WO2007087989A1 - Oberflächenkonditionierung für thermische spritzschichten - Google Patents

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WO2007087989A1
WO2007087989A1 PCT/EP2007/000450 EP2007000450W WO2007087989A1 WO 2007087989 A1 WO2007087989 A1 WO 2007087989A1 EP 2007000450 W EP2007000450 W EP 2007000450W WO 2007087989 A1 WO2007087989 A1 WO 2007087989A1
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shaped
microstructures
process step
metallic
motor vehicle
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PCT/EP2007/000450
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French (fr)
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Jens Böhm
Michael GRÜNER
Martin Hartweg
Tobias Hercke
Karl Holdik
Patrick Izquierdo
Wolfgang Pellkofer
Dezsoe Schilling
Original Assignee
Daimler Ag
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    • 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
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/47—Burnishing
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
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    • Y10T428/00—Stock material or miscellaneous articles
    • Y10T428/24—Structurally defined web or sheet [e.g., overall dimension, etc.]
    • Y10T428/24355—Continuous and nonuniform or irregular surface on layer or component [e.g., roofing, etc.]

Definitions

  • the invention relates to methods for roughening metal surfaces to improve the adhesion of layers thermally sprayed thereon, in particular the preparation of surfaces in the thermal coating of the inside of Zyli ⁇ derbohronne and metallic automotive components with roughened surface, which are suitable for the deposition of thermal spray coatings.
  • thermal spray coatings are deposited on metallic substrates, as a rule high mechanical stresses occur due to the high temperature differences between the spray coat and the substrate, which have a negative effect on the layer adhesion.
  • conventional thermal spray processes such as plasma spraying, flame spraying, high-speed flame spraying or wire arc spraying, the sprayed particles are deposited in the molten state onto the cold substrate and quenched at a high cooling rate.
  • Common wear protection layers may contain ceramic material, such as Al 2 O 3 , SiC, TiC or WC, which only has low physical compatibility with the metal of the substrate.
  • a blasting method is known from DE 195 08 687 C2. It discloses a thermal spraying process which refers to irradiation with cold iron shot or other suitable abrasive material such as alumina for pretreatment of the inside of cast aluminum alloy cylinder bores.
  • the object of the invention is to provide a method for the conditioning of metallic surfaces for Improvement of the adhesion of thermal spray coatings deposited thereon, as well as the provision of coated components with high layer adhesion.
  • the object is achieved by a method for roughening metal surfaces to improve adhesion of thermally sprayed thereon layers by recesses or depressions (2) are introduced into the surface in a material removal or material removal treatment in a first step, so that the supernatant of the metal Surface raised microstructures (3), in particular projections, grooves, protuberances or protrusions, with the features of claim 1, by a metallic automotive component with roughened surface, which is suitable for the deposition of thermal spray coatings, with the features of claim 13, and by a metallic motor vehicle component with thermally sprayed tribological or wear protection layer, with the features of claim 15.
  • a multi-stage surface treatment process is thus provided.
  • a first method step recesses or depressions are introduced into the surface in a material-removing or material-removing treatment.
  • a material-removing or material-removing treatment As a result, by the supernatant metal of the surface raised microstructures, in particular projections, grooves, protuberances or bulges are formed.
  • the second method step the raised microstructures are deformed in the manner deforming and / or refractive, that a a substantial proportion of the structures forms undercuts with respect to the surface.
  • the second method step may also include a removal of material, which is only comparatively small compared to the first method step.
  • undercut structures shows the effect according to the invention of an improved surface adhesion of the layer.
  • at least 5% of the raised microstructures have at least one undercut region. More preferably, more than 50% of the microstructures have undercuts.
  • the total undercut area in the plane parallel to the metal surface is preferably at least 3%, more preferably more than 5%.
  • the usual methods for roughening metallic surfaces suitable. This includes, for example, cutting by spindling, brushing, knurling, circular milling or similar methods. Likewise, the sandblasting is suitable.
  • Another suitable method is high pressure water jetting, especially high pressure water jets mic abrasive particles.
  • the second process step is designed so that only insignificantly or if at all no material is removed from the substrate.
  • the second process step aims to change the shape of the microstructures to such an extent that new undercuts are created.
  • additional steps may optionally follow, which lead to a further formation of undercuts, or may involve a smoothing of the surface.
  • FIG. 1 shows a metallic surface (1) with recesses or recesses (2) and raised microstructures (3) after the first method step
  • Fig. 2 is a metallic surface (1) after the second
  • Process step with recesses or recesses (2) and raised microstructures (3), which have undercuts (4) in the form of flared tips, 3 shows a metallic surface (1) with recesses or depressions (2) and raised microstructures (3), after the first method step,
  • Fig. 4 is a metallic surface (1) after the second
  • the surface roughened by the first method step is subjected to rolling, pressing or exposure to solid and / or liquid media.
  • FIG. 4 One of the possible effects of this second method step is shown schematically in FIG. 4.
  • grooves are introduced into the surface (FIG. 3). This is followed by a lateral bending of the raised microstructures (3) in groove form. This is done for example by a rolling process.
  • a Favorce alignment of bent or kinked microstructures can also be done by obliquely applying irradiation or pressing method.
  • Suitable jet media are, for example, finely roundish powders with a low abrasive action, in particular as shot blasting.
  • abrasive particles should preferably be of the same order of magnitude or finer than the surface roughness of the surface to be irradiated. Preferably, no increase in the roughness depth is effected here, but rather the surface of the microstructures itself is roughened.
  • the formation of the undercuts of the second process step takes place by thermal processes.
  • this is a thermal treatment of the surface is performed, which leads to a melting of the tips of the microstructures.
  • FIG. 3 The effect of this process variant is shown by way of example in Fig.l.
  • the first process step grooves are introduced into the surface (FIG. 3). This is followed, for example, by flaming the surface, a partial melting of the microstructures (3). As a result, melt droplets are formed whose shape is maintained after the solidification of the melt (FIG. 2).
  • the microstructures (3) have mushroom-shaped or pushbutton-shaped structures and form undercuts (4).
  • thermal processes are, in particular, a laser or plasma flame treatment.
  • a machining method is used. It is crucial that some of the chips are only partially detached from the material. As a result, the raised microstructures are partially kinked and bent and additional undercuts generated by the chip formation. If machining processes are used in each case for the first and the second process step, the second cutting edge must be correspondingly substantially finer.
  • the first method step can produce comparatively rough surfaces, since as a rule the second method step leads to a reduction of the Rz-Wet.
  • the surface roughness at Rz values is in the range of 20 to 1000 ⁇ m.
  • Rz values in the range of 20 to 500 ⁇ m are preferred set and particularly preferably the Rz value after the first process step in the range of 40 to 100 microns.
  • the second process step is performed so that a reduction of the roughness takes place. If, for example, rolling is carried out as the second method step, the roughness depth is reduced markedly as a result of the bending or buckling of the microstructures. Preferably, the second process step leads to a reduction of the surface roughness by at least 30%.
  • the second method step particularly preferably reduces the Rz value to a range of 20 to 100 ⁇ m.
  • first and second process step are first by sand and / or high-pressure water jets or
  • High pressure water jets with abrasive particles recesses introduced into the surface and hollowed out in the second step by high-pressure water jets of lower beam energy Corresponding typical structures after the second method step are shown in FIG. 5. Comparable structures are also available, for example, by the combination of sand and / or high-pressure water jets with subsequent pressing, rolling or flaming. In this way, in particular button-shaped surface structures can be produced.
  • the surface treatment is performed so that immediately after the second process step Thermal spray layer (5) can be applied. It is also important to note the removal of any adhering blasting particles or milling residues.
  • Particularly suitable spraying methods include flame spraying, high velocity flame spraying, sputtering, plasma spraying and electric arc wire spraying.
  • the methods are characterized in that very fine molten or soft droplets or spray particles are deposited, which can penetrate well into the undercuts.
  • the second method step can also be restricted to areas of the entire component surface.
  • a metallic automotive component according to the invention with a roughened surface which is suitable for the deposition of thermal spray coatings has bead-shaped, mushroom-shaped, button-shaped or hook-shaped raised microstructures in the order of magnitude of 20 to 400 ⁇ m over substantial parts of the roughened surface.
  • the essential part of the microstructures has undercuts.
  • the metallic automotive components roughened surfaces, which are suitable for the deposition of thermal spray coatings, the roughened surface cup-shaped or upwardly partially closed recesses and depressions in the order of 20 to 400 microns.
  • the cups and partially closed structures form undercuts with respect to the component surface.
  • the undercut surface in the plane parallel to the metal surface is at least 3%.
  • the undercut area is in the range of 5 to 30%.
  • Another aspect relates to metallic automotive components having a thermally sprayed tribological or wear protection layer deposited on a roughened and undercut surface.
  • FIGS. 6 to 8 Typical examples of such coated components are shown in FIGS. 6 to 8 as a cross-section across the layer plane.
  • a penetration layer (6) into which protrude from the surface (1) bead-shaped, mushroom-shaped, button-shaped or hook-shaped microstructures (3) having a size of 20 to 400 microns.
  • the width of the microstructures is about 20 to 100 microns, the height at about 30 to 120 microns.
  • the layers (5) deposited by means of arc wire spraying also extend over the undercut areas (4) over the entire area.
  • microstructures of the surface according to FIG. 8 were produced by a combination of high pressure water jets with abrasive particles and subsequent high pressure water jetting.
  • the deposition of the layer was carried out by high-speed flame spraying.
  • the structures are considerably finer compared to those of FIGS. 6 and 7.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufraüen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem in einem ersten Verf ahrensschritt in einer materialabhebenden, oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) in die Oberfläche eingebracht werden, so dass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen (3), insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen bildet, wobei diese Mikrostrukturen in mindestens einem zweiten Verfahrensschritt in der Weise verformend und/oder brechend nachbearbeitet werden, dass ein wesentlicher Anteil der Strukturen Hinterschnitte (4) bezüglich der Oberfläche ausbildet.

Description

DaimlerChrysler AG Zimmermann-Chopin
31 . 01 . 2006
Oberflächenkonditionierung für thermische Spritzschichten
Die Erfindung betrifft Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, insbesondere die Vorbereitung von Oberflächen bei der thermischen Beschichtung der Innenseite von Zyliπderbohrungen und metallische Kraftfahrzeugbauteile mit aufgerauter Oberfläche, die für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet sind.
Werden thermischen Spritzschichten auf metallische Substrate abgeschieden, so treten in der Regel aufgrund der hohen Temperaturunterschiede zwischen der Spritzschicht und dem Substrat hohe mechanische Spannungen auf, die sich negativ auf die Schichthaftung auswirken. Bei den üblichen thermischen Spritzverfahren, wie Plasmaspritzen, Flammspritzen, Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen werden die Spritzpartikel in schmelzflüssigem Zustand auf das kalte Substrat abgeschieden und mit hoher Abkühlgeschwindigkeit abgeschreckt.
Ebenso haben auch die unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften von Schicht und Substrat, insbesondere unter hoher mechanischer oder Temperaturwechsel- Belastung einen negativen Einfluss auf die Schichthaftung. Gängige Verschleißschutzschichten können keramisches Material, wie Al2O3, SiC, TiC oder WC enthalten, welches nur geringe physikalische Kompatibilität mit dem Metall des Substrates aufweist.
Aber auch rein metallische Schichten, wie sie üblicherweise als Laufbahnbeschichtungen von Kolben in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, neigen unter den extremen im Verbrennungsmotor herrschenden Bedingungen zur Ablösung.
Höchste Anforderungen an die Haftfestigkeit werden beispielsweise bei den Laufflächen von Zylindern in Verbrennungsmotoren gefordert.
Zur Verbesserung der Haftung thermischer Spritzschichten ist im Allgemeinen eine Aufrauung der Substrat-Oberfläche erforderlich. Hierdurch wird die Kontaktfläche zwischen Substrat- und Schicht-Material erhöht, sowie ein gewisses Maß an mechanischer Verklammerung bewirkt.
Als Verfahren zur Aufrauung sind insbesondere das Sandstrahlen, Schleifen oder Feindrehen bzw. Zerspanen von Bedeutung .
Ein Strahlverfahren ist aus der DE 195 08 687 C2 bekannt. Darin wird ein thermisches Spritzverfahren offenbart, bei dem zur Vorbehandlung der Innenseite von Zylinderbohrungen aus gegossener Aluminiumlegierung auf das Bestrahlen mit kaltem Eisenschrot oder anderem geeigneten Abrasivmaterial wie Aluminiumoxid verwiesen wird.
Aus den Veröffentlichungen "INDUSTRIE-Anzeiger" 34, 35/97, "Hartdrehen scatt Feinschleifen", S. 48, "Maschine und Werkzeug" 6/95 "Hartdrehen überholt Feinschleifen", S. 57-61 sowie Pfeiffer, F. "Höhere Sphären" in: "Maschinenmarkt11, Würzburg 101 (1995), S. 2,46-49 sind Verfahren zur Endbearbeitung der Oberflächen von Werkstücken durch Drehfräsen oder Hartdrehen, d. h. die Herstellung von Oberflächen besonders hoher Güte beschrieben. Die dort beschriebenen Verfahren dienen als Ersatz für das Schleifen, o für ein Verfahren, mit dem eine besonders glatte Oberfläche mit geringen Rz-Werten erzielt wird.
Aus der DE 198 401 17 C2 ist ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung der Innenseite von Zylinderbohrungen als Vorbereitung zum Aufbringen einer thermisch gespritzten Schicht bekannt, wobei ein Teil des die Innenseite bildenden Materials durch trockenes Zerspanen ohne Schmierstoff abgetragen wird und eine Oberfläche mit einer definierten Struktur und/oder Güte mit einem Rz-Wert von 25 bis 65 μm gebildet wird. Das Zerspanen kann über Ausspindeln, Bürsten, Rändeln, Zirkularfräsen oder Kombinationen aus einem oder mehreren dieser Verfahren erfolgen.
Aus der wo 02/40850 Al ist ein Verfahren zur Vorbereitung der Oberfläche von Zylinderbohrungen bekannt. Es wird eine Oberflächenaufrauung durch eine zweifache spanabhebende Bearbeitung vorgenommen. Hierbei werden grobe Rillen- oder Wellenstrukturen erzeugt und in diese feinere Rillen- oder Wellenstrukturen eingearbeitet .
Die bekannten Verfahren zur Vorbehandlung oder Konditionierung der Oberflächen reichen für die Erzielung einer ausreichenden Haftfestigkeit thermisch gespritzter Schichten unter thermischer Wechsellast und mechanischer Beanspruchung nicht mehr aus .
Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zur Konditionierung von metallischen Oberflächen zur Verbesserung der Haftfähigkeit hierauf abgeschiedener thermische Spritzschichten, sowie die Bereitstellung beschichteter Bauteile mit hoher Schichthaftung.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem in einem ersten Verfahrensschritt in einer materialabhebenden, oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) in die Oberfläche eingebracht werden, so dass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen (3), insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen bildet, mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit aufgerauter Oberfläche, die für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet ist, mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie durch ein metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz- Schicht, mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Erfindungsgemäß ist somit ein mehrstufiges Verfahren zur Oberflächenbehandlung vorgesehen. In einem ersten Verfahrensschritt werden in einer materialabhebenden, oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen in die Oberfläche eingebracht. Hierdurch werden durch das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen, insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen gebildet. Hierauf folgte erfindungsgemäß mindestens ein weiterer Verfahrensschritt, der zu hinterschnitten Strukturen führt. Im zweiten Verfahrensschritt werden die erhabenen Mikrostrukturen in der Weise verformend und/oder brechend nachbearbeitet, dass ein wesentlicher Anteil der Strukturen Hinterschnitte bezüglich der Oberfläche ausbildet. Der zweite Verfahrensschritt kann auch einen Materialabtrag beinhalten, der aber im Vergleich zum ersten Verfahrensschritt nur vergleichsweise gering ist .
Durch die Hinterεchnitte ist eine sehr gute und wirksame mechanische Verklammerung der später abgeschiedenen Beschichtung zu erreichen. Da die Spritzpartikel der thermischen Spritzschicht bei der Abscheidung im Wesentlichen noch flüssig sind können sie sich auch in den hinterschnitten den Bereichen abscheiden. Bereits ein geringer Anteil an Beschichtungsmaterial im hinterschnittenen Volumen führt dabei zu einer ganz wesentlichen Verstärkung der Haftfestigkeit. Die Wirkung der Hinterschnitte ist insbesondere bei der Abscheidung der thermischen Spritzschichten von Bedeutung, da mit der Abkühlung der Schichten auch eine starke Schwindung des Schichtmaterials auftritt. Durch die Hinterschnitte ist ein Wegschrumpfen des Schichtmaterials von der Substratoberfläche stark behindert; die Haftung hierdurch wesentlich verbessert.
Bereits ein geringer Anteil hinterschnittener Strukturen zeigt die erfindungsgemäße Wirkung einer verbesserten Oberflächenhaftung der Schicht. Bevorzugt weisen mindestens 5% der erhabenen Mikrostrukturen mindestens einen hinterβchnittenen Bereich auf. Besonders bevorzugt haben mehr als 50 % der Mikrostrukturen Hinterschnitte. Die gesamte hinterschnittene Fläche in der Ebene parallel zur Metalloberfläche beträgt bevorzugt mindestens 3%, besonders bevorzugt mehr als 5 %.
Bezüglich der Einbringung der erhabenen Mikrostrukturen im ersten Verfahrensschritt sind im Prinzip die üblichen Verfahren zur Aufrauung von metallischen Oberflächen geeignet. Hierzu zählt beispielsweise das Zerspanen über Ausspindeln, Bürsten, Rändeln, Zirkularfräsen oder ähnliche Verfahren. Ebenso ist auch das Sandstrahlen geeignet.
Ein weiteres geeignetes Verfahren ist das Hochdruckwasserstrahlen, insbesondere Hochdruckwasserstrahlen mic Abrasivpartikeln .
Während der erste Verfahrensschritt zu einem Materialabtrag führt ist der zweite Verfahrensschritt so ausgelegt, dass nur unwesentlich oder möglichst überhaupt kein Material mehr vom Substrat entfernt wird. Der zweite Verfahrensschritt zielt darauf ab, die Form der Mikrostrukturen soweit zu verändern, dass neue Hinterschneidungen entstehen.
Nach diesem zweiten Verfahrensschritte können sich auch optional weitere Schritte anschließen, die zu einer weiteren Bildung von Hinterschnitten führen, oder eine Glättung der Oberfläche nach sich ziehen.
Die Erfindung soll an Hand schematische Zeichnungen und mikroskopischer Aufnahmen beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1 eine metallische Oberfläche (1) mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3) nach dem ersten Verfahrensschritt,
Fig. 2 eine metallische Oberfläche (1) nach dem zweiten
Verfahrensschritt mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3), welche Hinterschneidungen (4) in Form aufgeweiteter Spitzen aufweisen, Fig. 3 eine metallische Oberfläche (1) mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3) , nach dem ersten Verfahrensschritt,
Fig. 4 eine metallische Oberfläche (1) nach dem zweiten
Verfahrensschritt mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) und erhabene Mikrostrukturen (3), welche Hinterschneidungen (4) in Form gebogener Spritzen aufweisen,
Fig. 5 eine metallische Oberfläche (1) mit Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) mit Hinterschneidungen (4) nach dem zweiten Verfahrensschritt,
Fig. 6 Schliffbild eines Metallischen
Kraftfahrzeugbauteils quer zur Oberfläche (1) mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz -Schicht (5) , mit
Durchdringungsschicht (6) , Mikrostrukturen (3) und Hinterschneidungen (4)
Fig. 7 Schliffbild eines Metallischen
Kraftfahrzeugbauteils quer zur Oberfläche (1) mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht (5) , mit
Durchdringungsschicht (6), Mikrostrukturen (3) und Hinterschneidungen (4)
Fig. 8 Schliffbild eines Metallischen
Kraftfahrzeugbauteils quer zur Oberfläche (1) mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht (5) , mit Durchdringungsschicht (6) und pilz- oder druckknopfförmigen Mikrostrukturen (3)
In einer bevorzugten Ausgestaltung des zweiten Verfahrensschritts, wird die durch den ersten Verfahrensschritt aufgeraut Oberfläche einem Walzen, Pressen oder Bestrahlen mit festen und/oder flüssigen Medien ausgesetzt .
Eine der möglichen Auswirkungen dieses zweiten Verfahrensschritts ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Im ersten Verfahrensschritt werden Rillen in die Oberfläche eingebracht (Fig. 3) . Hierauf findet ein seitliches Umbiegen der erhabenen Mikrostrukturen (3) in Rillenform statt. Dies wird beispielsweise durch einen Walzvorgang durchgeführt. Eine bevorzugce Ausrichtung von umgebogenen oder geknickten Mikrostrukturen kann ebenso auch durch schräg ansetzende Bestrahlungsverfahren oder Pressverfahren erfolgen.
Das Bestrahlen ist dabei besonders geeignet, um ein in alle Richtungen gleichmäßig verteiltes Umbiegen, oder Knicken der erhabenen Strukturen zu bewirken. Geeignete Strahlmedien sind beispielsweise feine rundliche Pulver, mit geringer abrasiver Wirkung, insbesondere als Kugelstrahlen.
Es ist ebenso möglich, das Bestrahlen des zweiten Verfahrensschrittes mit milden abrasiven Bedingungen zu fahren, beispielsweise durch Sandstrahlen, oder Hochdruckwasserstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln. Die mittlere Partikelgröße der abrasiven Partikel sollte dabei bevorzugt in der gleichen Größenordnung oder feiner als die Rautiefe der zu bestrahlenden Oberfläche liegen. Bevorzugt wird hierbei keine Erhöhung der Rautiefe bewirkt, sondern vielmehr die Oberfläche der Mikrostrukturen selbst aufgeraut .
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt die Bildung der Hinterschnitte des zweiten Verfahrensschrittes durch thermische Verfahren. Als zweiter Verfahrensschritt wird hierbei eine thermische Behandlung der Oberfläche durchgeführt wird, welche zu einem Aufschmelzen der Spitzen der Mikrostrukturen führt .
Die Wirkung dieser Verfahrensvariante ist exemplarisch in Fig.l wiedergegeben. Im ersten Verfahrensschritt werden hier Rillen in die Oberfläche eingebracht (Fig. 3) . Hierauf erfolgt beispielsweise durch Beflammen der Oberfläche ein partielles Aufschmelzen der Mikrostrukturen (3) . Hierdurch werden Schmelzetröpfchen gebildet, deren Form nach dem Erstarren der Schmelze (Fig. 2) erhalten bleibt. Die Mikrostrukturen (3) weisen pilzförmige oder druckknopfförmige Strukturen auf und bilden Hinterschnitte (4) .
Weitere geeignete thermische Verfahren sind insbesondere eine Laser- oder Plasmaflammbehandlung.
In einer weiteren Variante des zweiten Verfahrensschritts wird ein spanabhebendes Verfahren eingesetzt. Dabei ist es maßgeblich, dass die Späne zum Teil nur unvollständig vom Material abgelöst werden. Hierdurch werden die erhabenen Mikrostrukturen teilweise geknickt und gebogen und zusätzliche Hinterschnitte durch die Spanbildung erzeugt. Werden für den ersten und den zweiten Verfahrensschritt jeweils spanabhebende Verfahren eingesetzt, so muss die zweite Schneide entsprechend wesentlich feiner ausgebildet sein.
Der erste Verfahrensschritt, kann je nach Auswahl des zweiten Schrittes vergleichsweise raue Oberflächen erzeugen, denn in der Regel führt der zweite Verfahrensschritt zu einer Verringerung des Rz-Wetes. Typischerweise liegt die Oberflächenrauigkeit bei Rz-Werten im Bereich von 20 bis 1000 μm. Bevorzugt werden Rz-Werte im Bereich von 20 bis 500 μrn eingestellt und besonders bevorzugt liegt der Rz-Wert nach dem ersten Verfahrensschritt im Bereich von 40 bis 100 μm.
Bevorzugt wird der zweite Verfahrensschritt so geführt, dass eine Verringerung der Rautiefe stattfindet. Wird als zweiter Verfahrensschritt beispielsweise das Walzen durchgeführt, so verringert sich die Rautiefe durch das Umbiegen oder Knicken der Mikrostrukturen deutlich. Bevorzugt führt der zweite Verfahrensschritt zu einer Verringerung der Oberflächenrauigkeit um mindestens 30 %. Besonders bevorzugt verringert der zweite Verfahrensschritt den Rz-Wert auf einen Bereich von 20 bis 100 μm.
In bevorzugter Kombination aus erstem und zweitem Verfahrensschritt werden zuerst durch Sand- und/oder Hochdruckwasserstrahlen beziehungsweise
Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln Ausnehmungen in die Oberfläche eingebracht und diese im zweiten Verfahrensschritt durch Hochdruckwasserstrahlen geringerer Strahlenergie ausgehöhlt. Entsprechende typische Strukturen nach dem zweiten Verfahrensschritt sind in Fig. 5 abgebildet. Vergleichbare Strukturen sind beispielsweise auch durch die Kombination aus Sand- und/oder Hochdruckwasserstrahlen mit nachfolgendem Pressen, Walzen oder Beflammen erhältlich. Hierdurch lassen sich insbesondere druckknopfförmige Oberflächenstrukturen erzeugen.
Nach dem zweiten Verfahrenschritt lassen sich im Prinzip weitere Verfahrenschritte anschließen. Beispielsweise kann ein weiterer umformender Verfahrenschritt nachgeschalcet v/erden .
Bevorzugt wird die Oberflächenbehandlung aber so geführt, dass unmittelbar nach dem zweiten Verfahrensschritt eine thermische Spritzschicht (5) aufgetragen werden kann. Dabei ist auch auf die Entfernung gegebenenfalls anhaftender Strahlpartikel oder Fräsrückstände zu achten.
Zu den besonders geeigneten Spritzverfahren zählen das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen, das Ξputtern, das Plasmaspritzen und das Lichtbogendrahtspritzen. Die Verfahren zeichnen sich dadurch aus, dass sehr feine schmelzflüssige oder weiche Tröpfchen oder Spritzpartikel abgeschieden werden, welche gut in die Hinterschneidungen eindringen können .
Der zweite Verfahrenschritc kann gegebenenfalls auch nur auf Bereiche der gesamten Bauteiloberfläche beschränkt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft Bauteile mit aufgerauter Oberfläche. Ein erfindungsgemäßes metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit aufgerauter Oberfläche, das für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet ist, weist über wesentliche Teile der aufgerauten Oberfläche wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige erhabene Mikrostrukturen in der Größenordnung von 20 bis 400 μm auf. Der wesentliche Anteil der Mikrostrukturen besitzt dabei Hinterschnitte.
Eine weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung weisen die metallischen Kraftfahrzeugbauteile aufgeraute Oberflächen auf, die für die Abscheidung thermischer Spritzschichten geeignet sind, wobei die aufgeraute Oberfläche napfförmige oder nach oben teilweise geschlossne Ausnehmungen und Vertiefungen in der Größenordnung von 20 bis 400 μm aufweist. Die Näpfe und teilweise geschlossenen Strukturen bilden Hinterschnitte bezüglich der Bauteiloberfläche. In bevorzugter Ausgestaltung beträgt die hinterschnittene Fläche in der Ebene parallel zur Metalloberfläche mindestens 3%. Besonders bevorzugt liegt die hinterschnitte Fläche im Bereich von 5 bis 30 %.
Ein weiterer Aspekt betrifft metallische Kraftfahrzeugbauteile mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht, die auf einer aufgerauten und mit Hinterschnitten versehenen Oberfläche abgeschieden ist.
Typische Beispiele derartiger beschichteter Bauteile sind in den Fig. 6 bis 8 als Schliffbild quer zur Schichtebene abgebildet. Am Grund der tribologischen oder Verschleißschutz-Schicht (5) liegt eine Durchdringungsschicht (6) vor, in die aus der Oberfläche (1) wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige Mikrostrukturen (3) mit einer Größenordnung von 20 bis 400 μm hineinragen .
Zur Erzeugung der Strukturen gemäß den Abbildungen Fig. 6 und 7 wurde als erster Verfahrenschritt ein Drehen angewendet, wobei Rillen in die Oberfläche eingebracht wurden. Die Breite der Mikrostrukturen liegt bei etwa 20 bis 100 μm, die Höhe bei ca. 30 bis 120 μm. Die mittels Lichtbogendrahtspritzen abgeschiedenen Schichten (5) erstrecken sich flächendeckend auch über die hinterschnittenen Bereiche (4) .
Die Mikrostrukturen der Oberfläche gemäß Fig. 8 wurden durch eine Kombination aus Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln und nachfolgendem Hochdruckwasserstrahlen erzeugt. Die Abscheidung der Schicht erfolgte durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen . Die Strukturen sind im Vergleich zu denen der Fig. 6 und 7 erheblich feiner.

Claims

DaimlerChrysler AG Zimmermann- Chopin31 . 01 . 2006Patentansprüche
1. Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten, indem in einem ersten Verfahrensschritt in einer materialabhebenden, oder materialabtragenden Behandlung Ausnehmungen oder Vertiefungen (2) in die Oberfläche eingebracht werden, so dass das überstehende Metall der Oberfläche erhabene Mikrostrukturen (3), insbesondere Vorsprünge, Rillen, Ausstülpungen oder Ausbuchtungen bildet, dadurch gekennzeichnet, dass diese Mikrostrukturen in mindestens einem zweiten Verfahrensschritt in der Weise verfoxmend und/oder brechend nachbearbeitet werden, dass ein wesentlicher Anteil der Strukturen Hinterschnitte (4) bezüglich der Oberfläche ausbildet.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verfahrensschritt ausgewählt wird aus Walzen, Pressen oder Bestrahlen mit festen und/oder flüssigen Medien.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Verfahrensschritt eine thermische Behandlung der Oberfläche durchgeführt wird, welche zu einem Aufschmelzen der Spitzen der Mikrostrukturen führt.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als zweiter Verfahrensschritt ein spanabhebendes Verfahren eingesetzt wird, bei dem die Späne zum Teil nur unvollständig vom Material abgelöst werden.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Verfahrensschritt wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige erhabene Mikrostrukturen gebildet werden.
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verfahrensschritt bis zu einer
Oberflächenrauigkeit von einem Rz-Wert im Bereich von 20 bis 400 μm durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verfahrensschritt die
Oberflächenrauigkeit um mindestens 1/3 senkt.
8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt Rillenstrukturen eingebracht werden und im zweiten Verfahrenschritt die Rillenkämme oder Nadelspitzen zumindest teilweise geknickt, umgebogen oder angeschrägt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Umbiegen in eine Vorzugsrichtung innerhalb der Ebene parallel zur Oberfläche erfolgt.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verfahrensschritt durch
Hochdruckwasserstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen mit Abrasivpartikeln erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass im ersten Verfahrensschritt durch Sand- und/oder Hochdruckwasserstrahlen Ausnehmungen in die Oberfläche eingebracht und im zweiten Verfahrensschritt durch Hochdruckwasserstrahlen geringerer Strahlenergie ausgehöhlt werden.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar nach dem zweiten Verfahrensschritt eine thermische Spritzschicht (5) aufgetragen wird.
13. Metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit aufgerauter
Oberfläche, geeignet für die Abscheidung thermischer
Spritzschichten, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgerauten Oberfläche wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige erhabene
Mikrostrukturen (3) in der Größenordnung von 20 bis 400 μm aufweist deren wesentlicher Teil Hinterschnitte bildet .
14. Metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit aufgerauter Oberfläche, geeignet für die Abscheidung thermischer Spritzschichten, dadurch gekennzeichnet, dass ein wesentlicher Teil der Oberfläche napffόrmige oder nach oben teilweise geschlossne Ausnehmungen und Vertiefungen in der Größenordnung von 20 bis 400 μm aufweist .
15. Metallisches Kraftfahrzeugbauteil nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die hinterschnittene Fläche (4) in der Ebene parallel zur
Metalloberfläche (1) mindestens 5% beträgt.
16. Metallisches Kraftfahrzeugbauteil mit thermisch gespritzter tribologischer oder Verschleißschutz-Schicht
(5) , dadurch gekennzeichnet, dass am Grund der Schicht eine Durchdringungsschicht (6) vorliegt, bei der metallische durch wulstförmige, pilzförmige, druckknopfförmige oder hakenförmige Mikrostrukturen (3) mit einer Größenordnung von 20 bis 400 μm in die tribologische oder Verschleißschutz-Schicht (5) hineinragen.
17. Verwendung eines metallischen Kraftfahrzeugbauteils nach Anspruch 17 als Zylinderlauffläche oder Gleitlager in Verbrennungsmotoren .
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