WO1997016578A1 - Verfahren zum herstellen einer gleitfläche auf einem metallischen werkstück - Google Patents

Abstract

In herkömmlichen Verbrennungskraftmaschine mit einem Motorblock aus einer Aluminiumlegierung wird die Kolbenlauffläche entweder durch eine gußeiserne Kolbenlaufbüchse oder durch eine Stahlbeschichtung auf der Zylinderinnenwandung gebildet. Die Stahlbeschichtung ist aufwendig und erfordert ein mehrstufiges Verfahren. Erfindungsgemäß wird als Gleitschicht unmittelbar auf die Aluminiumlegierung eine Schicht aus 10 - 70 % Molybdänpulver und 90 - 30 % Stahlpulver durch thermisches Spritzen, insbesondere Plasmaspritzen, aufgebracht. Die Beschichtung ist hochverschleißfest und haftet gut auf der Aluminiumlegierung. Die Erfindung findet Einsatz in Hubkolbenmaschinen mit Motorblöcken aus einer Aluminiumlegierung.

Description

Verfahren zum Herstellen einer Gleitfläche auf einem metallischen Werkstück

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Die Erfindung betrifft weiter eine Hubkolbenmaschine, insbesondere eine Verbrennungs¬ kraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 24.

Aus der DE-44 40 713 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Gleitflächen auf Gußeisen¬ teilen bekannt, welches in mehreren Verfahrensschritten Schmiertaschen in der Gleitfläche offenlegt, welche im Betrieb eine hydrodynamische Schmierung gewährleisten sollen. Die Verfahrensschritte umfassen dabei ein mechanisches Bearbeiten der betreffenden Flächen, anschließend ein Bearbeiten mit einer chemisch und elektrochemisch inaktiven Flüssigkeit unter einem zur Flitterentfernung geeigneten Druck. Durch die Kombination der Verfahrens¬ schritte Flüssigkeitsstrahlen und Reibplattieren werden in der betreffenden Oberfläche die Schmiertaschen freigelegt, welche in ihrer Gesamtheit ein die erforderliche hydrodynami¬ sche Schmierung gewährleistendes Microdruckkammersystem bilden. Die Materiatausbrü- che werden dadurch erzielt, daß durch eine Honbearbeitung Titan-Karbide und Titan-Nitride aus der Oberfläche herausgerissen werden, wobei die so entstehenden Krater durch die weitere Bearbeitung wieder zugeschmiert werden. Das anschließende Flüssigkeitsstrahien und Reibplattieren legt diese Vertiefungen wieder frei.

Grundsätzlich ist es aus der US-A-5,080,056 bekannt, auf aus einer Aluminiumlegierung bestehende Werkstücke durch Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen eine im wesentlichen porenfreie Aluminium-Bronze-Legierung aufzubringen, deren Schichtdicke von ca. 1 mm anschließend durch Honen auf ein Endmaß von ca. 127 μm bearbeitet wird. Es ist bereits bekannt, im Gegensatz zu einem Microdruckkammersystem ein kommunizie¬ rendes System, beispielsweise auf Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen, durch eine Honbearbeitung zu erzielen. Hierbei entstehen sich kreuzende Riefen, welche durch die Kreuzungsbereiche miteinander verbunden sind und insgesamt ein offenes System darstel¬ len. Nachteilig hierbei ist es, daß das auf der Gleitfläche gleitende Werkstück, beispielsweise ein Kolbenring eines Kolbens einer Brennkraftmaschine, das in den Riefen befindliche Öl vor sich her schiebt, wodurch kein hydrodynamischer Öldruck aufgebaut werden kann. Infolge¬ dessen kommt es an den Riefenkanten zu einer Mischreibung zwischen den beteiligten Gleitpartnern. Dieses bei Grauguß- Werkstücken weitverbreitete Schmierungssystem ist bei Werkstücken, die aus Gewichtsgründen aus einer Aluminiumlegierung bestehen sollen, nicht anwendbar.

Aus der US-A 2,588,422 ist ein Aluminiummotorblock bekannt, dessen Zylinderlaufbahnen eine thermisch gespritzte Beschichtung aufweisen. Diese Beschichtung ist auf der unbehan¬ delten Motorblockoberfläche zweischichtig aufgebaut aus einer stählernen Gleitschicht von ca. 1 mm Dicke und einer molybdänhaltigen Zwischenschicht von ca. 50 μm Dicke. Die Zwi¬ schenschicht, die zu mindestens 60 % Molybdän enthält, dient nicht als Gleitschicht sondern ist notwendig, um die harte Gleitschicht mit dem Aluminiumblock zu verbinden. Bevorzugt ist diese Verbindungsschicht aus reinem Molybdän aufgebaut. Die Gleitschicht ist eine harte Metallschicht, wie beispielsweise Carbonstahl, Bronze oder rostfreier Stahl, wobei der Stahl legiert sein kann mit beispielsweise Nickel, Chrom, Vanadium oder Molybdän. Grundsätzlich wird mit diesem Schichtaufbau eine gute Gleitschicht zur Verfügung gestellt, wobei jedoch der Aufwand der Doppelbeschichtung erheblich ist.

Aus der GB 2 050 434 A sind verschiedene durch thermisches Spritzen erhaltene Beschich¬ tungen von 0,5 bis 2,5 mm Dicke bekannt. Diese Beschichtungen befinden sich auf Stahl oder Gußteilen von Brennkraftmaschinen, wie beispielsweise Kolbenringen oder Zylinder¬ laufbüchsen. Hierbei wird festgestellt, daß Beschichtungen, die aus gleichen Teilen Mo¬ lybdänpulver und Carbonstahlpulver bestehen, auf den genannten Materialien erheblich weniger abriebsbeständig sind als Beschichtungen, die nur 0,5 bis 4,5-Gew.% Molybdän neben 20 bis 97-Gew.% Metallcarbiden und ggf. Eisen oder eisenhaltiger Legierung enthal¬ ten. Für eine Verbindung dieser Beschichtungen auf Aluminiumlegierungen muß auf die vor¬ genannte US-A 2,588,422 zurückgegriffen werden. Die GB-PS 1 478 287 beschreibt eine Pulvermischung zur Plasmabeschichtung von Stahl¬ oder Gußteilen in einer Dicke von ca. 762 - 1270 μm, wie beispielsweise Kolbenringen, Zy¬ linderblöcken oder Zylinderlaufbüchsen. Das Pulver ist eine Mischung aus Molybdän, Bor und Gußeisen, wobei mindestens soviel Gußeisen wie Molybdän enthalten ist; das Bor liegt üblicherweise bis 3 % der Summe aus Molybdän und Gußeisen vor. Solche Beschichtungen entsprechen, wie das Beispiel 1 aus der GB 2 050434 A zeigt, nicht mehr den heutigen Qualitätsanforderungen.

Eine weitere Beschichtung für Zylinderlaufbüchsen ist aus der DE-AS 21 46 153 bekannt, in der eine Plasmabeschichtung, die neben mindestens 65-Gew.% Molybdän noch Nickel und Chrom, Bor, Silicium und ggf. noch Eisen enthält, beschrieben ist. Diese Beschichtung von Zylinderlaufbüchsen, die aus Graugußeisen gefertigt sind, weist sehr kleine Poren von 0,1 - 2 μ und eine Gesamtporosität von 15 % auf und entspricht den zuvor beschriebenen Be¬ schichtungen aus den britischen Schriften.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche auf einem Kör¬ per, insbesondere einer Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, das mit einem einzi¬ gen Beschichtungsvorgang auskommt. Aufgabe der Erfindung ist ferner eine entsprechende Hubkolbenmaschine mit einem Motorblock aus einer Aluminiumlegierung.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Maßnahmen des Patentanspruches 1 , 12 und/oder 19.

Vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die Merkmale des Patentanspruchs 24 lösen die Aufgabe hinsichtlich der Hubkolbenma¬ schine.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt in vergleichsweise einfacher Weise ein Microdruck¬ kammersystem bereit , indem auf ein Werkstück, z. B. aus einer Aluminiumlegierung, durch thermisches Spritzen (wie es in DIN 32530, Okt. 89, beschrieben ist) eine Verschleißschicht aufgebracht wird, welche anschließend unter Freilegung der Schmiertaschen des Micro¬ druckkammersystems durch mechanisches Bearbeiten teilweise abgetragen wird. Hierdurch wird eine Gleitfläche auf dem metallischen Werkstück geschaffen, welche eine ausreichende Verschleißfestigkeit aufweist, welche der Grundwerkstoff nicht bietet, wobei durch das thermische Spritzen und die anschließende mechanische Bearbeitung eine Vielzahl von Materialausbrüchen entsteht, welche während der mechanischen Bearbeitung nur zu einem geringen Teil zugeschmiert werden und in Folge dessen eine ausreichende Anzahl von das Microdruckkammersystem bildenden Vertiefungen bereitstellt.

Das Microdruckkammersystem auf der Gleitfläche entsteht somit in gänzlich anderer Art und Weise als in dem eingangs genannten Stand der Technik, welcher notwendigerweise auf das Vorhandensein von Titananteilen angewiesen ist.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird die Verschleißschicht mittels Plasmasprit¬ zen, insbesondere atmosphärisches Plasmaspritzen, aufgebracht. Diese Plasmaspritz¬ schichten sind von sich aus bereits mikroporös, so daß bei ihnen durch einen einmaligen Bearbeitungsvorgang, beispielsweise Honen, das Microdruckkammersystem erzeugt werden kann.

Das in der US-A-5,080,056 vorgeschlagene Hochgeschwindigkeitsflammspritzen kann bei einer Vielzahl von Werkstücken, beispielsweise bei Zylinderlaufbahnen von Brennkraftma¬ schinen infolge der vergleichsweise hohen eingebrachten Energie nicht angewendet werden, da es zu Verzügen in den Zylinderlaufbahnen kommen kann.

Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet vorteilhafterweise jeglichen umweltbelasten¬ den, galvanischen Verfahrensschritt. Bei Verwendung von geeigneten Spritzpulvern für das Plasmaspritzen sowie geeigneter Parameter für das Honen lassen sich extrem glatte Gleit¬ flächen mit äußerst geringen Rauhtiefewerten schaffen, welche zur hydrodynamischen Schmierung das vorgenannte Microdruckkammersystem aufweisen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung hat sich herausgestellt, daß eine Mischung aus Stahl¬ pulver mit Molybdänpulver sich besonders gut für das thermische Spritzen zur Erzielung von Gleitflächen auf Aluminiumlegierungen eignet. Diese Mischung setzt sich zusammen aus 10 bis 70 % Molybdänpulver und 90 bis 30 % Stahlpulver, wobei 30 bis 50 % Molybdänpulver und 70 bis 50 % Stahlpulver besonders bevorzugt sind. Die Mischung kann ggf. noch um weitere Komponenten ergänzt werden, die vorteilhaft weniger als 50 Gew.-% der Gesamtmi¬ schung ausmachen. Als eine der günstigsten Mischung hat sich eine 50 : 50 Mischung her¬ ausgestellt. Auch wenn solche Mischungen im Stand der Technik auf gußeisernen Substra¬ ten zu mäßigen, d. h. nicht verschleißfesten Beschichtungen führen (vergl. insbesondere GB 2 050 434 A), so ist eine solche Beschichtung auf Aluminium außerordentlich haftfest und abriebsfest. Man erhält somit erfindungsgemaß die Gleitfläche unmittelbar auf der auf der Aluminiumlegierung abgeschiedenen Schicht und benötigt keine Zwischenschicht, wie sie in der US 2,588,422 beschrieben ist. Das besondere an der vorliegenden Erfindung ist, daß auf dem verhältnismäßig weichen Untergrund einer Aluminiumlegierung eine verschleißfeste Schicht direkt haftend aufgetragen werden kann Mit zur Erfindung gehört die Beschichtung von Aluminium-Motorblöcken einer Hubkolbenmaschine, wobei die Beschichtung sich des Verfahrens bedient

Bei dem erfindungsgemäßen thermischen Spritzen wird vorzugsweise ein Plasmaspritzen eingesetzt, wobei die Mischung des zu verspritzenden Metalls insbesondere als Pulver zum Einsatz kommt. Da das Pulver wahrend des Spntzens zumindest angeschmolzen auf die Oberflache des Werkstuckes geschleudert wird, ist für die Qualität des Arbeitsergebnisses das Einhalten einer bestimmten Partikelgroße (Verteilung) vorteilhaft Beim Einsatz von Pul¬ vern eignen sich vorteilhaft Partikel zwischen 2 und 70 μm und insbesondere 5 und 50 μm, wobei 90 Volumenprozent der Partikel in diesem Bereich liegen sollen

Zum Einsatz in der vorliegenden Erfindung haben sich bestimmte Stahle als besonders vor¬ teilhaft herausgestellt, wobei eine Reihe von Eigenschaften des Stahls allein oder in Summa zu besonders gunstigen Gleitbeschichtungen fuhrt Zu diesen besonderen Eigenschaften gehört u a die Harte des Stahls, wobei hier verschiedene Kriterien maßgeblich sein können So kann die Harte des weichgegluhten Stahls, des thermisch gespritzten Stahls oder auch die Harte der gespritzten Mischung Molybdan/Stahl als Kriterium herangezogen werden Bei den Mischungen kommt zudem noch die Härteverteilung über die Mischungen als Auswahl¬ kriterium des Stahls in Betracht Die einzelnen Parameter hierfür sind im Anspruch 1 wieder¬ gegeben Bei den angegebenen Hartekritenen wird neben einer geringen Porosität auch eine sehr gute Haftung auf dem Substrat (insbesondere Aluminiumlegierung) und eine gute Bearbeitbarkeit erreicht Bei einer zu hohen Harte des Stahl steigt die Gefahr von Schicht- ausbruchen an, ein zu weicher Stahl verschmiert beim Bearbeiten Weitere vorteilhafte Kriterien für die Herstellung der erfindungsgemäßen Gleitbeschichtung sind die Auftragsparameter und der Untergrund des Körpers. So wurde erfindungsgemäß festgestellt, daß mit den Molybdän/Stahl-Mischungen dünne Schichten, d. h. solche von 80 bis 350 μm besonders geeignet sind. Im oben genannten Stand der Technik sind die ent¬ sprechenden Beschichtungen wesentlich dicker, d. h. insbesondere 500 μm bis 2, 5 mm, wobei für Zylinderlaufflächen regelmäßig Beschichtungen im Bereich von 1000 μm gebildet werden. Bei der Verwendung von Molybdän/Stahl hat sich jedoch erfindungsgemäß heraus¬ gestellt, daß die dicken Beschichtungen nicht nur unwirtschaftlich sind, sondern auch we¬ sentliche weitere Nachteile haben. So blättern die Beschichtungen über 350 μm leicht wieder von dem Subtrat ab, insbesondere bei der Verwendung einer Aluminiumlegierung als Substrat. Auch die Verwendung dünnerer Schichten ist wenig geeignet, da hierdurch die anschließende mechanische Bearbeitung (Honbarkeit) beeinträchtigt wird.

Als besonders vorteilhaft hat sich auch die Vorbehandlung der zu beschichtenden Substrat¬ oberfläche erwiesen, wobei das Aufrauhen nicht durch Schleifen, sondern durch einen Parti¬ kel- oder Fluidstrom erfolgt. Das Aufrauhen von Oberflächen vor der Plasmabeschichtung ist zwar grundsätzlich bekannt, wobei jedoch für molybdänhaltige Beschichtungen, wie es bei¬ spielsweise die US 2,588,422 beschreibt, bisher ausdrücklich kein Aufrauhen erfolgte, son¬ dern höchstens eine Oberflächenreinigung. Erfindungsgemäß wurde jedoch festgestellt, daß erst mit dem speziellen Aufrauhverfahren eine sehr gute Oberflächenhaftung der Mo¬ lybdän/Stahl-Schicht erreicht wird. Ganz besonders vorteilhaft ist hier die Verwendung von Korund zum Aufrauhen, der gegenüber Aluminiumoxid sehr gute Langzeitergebnisse erbringt.

Erfindungsgemäß wurde außerdem festgestellt, daß nur ganz bestimmte Mitten rauh werte für besonders gut haftende Schichten geeignet sind. So wurde festgestellt, daß Mitten rauh werte von 4 bis 35 μm, bevorzugt 5 bis 22 μm und insbesondere 5 bis 15 μm besonders geeignet sind, unterhalb wird eine nur mäßige Schichthaftung und oberhalb eine beschichtungsun- günstige Oberfläche für Molybdän/Stahl-Beschichtungen erhalten. Weitere erfindungs¬ gemäße vorteilhafte Spritzparameter sind die Wahl der Porosität, insbesondere einge¬ schlossen des Oxidgehaltes, in der Beschichtung und die Herstellung überwiegend geschlossener (solitärer) Poren sowie ein vorteilhafter Porendurchmesserbereich. Gemäß des Stands der Technik werden Porositäten von praktisch porositätsfrei bis ca. 15 % beschrieben, wobei bei der Verwendung molybdänhaltiger Beschichtungen (auf Graugu߬ substraten) Porositäten von etwa 15 % gespritzt wurden (DE-AS 21 46 153). Erfindungs¬ gemäß wurde jedoch festgestellt, daß bei so hohen Porositäten es beim anschließenden Honvorgang zu Schichtausbrüchen kommt, insbesondere auf Aluminiumsubstraten. Ande¬ rerseits ist es erfindungsgemäß auch wenig vorteilhaft, eine porositätsfreie Beschichtung herzustellen, eine Porosität von mindestens 0,3 % hat sich hier als vorteilhaft zum Aufbau eines Mikrodruckkammersystems auf der Gleitoberfläche erwiesen. Grundsätzlich ist es hier¬ für auch vorteilhaft, wenn die Poren überwiegend geschlossen und in einem bestimmten Dickenbereich liegen. Auch dies unterscheidet die Erfindung vom letztgenannten Stand der Technik, in dem die Poren aufgrund ihres hohen Volumenanteils miteinander verbunden sind (offenporig) und in dem die Mehrzahl der Poren in einem Größenbereich von 0,1 bis 2 μm liegt. Solche Poren erwiesen sich für den erfindungsgemäßen Aufbau eines Mikrodruck¬ kammersystems mit Molybdän/Stahl-Beschichtungen als nicht geeignet.

Letztendlich haben sich noch bestimmte chemische Zusammensetzungen des verwendeten Stahls bei der Aufbringung von Molybdän/Stahl-Beschichtungen auf Aluminium als günstig herausgestellt. Diese Kriterien sind im Anspruch 19 wiedergegeben. Erfindungsgemäß ist Grußeisen wenig geeignet, d. h. solche Eisen-Kohlenstoff-Legierungen mit einem Kohlen¬ stoffgehalt von 2 bis 4 %. Besser geeignet sind Stähle mit weniger als 2,1 %, die schmiedbar sind. Prinzipiell sind solche Stähle aus der GB 2 050 434 A in Verbindung mit Molybdän bekannt, wobei dort jedoch mit einer solchen Mischung auf Eisensubstraten sehr schlechte Ergebnisse erzielt werden. Überraschenderweise zeichnen sich solche Stähle auf Aluminium besonders gut aus. Des weiteren haben die erfindungsgemäß eingesetzten Stähle einen Chromgehalt, der vorteilhaft nicht über 15 % liegt. Ein Mindesteinsatz von Chrom ist jedoch besonders günstig, da hierdurch eine für die Verspritzung mit Molybdän zusammen geeignete Härte des Stahls erreicht wird. Der Chromgehalt ist im wesentlichen durch die Austenitbildung begrenzt, die den Stahl für den erfindungsgemäßen Einsatz wenig geeignet macht. Auch der Einsatz von Silicium ist erfindungsgemäß günstig, wobei hier geringe Men¬ gen ausreichend sind. Silicium senkt den Schmelzpunkt des Stahls vorteilhaft, so daß er besonders gut mit dem Molybdän zusammen plasmaverspritzt werden kann. Siliciumwerte über 2 Gewichtsprozent führen jedoch zu einer Versprödung des Stahls. Auch der Einsatz von Molybdän als Legierungsbestandteil im Stahl sowie der Einsatz von Wolfram ist günstig, wobei die Obergrenze im wesentlichen durch die hierdurch zunehmend die Härte des Stahls und den Preis des Legierungsbestandteils bestimmt ist. Grundsätzlich sind diese Elemente jedoch schon in einem deutlichen Prozentsatz als Legierungsbestandteile enthalten. Des weiteren kommt erfindungsgemäß vorteilhaft ein Stahl mit einer Alpha-Fe-Matrix zum Einsatz, in der feine Karbide im submikroskopischen Bereich enthalten sind. Solche Stähle eignen sich insbesondere zum Verspritzen mit Molybdän.

Vorteilhaft enthält der Stahl neben C noch mindestens eines und vorzugsweise mindestens zwei der folgenden Elemente, bevorzugt in der Reihenfolge: Cr, Si, Mo, W, Mn, B.

Bestimmte Legierungsbestandteile sind in dem Stahl vorzugsweise nicht oder nur gering enthalten, wie beispielsweise Bor, Nickel, Mangan und Phosphor bzw. Schwefel. Mangan eignet sich hierbei als Karbidstabilisator und Bor auch als Karbidbildener, wobei Bor in größeren Gehalten zu einer Härtung und Versprödung des Stahls führt. Kleine Mengen kön¬ nen jedoch sinnvoll sein, um den Schmelzpunkt des Stahls zu senken. Nickel als duktiler Werkstoff ist vorzugsweise gar nicht enthalten, obwohl Nickel grundsätzlich als ein günstiger Legierungsbestandteil im Stahl angesehen wird. Auch der Gehalt an Phosphor und Schwefel wird vorzugsweise niedrig gehalten, um eine Versprödung des Stahls zu verhindern.

Mit der Erfindung lassen sich umweltfreundlich besonders fest Gleitschichten an den Wan¬ dungen von Zylinderbohrungen einer Brennkraftmaschine aus einem Aluminiummotorblock erstellen. Diese Gleitbeschichtungen lassen sich in einem Beschichtungsschritt auftragen und bedürfen einer nur geringen Nachbehandlung (Honen), wobei insbesondere weder gal¬ vanische noch sonstige umweltproblematischen Verfahren zum Einsatz kommen.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend anhand einer Zeichnung näher erläuterten Ausführungsbeispiel.

Es zeigen:

Figur 1 : den schematischen Aufbau einer Plasmaspritzschicht auf einem Werkstück,

Figur 2: schematisch ein kommunizierendes System ohne hydrodynamische Schmierung auf einer Werkstückoberfläche nach dem Stand der Technik, Figur 3: eine schematische Ansicht ähnlich Figur 2 eines Microdruckkammersystems der Erfindung,

Figur 4: die Haftfestigkeit einer Plasmaschicht in Abhängigkeit von Mittenrauhwerten,

Figur 5: die Schichthärte in Abhängigkeit der Schichtzusammensetzung,

Figur 6: die reduzierte Riefentiefe und

Figur 7: den Traganteil in 1 μm Tiefe.

Als metallisches Werkstück 1 , auf welchem eine eine hydrodynamische Schmierung gewähr¬ leistende Gleitfläche 2 hergestellt werden soll, wird eine Zylinderlaufbahn eines Zylinder¬ kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine angenommen. Dieses Kurbelgehäuse wird aus einem Aluminiumwerkstoff im Druckgußverfahren hergestellt, wobei als Gußwerkstoff AISigCu4 verwendet wird.

Um auf den Zylinderlaufbahnen eine den Betriebsbedingungen entsprechende Schicht auf¬ zubringen, wird auf das Werkstück 1 mittels Plasmaspritzen eine Verschleißschicht 3 auf¬ gebracht.

Figur 1 zeigt in starker Vergrößerung und schematisiert einen Querschnitt durch ein Werk¬ stück 1 mit aufgebrachter Verschleißschicht 3. Erkennbar ist die Verschleißschicht 3 durch mechanische Verklammerung am Werkstück 1 gehalten, da die Spritzpartikel der Ver¬ schleißschicht im flüssigen Zustand in die Unebenheiten und Hinterschneidungen der Werk¬ stückoberfläche eindringen. An diesen Stellen entstehen beim Erstarren der Verschlei߬ schicht formschlüssige Verbindungen. Zusätzlich bauen sich innerhalb der Verschleißschicht 3 Schrumpfspannungen auf, welche zu kraftflüssigen Verbindungen zwischen Werkstück 1 und Verschleißschicht 3 führen. In der Verschleißschicht 3 sind sowohl Verunreinigungen 4 wie auch unaufgeschmolzene Spritzpartikel 5 enthalten, während bei 6 vergleichsweise dünne Oxidschichten dargestellt sind.

Die für die Verschleißschicht 3 verwendeten Spritzpulver bestehen aus einem bestimmten Volumenprozentanteil aus einem Molybdänpulver, der Rest wird aus einem Stahlpulver ge¬ bildet. Dieses kann beispielsweise aus Eisen, Molybdän, Chrom, Nickel, Silicium und Bor gebildet sein, welches ein insgesamt sehr hartes Stahlpulver ergibt. Alternativ hierzu kann ein legierter Werkzeugstahl, bestehend aus Eisen, Molybdän, Wolfram und Chrom, verwen¬ det werden. Ebenso ist die Verwendung eines niedrig legierten Stahles, beispielsweise auf der Basis von Eisen, Chrom, Mangan und Kohlenstoff, möglich.

Die Verschleißschicht kann aus einem Spritzpulver mit 20 - 60 % Molybdänpulveranteil und einem dementsprechenden Stahlpulveranteil bestehen, besonders gute Ergebnisse wurden mit einem 30 - 50 % Molybdänpulveranteil und dementsprechend 70 - 50 % Stahlpulveranteil aus einem legierten Werkzeugstahl erzielt. Ein mögliches Optimum, welches u. a. vom Hon¬ verfahren und der zu erzielenden Rauhtiefe abhängt, wurde bei jeweils 50 % Pulveranteilen ermittelt.

Nach dem Erstarren der Verschleißschicht 3 kann durch eine mechanische Bearbeitung in Form von Honen, wie es beispielsweise aus der genannten DE-44 40 713 A1 bekannt ist, diese Verschleißschicht 3 auf ein gewünschtes Endmaß abgetragen werden. Vorteilhafterweise reißen bei diesem Honvorgang die vergleichsweise harten, uπaufge- schmolzenen Spritzpartikel aus der Oberfläche aus, wodurch vereinzelte Schmiertaschen 7 in Form von Vertiefungen freigelegt werden.

Vorteilhafterweise bildet die Gesamtheit dieser einzelnen Schmiertaschen 7 ein Microdruck¬ kammersystem auf der Gleitfläche 2, welches zwischen diesen Schmiertaschen 7 Plateaus 8 mit äußerst geringer Rauhtiefe aufweist. Weitere Verfahrensschritte, etwa Fluidstrahlen zum Freilegen von durch die mechanische Bearbeitung zugeschmierten Schmiertaschen ist nicht erforderlich.

Figur 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Zylinderlaufbahn eines Werkstückes 1 , mit der Gleitfläche 2 und dem durch die Schmiertaschen 7 mit den dazwischen liegenden Plateaus 8 gebildeten Microdruckkammersystem. Schematisch ist ein Kolbenringsegment 9 mit seiner Bewegungsrichtung 10 dargestellt, welches im Betrieb der Brennkraftmaschine relativ zu der Gleitfläche 2 bewegt wird.

Das in den Schmiertaschen 7 angesammelte Schmieröl gewährleistet durch das Auf¬ schwimmen des Kolbenringsegmentes 9 eine hydrodynamische Schmierung.

Im Gegensatz dazu zeigt Figur 2 ein offenes, kommunizierendes System nach dem Stand der Technik. Erkennbar sind die durch die Honbearbeitung entstehenden, kreuzenden Rie¬ fen 11, in welchen das Schmieröl durch die Bewegung des Kolbenringsegmentes 9 in Rich¬ tung der eingezeichneten Pfeile vor diesen Kolbenringen hergeschoben wird. Hierdurch kann kein hydrodynamischer Druck aufgebaut werden und an den Riefenkanten ist eine Mischrei¬ bung zwischen Kolbenringen und Zylinderiaufbahnen möglich.

Bei geeigneter Abstimmung der Verfahrensparameter, insbesondere der Zusammensetzung der Verschleißschicht 3 sowie des Honabtrages, ist es durch das erfindungsgemäße Verfah¬ ren möglich, mit vergleichsweise wenigen und einfachen Verfahrensschritten ein Micro¬ druckkammersystem zur Gewährleistung einer hydrodynamischen Schmierung zu erzeugen. Insbesondere die Zusammensetzung der aufgespritzten Verschleißschicht hat direkte Aus¬ wirkungen auf die entstehende Härte der Gleitfläche; der Honabtrag kann beispielsweise mit steigendem Molybdänpulveranteil gesteigert werden.

Der spezifische Honabtrag, das heißt das Verhältnis aus gemessenem Abtrag beim Fertig¬ honen und dafür benötigter Zeit, war bei allen verwendeten Spritzschichten hoch genug, um innerhalb der vorgegebenen Taktzeiten bei der Fertigung eines Zylinderkurbelgehäuses die Honbearbeitung zu gewährleisten.

Für die Molybdänkomponente kann grundsätzlich ein Molybdän zum Einsatz kommen, wie es in der US 2,588,422 beschrieben ist; d. h. mit bis zu ca. 40 % Legierungsbestandteilen. Vorzugsweise kommt jedoch ein Molybdän mit mindestens 90 Gewichtsprozent Molybdän¬ gehalt zum Einsatz und insbesondere ein Molybdän, dessen Beimengungen je Einzelkom¬ ponente < 1 % sind, wobei der Molybdängehalt vorzugsweise über 95 % liegt. Das Molybdän kann beispielsweise eine kantige Morphologie aufweisen. Der Stahl hat vorteilhaft eine kugelige Morphologie, wie man sie durch Verdüsung erhält. Als Stahlkomponente kommt vorzugsweise ein legierter Stahl (101) mit ca. 4 % Cr, 5 % Mo, 1 % Si, 0,9 % C und 6 % W (Rest immer Fe) zum Einsatz, der mit einem hochlegierten Stahl (102) und einem sehr niedrig legierten Stahl (103) verglichen wird. Der hochlegierte Stahl 102 enthält ca. 5 % Cr, über 2,1 % C, 2 % Si, 30 % Mo und 0, 5 % B; der niedrig legierte Stahl 103 enthält ca. 1 ,5 % Cr, 1 ,1 % C und 1 ,3 % Mn. Der Stahl hat vorteilhaft eine kugelige Morphologie, wie man sie durch Verdüsung erhält.

Mit dem ersten (besonders geeigneten) Stahl 101 wird der Einfluß des Mittenrauhwertes Ra auf die Haftfestigkeit der Beschichtung untersucht, wobei eine 50/50 Mischung mit Molybdän (> 98 %) zum Einsatz kommt. Das Ergebnis ist in Figur 4 dargestellt, aus der ersichtlich ist, daß oberhalb Ra > 4 μm ausschließlich hohe Haftfestigkeiten der Beschichtung auf dem Aluminiumsubstrat erreicht werden, wohingegen unterhalb dieses Wertes eine breite Streuung zu geringen Haftfestigkeiten vorliegt.

Als nächstes werden vergleichende Härtemessungen durchgeführt, wobei die Härteprüfun¬ gen direkt auf den gehonten Spritzschichtoberflächen mit einer Prüflast von HV 0,05 durch¬ geführt wird (Kleinlasthärteprüfung nach Vickers). Die Prüfflächen werden jeweils 10 Sekun¬ den mit der Last beaufschlagt. Für die Prüfung werden ausreichend große Plateaus gesucht, damit die Ergebnisse nicht durch Poren verfälscht werden. Die Härtewerte können, schon wegen der geringen Prüflast, nur vergleichend betrachtet werden, da eine DIN-normgerechte Härtemessung aufgrund der porösen und sehr dünnen Schichtdicke kaum möglich ist. Für jede zu prüfende Oberfläche werden fünf Einzelmessungen durchgeführt und hieraus der Mittelwert errechnet. Aus Figur 5 ist ersichtlich, daß die Plasmaspritzschichten Mo/Stahl 102 am härtesten sind, wobei mit zunehmendem Molybdängehalt große Härteschwankungen vorliegen. Mit dem erfindungsgemäß besten Stahl 101 werden nur geringe Härteschwan¬ kungen erhalten, wohingegen mit dem niedrig legierten Stahl 103 die geringsten Härtewerte bei wiederum starken Härteschwankungen in Abhängigkeit des Molybdänanteils erhalten werden. Es hat sich herausgestellt, daß Stähle, die zu geringen Härteschwankungen in Ab¬ hängigkeit des Molybdängehaltes im Spritzpulver führen, zur Beschichtung von Zylinder¬ laufflächen in Aluminium-Motorblöcken am geeignetsten sind. Ebenso sind Beschichtungen in einem mittleren Härtebereich HV 0,05 besonders geeignet. Die gehonten Plasmaspritzschichten wurden außerdem hinsichtlich ihrer Rauhheitsprofile untersucht, woraus sich Rückschlüsse auf die Honbarkeit und die Eignung zum Einsatz in Brennkraftmaschinen ziehen lassen. Beispielhaft seien hier die reduzierte Riefentiefe und der Traganteil wiedergegeben. Die Rauhheitsmessungen wurden mit einem Perthometer S8P5.6 durchgeführt. Pro innenbeschichtetem Zylinder wurden drei Meßschriebe (bei drei Zylindern) angefertigt. Besonders günstige Werte für die reduzierte Riefentiefe liegen bei ein bis zwei μ-Meter, die mit dem Stahl 101 problemlos erreicht werden. Die Traganteile dienen der Abstützung des Kolbens und der Kolbenringe und sollten möglichst groß sein. Hier wur¬ den die höchsten Werte wiederum mit dem Stahl 101 erreicht.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E

1. Verfahren zum Herstellen einer Gleitfläche auf einem Körper durch thermisches Sprit¬ zen einer Beschichtung aus Stahl und Molybdän, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus

10 bis 70 Gew.-% Molybdän und 90 bis 30 Gew.-% eines Stahls

zur Bildung der die Gleitfläche aufweisenden Beschichtung auf den Körper bespritzt wird, und daß ein Stahl verwendet wird, der mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllt:

- der Stahl hat als solcher thermisch gespritzt eine Härte von 300 bis 500 HV 0,3;

- der Stahl hat als solcher vor dem thermischen Spritzen eine Härte von 300 bis 450 HV 0,3 (weichgeglüht);

- der Stahl hat eine Härte, die so gewählt ist, daß eine thermisch gespritzte Mischung aus 30 Gew.-% Molybdän und 70 Gew.-% des Stahls eine Härte von 550 bis 850 HV 0,05 hat;

- der Stahl hat eine Härte, die so gewählt ist, daß eine thermisch gespritzte Mischung aus 50 Gew.-% Molybdän und 50 Gew.-% des Stahls eine Härte von 550 bis 850 HV 0,05 hat;

- der Stahl hat eine Härte, die so gewählt ist, daß thermisch gespritzte Mischungen im Bereich 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 50 Gew.-% Mo¬ lybdän/50 Gew. -% des Stahls einen Härteunterschied von maximal 100 HV 0,05 und oder eine maximal 10 % höhere Härte HV 0,05 aufweisen, als die weicheste Mischung aus diesem Bereich und/oder eine um maximal +/- 10 % abweichende Härte HV 0,05 haben, bezogen auf die Mischung 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Härte des als solcher gespritzten Stahls im Bereich 350 bis 450 HV 0,3 liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der ther¬ misch gespritzten Mischung 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% Stahl im Bereich von 600 bis 750 HV 0,05, insbesondere 650 bis 700 HV 0,05 liegt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der thermisch gespritzten Mischung 50 Gew.-% Molybdän/50 Gew.-% Stahl im Bereich von 600 bis 750 HV 0,05, insbesondere 650 bis 700 HV 0,05 liegt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stahl mit einer Härte gewählt wird, bei der thermisch gespritzte Mischungen im Be¬ reich 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 50 Gew.-% Molybdän/50 Gew.- % des Stahls in dem Härtebereich 550 bis 850 HV 0,05 liegen.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, rückbezogen auf Anspruch 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, daß die Härte im Bereich 600 bis 750 HV 0,05 und insbesondere im Bereich 650 bis 700 HV 0,05 liegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Härteunterschied für thermisch gespritzte Mischungen im Bereich 30 Gew.-% Mo¬ lybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 60 Gew.-% Molybdän/40 Gew.-% des Stahls in den Grenzen vorliegt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch gespritzten Mischungen im Bereich 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 50 Gew.-% Molybdän/50 Gew.-% des Stahls einen Härteunterschied von maximal 80 HV 0,05 und insbesondere maximal 50 HV 0,05 haben.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch gespritzten Mischungen im Bereich 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 50 Gew.-% Molybdän/50 Gew.-% des Stahls eine maximal 8 % und ins- besondere maximal 5 % höhere Härte HV 0,05 aufweisen, als die weicheste Mischung aus diesem Bereich.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch gespritzten Mischungen im Bereich 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 50 Gew.-% Molybdän/50 Gew.-% des Stahls eine um maximal +/- 5 % abweichende Härte HV 0,05 haben, bezogen auf die Mischung 30 Gew.-% Mo¬ lybdän/70 Gew.-% des Stahls.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung

- in einer Dicke von 80 bis 350 μm und/oder

- auf eine durch einen Partikel- und/oder Fluidstrom aufgerauhte Oberfläche des Körpers und/oder

- auf eine auf einen Mittenrauhwert (Ra) von 4 bis 35 μm behandelte Oberfläche und/oder

- mit einer Porosität < 10 Vol.-% und/oder

- mit überwiegend geschlossenen Poren und/oder

- mit der Mehrzahl der Poren in einem Dickenbereich > 2 bis 40 μm

aufgebracht wird.

12. Verfahren zum Herstellen einer Gleitfläche auf einem Körper durch thermisches Sprit¬ zen einer Beschichtung aus Stahl und Molybdän, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus

10 bis 70 Gew.-% Molybdän und 90 bis 30 Gew.-% eines Stahls

zur Bildung der die Gleitfläche aufweisenden Beschichtung auf den Körper bespritzt wird, und daß die Beschichtung - in einer Dicke von 80 bis 350 μm und/oder

- auf eine durch einen Partikel- und/oder Fluidstrom aufgerauhte Oberfläche des Körpers und/oder

- auf eine auf einen Mittenrauhwert (Ra) von 4 bis 35 μm behandelte Oberfläche und/oder

- mit einer Porosität < 10 Vol.-% und/oder

- mit überwiegend geschlossenen Poren und/oder

- mit der Mehrzahl der Poren in einem Dickenbereich > 2 bis 40 μm

aufgebracht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicke 100 bis 300 μm, insbesondere < 250 μm beträgt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Porosität < 7 Vol.-% ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl der Poren im Bereich 3 bis 20 μm liegt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Körpers mit Korund und/oder auf einen Mittel rauhwert (Ra) von 5 bis 25 μm und insbesondere 5 bis 15 μm vorbehandelt wird.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Körper ein Gegenstand aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere AlSi, einge¬ setzt wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllt: C-Gehalt 0,7 - 22,, 1 Gew.-%, insbesondere > 0,8 bis 1 ,5 Gew -%

Cr-Gehalt 1,0 - 15 Gew -%, insbesondere 1,0 bis 5 Gew.-%

Si-Gehalt 0,5 - 2 Gew.-%

Mo-Gehalt 2,5 - 50 Gew.-%, insbesondere 3 bis 15 Gew.-%

W-Gehalt 2,5 - 30 Gew.-%, insbesondere 3 bis 15 Gew.-%

Mo + W-Gehalt 2,5 - 50 Gew.-%, insbesondere 3 bis 25 Gew.-% α-Fe-Matrix mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mindestens 70 Gew.-% des Fe feine Cr, Mo, W u/o Mn-Carbide (< 1 μm) in einer α-Fe-Matrix

B-Gehalt bis 1 Gew.-%

Ni-Gehalt bis 0,5 Gew.-%, insbesondere bis 0,3 Gew.-%

Mn-Gehalt bis 4 Gew.-%

P-Gehalt bis 0,5 Gew.-%, insbesondere bis 0,2 Gew.-%

S-Gehalt bis 0,5 Gew.-%, insbesondere bis 0,2 Gew.-%

19. Verfahren zum Herstellen einer Gleitfläche auf einer Aluminiumlegierung durch thermi¬ sches Spritzen einer Beschichtung aus Stahl und Molybdän, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus

10 bis 70 Gew -% Molybdän und 90 bis 30 Gew.-% eines Stahls

zur Bildung der die Gleitflache aufweisenden Beschichtung auf die Aluminiumlegierung bespritzt wird, und daß ein Stahl verwendet wird, der mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllt

C-Gehalt 0,7 - 2,1 Gew -%, insbesondere > 0,8 bis 1,5 Gew -%

Cr-Gehalt 1 ,0 - 15 Gew.-%, insbesondere 1 ,0 bis 5 Gew.-%

Si-Gehalt 0,5 - 2 Gew -%

Mo-Gehalt 2,5 - 50 Gew -%, insbesondere 3 bis 15 Gew -%

W-Gehalt 2,5 - 30 Gew -%, insbesondere 3 bis 15 Gew -%

Mo + W-Gehalt 2,5 - 50 Gew -%, insbesondere 3 bis 25 Gew -% α-Fe-Matrix mindestens 50 Gew -%, insbesondere mindestens 70 Gew -% des Fe feine Cr, Mo, W u/o Mn-Carbide (< 1 μm) in einer α-Fe-Matrix

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl ferner enthalten kann B-Gehalt bis 1 Gew.-%

Ni-Gehalt bis 0,5 Gew.-%, insbesondere bis 0,3 Gew.-%

Mn-Gehalt bis 4 Gew.-%

P-Gehalt bis 0,5 Gew.-%, insbesondere bis 0,2 Gew.-%

S-Gehalt bis 0,5 Gew.-%, insbesondere bis 0,2 Gew.-%.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Zylinderlaufflächen einer Verbrennungskraftmaschine beschichtet werden.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Aluminiummotorblock beschichtet wird.

23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung zum Teil wieder abgetragen wird, insbesondere mechanisch.

24. Hubkolbenmaschine, insbesondere Verbrennungskraftmaschine, mit einem Kurbelge¬ häuse aus einer Aluminiumlegierung, das Zylinderlaufbahnen aufweist, die mit einer Stahl-Molybdän-Beschichtung versehen sind, die durch thermische Spritzen aufge¬ bracht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Zylinderlaufbahn bildende Stahl-Mo¬ lybdän-Beschichtung durch thermisches Spritzen einer Mischung aus

10 - 70 % Molybdän und 90 - 30 % Stahl

auf die Aluminiumlegierung aufgebracht ist, und daß der Stahl mindestens eines der folgenden Kriterien erfüllt:

- der Stahl hat als solcher thermisch gespritzt eine Härte von 300 bis 500 HV 0,3;

- der Stahl hat als solcher vor dem thermischen Spritzen eine Härte von 300 bis 450 HV 0,3 (weichgeglüht);

- der Stahl hat eine Härte, die so gewählt ist, daß eine thermisch gespritzte Mischung aus 30 Gew.-% Molybdän und 70 Gew.-% des Stahls eine Härte von 550 bis 850 HV 0,05 hat; der Stahl hat eine Härte, die so gewählt ist, daß eine thermisch gespritzte Mischung aus 50 Gew.-% Molybdän und 50 Gew.-% des Stahls eine Härte von 550 bis 850 HV 0,05 hat;

der Stahl hat eine Härte, die so gewählt ist, daß thermisch gespritzte Mischungen im Bereich 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls bis 50 Gew.-% Mo¬ lybdän/50 Gew.-% des Stahls einen Härteunterschied von maximal 100 HV 0,05 und oder eine maximal 10 % höhere Härte HV 0,05 aufweisen, als die weicheste Mischung aus diesem Bereich und/oder eine um maximal +/- 10 % abweichende Härte HV 0,05 haben, bezogen auf die Mischung 30 Gew.-% Molybdän/70 Gew.-% des Stahls,

- C-Gehalt 0,7 - 2 2,, 1 Gew.-%, insbesondere > 0,8 bis 1 ,5 Gew.-%

- Cr-Gehalt 1 ,0 - 15 Gew.-%, insbesondere 1 ,0 bis 5 Gew.-%

- Si-Gehalt 0,5 - 2 Gew.-%

- Mo-Gehalt 2,5 - 50 Gew.-%, insbesondere 3 bis 15 Gew.-%

- W-Gehalt 2,5 - 30 Gew.-%, insbesondere 3 bis 15 Gew.-%

- Mo + W-Gehalt 2,5 - 50 Gew.-%, insbesondere 3 bis 25 Gew.-%

- α-Fe-Matrix mindestens 50 Gew.-%, insbesondere mindestens 70 Gew.-% des Fe

- feine Cr, Mo, W u/o Mn-Carbide (< 1 μm) in einer α-Fe-Matrix

und/oder daß die Beschichtung

- in einer Dicke von 80 bis 350 μm und/oder

- auf eine durch einen Partikel- und/oder Fluidstrom aufgerauhte Oberfläche des Körpers und/oder

- auf eine auf einen Mittenrauhwert (Ra) von 4 bis 35 μm behandelte Oberfläche und/oder

- mit einer Porosität < 10 Vol.-% und/oder

- mit überwiegend geschlossenen Poren und/oder - mit der Mehrzahl der Poren in einem Dickenbereich > 2 bis 40 μm

aufgebracht ist.