DE19511628C2 - Verfahren zum Beschichten einer Lauffläche einer Kolbenstange einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit - Google Patents

Verfahren zum Beschichten einer Lauffläche einer Kolbenstange einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit

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Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten einer Lauffläche einer Kolbenstange einer hydraulischen Kolben-Zylinder-Einheit, wobei die Kolbenstange eine Länge bis zu 25 m aufweist.
Bei einem aus der DE 39 10 725 C1 bekannten Verfahren wird eine aus Stahl bestehende Kolbenstange eines hydraulischen Zylinders zunächst mit einer metallischen Haftschicht aus Nickel und Chrom und anschließend mit einer keramischen Schicht versehen, die aus Aluminiumoxid (Al2O3) mit einem Anteil Titandioxid (TiO2) besteht. Der Anteil des Titandioxid soll dabei mindestens 10 % betragen. Die keramische Schicht wird mit einer Dicke von 100 µm bis 300 µm ausgeführt, während die Dicke der metallischen Schicht zwischen 10 µm und 70 µm liegen soll.
Das bekannte Verfahren dient zum Beschichten von solchen Kolbenstangen, wie sie vorzugsweise an Schleusen, Brücken, im Offshore-Bereich und an Bord von Schiffen eingesetzt werden, wo diese Kolbenstangen einer besonders aggressiven Umgebung ausgesetzt sind.
Es hat sich herausgestellt, daß derartige bekannte Verfahren nicht immer zu optimalen Ergebnissen führen. Insbesondere hat sich im Langzeitgebrauch als nachteilig erwiesen, daß thermisch gespritzte Schichten, die überwiegend durch Adhäsion auf dem Grundkörper bzw. aufeinander haften, mechanisch empfindlich sind, wenn die Kolbenstangen starken thermischen Schwankungen ausgesetzt werden. Dies liegt daran, daß zum Beispiel keramische Beschichtungen mit Aluminiumoxid und Titandioxid ein relativ loses Gefüge haben. Auch die Korrosionsbeständigkeit derartiger Schichten ist nicht in allen Einsatzfällen so gut wie erwartet.
Aus der DE 41 37 224 C1 ist ein Pumpenkolben für eine Kraftstoff­ einspritzpumpe einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Pumpenkolben ist auf seiner Mantelfläche mit einer Hartstoffbeschichtung versehen, die unter anderem aus Chromoxid bestehen und mittels Plasmaspritzen aufgebracht werden kann. Pumpenkolben dieser Art haben Abmessungen in der Größenordnung von einigen cm.
Aus der DE 40 40 975 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinderblockes bekannt. Bei dem bekannten Verfahren wird jede Zylinderlaufbahn des Zylinderblockes mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen. Für die Verschleißschicht werden nicht­ metallische Hartstoffe, insbesondere deren Oxide, bspw. Chrom­ oxid, verwendet. Um die Haftung der Verschleißschicht zu verbessern, kann zuvor eine Metallegierung als Haftschicht aufgebracht werden. Auch bei Zylinderblöcken handelt es sich um relativ kompakte Maschinenteile, wobei die Zylinderlaufbahnen ebenfalls eine Länge von einigen cm aufweisen.
Aus der US 3 505 101 ist eine hochtemperaturbeständige und abriebfeste Beschichtung bekannt, die in der Luft- und der Raumfahrtindustrie eingesetzt wird, insbesondere für dünnwandige Nasenabschnitte von Höchstgeschwindigkeits-Flugkörpern und Raumfahrzeugen. Die Beschichtung wird mittels Flammspritzen erzeugt, wobei eine Pulvermischung von z. B. 80 Vol.-% Chromoxid und 20 Vol.-% Aluminiumoxid erzeugt wird.
Aus PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, C-408, 6. März 1987, Vol. 11/No. 75, ist eine abriebfeste Oberflächenbeschichtung bekannt, bei der ein Chromoxid-Pulver mittels Plasmasprühen zum Erzeugen einer abriebfesten Oberfläche auf einen Gegenstand aufgetragen wird.
Aus PATENTS ABSTRACTS OF JAPAN, C-433, 03. Juli 1987, Vol. 11/No. 206, ist eine Gleitverbindung bekannt, bei der zum Erzielen guter Gleiteigenschaften auf ein metallisches Basismaterial eine Chromoxid-Schicht mittels thermischen Spritzens aufgebracht wird. Hierzu wird das metallische Basismaterial zunächst mit mehreren Lagen vorbeschichtet, die abwechselnd aus einer Nickel- Chrom-Aluminiumlegierung und einer Zirkonoxid-Keramik bestehen. Als oberste Schicht wird dann eine Lage Chromoxid aufgetragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß sich an den Laufflächen von Kolben-Zylinder-Einheiten eine höhere Korrosionsbeständigkeit, ein dichteres Gefüge, ein höherer Verschleißwiderstand und eine geringere Porosität ergeben, wobei die thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung möglichst gut an den Ausdehnungskoeffizienten des Materials des Grundkörpers angeglichen werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die folgenden Schritte gelöst:
  • a) Thermisches Spritzen einer keramischen Hartstoff­ schicht auf die Lauffläche, wobei die Hartstoffschicht zwischen 55% und 65%, vorzugsweise 60%, Chromoxid (Cr2O3) und zwischen 35% und 45%, vorzugsweise 40%, Titanoxid (TiO2) enthält;
  • b) Rundschleifen der beschichteten Lauffläche bis zu einer Rauhigkeit von etwa 0,5 µm;
  • c) Feinbearbeiten der rundgeschliffenen Lauffläche mittels Honen; und
  • d) Polieren der feinbearbeiteten Lauffläche mittels Diamant-Schleifbändern bis zu einer End-Rauhigkeit von etwa 0,05 µm.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
Eine keramische Hartstoffschicht, die Chromoxid enthält, hat sich nämlich als deutlich korrosionsbeständiger als eine vergleichbare Hartstoffschicht erwiesen, die Aluminiumoxid und Titandioxid enthält. Die Chromoxid-Schicht hat darüber hinaus ein dichteres Gefüge und einen höheren Verschleißwiderstand. Das dichtere Gefüge bedingt zugleich eine geringere Porosität, so daß auch von daher die mechanische Stabilität und die Unanfälligkeit gegenüber Korrosion erhöht wird. Ferner hat sich gezeigt, daß erfindungsgemäße Schichten mindestens die gleichen thermischen Ausdehnungseigenschaften wie bekannte Schichten haben, so daß auch bei Temperatursprüngen keine mechanischen Beschädigungen zu befürchten sind. Schließlich hat die erfin­ dungsgemäße Schicht eine höhere Duktilität. Sie kann besonders gut mechanisch nachbearbeitet werden, so daß erstmals Rauhig­ keiten im Bereich von einigen 0,01 µm erreicht werden können.
Zusätzlich kann auch Siliziumdioxid (SiO2) eingesetzt werden. Der Anteil von Siliziumdioxid liegt dabei vorzugsweise zwischen 3% und 10%.
Die Dicke der keramischen Hartstoffschicht liegt vorzugsweise zwischen 150 µm und 500 µm.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird die keramische Hartstoffschicht lagenweise mit Teilchen unterschiedlicher Größe aufgebracht. Vorzugsweise wird zunächst eine Lage von kleineren Teilchen und darauf eine Lage von größeren Teilchen aufgebracht.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine weit bessere Verankerung der keramischen Hartstoffschicht in der darunterliegenden Schicht oder dem darunterliegenden Grundkörper erreicht werden kann, weil sich bei den sehr kleinen Teilchen der unteren Lage eine formschlüssige Verankerung ergibt.
Die kleineren Teilchen haben vorzugsweise einen Korngrößen­ bereich, der zwischen 5 µm und 25 µm liegt, während die größeren Teilchen in ihrer Korngröße bevorzugt zwischen 10 µm und 60 µm liegen.
Bei weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung wird der metallische Grundkörper in an sich bekannter Weise vor dem Aufbringen der keramischen Hartstoffschicht mittels thermischen Spritzens zunächst mit einer metallischen Verankerungsschicht versehen.
Die metallische Verankerungsschicht enthält vorzugsweise Nickel (Ni) und Chrom (Cr). Besonders bevorzugt ist dabei, wenn die metallische Verankerungsschicht zwischen 70% und 90%, vorzugs­ weise 80%, Nickel und 10% bis 30%, vorzugsweise 20%, Chrom enthält.
Die Dicke der metallischen Verankerungsschicht beträgt vorzugs­ weise zwischen 50 µm und 200 µm.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die keramische Hartstoffschicht mindestens lagenweise versiegelt. Zum Versiegeln wird vorzugsweise ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz oder ein Phenolharz, verwendet.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Eindringen korrosiver Medien weiter vermindert wird. Man kann daher zum Beispiel bei einer mechanischen, spanabhebenden Nachbearbeitung mit Wasser kühlen.
Besonders bevorzugt sind Ausführungsbeispiele der Erfindung, bei denen die Lauffläche der keramischen Hartstoffschicht mechanisch feinbearbeitet wird. Hierzu wird die Lauffläche vorzugsweise geschliffen oder, in besonders bevorzugter An­ wendung, gehont und/oder poliert.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß daß sich in Verbindung mit den genannten Materialien für die keramische Hartstoffschicht eine bislang unerreichte Oberflächenqualität ergibt.
Schließlich ist bevorzugt, wenn zum thermischen Spritzen ein Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen verwendet wird.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Kolben-Zylinder-Einheit mit zwei stufenweise vergrößerten Detaildarstellungen zur Erläuterung des verwendeten Schichtaufbaus im Bereich einer Lauffläche.
In der Figur bezeichnet 10 insgesamt schematisch eine Kolben- Zylinder-Einheit, die in bekannter Weise aus einem Zylinder 11 und einem Kolben 12 besteht.
Der Kolben 12 ist in bekannter Weise mit einer Kolbenstange 13 versehen, die durch eine Durchführung 14 des Zylinders 11 ragt. Mit 15 ist eine der Laufflächen bezeichnet, nämlich die Oberfläche der Kolbenstange 13. Es versteht sich jedoch, daß unter "Lauffläche" beispielsweise auch die Umfangsfläche des Kolbens 12, die Innenoberfläche des Zylinders 11 oder die Innenoberfläche im Bereich der Durchführung 14 verstanden werden kann.
Mit 20 ist ein Ausschnitt aus der Lauffläche 15 bezeichnet, der in stark vergrößerter Darstellung rechts unten in der Figur im einzelnen dargestellt ist.
Man erkennt aus dem Ausschnitt 20, daß auf einem metallischen Grundkörper 21 der Kolbenstange 13, der beispielsweise aus Stahl besteht und vorzugsweise durch Sandstrahlen oder dergleichen gereinigt und aufgerauht wurde, zunächst eine Verankerungsschicht 22 und darauf eine keramische Hartstoffschicht 23 aufgetragen ist.
Ein weiterer Ausschnitt 30, der im Detail in der Figur unten links dargestellt ist, zeigt weitere Einzelheiten im Bereich der keramischen Hartstoffschicht 23.
Im Bereich der Verankerungsschicht 22 sind Teilchen 31 zu erkennen. Auf der Verankerungsschicht 22 liegt eine zweilagig ausgeführte keramische Hartstoffschicht 23. Die untere Lage besteht aus kleineren Teilchen 32 und die obere Lage aus größeren Teilchen 33. In die Lage mit den größeren Teilchen 33 ist eine Versiegelung 34 eingebracht. Die Lauffläche 15 ist deutlich durch an ihrer Oberfläche abgeplattete größere Teilchen 33 zu erkennen.
In der Darstellung des Ausschnitts 30 sind vier Niveaus 35 bis 38 eingezeichnet. Das oberste Niveau 35 fällt mit der Lauffläche 15 zusammen. Das nächsttiefere Niveau 36 kennzeichnet die mittlere Eindringtiefe der Versiegelung 34. Das nächstuntere Niveau 37 symbolisiert den Übergang zwischen der oberen Lage mit den größeren Teilchen 33 zur unteren Lage mit den kleineren Teilchen 32. Das unterste Niveau 38 schließlich kennzeichnet den Übergang zwischen der keramischen Hartstoffschicht 23 und der darunterliegenden Verankerungsschicht 22.
Die Teilchen 32, 33 der keramischen Hartstoffschicht 23 enthalten Chromoxid (Cr2O3) sowie Titandioxid (TiO2) und/oder Siliziumdioxid (SiO2). Bevorzugt liegt der Anteil von Chromoxid zwischen 5% und 70%, insbesondere zwischen 55% und 65%, insbesondere bei 60%. Der Anteil von Titandioxid liegt hingegen vorzugsweise zwischen 35% und 45%, während lediglich zwischen 3% und 10% Siliziumdioxid vorgesehen sind. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden 60% Chromoxid und 40% Titandioxid verwendet.
Die Dicke der keramischen Hartstoffschicht 23 liegt vorzugsweise zwischen 150 µm und 500 µm.
Die Korngröße der kleineren Teilchen 32 liegt vorzugsweise zwischen 5 µm und 25 µm, während die größeren Teilchen 33 zwischen 10 µm und 60 µm Korngröße aufweisen.
Aufgrund der gewählten Korngrößen kann sich die keramische Hartstoffschicht 23 besonders gut in der darunterliegenden Verankerungsschicht 22 verankern, weil zwischen den sehr kleinen Teilchen 32 der keramischen Hartstoffschicht 23 und den darunter­ liegenden Teilchen 31 der Verankerungsschicht 22 ein Formschluß besteht.
Die metallische Verankerungsschicht 22 besteht vorzugsweise aus Nickel (Ni) und Chrom (Cr), wobei die Mischung zwischen 70% und 90%, vorzugsweise 80%, Nickel und zwischen 10% und 30%, vorzugsweise 20%, Chrom enthalten kann.
Die Dicke der metallischen Verankerungsschicht 22 liegt vorzugs­ weise zwischen 50 µm und 200 µm.
Bei manchen Anwendungsfällen ist es vorteilhaft, die keramische Hartstoffschicht 23 nach außen hin zu versiegeln. Dies gilt insbesondere dann, wenn eine mechanische Nachbearbeitung gewünscht wird, bei der wiederum aggressive Medien, zum Beispiel Wasser, verwendet werden.
Zur Versiegelung 34 verwendet man vorzugsweise ein Harz, insbesondere ein Epoxidharz oder ein Phenolharz.
Wie bereits erwähnt wurde, wird die Lauffläche 15 der keramischen Hartstoffschicht 23 vorzugsweise feinbearbeitet. Neben Schleif­ verfahren wird besonders bevorzugt das Verfahren des Honens verwendet.
Es wurde bereits erwähnt, daß das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt bei Oberflächen von Kolbenstangen eingesetzt wird.
Eine Kolbenstange kommt abwechselnd mit dem Hydraulikmedium, der Kolbenstangendichtung sowie dem Medium außerhalb des Zylinders in Berührung. Die Kolbenstangendichtungen (in der Figur im Bereich der Durchführung 14) trennen dabei das Hydrau­ likmedium vom Umgebungsmedium. Um eine ausreichende Dichtwirkung zu erzielen, werden die Dichtungen durch das Hydraulikmedium an die Kolbenstange gepreßt. Deshalb bestimmen die tribologischen Eigenschaften der Kolbenstange und der Dichtung (Reibung und Verschleiß) entscheidend die Lebensdauer des Hydraulikzylinders. Es wird angestrebt, daß bei sachgerechter Wartung bis zu 10.000.000 Kolbenzyklen innerhalb der Lebensdauer der Kolben- Zylinder-Einheit möglich sind. Die Lebensdauer der Dichtung hängt dabei nicht nur von ihrer Qualität sondern auch von der Rauhigkeit der Gegenlauffläche ab, die in der Größenordnung 0,03 µm nicht übersteigen sollte.
Als Hydraulikmedien werden Öle und Esther verwendet. Meist handelt es sich um Stoffgemische. Wichtig ist, daß die Materi­ alien, die zum Beschichten der Oberflächen verwendet werden, den verwendeten Hydraulikzylindern standhalten. Im Zusammenhang mit keramikbeschichteten Kolbenstangen ist dieser Aspekt dann von Bedeutung, wenn, wie erwähnt, eine Versiegelung mittels Harzen vorgesehen ist.
In diesem Zusammenhang wird das erfindungsgemäße Verfahren bevorzugt bei Kolbenstangen von bis zu 25 m Länge eingesetzt. Die Kolbenstangen werden durch Honen feinbearbeitet. Abschließend werden die Laufflächen mittels Diamant-Schleifbändern poliert.
Die zunächst durch thermisches Spritzen aufgebrachte keramische Hartstoffschicht hat eine für den vorliegenden Anwendungsfall viel zu große Rauhigkeit. Die Kolbenstangen werden daher zunächst mittels Diamantscheiben rundgeschliffen, bis die Rauheit in der Größenordnung von 0,5 µm liegt. Durch die beschriebenen Maßnahmen kann eine Feinbearbeitung und Endbearbeitung zu einer End-Rauhigkeit von 0,05 µm oder besser führen.

Claims (18)

1. Verfahren zum Beschichten einer Lauffläche (15) einer Kolbenstange (13) einer hydraulischen Kolben-Zylinder- Einheit (10), wobei die Kolbenstange (13) eine Länge von bis zu 25 m aufweist, mit den Schritten:
  • a) Thermisches Spritzen einer keramischen Hartstoff­ schicht (23) auf die Lauffläche (15), wobei die Hartstoffschicht (23) zwischen 55% und 65%, vorzugs­ weise 60%, Chromoxid (Cr2O3) und zwischen 35% und 45%, vorzugsweise 40%, Titandioxid (TiO2) enthält;
  • b) Rundschleifen der beschichteten Lauffläche (15) bis zu einer Rauhigkeit von etwa 0,5 µm;
  • c) Feinbearbeiten der rundgeschliffenen Lauffläche (15) mittels Honen; und
  • d) Polieren der feinbearbeiteten Lauffläche (15) mittels Diamant-Schleifbändern bis zu einer End-Rauhigkeit von etwa 0,05 µm.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Hartstoffschicht (23) zusätzlich Silizium­ dioxid (SiO2) enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Hartstoffschicht (23) zwischen 3% und 10% Siliziumdioxid enthält.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der keramischen Hartstoffschicht (23) zwischen 150 µm und 500 µm liegt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Hartstoffschicht (23) lagenweise mit Teilchen (32, 33) unterschiedlicher Größe aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zunächst eine Lage (37 bis 38) von kleineren Teilchen (32) und darauf eine Lage (37 bis 35) von größeren Teilchen (33) aufgebracht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kleineren Teilchen (32) in einem Korngrößenbereich zwischen 5 µm und 25 µm liegen.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die größeren Teilchen (33) in einem Korngrößenbereich zwischen 10 µm und 60 µm liegen.
9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der metallische Grundkörper (21) vor dem Aufbringen der keramischen Hartstoffschicht (23) mittels thermischen Spritzens zunächst mit einer metallischen Verankerungsschicht (22) versehen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Verankerungsschicht (22) Nickel (Ni) und Chrom (Cr) enthält.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Verankerungsschicht (22) 70% bis 90%, vorzugsweise 80%, Nickel und 10% bis 30%, vorzugsweise 20%, Chrom enthält.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Verankerungsschicht (22) 50 µm bis 200 µm beträgt.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Hartstoff­ schicht (23) mindestens lagenweise versiegelt (34) wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zum Versiegeln ein Harz, vorzugsweise ein Epoxidharz oder eine Phenolharz, verwendet wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (15) der keramischen Hartstoffschicht (23) mechanisch feinbearbeitet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (15) der keramischen Hartstoffschicht (23) mechanisch geschliffen wird.
17. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (15) der keramischen Hartstoffschicht (23) gehont und/oder poliert wird.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zum thermischen Spritzen Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen verwendet wird.
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