anschließend mit Keramikhonleisten gehont wird. Insbesondere eine solche Vorbearbeitung mit Diamanthonleisten und eine abschließende
Nachbearbeitung mit Keramikhonleisten führt zu sehr günstigen Einzugsverrundungen, sodass die vorteilhaften Anstiegswerte der Einzugsverrundungen von mehr als 2,5 pm/mm, bevorzugt mehr als 3 m/mm erreicht werden. Hierdurch lassen sich die tribologischen Eigenschaften der reibungsoptimierten Oberfläche nochmals weiter steigern, insbesondere durch ein gegenüber dem Stand der Technik nochmals deutlich gesteigertes Ölhaltevolumen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des thermisch beschichteten Bauteils ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand des
Ausführungsbeispiels deutlich, welches nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben ist.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Oberfläche mit einer beispielhaften Pore;
Fig. 2 die Pore aus Fig. 1 mit einer Begrenzungslinie zwischen der Verrundung der Pore und der die Pore umgebenden Oberfläche;
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts durch den Teil einer Pore zur
Visualisierung der Einzugsverrundung;
Fig. 4 eine Ausschnittsvergrößerung mit eingezeichneter Tangente und Messstrecke für das erste Verfahren gemäß der Erfindung;
Fig. 5 eine Pore mit zwei Begrenzungslinien zur Verdeutlichung des zweiten
erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 6 eine Prinzipdarstellung eines Querschnitts der Pore mit den beiden
Begrenzungslinien gemäß Fig. 5; und
Fig. 7 ein Diagramm mit Anstiegswerten unterschiedlicher Poren, welche in
unterschiedlicher Art bearbeitet worden sind:
In der Darstellung der Figur 1 ist rein beispielhaft eine Pore 1 in einer thermisch gespritzten reibungsoptimierten Oberfläche 2 gezeigt. Die hier in Graustufen
umgewandelte Darstellung der Figur 1 entstammt einer Weißlichtinterferometrie und zeigt verschiedene Farben bzw. nun verschiedene Graustufen je nach Höhe des Materials. Die Darstellung in Figur 1 gibt also letztlich eine dreidimensionale Topographie der
vermessenen Oberfläche 2 mit der Pore 1 und der die Pore 1 umgebenden Oberfläche 2 wieder. Insbesondere über bildverarbeitende Methoden lässt sich dieses
dreidimensionale Abbild der Topographie der Oberfläche 2 dann weiter verarbeiten. In der Darstellung der Figur 2 ist die Pore 1 analog zur Darstellung in Figur 1 auf der linken Seite der Darstellung der Figur 2 nochmals zu erkennen. Im Gegensatz zur Darstellung in Figur 1 ist dabei eine Begrenzungslinie 3 eingezeichnet und in der rechten Darstellung der Figur 2 nochmals separat dargestellt. Diese Begrenzungslinie 3, welche auch als erste Begrenzungslihie bezeichnet werden könnte, wie sich später noch zeigt, separiert dabei den Bereich einer sogenannten Einzugsverrundung 4, welche in den Darstellungen der Figuren 1 und 2 in entsprechenden Grautönen zu erkennen ist, von der die Pore 1 umgebenden Oberfläche 2. Dazu wird mittels Weißlichtinterferometrie zunächst ein mittleres Höhnenniveau der die Pore 1 umgebenden Oberfläche 2 bestimmt. Danach werden zu dieser Pore 1 gehörende Punkte ermittelt, welche gegenüber diesem mittleren Höhnenniveau um die doppelte Auflösungsgrenze abgesenkt sind und an die umgebende Oberfläche angrenzen. Diese Punkte bilden dann die Begrenzungslinie 3 der Pore 1 gegenüber der Oberfläche 2.
In der Darstellung der Figur 3 ist dies in einer prinzipmäßigen Schnittdarstellung einer Seite der Pore 1 nochmals dargestellt. Der Maßstab ist dabei in Richtung y in μιη in Richtung x in mm gewählt, wodurch sich eine verzerrte Darstellung ergibt. Dies ist zur Visualisierung der Einzugsverrundung jedoch notwendig. Die Pore 1 ist als teilweise Vertiefung in der Oberfläche 2 des mit 5 bezeichneten Materials, beispielsweise einer thermisch gespritzten Beschichtung, zu erkennen. Mit durchgezogener Linie ist dabei eine Verbindung der eigentlichen Pore 1 mit der Oberfläche 2 zu erkennen, welche einen vergleichsweise flachen Übergang von einer Flanke 6 der Pore 1 in den Bereich der Einzugsverrundung 4 und damit in die Oberfläche 2 zeigt. Mit der durchgezogenen Linie ist dabei ein vergleichsweise sanfter Übergang der Porenflanke 6 in die
Einzugsverrundung 4 gezeigt. Mit der gestrichelten Linie, welche in der Darstellung der Figur 3 mit 4' bezeichnet ist, ist eine weitere Einzugsverrundung 4' gezeigt, welche im Übergang zur Porenflanke sehr viel schärfer ausfällt als die mit 4 bezeichnete
Einzugsverrundung. Die Einzugsverrundung 4, 4' kann nun, je nachdem wie sie ausfällt, durchaus einen Einfluss auf die Funktion des Bauteils bzw. der Beschichtung 5 haben. Daher ist es wünschenswert, diese Einzugsverrundung 4, 4' als einen der Parameter der Oberfläche 2 messtechnisch zu bestimmen. Auf Basis der in Figur 2 dargestellten Abbildung kann nun mit entsprechenden Bildbearbeitungsverfahren ein sogenannter Anstieg der
Einzugsverrundung 4, 4' ermittelt werden, indem beispielsweise, wie es in der Darstellung der Figur 4 angedeutet ist, an einen - insbesondere jedoch für jeden Punkt - der Begrenzungslinie 3, eine mit T bezeichnete Tangente angelegt wird. Senkrecht zu dieser Tangente T wird eine Messtrecke M definierter Länge ausgebildet, wobei deren Länge symmetrisch zur Begrenzungslinie 3 sowohl in Richtung Pore, als auch in Richtung Umgebung festgelegt ist. Bei den hier beispielhaft betrachteten Strukturen beträgt die Gesamtlänge der Messtrecke M 60μηι. Danach wird ausgehend vom Beginn der
Messtrecke M außerhalb der Begrenzungslinie 3 in Richtung der Pore 1 nach innen die mittlere Steigung, z.B. mit einem linearen Regressionsverfahren, entlang der Messstrecke M erfasst. Wird nun entlang der Begrenzungslinie 3 in mehreren, insbesondere in allen Punkten dieser Begrenzungslinie 3, eben diese Ermittlung der Steigung durchgeführt, dann kann ein entsprechender Mittelwert gebildet werden, sodass eine entsprechende mittlere Steigung der Einzugsverrundung 4 der Pore 1 erhalten werden kann.
Diese mittlere Steigung wird dann als sogenannter Anstieg der Einzugsverrundung 4, 4' formuliert. Also mit den in Figur 3 eingezeichneten Koordinaten x und y durch das Verhältnis der gemessenen Tiefe y der Einzugsverrundung 4, 4' gegenüber der sie umgebenden Oberfläche 2 im Verhältnis oder normiert auf einen mittleren
Längenabschnitt x parallel zu der Oberfläche 2 (entsprechend dem Mittelwert aller Projektionen aller Messstrecken M) berechnet. Als Formel ergibt sich damit
A = y / x in [pm / mm].
Der Wert des Anstiegs A wird dabei vorzugsweise in pm/mm des Längenabschnitts x in Richtung der Oberfläche 2 angegeben. Je größer dieser Wert ist, desto sanfter ist der Übergang von der Porenfläche 6 in die Oberfläche 2. Ein entsprechend sanfter Übergang entspricht in der nicht maßstäblichen Darstellung der Figur 3 der mit 4 bezeichneten Einzugsverrundung. Wird der Wert des Anstiegs kleiner, dann wird der Übergang zur Porenflanke 6 weniger sanft, und könnte beispielsweise dem in der Darstellung der Figur 3 mit 4' bezeichneten Übergang entsprechen. Auf Basis der so gewonnen Werte für den Anstieg A, beispielsweise den Anstieg A der Pore 1 oder den mittleren Anstieg A für alle Poren 1 eines Oberflächenabschnitts oder der gesamten Oberfläche 2, lässt sich so sehr leicht die Geometrie der
Einzugsverrundungen 4, 4' entsprechend vergleichen, was die funktionsorientierte Vermessung der Oberfläche 2 erleichtert und anhand der in Zahlen gefassten und vermessenen Einzugsverrundung über den mittleren Anstieg A in μηη/mm eine gute Vergleichbarkeit der Oberfläche 2 beispielsweise nach der Bearbeitung mit
verschiedenen Werkzeugen und/oder verschiedener Beschichtungen 5 untereinander ermöglicht.
Um eine Begrenzung der Messstrecke M leichter zu machen, kann zusätzlich zu der Begrenzungslinie 3 eine Porenrandlinie 7 erstellt werden, welche den Bereich der Einzugsverrundung 4, 4' der Pore 1 von der Pore 1 selbst separiert. Diese Porenrandlinie 7 bildet dann die innere Begrenzung der Messstrecke M senkrecht zur Tangente T. Zur Verdeutlichung ist eine solche Porenrandlinie 7 in der Darstellung der Figur 5
eingezeichnet.
Die Porenrandlinie 7 kann, wenn sie wie in diesem Fall wie auch die erste
Begrenzungslinie 3, auf einem Höhenniveau verläuft auch für ein alternatives Verfahren zum Ermitteln der Steigung der Einzugsverrundung 4, 4' genutzt werden. In diesem Fall bildet die Porenrandlinie 7 eine zweite Begrenzungslinie 7, während die Begrenzungslinie 3 eine erste Begrenzungslinie 3 bildet. In diesem Fall ist streng darauf zu achten, dass beide Begrenzungslinien 3, 7 auf demselben (mittleren) Höhenniveau im Verhältnis zur Oberfläche 2 verlaufen. Es ergibt sich dann der beispielhaft in der Schnittdarstellung der Figur 6 gezeichnete Verlauf, bei welchem die in der Darstellung mit 3 bezeichnete erste Begrenzungslinie auf der Höhe der Oberfläche 2 liegt, während um ein gewisses Stück der Höhe Ay darunter die zweite Begrenzungslinie 7 angedeutet ist. Ermittelt man nun den mittleren Abstand Δχ dieser beiden Begrenzungslinien 3, 7 über den gesamten Umfang der Pore 1 und ermittelt gleichzeitig die Höhendifferenz Δν zwischen den beiden Begrenzungslinien 3, 7, dann lässt sich aus diesen Werten ebenfalls eine Steigung bzw. der Anstieg A = y / x berechnen.
Das Verfahren kann als Alternative zu dem oben genannten Verfahren eingesetzt werden und kann je nach Bildverarbeitung gegebenenfalls schneller als das zuvor beschriebene Verfahren sein und entsprechend weniger Rechenleistung beanspruchen. Ansonsten gilt auch hier, dass ein entsprechendes Verfahren für jede Pore durchgeführt werden kann, und dass dementsprechend für die gesamte Oberfläche 2 oder für Abschnitte der Oberfläche 2 die Verrundung der jeweiligen Poren 1 einzeln oder als Mittelwert zur Verfügung steht, um eine funktionsorientierte Beurteilung der Oberfläche 2
durchzuführen. Selbstverständlich ist es dabei auch möglich, anstelle von zwei
Begrenzungslinien 3, 7mehr als zwei Begrenzungslinien zu verwenden und/oder einige der Poren 1 über das erste beschriebene Verfahren und andere der Poren 1 über das zweite beschriebene Verfahren hinsichtlich des Anstiegs A ihrer Einzugsverrundungen 4, 4' zu beurteilen.
Der Anstieg A kann nun insbesondere dazu genutzt werden, die tribologischen
Eigenschaften der reibungsoptimierten Oberfläche 2 zu beurteilen. Im Diagramm der Figur 7 sind die mittleren Anstiege A einzelner mit unterschiedlichen
Herstellungsverfahren bearbeiteter Poren 1 aufgetragen. Die Poren 1 befinden sich dabei in einer thermischen Beschichtung 5, welche auf eine Zylinderlaufbuchse oder ein
Zylindergehäuse für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs aufgetragen ist. Über das oben beschriebene Verfahren wurde der mittlere Anstieg A von Poren 1 ermittelt, nachdem die Poren 1 in herkömmlicher Art und Weise mit einem
Diamanthonwerkzeug gehont worden sind. Diese mittleren Anstiege A der mit
Diamantwerkzeugen gehonten Oberfläche 2 befinden sich im Diagramm der Figur 7 ganz rechts. Sie weisen Werte zwischen -1 und +1 ,5 für den Anstieg auf. Diese Werte sind damit vergleichsweise klein, was für einen recht scharfkantigen Übergang der
Porenflanke 6 in den Bereich der Verrundung 4 spricht. Die Verrundung bei diesen lediglich mit diamantbearbeiteten Poren 1 der Oberfläche 2 würde also der
Einzugsverrundung 4' aus der Darstellung der Figur 3 entsprechen. Der negative
Messwert hat dabei damit zu tun, dass hier Material im Bereich einer der Poren 1 aufgehäuft angetroffen worden ist, sodass sich ein negativer Anstieg ergeben hat.
In dem Diagramm der Figur 7 ganz links befinden sich die Messwerte von fünf Poren, welche in der Oberfläche 2 nach einer Bearbeitung mit Diamanthonwerkzeugen und einer anschließenden Nachbearbeitung mit Werkzeugen mit keramischer Honleiste erzielt worden sind. Die Anstiegswerte liegen allesamt deutlich über 2,5 pm/mm, insbesondere über 3,5 pm/mm und in den allermeisten Fällen sogar über 4. Solche hohen
Anstiegswerte, welche für einen entsprechend sanften Übergang der Porenflanke 6 in die Einzugsverrundung 4 sprechen, sind beispielweise so ausgestaltet, wie es in der Darstellung der Figur 3 als Einzugsverrundung 4 angedeutet ist. Eine derartige Ausgestaltung der Poren 1 ermöglicht dann ein entsprechend hohes Ölhaltevolumen, sodass beste tribologische Eigenschaften der reibungsoptimierten Oberfläche 2 erzielt werden können.

Claims

Daimler AG Dr. Stückrad 05.03.2015 Patentansprüche
1. Thermisch beschichtetes Bauteil,
welches eine reibungsoptimierte Oberfläche (2) einer Laufbahn für einen
Reibungspartner aufweist,
wobei die Oberfläche (2) Poren (1) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Poren (1) eine Einzugsverrundung (4, 4') aufweisen,
deren Anstieg (A) als Verhältnis der Tiefe (y) der Einzugsverrundung (4, 4') zu einem Längenabschnitt (x) der Oberfläche (2) oder parallel zu der Oberfläche (2), einen Wert von mehr als 2,5 pm/mm aufweist.
2. Thermisch beschichtetes Bauteil nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Anstieg im Mittel aller Poren der Oberfläche (2) mehr als 3 μιτι/mm beträgt.
3. Thermisch beschichtetes Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die reibungsoptimierte Oberfläche (2) mechanisch bearbeitet, bevorzugt spanend bearbeitet ist.
4. Thermisch beschichtetes Bauteil nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
die reibungsoptimierte Oberfläche (2) durch Honen bearbeitet ist.
5. Thermisch beschichtetes Bauteil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsoptimierte Oberfläche (2) durch wenigstens zweifaches Honen endbearbeitet ist, zuerst mit einem Werkzeug mit Diamanthonleisten und
anschließend mit einem Werkzeug mit Keramikhonleisten.
6. Thermisch beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
die thermische Beschichtung eine thermische Spritzschicht, bevorzugt eine
Lichtbogendrahtspritzschicht oder eine PTWA-Schicht ist.
7. Thermisch beschichtetes Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Bauteil ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Kolben oder eine Buchse, bevorzugt eine Zylinderlaufbuchse, ist.
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