WO2012151604A1 - Bauteil mit einer adaptiven beschichtung - Google Patents

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WO2012151604A1
WO2012151604A1 PCT/AT2012/050067 AT2012050067W WO2012151604A1 WO 2012151604 A1 WO2012151604 A1 WO 2012151604A1 AT 2012050067 W AT2012050067 W AT 2012050067W WO 2012151604 A1 WO2012151604 A1 WO 2012151604A1
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coating
adaptive
toothing
adaptive coating
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PCT/AT2012/050067
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English (en)
French (fr)
Inventor
Günter EITZINGER
Klaus PREINFALK
Original Assignee
High Tech Coatings Gmbh
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    • F16H—GEARING
    • F16H55/00—Elements with teeth or friction surfaces for conveying motion; Worms, pulleys or sheaves for gearing mechanisms
    • F16H55/02—Toothed members; Worms
    • F16H55/06—Use of materials; Use of treatments of toothed members or worms to affect their intrinsic material properties
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16H—GEARING
    • F16H57/00—General details of gearing
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    • F16H57/041—Coatings or solid lubricants, e.g. antiseize layers or pastes
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    • Y10T74/00—Machine element or mechanism
    • Y10T74/19—Gearing
    • Y10T74/1987—Rotary bodies

Definitions

  • the invention relates to a component with a component body having a toothing, and an assembly comprising at least two components, each having a toothing, wherein the at least two toothings is in meshing engagement with each other.
  • the quality of the toothing of gears is usually classified according to DIN 3963in 12 quality grades, with 1 designating the finest and 12 the coarsest tooth quality.
  • the division is made according to the manufacturing process, with the toothing honed by quality 1-6 gears, those of quality 2-7 ground, those of quality 5-7 scraped, those of quality 5-9, milled, roller planed or rolled, those of quality 7 -12 milled or formed, and those of quality 8-12 are stamped, pressed, sintered or sprayed, whereby combinations of the machining processes are also carried out.
  • a high gear quality of a gear can be achieved only by intensive processing, resulting in higher production costs.
  • the unevenness or roughness of the surface and deviations in shape on a microscale up to 10 ⁇ understood.
  • This object is achieved on the one hand by the aforementioned component and on the other hand by the assembly, wherein on the toothing of the component at least partially an adaptive coating is applied, which has a layer thickness of at most 5 ⁇ , and wherein at least one of the components of the assembly is formed according to the invention ,
  • the adaptive coating in the specified maximum layer thickness is achieved that by plastic deformation of the coating of the supporting portion of the tooth, ie the proportion of the bearing surface during the meshing engagement in a toothing of another component, is increased, whereby the surface load is reduced.
  • the deformation of the coating whereby the roughness tip material is brought into the valleys between these peaks (when depositing the coating, the unevenness of the substrate is usually reformed) can also solidify the coating, thereby also increasing the mechanical strength of the component , ie the toothing of the component, can be achieved.
  • this deformation achieves an at least partial leveling of the surface roughness.
  • the quality of the toothing is improved by the coating by at least one quality level, for example, achieved a toothing with a quality of 8 by this coating a quality of 7 to 6.
  • the microgeometry of the surface of the toothing is significantly improved by the arrangement of the adaptive coating in the specified maximum layer thickness.
  • the components themselves can therefore be manufactured using a more cost-effective method, and no further expensive hard finishing operations are required by depositing the adaptive coating on the toothing in order to achieve the higher gear quality.
  • the adaptive coating has the advantage that it only wears down wear on extremely stressed areas of the toothing during operation, so that the "leveling effect" is maintained over a long operating time of the component
  • the maximum layer thickness of the adaptive coating is adapted to the respective quality, ie to the surface roughnesses present, with different qualities of toothing Coating is transferred - the same layer thickness is preferably produced at least approximately at each coated point - should the later layer be produced by deformation of the adaptive coating. begotten support layer run above the highest roughness peak of the toothing. Thanks to the adaptive coating, an improvement in the so-called pitting could be achieved by reducing the heart's pressure.
  • the toothing of the component can be pre-calibrated, for example by rolling.
  • the layer thickness of the adaptive coating is selected from a range with a lower limit of 1 ⁇ and an upper limit of 4 ⁇ .
  • the assembly is preferably used as a second component with a toothing, which meshes with the toothing of the component according to the invention, a component with a higher quality of the toothing, since these teeth can act as "embossing" for the adaptive coating, and thus the quality of the gearing of the assembly as a whole can be improved.
  • the adaptive coating has a hardness gradient with increasing hardness from an outer coating surface in the direction of the component body. It is thus achieved that the adaptive coating on the outer coating surface, which meshes with another toothing of another component in the installed state of the component, can be made relatively soft, so that the deformation, i. Flattening of the profile peaks of the roughness profile can be done quickly, and also by the greater hardness at the interface to the component body better adhesion of the coating is achieved at this or better fatigue strength. In addition, a higher strength of the coating can thus be made available in layers lying below the coating surface, so that their mechanical load capacity during operation can be improved.
  • the adaptive coating on the outer coating surface preferably has a hardness which is selected from a range with a lower limit of HV 40 and an upper limit of HV 1000, in particular from a range with a lower limit of HV 100 and an upper limit of HV 300, or according to another preferred embodiment on the second, the outer Coating surface opposite, pointing in the direction of the component body surface hardness selected from a range with a lower limit of HV 400 and an upper limit of HV 1600, in particular from a range with a lower limit of HV 650 and an upper limit from HV 1000.
  • the adaptive coating is composed of several different partial layers. Although this is not the preferred embodiment of the invention, since there is preferably a continuous transition of the properties from the outer coating surface toward the component body, this embodiment can simplify the manufacture of the adaptive coating because successive layers of different Composition can be deposited on the component body, which can reduce the control or control effort during the coating.
  • the adaptive coating is at least partially metallic. Compared to polymer layers, a longer service life of the adaptive coating is achieved. In addition, a greater variability in the coating composition can be achieved because only a few polymers are suitable for the intended use of the component. It can therefore be taken better account of different load cases of the component by the at least partially metallic version of the adaptive coating, so that the invention can be applied in a wider field. It is also advantageous that the adaptive coating thus has a better thermal conductivity, so that unwanted phase changes in the coating can be better avoided, and thus the coating over a longer period of time at least approximately the original phase composition, so their behavior during operation over a longer period at least approximately constant.
  • adaptive coatings are particularly suitable if they are formed by a multicomponent system, where at least one component is selected from a group comprising transition metals, transition metal nitrides, transition metal carbides, transition metal oxides and mixtures thereof, wherein, according to an embodiment, another component of the multicomponent system is selected from a group comprising Sn, Mg, Al, In, Bi, Si, Ni, Ag, Cr and Fe.
  • the adaptive coating contains the components nents Ag and Cr or CrN or the components Ag, Sn and Cr or CrN, wherein the content of Ag decreases from the outer coating surface toward the component body, or the components Sn and Cr or the components Cu and Cr and optionally Sn, wherein the content of Sn decreases from the outer coating surface toward the component body, or the components Ag and Ti and optionally Sn, wherein the content of Ag decreases from the outer coating surface toward the component body.
  • adaptive coatings have been found to be advantageous, which are formed from a tin bronze or an aluminum bronze, wherein optionally at least one of the components chromium nitride, Fe, Cr, Ni, Ag is included.
  • the adaptive coating may also include the components Ag and Cr, or Ag and Sn and Cr, or Cu and Cr, or Cu and Sn and Cr, or Cu and Al and Fe and Cr, or Ag and Ti, or Ag and Sn and Ti include, without the above condition, that the proportion of at least one component within the coating is varied.
  • the adaptive coating is at least approximately or completely free of abrasive particles, that is of particles which would cause abrasion on the toothing of another component of the assembly in meshing engagement with the toothing of the component , So it is thus the increase in quality mainly by forming work on the adaptive coating itself and not achieved by targeted material removal in the range of meshing teeth, so that the other component, so for example, the above-described component with the "embossing" remains at least largely undamaged.
  • an adhesion promoter layer can be arranged between the adaptive coating and the component body.
  • the pores in the adaptive layer preferably have a diameter of at most 2 ⁇ m, in particular a maximum of 0.5 ⁇ m.
  • the porosity decreases from the outer coating surface in the direction of the component body.
  • a gradient of porosity is formed in the adaptive coating.
  • Fig. 1 is an assembly consisting of two gears meshing with each other
  • FIG. 2 shows a detail of the surface profile of a component provided with an adaptive coating
  • 5 shows the hardness profile of an example coating
  • 6 shows the hardness profile of a further example coating
  • FIG. 7 shows the representation of an order analysis
  • FIG. 8 shows the raw signal of a first experiment for order analysis according to FIG. 6;
  • FIG. 9 shows the raw signal of a second experiment for order analysis according to FIG. 6;
  • FIG. 11 shows the course of the run-up measurement of the 1st order to the sum level of FIG. 9;
  • FIG. 13 shows the course of the run-up measurement of the third order to the summation level of FIG. 9;
  • the two teeth 4, 5 are in the operation of the components 2, 3 in meshing engagement with each other, so that so for example the component 2 is driven by the component 3, when the component 3 is connected to a drive device, not shown.
  • the toothing 4 of the component 2 is frontally provided with an adaptive coating 6.
  • the two components 2, 3 are designed as straight toothed spur gears.
  • the invention is not limited to front teeth.
  • the adaptive coating 6 can be applied to all known types of toothings, optionally provided with height and / or width crowning, that is, for example, also to helical gears, etc.
  • the adaptive coating 6 can be applied both to external toothing and to internal toothing be applied.
  • the embodiment of the component 2 as a gear is the preferred embodiment of the invention, in general, other, having a toothed components can be provided with the adaptive coating 6, such as racks.
  • the toothing 4 is provided on the front side, preferably over the entire circumference, with the adaptive coating 6. It is within the scope of the invention but also the possibility that only parts of the frontal surface of the teeth 4 are coated, so for example only the tooth flanks or only one of the tooth flanks, for example, if operation of the gear in both directions of rotation is not provided.
  • the toothing 5 of the further component 3, in the illustrated embodiment of the invention, has no adaptive coating 6, in particular if this component 3 is the driven component 3 and the component 2 is the component 2 driven by the component 3, as described above.
  • the toothing 5 of the further component 3 has a higher tooth quality than the toothing 4 of the component 2, so that the component 3 acts as an "embossing wheel" for the toothing 4 of the component 2 during operation of the assembly 1.
  • the further component 3 acts as a "stamping wheel", which in turn whose teeth 5, the higher gear quality of the two gears 4, 5 and / or the adaptive coating 6 of the toothing 5 of the other component 3 at least Outside area, that is to say that area which comes into abutment with the toothing 4 of the component 2, may have a higher hardness than the adaptive coating of the toothing of the component 2.
  • the adaptive coating 6 it is possible with the adaptive coating 6 to improve the toothing quality of the toothing 4 of the component 2 in certain features, since this adaptive coating at least partially reforms during the running-in phase of the meshing toothings 4, 5.
  • This surface irregularities of the toothing 4 of the component 2 are at least partially compensated by the contact pressure of the toothing 5 of the other component 3, so leveled.
  • the two components 2, 3, ie the two gears have a fixed center distance, so that therefore neither of the two components 2, 3 moves toward the respective other component 2, 3.
  • FIG. 2 shows a schematic detail of the surface geometry of the toothing 4 with an adaptive coating 6 applied thereto.
  • the microgeometry of the toothing 4 has a roughness profile with elevations 7 and depressions 8. Due to the manufacturing process, the entire surface of the toothing 4 is coated at least approximately with the same layer thickness 9, this contour of the microgeometry is at least approximately transferred to an outer coating surface 10 of the adaptive coating 6, which in use meshes with the surface of the toothing 5 of the further component 3. So the counter gear, passes.
  • the material of profile peaks 11 of the adaptive coating 6 is spent by the forces transmitted in, in particular adjacent, profile valleys 12, so that the contour of the outer coating surface 10 of the adaptive Coating 6 at least approximately einbnet and thus creates an at least approximately flat outer support layer 13, as shown in Fig. 2 by dashed lines.
  • the toothing 5 of the further component 3 that is to say the especially driven counter-wheel, has a higher toothing quality than the toothing 4, since this further component 3 acts as an "embossing wheel"
  • this support layer 13 still has a profiling, which is, however, less than the original profiling, but at least one
  • a quality 7 to 6 toothing 2 can be achieved with significantly lower production costs from a quality 8 toothing 2 in the inlet by means of the adaptive coating 6.
  • the hard substrate acts on the component 2, or the harder layers of the adaptive B lying in this area coating 6, as will be explained in more detail below, against further deformation.
  • the porosity is preferably between 0.5% and 20%, in particular between 5% and 12%, which means that between 0.5% and 20%, in particular between 5% and 12%, free pore volume in the adaptive coating 6 In particular, at least for the most part, ie up to a fraction of at least 20%, open pores are present, based on the total pore volume of the adaptive coating 6.
  • the pores in the adaptive coating 6 have a pore Diameter of a maximum of 2 ⁇ , in particular a maximum of 0.5 ⁇ have.
  • the porosity decreases from the outer coating surface 10 in the direction of a component body 14 of the component 2.
  • the porosity can vary from a value of 20% at the outer coating surface 10 to a value of 0% at the interface to the underlying component body 14 - or an intermediate layer between the adaptive coating 6 and the component body 14 - continuous, for example linear or exponential, or stepwise, for example, in increments of 5 %, lose weight.
  • the porosity in the adaptive coating 6 can be made by increased pressure or low coating temperature or the additional insertion of a chemically or thermally removable component (for example, a metal or a polymer).
  • a porosity gradient is obtained when the temperature drops during deposition and / or the pressure increases or when the bias voltage is lowered during the divorce.
  • the adaptive coating 6 is deposited in a layer thickness 9 of at most 5 ⁇ m.
  • the layer thickness 9 ultimately depends on the toothing quality of the toothing 4 to be coated.
  • the maximum profile deviation ff of 8 ⁇ and a sectionungseinzelabweichung fp of 7 ⁇ may have a layer thickness 9 of at most 5 ⁇ , in particular a layer thickness 9 selected from a range between 3 ⁇ to 4 ⁇ used.
  • the support layer 13 preferably forms by at least 0.5 ⁇ m, in particular at least 2 ⁇ m, above the highest point 7 of the surface profile of the toothing 4. For this reason, layer thicknesses of 9 to a maximum of 5 ⁇ are used, even if the roughness profile has significantly lower height differences between the tips 7 and the valleys 8.
  • the adaptive coating 6 is at least partially metallic, i. the at least individual components of the preferably used multicomponent system are formed by metals or metal alloys.
  • polymeric materials can also be used as adaptive coating 9, such as e.g. PAI or PEEK, Teflon with or without additives embedded in a metal matrix or additives such as metals or metal sulfides, metal carbides or metal nitrides embedded in the polymeric material.
  • At least one component of the multicomponent system is selected from a group comprising transition metals, transition metal nitrides, transition metal carbides, transition metal oxides and mixtures thereof.
  • the proportion of this component in the adaptive coating 6 is between 0 wt .-% and 90 wt .-%, in particular between 4 wt .-% and 30 wt .-%.
  • this component is particulate with a particle size of at most 0.3 ⁇ , in particular with a particle size between 0.03 ⁇ and 0.1 ⁇ .
  • Another component of the multicomponent system is preferably selected from a group comprising Sn, Mg, Al, In, Bi, Si, Ni, Ag, Cr and Fe, their proportion of the adaptive coating 6 between 5 wt .-% and 80 wt .-%, in particular between 20 wt .-% and 50 wt .-%, is.
  • the particle size of this further component is maximally 0.5 ⁇ m, in particular this component has a particle size between 0.01 ⁇ m and 0.2 ⁇ m.
  • the adaptive coating 6 contains the components Ag and Cr or CrN, the content of Ag decreasing from the outer coating surface in the direction of the component body.
  • the proportion of Ag between 2 wt .-% and 98 wt .-% amount.
  • the remainder is Cr or CrN.
  • the adaptive coating 6 has the components Sn and Cr, the content of Sn decreasing from the outer coating surface in the direction of the component body.
  • the proportion of Sn may be between 6% by weight and 94% by weight.
  • the rest is Cr.
  • An adaptive coating 6 has also proven to be advantageous which contains the components Ag and Ti, the content of Ag decreasing from the outer coating surface in the direction of the component body.
  • the proportion of Ag between 3 wt .-% and 97 wt .-% amount.
  • the rest is Ti.
  • adaptive coatings 6 which are formed from a copper bronze or an aluminum bronze, optionally with a proportion of Cr.
  • the proportion of Cu in the copper bronze may be between 98 wt .-% and 60 wt .-%, that of Sn between 0 wt .-% and 12 wt .-% amount, or the proportion of Al on the aluminum bronze between 0.5 wt .-% and 20 wt .-% amount. If Cr is contained, its proportion is between 0.1 wt .-% and 80 wt .-%.
  • Preferred adaptive coating compositions are shown in Table 1 below. All information on the composition is to be understood in% by weight. Preferred ranges of the proportions of the individual components are given in parentheses. Table 1: Composition of the adaptive coating 6
  • the adaptive coating 6 has a hardness gradient with increasing hardness from the outer coating surface 10 in the direction of the component body 14.
  • the adaptive coating 6 on the outer coating surface 10 may have a hardness selected from a range with a lower limit of HV 40 and an upper limit of HV 1000, in particular a range with a lower limit of HV 60 and an upper Limit of HV 300.
  • the outer coating surface 10 opposite, in the direction of the
  • Component surface 14 facing surface the adaptive coating preferably has a hardness which is selected from a range with a lower limit of HV 400 and an upper limit of HV 2500, in particular from a range with a lower limit of HV 650 and an upper limit of HV 1600.
  • Fig. 3 two gradients 15, 16 are shown schematically. Is plotted on the abscissa while the Schichdicke 9, starting from the surface of the tooth 2 in the direction of the outer coating surface, and the ordinate represents the plastic hardness HV, measured with a Fischerscope ®. A horizontal line 16 indicates the hardness of steel.
  • the plastic hardness is the universal hardness without consideration of the elastic
  • the course 15 shows the preferred variant of the invention.
  • the hardness does not decrease in stages, as in the course 16, but steadily, the course 15 follows linear or preferably an exponential function.
  • hardness profiles measured at different layer depths of the adaptive coating 6, starting from the surface of the toothing 4, or optionally an intermediate layer between this surface and the adaptive coating 6, are given in Table 2. For the sake of clarity, the hardness values were rounded up or down to a total of 50 values.
  • the outer coating surface 10 consists exclusively of the respective softer component of the multicomponent system, ie, for example, of Ag or Sn.
  • a proportion of at most 0.5 wt .-% to 100 wt .-% of the respective harder component, that is, for example, Cr, CrN, or Ti be present in order to achieve a reduction of friction and / or the
  • the deposition of the adaptive coating 6 on the toothing 4 of the component 2 can be carried out by a variety of methods, for example by electrolytic deposition Cr us Ag or Ag and Sn, by PVD methods such as sputtering, e.g. With mixed targets or various individual targets with rotating substrates (eg gears in the center) by spraying mixed powders of different composition, etc.
  • the hardness gradient can be generated by a multi-layered design of the adaptive coating 6 with several different sub-layers, wherein the sub-layers in terms of their composition
  • Single layers, multilayers or nanolaminates can be deposited.
  • the composition of the adaptive coating 6 over the layer thickness 9 can also vary such that a minority component on the outer coating surface 10 becomes the majority component on the other surface facing the component body 14, and that another component of the
  • Majority component becomes the minority component.
  • the component forming the matrix on one surface is replaced by the further component on the other surface of the adaptive coating 6, so that therefore the matrix changes over the layer thickness 9 to another matrix.
  • a sequence of 100 Cr -> Cr 70 Ag 30 -> Ag 60 Cr 40 -> Ag 95 / Cr5 can be selected.
  • the adaptive coating 6 is free of abrasive particles for reasons mentioned above.
  • Adhesive layer can be arranged, for example, Cr, Ti, Mo, Ni.
  • An improvement in the adhesion can also by the formation of diffusion bonding at the
  • Interface between the component body 14 and the adaptive coating can be achieved, for example, by subjecting the component to a heat treatment after the coating, e.g. 2 h at a temperature of 200 ° C or 1 h at a temperature of 150 ° C followed by a treatment for 1 h at a temperature of 250 ° C.
  • the component 2 and / or the adaptive coating preferably contain chromium and / or titanium.
  • FIG. 4 An embodiment of an assembly 1 is shown in FIG. 4. This has, in addition to the component 2 and the further component 3, a third component 18, wherein the further component 3 in turn has the highest gear quality of the three components 2, 3, 18.
  • the invention is preferably used in assemblies with a 1: 1 ratio.
  • both toothings 4, 5 of the components 2, 3 or of all the components 2, 3, 18 of an assembly 1 can be coated, wherein also different ones
  • Coating compositions of the adaptive coating 6 for the components 2, 3, 18 can be used.
  • CrNCrAg and the toothing 5 of the component 3 may be coated with CrCuSn. Further,
  • Examples include: CrN to CrAg, CrN to TiAg, TiN to CrAg, CrN to CrCuAlFe.
  • the hardness profile of these coatings 6 is shown in FIG. 5 (test wheel 1) or FIG. 6 (test wheel 7).
  • Table 3 Composition of an adaptive test coating Layer Thickness Material Material [wt .-%] ⁇ HV 1 2 1 2
  • FIGS. 7 to 9 show the graphical representation of the order analysis of the
  • M master wheel
  • Detecting wheels detectable, as can be seen from Figs. 8 and 9, which represent the raw signals for Bennettsananlyse.
  • the reduction in the test wheel 1 (FIG. 8) is less pronounced than in the test wheel 7, as a comparison of the two figures shows.
  • the behavior of the uncoated test wheel and from the center to the right edge the behavior of the coated test wheel is shown in each case from left to center.
  • FIGS. 10 to 14 show the evaluations of a run-up measurement in the speed range between 200 rpm and 2000 rpm (alternating torque 6 Nm, 10 Hz).
  • the test wheels correspond to those used for the tests of Figs. 6-9.
  • FIGS. 1 to 4 can form the subject of independent solutions according to the invention.
  • the component 2 and the assembly 1 have been shown partially unevenly and / or enlarged and / or reduced in size.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bauteil (2) mit einem Bauteilkörper (14) der eine Verzahnung (4) aufweist, wobei auf der Verzahnung (4) zumindest teilweise eine adaptive Beschichtung (6) aufgebracht ist, die eine Schichtdicke von maximal 5 μm aufweist.

Description

Bauteil mit einer adaptiven Beschichtung
Die Erfindung betrifft ein Bauteil mit einem Bauteilkörper der eine Verzahnung aufweist, sowie eine Baugruppe umfassend zumindest zwei Bauteile, die jeweils eine Verzahnung aufweisen, wobei die zumindest zwei Verzahnungen in kämmenden Eingriff miteinander steht.
Die Qualität der Verzahnung von Zahnrädern wird üblicherweise nach DIN 3963in 12 Qualitätsstufen eingeteilt, wobei 1 die feinste und 12 die gröbste Verzahnungsqualität bezeichnet. Die Einteilung erfolgt nach dem Fertigungsverfahren, wobei die Verzahnung von Qualität 1-6 Zahnrädern gehöhnt, jene von Qualität 2-7 geschliffen, jene von Qualität 5-7 geschabt, jene von Qualität 5-9 wälzgefräst, wälzgehobelt oder wälzgestoßen, jene von Qualität 7-12 form- gefräst oder formgestoßen und jene von Qualität 8-12 gestanzt, gepresst, gesintert oder gespritzt wird, wobei auch Kombinationen der Bearbeitungs verfahren durchgeführt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt kann eine hohe Verzahnungsqualität eines Zahnrades nur durch intensive Bearbeitung erreicht werden, woraus höhere Herstellungskosten resultieren.
Im Stand der Technik sind bereits Beschichtungen beschrieben, um das Zahnflankenspiel einer kämmenden Verzahnung einzustellen. Diese sind üblicherweise polymerbasiert aufgebaut und sind nach der Einlaufphase abgerieben, da ansonsten das gewünschte Zahnflankenspiel in der Dicke der Beschichtung - bzw. doppelten Beschichtung, wenn beide kämmenden Verzahnungen beschichtet sind - nicht hergestellt wird. Derartige Beschichtungen sind also nicht geeignet, um die Verzahnungsqualität zu verbessern. Die Verbesserung der Mikrogeometrie der Verzahnung bedeutet bei der Herstellung von Zahnrädern nach dem Stand der Technik einen sehr großen Aufwand.
Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Zahnrad mit verbesserter Mikrogeometrie der Verzahnung zu schaffen.
Unter Mikrogeometrie im Sinne der Erfindung werden die Unebenheit bzw. Rauheit der Oberfläche und Formabweichungen im Mikromaßstab bis zu 10 μιη verstanden. Diese Aufgabe wird einerseits durch das eingangs genannte Bauteil und andererseits durch die Baugruppe gelöst, wobei auf der Verzahnung des Bauteils zumindest teilweise eine adaptive Beschichtung aufgebracht ist, die eine Schichtdicke von maximal 5 μιη aufweist, und wobei zumindest eines der Bauteile der Baugruppe erfindungsgemäß ausgebildet ist.
Durch die Anordnung der adaptiven Beschichtung in der angegebenen Maximalschichtstärke wird erreicht, dass durch plastische Verformung der Beschichtung der Traganteil der Verzahnung, d.h. der Anteil der tragenden Fläche während des kämmenden Eingriffs in eine Verzahnung eines weiteren Bauteils, vergrößert wird, wodurch die Flächenbelastung reduziert wird. Während der Verformung der Beschichtung, wodurch von den Rauhigkeits spitzen Material in die Täler zwischen diesen Spitzen verbracht wird (beim Abscheiden der Beschichtung wird normalerweise die Unebenheit des Untergrundes nachgeformt) kann zudem eine Verfestigung der Beschichtung eintreten, wodurch ebenfalls eine Steigerung der mechanischen Belastbarkeit des Bauteils, d.h. der Verzahnung des Bauteils, erreicht werden kann. Zudem wird durch diese Verformung eine zumindest teilweise Einebnung der Oberflächenrauhigkeit erreicht. Es ist also mit der Erfindung möglich, dass die Qualität der Verzahnung durch die Beschichtung um mindestens eine Qualitätsstufe verbessert wird, beispielsweise eine Verzahnung mit einer Qualität von 8 durch diese Beschichtung eine Qualität von 7 bis 6 erreicht. Mit anderen Worten wird also die Mikrogeometrie der Oberfläche der Verzahnung durch die Anordnung der adaptiven Beschichtung in der angegebenen Maximalschichtstärke deutlich verbessert. Die Bauteile selbst können daher mit einem kostengünstigeren Verfahren hergestellt werden, und sind durch Abscheidung der adaptiven Beschichtung auf der Verzahnung keine weiteren teuren Hartfeinbearbeitungen erforderlich, um die höhere Verzahnungsqualität zu erreichen. Die adaptive Beschichtung hat zudem den Vorteil, dass diese nur an extrem beanspruchten Berei- chen der Verzahnung im Betrieb abrasiv verschleißt, also der„Einebnungseffekt" über eine lange Betriebszeit des Bauteils erhalten bleibt. Durch die mit der adaptiven Beschichtung erreichte höhere Qualität der Verzahnung wird zudem ein verbessertes akustisches Verhalten der dieses Bauteil aufweisenden Baugruppe erreicht. Die Maximalschichtdicke der adaptiven Beschichtung wird bei unterschiedlichen Qualitäten von Verzahnungen an die jeweilige Qua- lität, d.h an die jeweils vorandenen Oberflächenrauhigkeiten, angepasst. Nachdem während der Beschichtung die Oberflächenrauhigkeit der Verzahnung auch auf die Beschichtung übertragen wird - es wird bevorzugt zumindest annähernd an jeder beschichteten Stelle die gleiche Schichtdicke erzeugt - sollte die spätere, durch Verformung der adaptiven Beschichtung er- zeugte Tragschicht oberhalb der höchsten Rauhigkeitsspitze der Verzahnung verlaufen. Durch die adaptive Beschichtung konnte durch die Verringerung der Herz 'sehen Pressung zudem eine Verbesserung bezüglich des so genannten Pittings erreicht werden. Gegebenenfalls kann die Verzahnung des Bauteils vorkalibriert werden, beispielsweise durch walzen.
Bevorzugt wird die Schichtdicke der adaptiven Beschichtung ausgewählt aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von 1 μιη und einer oberen Grenze von 4 μιη.
In der Baugruppe wird bevorzugt als zweites Bauteil mit einer Verzahnung, die mit der Verzahnung des erfindungsgemäßen Bauteils in kämmenden Eingriff steht, ein Bauteil mit einer höheren Qualität der Verzahnung verwendet, da diese Verzahnung als„Prägeverzahnung" für die adaptive Beschichtung wirken kann, und somit die Qualität der Verzahnungen der Bau- gruppe insgesamt verbessert werden kann.
Gemäß einer Ausführungsvariante ist vorgesehen, dass die adaptive Beschichtung einen Härtegradienten mit zunehmender Härte von einer äußeren Beschichtungsoberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper aufweist. Es wird damit erreicht, dass die adaptive Beschichtung an der äußeren Beschichtungsoberfläche, die im eingebauten Zustand des Bauteils einer weiteren Verzahnung eines weiteren Bauteils in kämmenden Eingriff steht, relativ weich ausgeführt werden kann, sodass die Umformung, d.h. Abflachung der Profilspitzen des Rauhigkeitsprofils rasch erfolgen kann, und zudem durch die größere Härte an der Grenzfläche zum Bauteilkörper eine bessere Haftung der Beschichtung an diesem bzw. eine bessere Dauerfestigkeit erreicht wird. Darüber hinaus kann damit eine höhere Festigkeit der Beschichtung in unter der Beschichtungsoberfläche liegenden Schichten zur Verfügung gestellt werden, sodass deren mechanische Belastbarkeit im Betrieb verbessert werden kann.
Bevorzugt weist hierbei zur Verbesserung dieser Eigenschaften die adaptive Beschichtung an der äußeren Beschichtungsoberfläche eine Härte auf, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 40 und einer oberen Grenze von HV 1000, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 100 und einer oberen Grenze von HV 300, bzw. gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante an der zweiten, der äußeren Beschichtungsoberfläche gegenüberliegenden, in Richtung auf den Bauteilkörper weisenden Oberfläche eine Härte auf, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 400 und einer oberen Grenze von HV 1600, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 650 und einer oberen Grenze von HV 1000.
Es ist möglich, dass die adaptive Beschichtung aus mehreren unterschiedlichen Teilschichten aufgebaut ist. Wenngleich dies nicht die bevorzugte Ausführung der Erfindung ist, da bevorzugt ein kontinuierlicher Übergang der Eigenschaften von der äußeren Beschichtungsoberflä- che in Richtung auf den Bauteilkörper vorhanden ist, kann mit dieser Ausführung die Herstel- lung der adaptiven Beschichtung vereinfacht werden, da nacheinander Schichten mit unterschiedlicher Zusammensetzung auf dem Bauteilkörper abgeschieden werden können, wodurch sich der Regel- bzw. Steueraufwand während der Beschichtung verringern läßt.
In der bevorzugten Ausführung ist die adaptive Beschichtung zumindest teilweise metallisch ausgeführt. Im Vergleich zu polymeren Schichten wird damit eine höhere Standzeit der adaptiven Beschichtung erreicht. Zudem ist damit eine größere Variabilität in der Beschichtungs- zusammensetzung erreichbar, da für die vorgesehene Anwendung des Bauteils nur wenige Polymere in Frage kommen. Es kann also durch die zumindest teilweise metallische Ausführung der adaptiven Beschichtung auf unterschiedliche Belastungsfälle des Bauteils besser Rücksicht genommen werden, sodass die Erfindung in einem breiteren Feld angewandt werden kann. Vorteilhaft ist dabei weiters, dass die adaptive Beschichtung damit eine bessere Wärmeleitfähigkeit aufweist, sodass ungewünschte Phasenumwandlungen in der Beschichtung besser vermieden werden können, und damit die Beschichtung über einen längeren Zeitraum zumindest annähernd die ursprüngliche Phasenzusammensetzung aufweist, sodass deren Verhalten im Betrieb über einen längeren Zeitraum zumindest annähernd gleich bleibend ist.
Im Zuge von durchgeführten Test für die Erfindung hat sich herausgestellt, dass adaptive Be- schichtungen besonders geeignet sind, wenn diese durch ein Mehrkomponentensystem gebildet sind, wobei zumindest eine Komponente ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Übergangsmetalle, Übergangsmetallnitride, Übergangsmetallcarbide, Übergangsmetalloxide sowie Mischungen daraus, wobei gemäß einer Au sführungs Variante dazu eine weitere Komponente des Mehrkomponentensystems ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Sn, Mg, AI, In, Bi, Si, Ni, Ag, Cr und Fe. Insbesondere enthält die adaptive Beschichtung die Kompo- nenten Ag und Cr oder CrN oder die Komponenten Ag, Sn und Cr oder CrN, wobei der Gehalt an Ag von der äußeren Beschichtungsoberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper abnimmt, oder die Komponenten Sn und Cr oder die Komponenten Cu und Cr und gegebenenfalls Sn, wobei der Gehalt an Sn von der äußeren Beschichtungsoberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper abnimmt, oder die Komponenten Ag und Ti und gegebenenfalls Sn, wobei der Gehalt an Ag von der äußeren Beschichtungsoberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper abnimmt. Weiters haben sich adaptive Beschichtungen als vorteilhaft herausgestellt, die aus einer Zinnbronze oder einer Aluminiumbronze gebildet sind, wobei gegebenenfalls zumindest eine der Komponenten Chromnitrid, Fe, Cr, Ni, Ag enthalten ist.
Generell kann die adaptive Beschichtung jedoch auch die Komponenten Ag und Cr, oder Ag und Sn und Cr, oder Cu und Cr, oder Cu und Sn und Cr, oder Cu und AI und Fe und Cr, oder Ag und Ti, oder Ag und Sn und Ti enthalten ohne die voranstehende Bedingung, dass der Anteil von zumindest einer Komponente innerhalb der Beschichtung variiert wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante des Bauteils ist vorgesehen, dass die adaptive Beschichtung zumindest annähernd bzw. vollständig frei ist von abrasiven Partikeln, also von Partikeln, die einen Abrieb an der mit der Verzahnung des Bauteils im kämmenden Eingriff stehenden Verzahnung eines weiteren Bauteils der Baugruppe hervorrufen würden. Es wird also damit die Erhöhung der Qualität hauptsächlich durch Umformarbeit an der adaptiven Beschichtung selbst und nicht durch gezielten Materialabtrag im Bereich von kämmenden Verzahnungen erreicht, sodass das weitere Bauteil, also beispielsweise das voran stehend beschriebene Bauteil mit der„Prägeverzahnung" zumindest weitgehend unbeschädigt bleibt. Durch die Verhinderung des Materialabtrags wird der Schmutzeintrag in ein zur Schmierung der Verzahnung vorgesehenes Schmieröl verringert, sodass dieses länger verwendet werden kann. Nachdem das Schmieröl keine aus einem derartigen Abrieb stammenden Verunreinigungen mit sich führt, kann in der Folge die adaptive Beschichtung an der äußeren Beschichtungsoberfläche härter ausgeführt sein, da keine Vorkehrung für die Einbettung dieser Schmutzpartikel in weiche Matrixbestandteile der Beschichtung vorgesehen werden müssen, wodurch wiederum die Belastbarkeit der adaptiven Beschichtung verbessert werden kann. Zur Verbesserung der Haftung der adaptiven Beschichtung am Bauteilkörper kann zwischen der adaptiven Beschichtung und dem Bauteilkörper eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein.
Eine bessere Ölaufnahme bzw. ein besseres Ölhaltevermögen der adaptiven Beschichtung, und damit einer Reduzierung des Abriebs wird erreicht, wenn die adaptive Beschichtung mit einer Porosität versehen wird, wobei die Porosität insbesondere zwischen 0,5 % und 20 %, vorzugsweise zwischen 5 % und 12 %, beträgt. Die Poren in der adaptiven Schicht weisen dabei bevorzugt einen Durchmesser von maximal 2 μιη, insbesondere maximal 0,5 μιη, auf.
In einer Ausführungsvariante dazu nimmt die Porosität von der äußeren Beschichtungsober- fläche in Richtung auf den Bauteilkörper ab. Mit anderen Worten wird ein Gradient der Porosität in der adaptiven Beschichtung ausgebildet. Es können damit einerseits das voranstehend beschriebene verbesserte Ölhaltevermögen und andererseits eine verbesserte Haftung der adaptiven Beschichtung am Bauteilkörper erreicht werden.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.
Es zeigen jeweils in schematisch vereinfachter Darstellung:
Fig. 1 eine aus zwei Zahnrädern bestehende Baugruppe mit miteinander kämmenden
Verzahnungen in Seitenansicht;
Fig. 2 ein Ausschnitt aus Oberflächenprofil eines mit einer adaptiven Beschichtung versehenen Bauteils;
Fig. 3 zwei Härteverläufe der adaptiven Beschichtung;
Fig. 4 eine weitere Ausführungsvariante der Baugruppe in Seitenansicht;
Fig. 5 den Härteverlauf einer Beispielbeschichtung; Fig. 6 den Härteverlauf einer weiteren Beispielbeschichtung;
Fig. 7 die Darstellung einer Ordnungsanalyse;
Fig. 8 das Rohsignal eines ersten Versuchs zur Ordnungsanalyse nach Fig. 6;
Fig. 9 das Rohsignal eines zweiten Versuchs zur Ordnungsanalyse nach Fig. 6;
Fig. 10 den Verlauf einer Hochlaufmessung als Summenpegel über sämtliche harmonischen Grund- und Oberschwingungen;
Fig. 11 den Verlauf der Hochlaufmessung 1-ter Ordnung zum Summenpegel nach Fig. 9;
Fig. 12 den Verlauf der Hochlaufmessung 2-ter Ordnung zum Summenpegel nach Fig. 9;
Fig. 13 den Verlauf der Hochlaufmessung 3-ter Ordnung zum Summenpegel nach Fig. 9;
Fig. 14 den Verlauf der Hochlaufmessung 4-ter Ordnung zum Summenpegel nach Fig. 9.
Einführend sei festgehalten, dass in den unterschiedlich beschriebenen Ausführungsformen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen versehen werden, wobei die in der gesamten Beschreibung enthaltenen Offenbarungen sinngemäß auf gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen bzw. gleichen Bauteilbezeichnungen übertragen werden können. Auch sind die in der Beschreibung gewählten Lageangaben, wie z.B. oben, unten, seitlich usw. auf die unmittelbar beschriebene sowie dargestellte Figur bezogen und sind bei einer Lageänderung sinngemäß auf die neue Lage zu übertragen.
Sämtliche Angaben zu Wertebereichen in gegenständlicher Beschreibung sind so zu verstehen, dass diese beliebige und alle Teilbereiche daraus mit umfassen, z.B. ist die Angabe 1 bis 10 so zu verstehen, dass sämtliche Teilbereiche, ausgehend von der unteren Grenze 1 und der oberen Grenze 10 mit umfasst sind, d.h. sämtliche Teilbereich beginnen mit einer unteren Grenze von 1 oder größer und enden bei einer oberen Grenze von 10 oder weniger, z.B. 1 bis 1,7, oder 3,2 bis 8,1 oder 5,5 bis 10. Fig. 1 zeigt eine Baugruppe 1 die einen Bauteil 2 sowie einen weiteren Bauteil 3 umfasst. Der Bauteil 2 weist eine Verzahnung 4 in Form einer Stirnverzahnung auf. Ebenso weist der Bauteil 3 eine Verzahnung 5 in Form einer Stirnverzahnung auf. Die beiden Verzahnungen 4, 5 stehen im Betrieb der Bauteile 2, 3 in kämmenden Eingriff miteinander, sodass also bei- spielsweise der Bauteil 2 vom Bauteil 3 angetrieben wird, wenn der Bauteil 3 mit einer nicht dargestellten Antriebs Vorrichtung verbunden ist. Die Verzahnung 4 des Bauteils 2 ist stirnseitig mit einer adaptiven Beschichtung 6 versehen.
Die beiden Bauteile 2, 3 sind als geradverzahnte Stirnzahnräder ausgeführt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf Stirnverzahnungen beschränkt. Generell kann die adaptive Beschichtung 6 auf alle bekannten Arten von, gegebenenfalls mit einer Höhen- und/oder Breitenballigkeit versehenen, Verzahnungen aufgebracht werden, also beispielsweise auch auf Schrägverzahnungen, etc.. Des Weiteren kann die adaptive Beschichtung 6 sowohl auf Außenverzahnungen als auch auf Innenverzahnungen aufgebracht werden.
Obwohl die Ausführung des Bauteils 2 als Zahnrad die bevorzugte Ausführungsvariante der Erfindung ist, können generell auch andere, eine Verzahnung aufweisende Bauteile mit der adaptiven Beschichtung 6 versehen werden, beispielsweise Zahnstangen. Die Verzahnung 4 ist stirnseitig vorzugsweise über den gesamten Umfang mit der adaptiven Beschichtung 6 versehen. Es besteht im Rahmen der Erfindung aber auch die Möglichkeit, dass nur Teile der stirnseitigen Oberfläche der Verzahnung 4 beschichtet werden, also beispielsweise nur die Zahnflanken bzw. nur eine der Zahnflanken, beispielsweise wenn ein Betrieb des Zahnrades in beiden Drehrichtungen nicht vorgesehen ist.
Die Verzahnung 5 des weiteren Bauteils 3 weist bei der dargestellten Ausführungsvariante der Erfindung keine adaptive Beschichtung 6 auf, insbesondere wenn dieser Bauteil 3 der angetriebene Bauteil 3 und der Bauteil 2 der vom Bauteil 3 getriebene Bauteil 2 ist, wie dies voranstehend beschrieben wurde. In diesem Fall weist die Verzahnung 5 des weiteren Bauteils 3 eine höhere Verzahnungsqualität auf als die Verzahnung 4 des Bauteils 2, sodass das Bauteil 3 im Betrieb der Baugruppe 1 als„Prägerad" für die Verzahnung 4 des Bauteils 2 wirkt. Es ist jedoch möglich, auch dessen Verzahnung 5 zumindest teilweise mit der adaptiven Be- schichtung 6 zu versehen, wobei sich gegebenenfalls die Zusammensetzung bzw. das Eigenschaftsprofil dieser Beschichtung 6 von jener der Verzahnung 4 des Bauteils 3 unterscheiden kann, wenngleich beide Verzahnungen 4, 5 auch dieselbe adaptive Beschichtung 6 mit dem- selben Eigenschaftsprofil aufweisen können. Auch bei dieser Ausführungsvariante ist es von Vorteil, wenn das weitere Bauteil 3 als„Prägerad" wirkt, wozu wiederum dessen Verzahnung 5 die höhere Verzahnungsqualität der beiden Verzahnungen 4, 5 und/oder die adaptive Beschichtung 6 der Verzahnung 5 des weiteren Bauteils 3 zumindest im Außenbereich, also jenem Bereich der zur Anlage mit der Verzahnung 4 des Bauteils 2 gelangt, eine höhere Härte aufweisen kann, als die adaptive Beschichtung der Verzahnung des Bauteils 2.
Wie bereits voranstehend ausgeführt, ist es mit der adaptiven Beschichtung 6 möglich die Verzahnungsqualität der Verzahnung 4 des Bauteils 2 in bestimmten Merkmalen zu verbessern, indem sich diese adaptive Beschichtung bereits während der Einlaufphase der kämmen- den Verzahnungen 4, 5 zumindest teilweise umformt. Dabei werden Oberflächenunregelmä- ßigkeiten der Verzahnung 4 des Bauteils 2 durch die Anpressung der Verzahnung 5 des weiteren Bauteils 3 zumindest teilweise ausgeglichen, also eingeebnet. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die beiden Bauteile 2, 3, also die beiden Zahnräder, einen fixen Achsabstand haben, sodass sich also keines der beiden Bauteile 2, 3 auf den jeweils anderen Bauteil 2, 3 zu bewegt.
Zur Verdeutlichung dieses Effektes zeigt Fig. 2 einen schematischen Ausschnitt aus der Oberflächengeometrie der Verzahnung 4 mit einer darauf aufgebrachten adaptiven Beschichtung 6. Wie deutlich zu erkennen ist, weist die Mikrogeometrie der Verzahnung 4 ein Rau- higkeitsprofil mit Erhebungen 7 und Vertiefungen 8 auf. Herstellungsbedingt, die gesamte Oberfläche der Verzahnung 4 wird zumindest annähernd mit einer gleichen Schichtdicke 9 beschichtet, überträgt sich diese Kontur der Mikrogeometrie zumindest annähernd auf eine äußere Beschichtungsoberfläche 10 der adaptiven Beschichtung 6, die im Betrieb mit der Oberfläche der Verzahnung 5 des weiteren Bauteils 3, also des Gegenzahnrades, gelangt. Im Betrieb, also mit der Verzahnung 4 kämmenden Verzahnung 5 des weiteren Bauteils, wird durch die dabei übertragenen Kräfte das Material von Profilspitzen 11 der adaptiven Beschichtung 6 in, insbesondere benachbarte, Profiltäler 12 verbracht, sodass sich die Kontur an der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 der adaptiven Beschichtung 6 zumindest annähernd einebnet und damit eine zumindest annähernd ebene äußere Tragschicht 13 entsteht, wie dies in Fig. 2 strichliert dargestellt ist. Aus diesem Grund ist es auch von Vorteil, wenn die Verzahnung 5 des weiteren Bauteils 3, also das, insbesondere angetriebene Gegenrad, eine höhere Verzahnungsqualität aufweist, als die Verzahnung 4, da dieses weitere Bauteil 3 als„Präge- rad" wirkt. Es sei jedoch erwähnt, dass die Ebenheit der äußeren Tragschicht 13 von der Verzahnungsqualität der Verzahnung 4 abhängig ist, es also durchaus möglich ist, dass diese Tragschicht 13 nach wie vor eine Profilierung aufweist, die jedoch geringer ist, als die ursprünglich Profilierung, wobei aber jedenfalls eine Verbesserung der Verzahnungsqualität erreicht wird. Beispielsweise kann aus einer Qualität 8 Verzahnung 2 mit Hilfe der adaptiven Beschichtung 6 im Einlauf eine Qualität 7 bis 6 Verzahnung 2 mit deutlich günstigeren Herstellungskosten erreicht werden. Nach erfolgter Verformung der adaptiven Beschichtung 6, wirkt der harte Untergrund das Bauteils 2, oder der in diesem Bereich liegenden härteren Schichten der adaptiven Beschichtung 6, wie dies im nachfolgenden noch näher erläutert wird, einer weiteren Verformung entgegen.
Neben der Verbringung von Material aus den Profilspitzen 11 in die Profiltäler 12 besteht auch die Möglichkeit, dass die Profilspitzen 11 zumindest teilweise komprimiert werden, wenn die adaptive Beschichtung 6 mit einer Porosität hergestellt ist, wobei durch diese Porosität gleichzeitig ein besseres Ölhaltevermögen der adaptiven Beschichtung 6 erreicht wird. Vorzugsweise beträgt die Porosität dabei zwischen 0,5 % und 20 %, insbesondere zwischen 5 % und 12 %, was bedeutet, dass zwischen 0,5 % und 20 %, insbesondere zwischen 5 % und 12 %, freies Porenvolumen in der adaptiven Beschichtung 6 vorhanden ist, wobei insbesondere zumindest großteils, d.h. bis zu einem Anteil von mindestens 20 % offene Poren vorhanden sind, bezogen auf das gesamte Porenvolumen der adaptiven Beschichtung 6. Es ist dabei wei- ters von Vorteil, wenn die Poren in der adaptiven Beschichtung 6 einen Durchmesser von maximal 2 μιη, insbesondere maximal 0,5 μιη, aufweisen. Um die Haftung der adaptiven Beschichtung 6 bzw. die Festigkeit der adaptiven Beschichtung 6 insgesamt trotz Porosität zu verbessern, ist es von Vorteil, wenn die Porosität von der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 in Richtung auf einen Bauteilkörper 14 des Bauteils 2 abnimmt. Beispielsweise kann die Porosität von einem Wert von 20 % an der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 auf einen Wert von 0 % an der Grenzfläche zu dem darunter liegenden Bauteilkörper 14 - bzw. einer Zwischenschicht zwischen der adaptiven Beschichtung 6 und dem Bauteilkörper 14 - stetig, beispielsweise linear oder exponentiell, oder schrittweise, beispielsweise in Schritten von 5 %, abnehmen. Hergestellt werden kann die Porosität in der adaptiven Beschichtung 6 durch erhöhten Druck oder niedrige Beschichtungstemperatur oder dem zusätzlichen Einfügen einer chemisch oder thermisch entfernbaren Komponente (beispielsweise einem Metall oder einem Polymer). Ein Porositätsgradient wird beispielsweise erhalten, wenn die Temperatur während der Abscheidung fällt und/oder der Druck steigt oder wenn die Bias-Spannung während der Ab Scheidung erniedrigt wird.
Für die Ausbildung der beschriebenen Tragschicht 13 wird die adaptive Beschichtung 6 in einer Schichtdicke 9 von maximal 5 μιη abgeschieden. Die Schichtdicke 9 richtet sich aber letztendlich nach der zu beschichtenden Verzahnungsqualität der Verzahnung 4. Beispielsweise wird bei einer Qualität 6 Verzahnung 2 mit einem Teilkreis-Durchmesser von 50 mm bis 125 mm und einem Normmodul von 2 bis 3,55, die eine maximale Profilformabweichung ff von 8 μηι und eine Teilungseinzelabweichung fp von 7 μιη aufweisen kann, eine Schichtdicke 9 von maximal 5 μιη, insbesondere eine Schichtdicke 9 ausgewählt aus einem Bereich zwischen 3 μιη bis 4 μιη, verwendet. Bevorzugt bildet sich die Tragschicht 13 jedoch um zumindest 0,5 μηι, insbesondere zumindest 2 μιη, oberhalb der höchsten Spitze 7 des Oberflä- chenprofils der Verzahnung 4 aus. Aus diesem Grund werden Schichtdicken 9 bis maximal 5 μηι verwendet, selbst wenn das Rauhigkeitsprofil deutlich geringere Höhenunterschiede zwischen den Spitzen 7 und den Tälern 8 aufweist.
Bevorzugt ist die adaptive Beschichtung 6 zumindest teilweise metallisch, d.h. das zumindest einzelne Komponenten des vorzugsweise eingesetzten Mehrkomponentensystems durch Metalle oder Metalllegierungen gebildet sind. Prinzipiell sind aber auch polymere Werkstoffe als adaptive Beschichtung 9 einsetzbar, wie z.B. PAI oder PEEK, Teflon mit oder ohne Additive, eingebettet in eine Metallmatrix oder Additive wie Metalle oder Metallsulfide, Metallcarbide oder Metallnitride, eingebettet in den polymeren Werkstoff.
Zumindest eine Komponente des Mehrkomponentensystem ist ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Übergangsmetalle, Übergangsmetallnitride, Übergangsmetallcarbide, Über- gangsmetalloxide sowie Mischungen daraus. Der Anteil dieser Komponente an der adaptiven Beschichtung 6 beträgt zwischen 0 Gew.-% und 90 Gew.-%, insbesondere zwischen 4 Gew.- % und 30 Gew.-%. Bevorzugt liegt diese Komponente partikulär vor mit einer Partikelgröße von maximal 0,3 μιη, insbesondere mit einer Partikelgröße zwischen 0,03 μιη und 0,1 μιη. Eine weitere Komponente des Mehrkomponentensystems ist bevorzugt ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Sn, Mg, AI, In, Bi, Si, Ni, Ag, Cr und Fe, wobei deren Anteil an der adaptiven Beschichtung 6 zwischen 5 Gew.-% und 80 Gew.-%, insbesondere zwischen 20 Gew.-% und 50 Gew.-%, beträgt. Die Partikelgröße dieser weiteren Komponente beträgt ma- ximal 0,5 μιη, insbesondere weist diese Komponente eine Partikelgröße zwischen 0,01 μιη und 0,2 μηι auf.
Die adaptive Beschichtung 6 enthält gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante die Komponenten Ag und Cr oder CrN, wobei der Gehalt an Ag von der äußeren Beschichtungs- Oberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper abnimmt. Dabei kann der Anteil an Ag zwischen 2 Gew.-% und 98 Gew.-% betragen. Den Rest bildet Cr oder CrN.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsvariante die adaptive Beschichtung 6 weist diese die Komponenten Sn und Cr auf, wobei der Gehalt an Sn von der äußeren Beschich- tungsoberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper abnimmt. Dabei kann der Anteil an Sn zwischen 6 Gew.-% und 94 Gew.-% betragen. Den Rest bildet Cr.
Es hat sich auch eine adaptive Beschichtung 6 als vorteilhaft herausgestellt, die die Komponenten Ag und Ti enthält, wobei der Gehalt an Ag von der äußeren Beschichtungsoberfläche in Richtung auf den Bauteilkörper abnimmt. Dabei kann der Anteil an Ag zwischen 3 Gew.-% und 97 Gew.-% betragen. Den Rest bildet Ti.
Bevorzugt werden auch adaptive Beschichtungen 6, die aus einer Kupferbronze oder einer Aluminiumbronze gebildet sind, gegebenenfalls mit einem Anteil an Cr. Der Anteil an Cu an der Kupferbronze kann dabei zwischen 98 Gew.-% und 60 Gew.-%, jener des Sn zwischen 0 Gew.-% und 12 Gew.-% betragen, bzw. kann der Anteil an AI an der Aluminiumbronze zwischen 0,5 Gew.-% und 20 Gew.-% betragen. Sofern Cr enthalten ist, beträgt dessen Anteil zwischen 0,1 Gew.-% und 80 Gew.-%. Bevorzugte Zusammensetzungen der adaptiven Beschichtung sind aus folgender Tabelle 1 zu entnehmen. Sämtliche Angaben zur Zusammensetzung sind in Gew.-% zu verstehen. Bevorzugte Bereiche der Anteile der einzelnen Komponenten sind in Klammern gesetzt. Tabelle 1: Zusammensetzung der adaptiven Beschichtung 6
Figure imgf000015_0001
In der bevorzugten Ausführung der adaptiven Beschichtung 6 weist diese einen Härtegradien- ten mit zunehmender Härte von der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 in Richtung auf den Bauteilkörper 14 auf. Dabei kann die adaptive Beschichtung 6 an der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 eine Härte aufweisen, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 40 und einer oberen Grenze von HV 1000, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 60 und einer oberen Grenze von HV 300. An der zweiten, der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 gegenüberliegenden, in Richtung auf den
Bauteilkörper 14 weisenden Oberfläche weist die adaptive Beschichtung vorzugsweise eine Härte auf, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 400 und einer oberen Grenze von HV 2500, insbesondere aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 650 und einer oberen Grenze von HV 1600.
In Fig. 3 sind dazu zwei Verläufe 15, 16 schematisch dargestellt. Aufgetragen ist dabei auf der Abszisse die Schichdicke 9, ausgehend von der Oberfläche der Verzahnung 2 in Richtung auf die äußere Beschichtungsoberfläche, und auf der Ordinate die plastische Härte in HV, gemessen mit einem Fischerscope®. Eine horizontale Linie 16 bezeichnet die Härte von Stahl. Als plastische Härte wird die Universalhärte ohne Berücksichtigung des elastischen
Verformungsanteils bezeichnet.
Der Verlauf 15 zeigt die bevorzugte Variante der Erfindung. Die Härte nimmt dabei nicht stufenweise ab, wie beim Verlauf 16, sondern stetig, wobei der Verlauf 15 linear oder bevorzugt einer Exponentialfunktion folgt.
Beispiele für Härteverläufe, gemessen an unterschiedlichen Schichttiefen der adaptiven Beschichtung 6, ausgehend von der Oberfläche der Verzahnung 4, bzw. gegebenenfalls einer Zwischenschicht zwischen dieser Oberfläche und der adaptiven Beschichtung 6, sind in Tabelle 2 angegeben. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit wurden die Härtewerte auf ganze 50-er Werte auf- oder abgerundet.
Tabelle 2: Härteverläufe
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In der bevorzugten Ausführung besteht die äußere Beschichtungsoberfläche 10 ausschließlich aus der jeweiligen weicheren Komponente des Mehrkomponentensystems, also beispielsweise aus Ag oder Sn. Gegebenenfalls kann jedoch ein Anteil von maximal 0,5 Gew.-% bis 100 Gew.-% an der jeweiligen härteren Komponente, also beispielsweise von Cr, CrN, oder Ti, vorhanden sein, um damit eine Reduktion der Reibung zu erreichen und/oder die
Korrosionsbeständigkeit zu verbessern.
Die Abscheidung der adaptiven Beschichtung 6 auf der Verzahnung 4 des Bauteils 2 kann mit unterschiedlichsten Verfahren erfolgen, beispielsweise durch elektrolytische Abscheidung Cr uns Ag oder Ag und Sn, durch PVD- Verfahren wie Sputtern, z.B. mit Mischtargets oder verschiedenen Einzeltargets mit rotierenden Substraten (z.B Zahnrädern im Zentrum) durch Spritzen von Mischpulvern verschiedener Zusammensetzung, etc. , In einer einfachen Ausführungsvariante kann der Härtegradient durch eine mehrschichtige Ausbildung der adaptiven Beschichtung 6 mit mehreren unterschiedlichen Teilschichten erzeugt werden, wobei sich die Teilschichten hinsichtlich ihrer Zusammensetzung
unterscheiden. Es können Einzelschichten, Multilayers oder Nanolaminate abgeschieden werden.
Zur Erzielung des Härtegradienten kann die Zusammensetzung der adaptiven Beschichtung 6 über die Schichtdicke 9 auch derart variieren, dass eine Minoritätskomponente an der äußeren Beschichtungsoberfläche 10 zur Majoritätskomponente an der anderen, auf den Bauteilkörper 14 weisenden Oberfläche wird, und dass eine weitere Komponete des
Mehrkomponentensystems genau den umgekehrten Verlauf einnimmt, also von der
Majoritätskomponente zur Minoritätskomponente wird. Mit anderen Worten besteht also die Möglichkeit, dass die die Matrix bildende Komponente an einer Oberfläche durch die weitere Komponente an der anderen Oberfläche der adaptiven Beschichtung 6 ersetzt wird, sodass also die Matrix über die Schichdicke 9 auf eine andere Matrix wechselt.
Beispielsweise kann eine Abfolge von 100 Cr -> Cr 70 Ag 30 -> Ag 60 Cr 40 -> Ag 95/Cr5 gewählt werden.
Bevorzugt ist die adaptive Beschichtung 6 aus voranstehend genannten Gründen frei von abrasiven Partikeln.
Zur Erhöhung der Haftfestigkeit der adaptiven Beschichtung 6 an der Verzahnung 4 des Bauteils 2, kann zwischen diesem und der adaptiven Beschichtung 6 eine Haftvermittlerschicht angeordnet sein, beispielsweise Cr, Ti, Mo, Ni. Eine Verbesserung der Haftfestigkeit kann aber auch durch die Ausbildung von Diffusionsverbindung an der
Grenzfläche zwischen dem Bauteilkörper 14 und der adaptiven Beschichtung erreicht werden, indem das Bauteil beispielsweise nach dem Beschichten einer Wärmebehandlung unterzogen wird, z.B. 2 h bei einer Temperatur von 200 °C oder 1 h bei einer Temperatur von 150 °C gefolgt von einer Behandlung für 1 h bei einer Temperatur von 250 °C. Vorzugsweise enthalten dazu das Bauteil 2 und/oder die adaptive Beschichtung Chrom und/oder Titan.
Der Vollständiglkeit halber ist in Fig. 4 noch eine Ausführungsvariante einer Baugruppe 1 dargestellt. Diese weist neben dem Bauteil 2 und dem weiteren Bauteil 3 einen dritten Bauteil 18 auf, wobei der weitere Bauteil 3 wiederum die höchste Verzahnungsqualität von den drei Bauteilen 2, 3, 18 aufweist.
Beispielsweise kann die Erfindung im Bereich von Nockenwellenzahnrädern, oder
Ausgleichswelleneinheiten angewandt werden. Aufgrund der Prägeradwirkung findet die Erfindung bevorzugt Anwendung in Baugruppen mit einer 1: 1 Übersetzung.
Wie bereits erwähnt können beide Verzahnungen 4, 5 der Bauteile 2, 3 oder sämtlicher Bauteile 2, 3, 18 einer Baugruppe 1 beschichtet sein, wobei auch unterschiedliche
Beschtungszusammensetzungen der adaptiven Beschichtung 6 für die Bauteiel 2, 3, 18 verwendet werden können. Beispielsweise kann die Verzahnung 4 des Bauteils 2 mit
CrNCrAg und die Verzahnung 5 des Bauteils 3 mit CrCuSn beschichtet sein. Weitere
Beispiele hierfür sind: CrN gegen CrAg, CrN gegen TiAg, TiN gegen CrAg, CrN gegen CrCuAlFe.
Zur Verifizierung der Wirkung der adaptiven Beschichtung 6 wurden Frequenzmessungen durchgeführt. Die adaptiven Beschichtungen 6 mit einer Zusammensetzung entsprechend folgender Tabelle 3 (Prüfrad 1) bzw. Tabelle 4 (Prüfrad 7) wurden dazu auf zwei
verschiedene Stahlzahnräder mit unterschiedlichem Durchmesser aufgebracht. Der
Härteverlauf dieser Beschichtungen 6 ist in Fig. 5 (Prüfrad 1) bzw. Fig. 6 (Prüfrad 7) dargestellt.
Tabelle 3: Zusammensetzung einer adaptiven Testbeschichtung Schicht Dicke Härte Material Material [Gew.-%] μηι HV 1 2 1 2
0 0,05 700 Cr 100
1 0,051 700 Cr 100
2 0,051 900 CrN Ag 80 20
3 0,51 900 CrN Ag 80 20
4 0,512 300 Cr Ag 30 70
5 1,5 300 Cr Ag 30 70
6 1,51 200 Cr Ag 10 90
7 4 200 Cr Ag 10 90
8 4 200 Cr Ag 10 90
Tabelle 4: Zusammensetzung einer adaptiven Testbeschichtung
Figure imgf000019_0001
Die Fig. 7 bis 9 zeigen dazu die grafische Darstellung der Ordnungsanalyse der
Schwingungungsfrequenzen aufgelöst nach 1-ter Ordnung bis 5-ter Ordnung (harmonische Oberschwingung). Die Messung wurde bei einer konstanten Drehzahl von 1000 U/min durchgeführt (Wechselmoment 6 Nm, 10 Hz). Die Prüfräder 1 (Teilkreisdurchmesser 50 mm) und 7 (Teilkreisdurchmesser 125 mm) wurden vor und nach der Beschichtung auf einem Zahnradprüfstand gegen ein als Meisterrad (in den Fig. mit„M" abgekürzt) definiertes Rad geprüft.
In Fig. 7 (Ordnungsanalyse) sind auf der rechten vertikalen Achse die Amplitude der
Schwingung in db und auf der linken vertikalen Achse der Summenpegel in db aufgetragen.
Auffällig ist, dass bei beiden beschichteten Prüfrädern (2. und 4. Gruppe von links) die Amplitude der Schwingungen 2. Ordnung im Vergleich zu den unbeschichteten Prüfrädern zunehmen. Die Amplituden der Schwingungen höherer Ordnung nehmen aber bei den beschichteten Prüfrädern ab, sodass insgesamt eine deutliche Verbesserung des
Geräuschverhaltens der beschichteten Prüfräder im Vergleich zu den unbeschichteten
Prüfrädern feststellbar, wie dies aus den Fig. 8 und 9 ersichtlich ist, die die Rohsignale zur Ordnungsananlyse wiedergeben. Dabei ist die Reduktion beim Prüfrad 1 (Fig. 8) weniger stark ausgeprägt als beim Prüfrad 7, wie ein Vergleich der beiden Figuren zeigt. In diesen Fig. ist jeweils von links beginnend bis zur Mitte das Verhalten des unbeschichteten Prüfrades und von der Mitte bis zum rechten Rand das Verhalten des beschichteten Prüfrades dargestellt.
Die Fig. 10 bis 14 zeigen die Auswertungen einer Hochlaufmessung im Drehzahlbereich zwischen 200 U/min und 2000 U/min (Wechselmoment 6 Nm, 10 Hz). Die Prüfräder entsprechen jenen, die für die Tests zu den Fig. 6 bis 9 verwendet wurden.
Diese Prüfung bestätigt im Wesentlichen das eben beschriebene Ergebnis.
Die Ausführungsbeispiele zeigen mögliche Ausführungsvarianten des Bauteils 2 und der Baugruppe 1, wobei an dieser Stelle bemerkt sei, dass die Erfindung nicht auf die speziell dargestellten Ausführungsvarianten derselben eingeschränkt ist, sondern vielmehr auch diverse Kombinationen der einzelnen Ausführungsvarianten untereinander möglich sind und diese Variationsmöglichkeit aufgrund der Lehre zum technischen Handeln durch gegenständliche Erfindung im Können des auf diesem technischen Gebiet tätigen Fachmannes liegt.
Vor allem können die einzelnen in den Fig. 1 bis 4 gezeigten Ausführungen den Gegenstand von eigenständigen, erfindungsgemäßen Lösungen bilden. Der Ordnung halber sei abschließend darauf hingewiesen, dass zum besseren Verständnis des Aufbaus des Bauteils 2 und der Baugruppe 1 diese bzw. deren Bestandteile teilweise unmaßstäblich und/oder vergrößert und/oder verkleinert dargestellt wurden.
Bezugszeichenaufstellung
Baugruppe
Bauteil
Bauteil
Verzahnung
Verzahnung
Beschichtung
Erhebung
Vertiefung
Schichtdicke
Beschichtungsoberfläche
Profilspitze
Profiltal
Tragschicht
Bauteilkörper
Verlauf
Verlauf
Linie
Bauteil

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Bauteil (2) mit einem Bauteilkörper (14) der eine Verzahnung (4) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Verzahnung (4) zumindest teilweise eine adaptive Be- Schichtung (6) aufgebracht ist, die eine Schichtdicke von maximal 5 μιη aufweist.
2. Bauteil (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) einen Härtegradienten mit zunehmender Härte von einer äußeren Beschich- tungsoberfläche (10) in Richtung auf den Bauteilkörper (14) aufweist.
3. Bauteil (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) an der äußeren Beschichtungsoberfläche (10) eine Härte aufweist, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 40 und einer oberen Grenze von HV 1000.
4. Bauteil (2) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) an einer zweiten, der äußeren Beschichtungsoberfläche (10) gegenüberliegenden, in Richtung auf den Bauteilkörper (14) weisenden Oberfläche eine Härte aufweist, die ausgewählt ist aus einem Bereich mit einer unteren Grenze von HV 400 und einer oberen Grenze von HV 1000.
5. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) aus mehreren unterschiedlichen Teilschichten aufgebaut ist.
6. Bauteil (2) nach der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) zumindest teilweise metallisch ist.
7. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) durch ein Mehrkomponentensystem gebildet ist, wobei zumindest eine Komponente ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Übergangsmetalle, Übergangsmetallnitride, Übergangsmetallcarbide, Übergangsmetalloxide sowie Mischungen daraus.
8. Bauteil (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere Komponente des Mehrkomponentensystems ausgewählt ist aus einer Gruppe umfassend Sn, Mg, AI, In, Bi, Si, Ni, Ag, Cr und Fe.
9. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) die Komponenten Ag und Cr oder CrN, oder die Komponenten Ag, Sn und Cr oder CrN enthält, wobei der Gehalt an Ag von der äußeren Beschichtungsoberflä- che (10) in Richtung auf den Bauteilkörper (14) abnimmt.
10. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) die Komponenten Sn und Cr oder die Komponenten Cu und Cr und gegebenenfalls Sn enthält, wobei der Gehalt an Sn von der äußeren Beschichtungsoberfläche (10) in Richtung auf den Bauteilkörper (14) abnimmt.
11. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) die Komponenten Ag und Ti und gegebenenfalls Sn enthält, wobei der Gehalt an Ag von der äußeren Beschichtungsoberfläche (10) in Richtung auf den Bauteilkörper (14) abnimmt.
12. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) aus einer Zinnbronze oder einer Aluminiumbronze gebildet ist.
13. Bauteil (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinnbronze oder die Aluminiumbronze zumindest eine der Komponenten Chromnitrid, Fe, Cr, Ni, Ag enthält.
14. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) zumindest annähernd bzw. vollständig frei ist von abrasiven Partikeln.
15. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der adaptiven Beschichtung (6) und dem Bauteilkörper (14) eine Haftvermittlerschicht angeordnet ist.
16. Bauteil (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die adaptive Beschichtung (6) eine Porosität zwischen 0,5 % und 20 % aufweist.
17. Bauteil (2) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren in der adaptiven Schicht einen Durchmesser von maximal 2 μιη aufweisen.
18. Bauteil (2) nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität von der äußeren Beschichtungsoberfläche (10) in Richtung auf den Bauteilkörper (14) abnimmt.
19. Baugruppe (1) umfassend zumindest zwei Bauteile (2, 3), die jeweils eine Verzahnung (4, 5) aufweisen, wobei die zumindest zwei Verzahnungen (4, 5) in kämmenden Eingriff miteinander stehen, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Bauteile (2, 3) entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 18 gebildet ist.
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