WO2011076347A1 - Verfahren zum beschichten einer oberfläche und kraftwagenbauteil - Google Patents

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WO2011076347A1
WO2011076347A1 PCT/EP2010/007512 EP2010007512W WO2011076347A1 WO 2011076347 A1 WO2011076347 A1 WO 2011076347A1 EP 2010007512 W EP2010007512 W EP 2010007512W WO 2011076347 A1 WO2011076347 A1 WO 2011076347A1
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coating
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internal combustion
combustion engine
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Tony Amende
Matthias Walther
Birgit Nick
Karl Holdik
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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
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a surface after
  • Coating material thermally molten or fused, atomized, in one
  • Carrier gas jet is thrown onto the substrate and deposited on the surface to be coated.
  • Known methods are, for example, arc spraying,
  • Plasma flame spraying, fuel gas-oxygen flame spraying and the like is known for example from DE 35 19 307 A1.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a method according to the preamble of claim 1, which allows the application of particularly durable coatings on components. It is still the task of present invention to provide a motor vehicle component according to the preamble of claim 6, which has a particularly durable coating.
  • the infiltration of open-pore layers with a plastic increases the layer stability and inhibits the break-out of individual particles of the layer. Furthermore, by infiltrating with plastic, the ability of the layer to absorb ambient media can be selectively adjusted or completely prevented.
  • the plastic medium is cured. This can be done by chemical reactions between components of the plastic medium, for example a resin / hardening system. Curing can also be accomplished by heating or evaporating a solvent contained in the plastic medium.
  • friction reducing additives are particularly in cylinder liners or
  • Lagerschalenbetik useful, since by means of these additives also in Lack lubrication of tribologically polluting surfaces prevents total failure and minimizes wear.
  • the invention further relates to a motor vehicle component, in particular a cylinder housing of an internal combustion engine or a bearing for a component of an internal combustion engine or a transmission.
  • a motor vehicle component has one by means of a thermal spraying method, in particular by means of arc spraying, on at least one
  • the wear of such coatings can be reduced by the plastic filling of the cavities of porous coatings, since layer breakages are avoided.
  • the infiltration of the layer is reduced with ambient media, which in particular in such treated cylinder liners to a reduction in oil consumption of the respective
  • the plastic medium is formed as a multi-component resin or as a solvent-soluble plastic. It is particularly appropriate to the
  • Plastic medium friction-reducing additives in particular graphite and / or
  • 1A and 1B are a schematic representation of the coating of a surface by a thermal spraying method
  • Fig. 2 is a schematic perspective view of the structure of a thermal spray-receiving layer and 3 is a cross-sectional view of the layer according to FIG. 2.
  • the coating 10 comprises, as shown in FIG. 2,
  • the cavities 28 of the coating 10 impart a pronounced lamellar structure.
  • the cavities 28 reduce the stability of the coating 10, since the coating in the vicinity of the cavities 28 can break out.
  • the desired surface properties of the component 14 are lost as a result. If the coating 10 is to be used for surfaces that come into contact with ambient media, such as cylinder liners of an internal combustion engine, such ambient media, in this case oil and water, can penetrate into the cavities 28. In such a coated cylinder bore of an internal combustion engine thereby the oil consumption is increased and the
  • the coating 10 is infiltrated after spraying with a plastic medium.
  • a vacuum is applied, which reduces the pressure in the cavities 28 of the coating 10.
  • a liquid and flowable medium for example a multicomponent resin or a plastic dissolved in a solvent, is applied to the layer. Due to the
  • Hardened filtration medium in the sequence, so that the cavities 28 of the layer 10 with the plastic medium are filled in solid form.
  • the curing may optionally be accelerated or improved by a heat treatment.
  • the infiltration medium can also friction-reducing additives in the form of lubricants such as graphite, molybdenum sulfide, tungsten disulfide or
  • Polytetrafluoroethylene may be added to improve the tribological properties of the coating 10. This is especially true for coatings of
  • the friction-reducing additives reduce the wear of such coatings and lead to total failure
  • coatings 10 with particularly good mechanical durability, less disruption in the case of alternating load, increased wear resistance and lower infiltration tendency of media which come into contact with the coating result.
  • the described method can be used independently of coating methods and materials in all open-pored layers.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (12), insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine oder eines Lagers für eine Komponente einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes, bei welchem mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogenspritzens, eine Schicht (10) eines Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Oberfläche (12) aufgebracht wird, wobei nach dem Aufbringen der Schicht (10) Hohlräume (28) der Schicht mit einem Kunststoffmedium infiltriert werden.

Description

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche und Kraftwagenbauteil
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Kraftwagenbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6.
Beim Beschichten von Oberflächen mit thermischen Spritzverfahren wird
Beschichtungsmaterial thermisch auf- oder angeschmolzen, zerstäubt, in einem
Trägergasstrahl auf das Substrat geschleudert und auf der zu beschichtenden Oberfläche abgeschieden. Bekannte Verfahren sind beispielsweise das Lichtbogenspritzen,
Plasmaflammspritzen, Brenngas-Sauerstoff-Flammspritzen und dergleichen. Ein solches Beschichtungsverfahren ist beispielsweise aus der DE 35 19 307 A1 bekannt.
Aufgrund der Schichtbildung durch Überlagerung einzelner Spritzpartikel ergibt sich abhängig vom verwendeten Beschichtungsverfahren und eingesetzten Werkstoff eine inhomogene Schichtstruktur, die Lamellen, Poren und Einschlüsse aufweisen kann.
Besonders das Lichtbogenspritzen, wie es beispielsweise zur Beschichtung von
Zylinderlaufbahnen in Brennkraftmaschinen von Kraftwagen Anwendung findet, führt zu stark offenporigen Schichtstrukturen mit ausgeprägten Lamellen. Unter mechanischer Belastung können solchen offenporigen Schichten ausbrechen, was die mechanische Beständigkeit stark verringert. Ferner können Umgebungsmedien wie Wasser oder Öl in die Porenstrukturen eindringen, was beispielsweise bei Zylinderlaufbahnen zu einem hohen Ölverbrauch der Brennkraftmaschine oder zu gesteigerter Korrosionsneigung führen kann.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 bereitzustellen, welches das Aufbringen von besonders beständigen Beschichtungen auf Bauteilen ermöglicht. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Kraftwagenbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 6 bereitzustellen, welches eine besonders beständige Beschichtung aufweist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Kraftwagenbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche, insbesondere einer Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine oder eines Lagers für eine Komponente einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes, wird mittels eines thermischen
Spritzverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogenspritzens, eine Schicht eines
Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht. Nach Aufbringen der Schicht werden erfindungsgemäß Hohlräume der Schicht mit einem Kunststoffmedium infiltriert. Durch die Infiltration von offenporigen Schichten mit einem Kunststoff wird die Schichtstabilität erhöht und das Ausbrechen einzelner Partikel der Schicht gehemmt. Ferner kann durch die Infiltration mit Kunststoff das Vermögen der Schicht, Umgebungsmedien aufzunehmen, gezielt eingestellt oder ganz verhindert werden.
Bevorzugt erfolgt das Infiltrieren der Schicht unter Vakuum oder Unterdruck. Hierdurch wird das Eindringen von flüssigen und fließfähigen Füllstoffen in die Poren der Schicht erleichtert und die Eindringtiefe gesteigert.
Vorzugsweise wird nach vollendeter Infiltrierung das Kunststoffmedium ausgehärtet. Dies kann durch chemische Reaktionen zwischen Komponenten des Kunststoff mediums, beispielsweise eines Harz/Härtesystems, geschehen. Ein Aushärten kann darüber hinaus durch Erwärmen oder Abdampfen eines im Kunststoffmedium enthaltenen Lösungsmittels bewerkstelligt werden.
Bei tribologisch beanspruchten Spritzschichten ist es besonders zweckmäßig, dem Kunststoffmedium reibungsmindernde Zusätze beizugeben. Insbesondere können hierfür Graphit, Molybdänsulfid, Wolframdisulfid und Polytetrafluorethylen (PTFE) Anwendung finden. Durch derartige Zusätze kann erreicht werden, dass mittels des Verfahrens nicht nur die mechanischen Eigenschaften der Schicht verbessert werden, sondern der Schicht auch zusätzliche funktionelle Eigenschaften verliehen werden. Durch
reibungsmindernden Zusätze sind besonders bei Zylinderlaufbahnen oder
Lagerschalenbeschichtungen sinnvoll, da mittels dieser Zusätze auch bei Mangelschmierung der tribologisch belastenden Flächen ein Totalversagen verhindert und der Verschleiß minimiert wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Kraftwagenbauteil, insbesondere ein Zylindergehäuse einer Brennkraftmaschine oder ein Lager für eine Komponente einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes. Ein solches Kraftwagenbauteil weist eine mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogenspritzens, auf wenigstens eine
Oberfläche des Bauteils aufgebrachte Schicht aus einem Beschichtungsmittel auf.
Erfindungsgemäß ist hier vorgesehen, dass die Hohlräume der Schicht zumindest teilweise mit einem Kunststoffmedium gefüllt sind. Wie bereits anhand des
erfindungsgemäßen Verfahrens geschildert, kann durch die Kunststofffüllung der Hohlräume poröser Beschichtungen der Verschleiß solcher Beschichtungen reduziert werden, da Schichtausbrüche vermieden werden. Gleichzeitig wird die Infiltration der Schicht mit Umgebungsmedien reduziert, was insbesondere bei derartig behandelten Zylinderlaufbahnen zu einer Reduzierung des Ölverbrauchs der jeweiligen
Brennkraftmaschine führt. Bei Lagern kann aufgrund der erhöhten Schichtstabilität eine höhere Belastung des Lagers in Kauf genommen werden, da derart infiltrierte Schichten den im Lager auftretenden Wechselbelastungen wesentlich besser stand zu halten vermögen.
Vorzugsweise ist das Kunststoffmedium als Mehrkomponentenharz oder als in einem Lösemittel löslichen Kunststoff ausgebildet. Es ist besonders zweckmäßig, den
Kunststoffmedium reibungsmindernde Zusätze, insbesondere Graphit und/oder
Molybdänsulfid und/oder Wolframdisulfid und/oder Polytetrafluorethylen (PTFE) zuzusetzen, um der Schicht zusätzliche, tribologisch vorteilhafte Eigenschaften zu verleihen. Insbesondere verbessern derartige Zusätze die Laufeigenschaften von Zylinderlaufbahnen und verhindern ein Totalversagen bei Mangelschmierung, bei gleichzeitig verringerten Verschleiß im Normalbetrieb.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
Fig. 1A und 1 B eine schematische Darstellung des Beschichtens einer Oberfläche durch ein thermisches Spritzverfahren,
Fig. 2 eine schematische perspektivische Ansicht der Struktur einer durch thermisches Spritzen erhaltenden Schicht und Fig. 3 eine Schliffdarstellung der Schicht gemäß Fig. 2.
Zum Aufbringen einer Beschichtung 10 auf eine Oberfläche 12 eines Bauteils 14 wird das Beschichtungsmaterial in einem Spritzbrenner 16 thermisch aufgeschmolzen und in einem Trägergasstrom in der Düse 18 des Spritzbrenners 16 zerstäubt. Durch den Trägergasstrom werden Teilchen 20 des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche 12 des Bauteils 14 hin beschleunigt und lagern sich auf der Oberfläche 12 ab. Die einzelnen Spritzpartikel überlagern und verbinden sich, wodurch die Beschichtung 10 eine
Mikrostruktur erhält. Die Beschichtung 10 umfasst, wie in Fig. 2 dargestellt,
aufgeschmolzene und verbundene Partikel 22, nicht aufgeschmolzene Partikel 24, im Zuge des Spritzens oxidierte Partikel 26 sowie Hohlräume 28.
Wie die metallographische Schliffdarstellung in Fig. 3 zeigt, verleihen die Hohlräume 28 der Beschichtung 10 eine ausgeprägte Lamellenstruktur. Die Hohlräume 28 reduzieren die Stabilität der Beschichtung 10, da die Beschichtung im Umfeld der Hohlräume 28 ausbrechen kann. Die gewünschten Oberflächeneigenschaften des Bauteils 14 gehen dadurch verloren. Soll die Beschichtung 10 für Oberflächen verwendet werden, die mit Umgebungsmedien in Berührungen kommen, wie beispielsweise Zylinderlaufbahnen einer Brennkraftmaschine, so können solche Umgebungsmedien, in diesem Fall Öl und Wasser, in die Hohlräume 28 eindringen. Bei einer derart beschichteten Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine wird hierdurch der Ölverbrauch gesteigert und die
Korrosionsneigung erhöht.
Um die Stabilität der Beschichtung 10 zu verbessern und das Eindringen von
Umgebungsmedien zu unterbinden, wird die Beschichtung 10 nach dem Spritzen mit einem Kunststoffmedium infiltriert. Zunächst wird ein Vakuum angelegt, welches den Druck in den Hohlräumen 28 der Beschichtung 10 reduziert. In der Folge wird ein flüssiges und fließfähiges Medium, beispielsweise ein Mehrkomponentenharz oder ein in einem Lösemittel gelöster Kunststoff, auf die Schicht aufgebracht. Aufgrund des
Unterdrucks dringt das Infiltrationsmedium in die Hohlräume 28 der Schicht 10 ein und füllt diese aus.
Durch chemische Reaktion von Komponenten des Mehrkomponentenharzes bzw. durch Abdampfen des Lösungsmittels im Fall von gelösten Kunststoffen wird das
Filtrationsmedium in der Folge ausgehärtet, so dass die Hohlräume 28 der Schicht 10 mit dem Kunststoffmedium in fester Form gefüllt sind. Das Aushärten kann gegebenenfalls durch eine Wärmebehandlung beschleunigt bzw. verbessert werden.
Dem Infiltrationsmedium können darüber hinaus reibungsminimierende Zusätze in Form von Schmierstoffen wie Graphit, Molybdänsulfid, Wolframdisulfid oder
Polytetrafluorethylen (PTFE) zugesetzt werden, um die tribologischen Eigenschaften der Beschichtung 10 zu verbessern. Dies ist insbesondere bei Beschichtungen von
Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen sowie bei Beschichtungen von
Lagerbauteilen von besonderer Bedeutung. Durch die reibungsmindernden Zusätze wird der Verschleiß solcher Beschichtungen reduziert und ein Totalversagen bei
Mangelschmierung vermieden. Insgesamt ergeben sich so Beschichtungen 10 mit besonders guter mechanischer Haltbarkeit, weniger Zerrüttung bei Wechselbelastung, erhöhter Verschleißsicherheit und geringerer Infiltrationsneigung von Medien, die mit der Beschichtung in Kontakt kommen. Das geschilderte Verfahren kann unabhängig von Beschichtungsverfahren und Werkstoffen bei allen offenporigen Schichten Anwendung finden.
Bezugszeichenliste
10 Schicht
12 Oberfläche
14 Bauteil
16 Spritzbrenner
18 Düse
20 Teilchen
22 aufgeschmolzene Partikel 4 nicht aufgeschmolzene Partikel 6 oxidierte Partikel
8 Hohlräume

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (12), insbesondere einer
Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine oder eines Lagers für eine Komponente einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes, bei welchem mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels Lichtbogenspritzens, eine Schicht (10) eines Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Oberfläche (12) aufgebracht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Aufbringen der Schicht (10) Hohlräume (28) der Schicht mit einem Kunststoffmedium infiltriert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Infiltrieren unter Vakuum oder Unterdruck erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Infiltrieren das Kunststoffmedium ausgehärtet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aushärten durch Erwärmen, Abdampfen eines im Kunststoffmedium
enthaltenen Lösemittels oder chemische Reaktion wenigstens zweier im
Kunststoffmedium enthaltener Komponenten erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunststoffmedium reibungsmindernde Zusätze, insbesondere Graphit und/oder Molybdändisulfid und/oder Wolframdisulfid und/oder PTFE, zugesetzt werden.
Kraftwagenbauteil (14), insbesondere Zylindergehäuse einer Brennkraftmaschine oder Lager für eine Komponente einer Brennkraftmaschine oder eines Getriebes, mit einer mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere mittels
Lichtbogenspritzens, auf wenigstens eine Oberfläche (12) des Bauteils (14) aufgebrachten Schicht (10) aus einem Beschichtungsmittel,
dadurch gekennzeichnet, dass
Hohlräume (28) der Schicht (10) zumindest teilweise mit einem Kunststoffmedium gefüllt sind.
Kraftwagenbauteil (14) nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kunststoffmedium als Mehrkomponentenharz oder als in einem Lösemittel löslicher Kunststoff ausgebildet ist.
Kraftwagenbauteil (14)nach Anspruch 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Kunststoff medium reibungsmindernde Zusätze, insbesondere Graphit und/oder Molybdänsulfit und/oder Wolfradisulfit und/oder PTFE, enthält.
PCT/EP2010/007512 2009-12-23 2010-12-09 Verfahren zum beschichten einer oberfläche und kraftwagenbauteil WO2011076347A1 (de)

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