DE102009020674B4

DE102009020674B4 - Verfahren zum Herstellen eines Bauteils und beschichtetes Bauteil

Info

Publication number: DE102009020674B4
Application number: DE102009020674A
Authority: DE
Inventors: Manuel Michel; Johannes Wied
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2011-06-16
Anticipated expiration: 2029-05-12
Also published as: DE102009020674A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils als Zylinderlaufbahn, Pleuel oder Lagerschale in einem Verbrennungsmotor, welches eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht aufweist, bei welchem die Oberflächenschicht, insbesondere eine Lagermetalllegierungsschicht oder eine Verschleißschutzschicht, mittels eines Spritzverfahrens auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird und das Bauteil mit der Oberflächenschicht anschließend durch eine klopfende oder hämmernde Bearbeitung insbesondere mittels eines Schlagkopfes zur Nachverdichtung und Aufhärtung nachbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung des Bauteils mit einem mittleren Energieeintrag oder einer mittleren Verformungsenergie oberhalb 100 kJ/m² erfolgt und dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung des Bauteils zu einer Oberfläche der Spritzschicht führt, die ein Muster aus nahe beabstandeten, aneinandergrenzenden und/oder sich teilweise überlagernden Vertiefungen aufweist, die eine Fläche im Bereich von 0,2 bis 10 mm² besitzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 und ein beschichtetes Bauteil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Bei modernen Verbrennungsmotoren in Kraftwagen treten an Reibflächen, beispielsweise in Zylinderlaufbuchsen oder bei Pleuel, hohe mechanische Belastungen auf, die zu einem Materialabrieb führen können. Um die belasteten Materialbereiche verschleißbeständiger zu machen, werden in vielen Fällen Spritzschichten angewandt. Bevorzugte, allgemein bekannte Verfahren sind zum Beispiel das sogenannte Plasmaspritzen, das Flammspritzen oder das Lichtbogendrahtspritzen oder auch Kaltgasspritzverfahren. Diese, insbesondere thermischen, Spritzverfahren erhöhen zwar die Verschleißbeständigkeit des Grundmaterials (Substratmaterials), sie weisen jedoch verfahrensbedingt, auch eine gewisse Porosität auf. Diese Porosität liegt bei herkömmlichen Spritzschichten immer oberhalb etwa fünf Prozent. Durch die Porosität der Spritzschicht wird deren Festigkeit und Verschleißbeständigkeit deutlich gesenkt.
Üblicherweise werden die unbehandelten Spritzschichten durch Schleifverfahren oder durch sogenannte Honverfahren feinbearbeitet. In der DE 198 47 608 B4 wird zudem vorgeschlagen, die Porosität einer Spritzschicht dadurch zu reduzieren, indem die Spritzschicht durch eine spezielle Walze verdichtet wird. Durch dieses Walzen wird jedoch nicht der erforderliche Druck aufgebracht, der zu einer homogenen Oberfläche und einer homogen verdichteten Schicht führt.
Auch die DE 10 205 007 587 A1 beschreibt ein Verfahren zur Verdichtung einer thermischen Spritzschicht, wobei die Verdichtung durch ein mechanisches Verformen erfolgen soll.
Aus der WO 02072907 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von beschichteten Bohrungen bekannt. Die Bohrungswandung wird dabei mit einem Beschichtungsmaterial plasmagespritzt und die Bohrungswandung einer Rolldrückbearbeitung unterzogen.
Die DE 10 2005 007 587 A1 offenbart ein Verfahren zum Nachbehandeln von Beschichtungen aus thermischen oder kinetischen Spritzprozessen oder einem Kaltgasspritzprozess. Die aufgebrachten Schichten werden zumindest teilweise durch mechanische Verformung verdichtet.
Aus der DE 10 2006 033 004 A1 ist eine elektromechanische Vorrichtung zur Bearbeitung, Glättung und Kaltverfestigung der Oberfläche von Werkzeugen, Maschinen- und anderen Teilen durch das Hämmern eines Schlagkopfes auf deren Oberfläche bekannt.
Eine Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche auf einer Innenwand eines Zylinders, insbesondere der Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine, ist in der DE 198 47 308 B4 offenbart. Dabei werden mit einem an der Innenwand bewegten Pulverauftragsbrenner pulverförmige Zusatzstoffe thermisch aufgespritzt und im Anschluss an das Aufspritzen auf der Oberfläche des Grundmaterials durch Walzen verdichtet.
Nachteiligerweise führen bekannte Verfahren hierbei lediglich zu einer moderaten Verdichtung der Spritzschicht. Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass nur geringe Verformungsenergien eingetragen werden können, ohne dass die Beschichtungen abgeschert, abgelöst oder zerrüttet werden. Der Grad der Verdichtung und der Aufhärtung der Beschichtung sind noch unbefriedigend. Die Möglichkeiten einer lokalen Variation der Oberflächenbehandlung ist mit den bekannten Verfahren kaum gegeben.
Die Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine thermische Spritzschicht bereitzustellen, die gegenüber dem Stand der Technik eine niedrigere Porosität und eine höhere Festigkeit aufweist, sowie geeignete Verfahren zur Herstellung einer derartigen Beschichtung aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 und einem Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Bei einem solchen Verfahren wird zunächst eine Oberflächenschicht mittels eines thermischen Spritzverfahrens für eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht und das Bauteil mit der Oberflächenschicht anschließend durch eine klopfende oder hämmernde Bearbeitung mittels eines Klopfwerkzeuges nachbehandelt. Erfindungsgemäß ist hierbei vorgesehen, dass durch die klopfende oder hämmernde Behandlung des Bauteils eine sehr hohe Verformungsenergie in die Spritzschicht eingetragen wird, die im Mittel oberhalb 100 kJ/m² liegt.
Es ist von besonderer Bedeutung, dass durch den gewählten Prozess des Klopfens oder Hämmerns (im Folgenden auch zusammenfassend nur Klopfen genannt) eine sehr hohe Energie in die Oberfläche bzw. Spritzschicht eingetragen werden kann, ohne dass die Schicht zerrüttet wird, abplatzt oder abgestriffen wird. Es ist das Wesen des Prozesses, dass Verformungsenergien oberhalb ca. 100 kJ/m² eingetragen werden können. Je nach Spritzschicht sind Verformungsenergien oberhalb 150, 200 oder gar 300 kJ/m² zweckmäßig. Die Auswirkung dieser hohen Energien ist eine Verdichtung und ein Kaltschmieden des Werkstoffs der Spritzschicht.
Die Verformungsenergie kann beispielsweise durch die Differenz zwischen der kinetischen Energie des Klopfwerkzeugs vor dem Aufprall auf die Oberfläche und der kinetischen Energie danach ermittelt werden. Da die Größe der Werkzeugspitze unterschiedlich gewählt werden kann ist die Energie zweckmäßigerweise auf die Fläche des jeweiligen Abdrucks des Klopfwerkzeugs in der Spritschicht bezogen.
Die klopfende oder hämmernde Bearbeitung bringt dadurch, dass fortlaufend einzelne Abdrücke anstatt Bearbeitungsbahnen erzeugt werden ganz neue Verfahrensmöglichkeiten mit sich, die sich grundsätzlich vom bekannten Walzen oder Drücken abheben.
Insbesondere die gewünschte hohe Verformungsenergie der Behandlung erfordert spezielle Werkzeuge. Ein derartiges prinzipiell geeignetes Werkzeug ist beispielsweise aus der DE 10 2006 033 004 A1 bekannt. Dagegen sind Ultraschallverfahren, wie beispielsweise in der US 20080035627 A1 oder WO 2007060284 A1 nur bedingt geeignet.
Es hat sich nach mehreren Untersuchungen herausgestellt, dass insbesondere ein Klopfprozess, der ein derartiges periodisches wiederkehrendes Klopfen umfasst, zu einer besonders homogenen, porenfreien Spritzschicht führt. Insbesondere hat sich herausgestellt, dass durch den Klopfprozess eine besonders vorteilhafte Druckeigenspannung in die Oberfläche der Spritzschicht und zusätzlich in den Grundkörper des Bauteils eingebracht wird. Die Druckeigenspannung der thermischen Spritzschicht bewirkt, dass die Schicht durch den ihr innewohnenden Druck auf das Substrat gepresst wird und somit die Haftung auf dem Grundkörper erhöht wird. Diese Druckeigenspannung ist im Gegensatz zu einer Zugeigenspannung besonders vorteilhaft, da sie ein Abblättern der Schicht verhindert. Bei den metallischen Anteilen der Spritzschicht findet durch den Klopfprozess quasi ein Kaltschmieden statt. Hierdurch erfährt der metallische Werkstoff ebenfalls die durch Schmiedeprozesse bekannte Verfestigung bzw. Aufhärtung. Die Art der metallischen Oberfläche ist somit nur von untergeordneter Bedeutung, denn die beschriebenen Effekte lassen sich prinzipiell auf jeder Art metallischer Oberflächenbeschichtung erzeugen.
Der periodische Klopfprozess ist auch aus dem Grunde sehr vorteilhaft, da er sich durch viele verschiedene Parameter optimal einstellen lässt. Einer der Parameter des Klopfprozesses ist eine Klopffrequenz. Hierunter ist die Frequenz zu verstehen, mit der ein Klopfwerkzeug auf die Spritzschicht geklopft wird. Diese Klopffrequenz weist in vorteilhafter Weise mehr als 20 Hz auf. Dabei wird die Frequenz nach oben im Wesentlichen durch die benötigte Energie begrenzt, die in das Werkzeug eingetragen werden muss. Daher sind Werkzeuge mit Frequenzen unterhalb des Ultraschallbereichs besonders zweckmäßig.
Das Klopfwerkzeug kann in verschiedenen Geometrien ausgestaltet werden. Neben einer Zylinderform oder einer Tropfenform hat sich eine Kugelform als Werkzeugspitze des Klopfwerkzeugs besonders bewährt. Dabei hat sich herausgestellt, dass es besonders vorteilhaft ist, wenn ein Kugeldurchmesser der Werkzeugspitze zwischen 2 mm und 50 mm gewählt wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Größe des Klopfwerkzeugs bzw. der Werkzeugspitze, so gewählt werden, dass die Abdruckfläche in der behandelten Oberfläche im Bereich von Fläche im Bereich von 0,2 bis 10 mm² liegt.
Je nach Verformungsenergie oder Geometrie der Werkzeugspitze, können dabei Vertiefungen unterschiedlicher Tiefe gebildet werden.
Es ist auch von Bedeutung, in welchem Aufprallwinkel das Klopfwerkzeug auf die Schicht bzw. das Substrat aufschlägt. Dies ist insbesondere im Vergleich zu den bekannten Verfahren des Walzens ersichtlich, wo die Kräfte grundsätzlich nur in einem flachen Winkel (eher tangential) in die Oberfläche eingetragen werden können und daher hohe Scherkräfte auf die Beschichtung wirken. Ein Aufprallwinkel zwischen 5 Grad und 90 Grad hat sich als zweckmäßig erwiesen. Besonders günstig sind dabei Winkel im Bereich von 45° bis 90° und 60° bis 90°. Ideal ist ein etwa senkrechter Winkel.
Das Verfahren hat den großen Vorteil, dass sich selbst bei gewölbten oder komplexen Oberflächengeometrien des Bauteils aufgrund der geringen Abmessungen des Klopfwerkzeugs noch sehr steile Winkel oder senkrechte Winkel einstellen lassen.
Dieser Aufprallwinkel ist insbesondere bei der Bearbeitung von gekrümmten Oberflächen von Bedeutung.
Ein weiterer Parameter, mit dem sich das Ergebnis des Klopfprozesses nachhaltig beeinflussen lässt, ist die Wahl eines sogenannten Klopfspaltes. Hierunter ist der Hub zu verstehen, den das Klopfwerkzeug bei jeder Periode von der Oberfläche der Spritzschicht angehoben wird, um danach wieder auf die Spritzschicht aufzutreffen. Dieser Klopfspalt liegt in vorteilhafter Weise zwischen 0,01 mm und 3 mm.
Bei der Verwendung eines pneumatischen Klopfsystems können auch Klopfspalte deutlich größer als 3 mm günstig sein. Als Obergrenze sind hierbei etwa 10 mm von Bedeutung.
In einer weiteren erfindngsgemäßen Ausgestaltung erfolgt das Verdichten und Aufhärten der Spritzschicht in zwei Schritten. Hierdruch ist es ebenso möglich die sehr hohen Verformungsenergien in die Spritzschicht einzubringen. Die Verformungsenergie ist dabei in den beiden Schritten unterschiedlich gewählt, wobei die Energie beim zweiten Schritt höher liegt.
In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung wird dabei in einem ersten Schritt ein Klopfwerkzeug angewandt, das mit einem kleineren Klopfspalt auf die Spritzschicht niederschlägt. In einem nächsten Verfahrensschritt wird das Werkzeug verkleinert und der Abstand zum Substrat, also der Klopfspalt, erhöht. Bei der Verwendung von Kugeln als Klopfwerkzeuge weist die Kugel des ersten Schrittes einen größeren Durchmesser auf, als die Kugel des zweiten Verfahrensschrittes. Hierdurch wird die Oberfläche in dem ersten Schritt bereits vorverfestigt, durch den zweiten Verfahrensschritt, der durch den höheren Klopfspalt und die kleinere Kugel einen punktuell höheren Energieeintrag bewirkt, wird die Porosität in der Schicht noch einmal weiter reduziert und die Druckeigenspannung der Schicht sowie die Aufhärtung weiter erhöht.
Es ist weiterhin besonders vorteilhaft, wenn die Schläge des Klopfwerkzeuges gegen das Bauteil im zweiten Durchgang des Klopfprozesses eine höhere Energie aufweisen als die Schläge des Klopfwerkzeuges gegen das Bauteil im ersten Durchgang. Dabei sollte die Verformungsenergie im ersten Durchgang nicht höher sein als 50% der im darauf folgenden Schritt gewählte Verformungsenergie. Im ersten Durchgang wird die thermische Spritzschicht durch noch relativ niedrig energetisches Klopfen vorverdichtet, so dass im zweiten Durchgang höhere Energien eingebracht werden können, ohne die Oberflächenschicht zu schädigen. Im zweiten Durchgang werden daher besonders effizient Druckeigenspannungen sowohl in der Oberflächenschicht als auch im oberflächennahen Bereich des Grundkörpers des Bauteils aufgebaut, was die Festigkeit des Bauteils wesentlich verbessert. Bevorzugt liegt die Verformungsenergie im ersten Schritt bereits oberhalb 100 kJ/mm².
In vorteilhafter Weise werden durch das genannte Verfahren Spritzschichten behandelt, die als Gleit- oder Verschleißschutzschichten eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um Triboschichten, die einer tribologischen Beanspruchung ausgesetzt sind.
Hierzu zählen insbesondere Spritzschichten auf Bauteilen, die Bestandteil eines Verbrennungsmotors sind. Insbesondere Zylinderlaufbuchsen und Pleuel bzw. Lagerschalen haben sich als besonders geeignete Bauteile gezeigt, deren Beschichtungen durch das genannte Verfahren verdichtet, verfestigt und aufgehärtet werden können.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sowie weitere Merkmale werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei werden gleichbedeutende Merkmale in unterschiedlichen Ausgestaltungsformen jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen:
1 den schematischen Ablauf eines Klopfprozesses in zwei Schritten auf eine thermische Spritzschicht,
2 die Anwendung des Klopfprozesses an einer gewölbten Oberfläche eines Grundkörpers,
3 eine thermische Spritzschicht auf einem Grundkörper direkt nach dem Spritzprozess und
4 eine Spritzschicht nach dem Verdichtungsprozess.
Das Verfahren zur Herstellung einer Spritzschicht umfasst zwei Schritte. In dem ersten Schritt wird eine thermische Spritzschicht auf einem Grundkörper 4 aufgebracht. Verfahren zur Herstellung von thermischen Spritzschichten sind hinreichend bekannt. Es kann sich hierbei beispielsweise um ein Plasmaspritzen, ein Flammspritzen oder ein Lichtbogendrahtspritzen handeln. Auch weitere, hierbei nicht genannte Spritzverfahren können in diesem Verfahren Anwendung finden. Die so entstandene Spritzschicht 2 wird insbesondere auf ein Bauteil eines Verbrennungsmotors aufgebracht. Hierbei bieten sich Zylinderlaufbuchsen oder Pleuel bzw. Lagerschalen an. Die Spritzschicht 2 wird in einem weiteren Verfahrensschritt durch einen Klopfprozess verdichtet. Der Klopfprozess ist hierbei periodisch ausgestaltet, was bedeutet, dass ein Klopfwerkzeug periodisch angehoben wird und mit einer bestimmten Energie wieder auf die Spritzschicht 2 einschlägt. Die klopfende Bearbeitung des Bauteils wird dabei in mindestens zwei separaten Durchgängen durchgeführt, so dass sich eine besonders gute Reduktion der Porenanzahl der Oberfläche sowie besonders hohe Druckeigenspannungen im Bauteil ergeben.
In 1 ist schematisch ein derartiger Klopfprozess dargestellt. Hierbei wird eine ebenfalls schematisch dargestellte Klopfvorrichtung 24, die an einem Ende ein Klopfwerkzeug in Form einer Kugel 6 aufweist, periodisch auf und ab bewegt. Diese periodische Auf- und Abbewegung kann beispielsweise durch eine hier wiederum nur schematisch veranschaulichte Exzenterlagerung oder auch einen elektromagnetischen Antrieb ausgestaltet sein.
Neben den Exzenter- und elektromagnetischen Antrieben sind auch noch pneumatische Antriebe geeignet.
Die Klopfvorrichtung 24 in 1 ist in mehreren Zuständen dargestellt. Ganz links liegt die Kugel 6 der Klopfvorrichtung 24 gerade auf einer Spritzschicht 2, die wiederum auf einen Grundkörper 4 aufgebracht ist, auf. Spritzschicht 2 und Grundkörper 4 sind in dieser vereinfachten Darstellung nach 1 als ebene Flächen dargestellt, was dazu dient, den Klopfprozess schematisch leichter zu veranschaulichen. In einer nächsten Periode wird das Klopfwerkzeug angehoben, und es entsteht ein sogenannter Klopfspalt 12. Dieser Klopfspalt 12 bzw. ein weiterer, höherer Klopfspalt 14 sind in den beiden rechten Darstellungen der Klopfvorrichtung 24 gezeigt. Hierbei handelt es sich um einen oberen Umkehrpunkt, nach dessen Erreichen die Kugel 6 bzw. eine Kugel 20 wieder auf die Spritzschicht 2 herabfällt.
Dieser periodische Prozess kann sich mit einer Frequenz wiederholen, die in einem Bereich zwischen 20 Hz und 500 Hz (Klopffrequenz) liegen kann. Niedrigere Frequenzen bringen in der Regel nicht die gewünschte Verdichtungswirkung, höhere Frequenzen können der Schicht 2 schaden. Während des Klopfprozesses wird entweder das Substrat 4 mit der Spritzschicht 2 oder die Klopfvorrichtung 24 bewegt. Durch die so entstandene Relativbewegung zwischen dem Klopfwerkzeug und der Schicht 2 kommt es zur Verdichtung der Schicht 2 entlang einer vorbestimmten Linie.
Sowohl der Klopfspalt 12, 14 als auch der Durchmesser der Kugel 6, 20, die in dem vorliegenden Beispiel als Klopfwerkzeug ausgestaltet sind, haben sich als Parameter erwiesen, durch die der Verdichtungsprozess der Spritzschicht 2 maßgeblich beeinflusst werden kann. Deshalb soll im Weiteren anhand des Beispiels von 1 auf einen zweistufigen Verdichtungsprozess eingegangen werden.
In der rechten Hälfte der 1 sind 2 Klopfvorrichtungen 24 dargestellt, die durch eine gestrichelte Linie voneinander getrennt sind. Die linke Klopfvorrichtung 24 veranschaulicht einen ersten Schritt I des Verdichtungsprozesses. Hierbei wird ein Klopfwerkzeug mit einer Kugel 6 verwendet, die einen ersten Kugeldurchmesser 8 aufweist. Ferner ist die Klopfvorrichtung 24 im ersten Schritt I so eingestellt, dass zwischen der Spritzschicht 2 und der Kugel 6 im oberen Umkehrpunkt der Kugel 6 ein Klopfspalt 12 besteht. Dieser Klopfspalt 12 ist relativ gering. Er liegt beispielsweise bei 0,05 mm (bevorzugt zwischen 0,03 mm und 0,07 mm). Der Kugeldurchmesser liegt in diesem Beispiel bei 16 mm. In diesem Schritt I wird die thermische Spritzschicht 2 vorverdichtet. Die Kombination aus einem relativ niedrigen Klopfspalt 12 und einem relativ breiten Kugeldurchmesser 8 führt dazu, dass pro Flächeneinheit auf die Spritzschicht 2 eine relativ geringe Energie eingebracht wird.
Nach dem Vorverdichtungsschritt I erfolgt ein weiterer Verdichtungsschritt II. Dieser Verdichtungsschritt II ist in 1 rechts der gestrichelten Linie schematisch dargestellt. Die Klopfvorrichtung 24 ist gemäß Schritt II so ausgestaltet, dass das Klopfwerkzeug in Form einer Kugel 20 besteht, die einen zweiten Kugeldurchmesser 16 aufweist, der beispielsweise mit 8 mm Durchmesser nur halb so groß ist, wie der Kugeldurchmesser 8 der Kugel 6 aus dem Schritt I. Im Weiteren ist die Klopfvorrichtung 24 nach Schritt II so ausgestaltet, dass ein weiterer Klopfspalt 14 zum Tragen kommt, der mit beispielsweise 0,8 mm (bevorzugt 0,6 mm bis 1 mm) mehr als sechzehn mal so groß ist, wie der Klopfspalt aus dem Schritt I. Durch den geringeren Kugeldurchmesser 16 in Verbindung mit dem höheren Klopfspalt 14 wird im Schritt II pro Flächeneinheit eine deutlich höhere Energie in die Spritzschicht 2 eingebracht, als dies im Schritt I der Fall ist. Die bereits im Schritt I vorverdichtete Spritzschicht 2 wird an der Oberfläche 30 (vgl. 4) der Spritzschicht 2 weiter geglättet, und es wird dadurch eine in der Spritzschicht 2 und auch im Grundkörper 4 induzierte Druckeigenspannung weiter erhöht. Eine typischerweise zu erreichende Druckeigenspannung in einer gemäß der Schritte I und II behandelten Spritzschicht 2 beträgt etwa 70 MPa. Eine mit der Methode des Standes der Technik behandelte Spritzschicht, die gewalzt wurde, weist lediglich eine Druckspannung von 30 MPa auf. Eine nicht behandelte Spritzschicht 2 weist nicht nur keine Druckeigenspannung, sondern sogar eine für die Festigkeit negative Zugeigenspannung von 70 MPa auf.
In 2 ist dargestellt, wie eine Klopfvorrichtung 24 auch auf gewölbten Oberflächen, wie diese beispielsweise bei einem Pleuel oder bei einer Lagerschale der Fall ist, angewendet werden kann. Hierbei trifft die Kugel in einem bestimmten Aufprallwinkel 10 auf die Schicht 2. Der Grundkörper 4 in 2 ist in schematischer Form einer Pleuelunterhälfte dargestellt.
In den 3 und 4 sind schematisch zwei thermische Spritzschichten 2 bzw. zwei 2' dargestellt, wobei die 3 die Ausgangsstrukturen einer thermischen Spritzschicht 2 zeigt, die 4 zeigt dieselbe Spritzschicht nun als Spritzschicht 2' nach einem beschriebenen Verdichtungsverfahren. Die thermische Spritzschicht 2 gem. 3 weist eine sehr raue Oberfläche 28 auf, unterhalb der Oberfläche 28 umfasst die Spritzschicht 2 viele große Poren 26. Die Porosität einer Spritzschicht im Ausgangszustand beträgt in diesem Fall ca. 4%. Nach der beschriebenen Behandlung durch den periodischen Klopfprozess liegt eine thermische Spritzschicht 2' vor, die, wie in 4 gezeigt, eine glatte Oberfläche 30 aufweist, wobei die Porosität von 4% auf etwa 0,3% reduziert wurde.
Durch das beschriebene Verdichtungsverfahren, insbesondere durch die zwei Schritte I und II des periodischen Klopfprozesses kann die Topografie der Oberfläche, also der endgültigen Spritzschichtoberfläche 30 beeinflusst werden. Nach dem Vorverdichten gem. Schritt 1 können im Schritt II gezielt Profile in die Oberfläche 30 der Spritzschicht 2' eingebracht werden. Diese Profile können beispielsweise in Form von Öltaschen oder Riefen ausgestaltet werden. Derartige Öltaschen sind insbesondere bei ölgeschmierten Bauteilbereichen, wie beispielsweise einer Zylinderlauffläche, vorteilhaft. Durch gezielte Öltaschen oder Riefen kann das Öl in diesen Vertiefungen gelagert werden, was als sogenannte Reservoirs bezeichnet wird. Das in diesen topografischen Vertiefungen gelagerte Öl kann bei dem Reibprozess zwischen dem zu beschichtenden Teil und dem darauf bewegten Gegenstück in vorteilhafter Weise bei Bedarf schmierend wirken.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Bauteile, die insbesondere durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich sind. Dabei handelt es sich um Bauteile mit einer thermischen Spritzschicht aus Metalllegierungen oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff. Als Werkstoffe sind insbesondere aus Lagermetalllegierungen oder Verschleißschutzwerkstoffe von Bedeutung. Bei den Spritzschichten kann es sich auch um komplexe mehrlagige Schichtsysteme handeln, die bspw. aus Gleitlagern, Laufbahnen oder Verschleißschutzbeschichtungen bekannt sind. Erfindungsgemäß ist die Spritzschicht durch eine mechanische Nachbehandlung nachverdichtet und aufgehärtet.
Bei der Nachbehandlung handelt es sich um eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung.
Erfindungsgemäß sind Beschichtungen mit einer Porosität der Spritzschicht unterhalb 1,5 Vol.-% vorgesehen. Besonders bevorzugt liegt die Porosität der Spritzschicht bei unterhalb 1 Vol.-%.
Durch die klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung wird eine ganz charakteristische Oberflächentopographie erhalten. Die Oberfläche ist nicht mehr eben, sondern weist eine wellige Topographie auf, welche durch eine Vielzahl von Vertiefungen geprägt ist. Die Vertiefungen entsprechen dabei den Abdrücken der aus der hämmernden oder klopfenden Bearbeitung. In aller Regel lassen sich die einzelnen Abdrücke auch bei mehrmaliger oder überlagernder Nachbehandlung noch individuell erkennen.
Bevorzugt weist somit die Oberfläche der Spritzschicht ein Muster aus nahe beabstandeten, aneinandergrenzenden und/oder sich teilweise überlagernden Vertiefungen auf. Die Fläche der einzelnen Vertiefungen liegt dabei bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 10 mm². Die einzelnen Abdrücke können sich überlagern, so dass sich ein abgeflachtes Wellenprofil in der Oberfläche ergibt.
Die Vertiefungen entsprechen bevorzugt in ihrer Geometrie im Wesentlichen den Werkzeugspitzen der eingesetzten Klopf- oder Hammerwerkzeuge.
Das Muster der Vertiefungen, bzw. Abdrücke, kann unterschiedlich ausgestaltet sein.
In einer ersten Ausgestaltung ist das Muster durch eine regelmäßige Abfolge von bahnenförmigen Vertiefungen ausgebildet. Die Bahnen weisen dabei besonders bevorzugt eine gemeinsame Vorzugsrichtung auf. Hiermit können die Bahnen beispielsweise parallel. oder auch senkrecht zur später erfolgenden Gleit-, bzw. tribologischen Belastung der Oberfläche ausgerichtet werden. Dies ist insbesondere dann von Interesse, wenn geschmierte Gleitpaarungen eingesetzt werden und die Vertiefungen als Schmierstofftaschen ausgebildet sind, die in etwa senkrecht zur Gleitrichtung verlaufen.
Ebenso ist auch eine ungeordnete Anordnung der Vertiefungen möglich. Hier ist das Muster durch eine unregelmäßige oder stochastische Anordnung an Vertiefungen gebildet. Bevorzugt sind hier auch Fläche und Tiefe der einzelnen Vertiefungen unterschiedlich ausgebildet. Es hat sich gezeigt, dass gerade die stochastische Verteilung in geschmierten Gleitpaarungen besonders gute Ergebnisse liefert. Hierzu zählen beispielsweise Pleuel oder Zylinderlaufbahnen in Verbrennungsmotoren.
Das Bauteil kann dabei auch mehrere voneinander getrennte nachverdichtete und aufgehärtete Bereiche aufweisen. Diese können je nach Anforderungsprofil mit gleichen und/oder unterschiedlichen Mustern aus Vertiefungen ausgestattet sein.
Bezugszeichenliste

2: Spritzschicht
4: Substrat
6: Kugel (Klopfwerkzeug)
8: Kugeldurchmesser
10: Aufprallwinkel
12: Erster Klopfspalt
14: Zweiter Klopfspalt
16: Zweiter Kugeldurchmesser
20: Zweite Kugel
22: Lagerschale Pleuel
24: Klopfvorrichtung
26: Poren
28: Schichtoberfläche, ursprünglich
30: Schichtoberfläche, behandelt

Claims

Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Bauteils als Zylinderlaufbahn, Pleuel oder Lagerschale in einem Verbrennungsmotor, welches eine thermische Spritzschicht als Oberflächenschicht aufweist, bei welchem die Oberflächenschicht, insbesondere eine Lagermetalllegierungsschicht oder eine Verschleißschutzschicht, mittels eines Spritzverfahrens auf eine Oberfläche des Bauteils aufgebracht wird und das Bauteil mit der Oberflächenschicht anschließend durch eine klopfende oder hämmernde Bearbeitung insbesondere mittels eines Schlagkopfes zur Nachverdichtung und Aufhärtung nachbehandelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung des Bauteils mit einem mittleren Energieeintrag oder einer mittleren Verformungsenergie oberhalb 100 kJ/m² erfolgt und dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung des Bauteils zu einer Oberfläche der Spritzschicht führt, die ein Muster aus nahe beabstandeten, aneinandergrenzenden und/oder sich teilweise überlagernden Vertiefungen aufweist, die eine Fläche im Bereich von 0,2 bis 10 mm² besitzen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung der Oberflächenschicht in mindestens zwei Durchgängen mit steigender Energie erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die klopfende oder hämmernde Bearbeitung der Oberflächenschicht solange durchgeführt wird, bis die Porosität der Oberflächenschicht unter 1,5 Vol.-% gesunken ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Klopfprozess eine Klopffrequenz von mehr als 20 Hz hat.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Werkzeugspitze des Klopfwerkzeugs als Kugel (6, 20) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kugeldurchmesser des Klopfwerkzeuges (8, 16) zwischen 2 mm und 50 mm gewählt wird und die Fläche des Abdrucks auf 0,5 bis 6 mm² eingestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkzeugspitze des Klopfwerkzeugs bezüglich der Oberfläche des Bauteils einen Aufprallwinkel (10) zwischen 45° und 90° aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Klopfspalt (12, 14) zwischen 0,01 mm und 3 mm beträgt und im ersten Schritt (I) ein erster Klopfspalt (12) mit einem ersten Klopfwerkzeug zur Anwendung kommt und im zweiten Schritt (II) ein zweiter Klopfspalt (14) mit einem zweiten Klopfwerkzeug zur Anwendung kommt, wobei der zweite Klopfspalt (14) größer ist als der erste Klopfspalt (12) und das zweite Klopfwerkzeug kleiner ist als das erste.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Klopfwerkzeuge des ersten Schritts und des zweiten Schrittes Kugeln (6, 20) sind, und die Kugel (6) des ersten Schritts einen größeren Durchmesser (8) aufweist als die Kugel (20) des zweiten Schrittes.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schläge des Klopfwerkzeuges gegen das Bauteil im Bereich der Oberflächenschicht im zweiten Durchgang eine höhere Energie aufweisen als die Schläge des Klopfwerkzeugs gegen das Bauteil im Bereich der Oberflächenschicht im ersten Durchgang.
Bauteil in einer Gleitpaarung in Verbrennungsmotoren mit einer thermischen Spritzschicht aus Metalllegierungen oder einem Metall/Keramik-Verbundwerkstoff, insbesondere aus Lagermetalllegierungen oder Verschleißschutzwerkstoffen, bei dem die Spritzschicht durch eine klopfende oder hämmernde mechanische Nachbehandlung nachverdichtet und aufgehärtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Spritzschicht unterhalb 1,5 Vol.-% liegt und die Oberfläche der Spritzschicht ein Muster aus nahe beabstandeten, aneinandergrenzenden und/oder sich teilweise überlagernden Vertiefungen aufweist, die eine Fläche im Bereich von 0,2 bis 10 mm² besitzen.
Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen in ihrer Geometrie im Wesentlichen den Werkzeugspitzen der Klopf- oder Hammerwerkzeuge entsprechen.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster durch eine regelmäßige Abfolge von bahnenförmigen Vertiefungen, die in einer Vorzugsrichtung verlaufen, gebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Muster durch eine unregelmäßige oder stochastische Anordnung an Vertiefungen gebildet ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Vertiefungen mit unterschiedlicher Tiefe und unterschiedlicher lateralen Abmessungen gebildet sind.
Bauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das das Bauteil mehrere voneinander getrennte nachverdichtete und aufgehärtete Bereiche mit gleichen und/oder unterschiedlichen Mustern aus Vertiefungen aufweist.