DE10347099A1

DE10347099A1 - Bauteil mit Schichten zum Verschleißschutz und zur Reibungsminderung

Info

Publication number: DE10347099A1
Application number: DE2003147099
Authority: DE
Inventors: Hans-Jürgen Dr.rer.nat. Füßer; Cornelius Dr. Haas; Wolfram Dr. Münch
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-10-10
Filing date: 2003-10-10
Publication date: 2005-01-20

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall, welches zumindest eine einem erhöhten Verschleiß ausgesetzte Oberfläche aufweist. Diese Oberfläche ist mit einer Schicht überzogen, welche nadel- bzw. porenförmige Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') aufweist, welche zumindest teilweise mit einem weiteren Material (4, 5, 6) gefüllt sind. Die Eigenschaften der Schicht (2) lassen sich durch die Auswahl der Materialien (4, 5, 6), durch die Geometrie der Poren (3) sowie deren Anzahl gezielt bestimmen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metall mit modifizierter, verschleißbeständiger Oberfläche, vorzugsweise für den Einsatz in einem Motor oder in einem Getriebe oder dergleichen aus Aluminium.
Es ist allgemein wünschenswert, für Bauteile, welche einem erhöhten Verschleiß ausgesetzt sind, Oberflächengüten bereitzustellen, die dem Verschleiß besser entgegenwirken. In diesem Zusammenhang sollen Flächen auf solchen Bauteilen, die mit Flächen anderer Bauteile in Kontakt stehen und sich relativ zu diesen bewegen, eine geringe Reibung aufweisen. Darüber hinaus werden Oberflächen mit einer hohen Abrasions- bzw. Korrosionsbeständigkeit bevorzugt.
Aus dem Stand der Technik sind hierzu mehrere Ansätze bekannt. So ist beispielsweise aus der DE 3408557 C2 bekannt, die Oberfläche eines einem erhöhten Verschleiß ausgesetzten Hebelteils zur Ventilsteuerung in Brennkraftmaschinen mit einer porösen anodischen Oxidschicht zu versehen. Zur Reibungsverminderung und damit einhergehend zur Erhöhung des Verschleißwiderstandes wird mittels des Verfahrens der Elektrolyse in die Poren dieser Schicht Molybdänsulfid eingebracht. Molybdänsulfid eignet sich als Trockenschmierstoff, welcher die Reibungsbeständigkeit der entsprechenden Oberfläche verbessert. Aufgrund des hierbei zur Anwendung kommenden Her stellungsverfahrens werden jedoch sämtliche Poren der Oxidschicht mit dem Trockenschmierstoff ausgefüllt.
Aus der DE 4442186 C2 ist es allgemein für Gleitelemente in geschmierten tribologischen Systemen bekannt, einen Schichtwerkstoff bereitzustellen, welcher eine metallische Trägerschicht, beispielsweise aus Stahl, und zu beiden Seiten eine Funktionsschicht, beispielsweise aus AlSn aufweist. Über die Funktionsschichten wird eine weichere, chemisch oder elektrolytisch abgeschiedene Deckschicht als Einlaufschicht aufgebracht, sodass die Erosions- und Korrosionsbeständigkeit der Funktionsschicht nachhaltig verbessert wird. Während der Einlaufphase, das heißt beim Gleiten der jeweiligen Oberfläche relativ zu einem anderen Bauteil, wird die weiche, durch Galvanisieren aufgetragene Deckschicht größtenteils abgetragen und gleichzeitig in die Poren eingeschmiert, sodass die mit der weicheren Schicht aufgefüllten Poren quasi Inseln in der härteren Matrix bilden und so für bessere Gleiteigenschaften sorgen. Hierbei ist es jedoch nicht möglich, nur eine definierte Menge der Poren mit der gewünschten Materialfüllung zu versehen, sodass die nachfolgenden Eigenschaften des Bauteils, das heißt die Güte der Oberflächenbeschaffenheit hinsichtlich Verschleiß und Reibung, im Wesentlichen zufällig sind und sich nicht für gezielte Anwendungen bestimmen lassen.
Des Weiteren ist es bekannt, beispielsweise aus der EP 0708892 B1 , Flächen auf einem Metall-Stützmaterial mit gesinterten Schichten zu überziehen, wobei eine darüber aufgetragene Auskleidungsschicht in Poren der gesinterten Schicht eingebracht ist und über die gesinterte Schicht hinausragt, um eine definierte Lageroberfläche mit geringer Reibung herzustellen, wobei bevorzugt Polytetrafluoräthylen mit fibrilierten Aramidfasern zum Einsatz kommen soll. Bei derartigen, vor allem im Bereich von Gleitlagern zum Einsatz kommenden Zusammensetzungen sind mithin zwei Schichten auf dem Trägerstoff des Gleitlagers vorgesehen, wobei die Poren der gesin terten Schicht lediglich die Haftung der darüber liegenden Auskleidungsschicht verbessern und nicht die Oberflächeneigenschaft der gesinterten Schicht selbst definieren.

Ausgehend von dem vorhergehend geschilderten Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil aus Metall bereitzustellen, welches sich im Hinblick auf den Einsatz des Bauteils mit einer entsprechenden gezielten Oberflächeneigenschaft hinsichtlich Reibung, Verschleiß, Abrasions- und Korrosionsbeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit versehen lässt.

Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Gemäß der Erfindung ist demzufolge die Schicht, welche die porenförmigen Ausnehmungen beinhaltet, in ihrer Funktion und Eigenschaft gezielt festlegbar, indem mehrere Parameter ausgewählt werden, welche durch ihr Zusammenwirken die gewünschte(n) Eigenschaften) bewerkstelligen.

Abgesehen davon, dass sich die Eigenschaft der Schicht im Wesentlichen durch eine Auswahl des Materials für diese Schicht einerseits und durch eine Auswahl für das Material oder die Materialien, die von den Poren aufgenommen werden, bestimmt, umfassen einflussnehmende Parameter unter anderem die Tiefe, Dichte und den Durchmesser der Poren sowie den Füllgrad der Poren und die Anzahl der insgesamt in der Schicht gefüllten Poren. Ein Abgleich dieser Parameter untereinander führt zu der gewünschten Eigenschaft, wie beispielsweise verminderte Reibung oder hohe Wärmeleitfähigkeit, wobei mehrere Eigenschaften selbstverständlich gleichzeitig erzielt werden können.

Die Poren können sich im Wesentlichen über die gesamte Dicke der Schicht annähernd bis zu dem angrenzenden Bauteil erstre cken. Jedoch sind auch beliebige Tiefen denkbar, welche in ein und derselben Schicht vorkommen können und entsprechend den zu erzielenden Eigenschaften variiert sind.

In diesem Zusammenhang bestimmt sich auch die Dichte der porenförmigen Ausnehmungen, das heißt die Anzahl der Ausnehmungen in der Schicht einerseits sowie das damit unmittelbar verbundene Volumen der Ausnehmungen andererseits. Vorzugsweise wird ein Gesamtvolumen der Ausnehmungen von zwischen 10 und 50 % des Schichtvolumens vorgeschlagen.

Selbstverständlich ist neben der Anzahl der Ausnehmungen sowie deren Tiefe für die Bestimmung des durch diese eingenommenen Volumens auch der Durchmesser der Poren mitbestimmend, wobei, sofern dies hinsichtlich der zu erzielenden Eigenschaften sinnvoll ist, in ein und derselben Schicht Poren mit unterschiedlichen Durchmessern vorgesehen sein können. Vorzugsweise liegt der Durchmesser der Poren in einem Bereich von 1 bis 100 μm.

Es wird deutlich, dass zur Erzielung einer definierten Funktion der Oberfläche sich die vorhergehend erwähnten Parameter gezielt festlegen lassen und die Eigenschaft und Funktionalität der Oberfläche sich durch ein Abändern zumindest eines dieser Parameter gezielt variieren lässt.

Die Schicht, die entsprechende verschleißhemmende bzw. reibungsmindernde und/oder wärmeleitende und/oder abrasions-/korrosionsbeständige Eigenschaften aufweisen soll, besteht in einer bevorzugten Ausführungsform aus Al₂O₃. Die Materialien, welche zur Erzielung der vorhergehend erwähnten Eigenschaften innerhalb dieser Schicht bevorzugt zum Einsatz kommen, werden aus den Werkstoffen C, B, B₂O₃, H₃, BO₃, MoS₂, BN oder dergleichen ausgewählt.

Ein derart in seinen Eigenschaften festgelegtes Bauteil soll insbesondere in Umgebungen zum Einsatz kommen, welche erhöh ten Belastungen ausgesetzt sind, welche Verschleiß, Korrosion usw. nach sich ziehen, wie beispielsweise als Werkzeug, als Bauteil für einen Verbrennungsmotor oder in einem Getriebe oder dergleichen, wobei die Bauteile vorzugsweise aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen hergestellt sind.

Es zeigt die einzige Figur schematisch ein Bauteil aus Metall, welches mit einer erfindungsgemäßen Schicht versehen ist. Die Zeichnung ist rein exemplarisch und dient lediglich der Veranschaulichung. Der Fachmann erkennt, dass sich die hier dargestellten einzelnen Ausführungen innerhalb einer einzigen Schicht je nach Anforderungsprofil dieser Schicht beliebig variieren lassen.
Das Bauteil 1, welches aus einem beliebigen harten Metall, wie beispielsweise Stahl, besteht, weist auf einer Oberfläche, die besonderem Verschleiß ausgesetzt ist, wie beispielsweise einer Zylinderlauffläche in einem Aluminium-Motorblock, eine Schicht 2 aus Al₂O₃ auf.
In dieser Schicht sind mehrere Poren 3 angeordnet.
Die Poren sind zu der Oberfläche der Schicht 2 hin offen und weisen gegebenenfalls unterschiedliche Tiefen auf, wie dies exemplarisch die Poren 3', 3'' und 3''' darstellen.
Befindet sich in den Poren 3 kein weiteres Material aufgenommen, dienen diese Poren der Aufnahme eines Schmierstoffes, der auf der Oberfläche der Schicht 2 anhaftet. Somit können diese Poren ohne Füllung als Schmierstoff-Reservoir dienen und zu einer verbesserten Haftung und Speicherung, beispielsweise von Öl, herangezogen werden.
Da der Schmierstoff Öl auch ein guter Wärmeleiter ist, lässt sich an der Oberfläche der Schicht 2 infolge Reibung entstehende Wärme im Falle von Poren 3', die sich nahezu bis zu der Bauteil-Oberfläche erstrecken, auf einfache und effektive Weise in das Bauteil 1 abführen.
Gemäß der Erfindung können die Poren auch mit einer Füllung versehen sein. Hierbei kommen vorzugsweise Trockenschmierstoffe zur Anwendung. So ist exemplarisch gezeigt, wie Poren mit einem Trockenschmierstoff 4 bis an die Oberfläche der Schicht 2 gefüllt sind.
Es ist jedoch auch denkbar, dass eine Pore nur bis zu einem gewissen Grad mit einem Füllmaterial versehen ist. So ist gezeigt, wie eine Pore nur in ihrem unteren Bereich mit einem Füllmaterial 5 gefüllt ist. Das Füllmaterial 5 weist extrem verschleißhemmende Eigenschaften auf, wobei es vorzugsweise härter als die bereits verschleißhemmende harte Matrix aus Al₂O₃ der Schicht 2 ist, sodass bei einem gewissen Abtrag der Schicht 2 das in den Poren verbleibende Material 5 als "Verschleißbegrenzer" dient.
Es ist jedoch auch denkbar, wie dies exemplarisch gezeigt ist, dass eine Pore zwei unterschiedliche Materialien aufweist, nämlich im unteren Bereich ein verschleißhemmendes Material 5 und darüber angebracht einen Trockenschmierstoff 6.
Es ist zu erkennen, dass dem Gestaltungsspielraum innerhalb der Schicht 2, was die Materialauswahl, die Verteilung und Geometrie der Poren sowie die Anzahl der gefüllten Poren und deren Füllgrad angeht, keine Grenzen gesetzt sind, sodass sich gezielt definierte Eigenschaften der Schicht 2 und damit des Bauteils 1 bewerkstelligen lassen, um dieses Bauteil 1 für unterschiedliche Applikationen in geeigneter Weise auszugestalten.

Claims

Bauteil (1) aus Metall mit zumindest einer Oberfläche, welche mit einer anderen Oberfläche eines anderen Bauteils über Relativbewegungen zusammenwirken kann, wobei auf der Oberfläche des Bauteils (1) eine Schicht (2) dauerhaft aufgebracht ist, welche porenförmige Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') aufweist, welche zu der Oberfläche der Schicht (2) hin offen sind und sich von der Oberfläche der Schicht (2) in Richtung zu dem Bauteil (1) erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass unter Ausbildung einer definierten Funktion der Oberfläche der Schicht (2) zumindest einige der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') zumindest teilweise mit einem reibungsvermindernden, verschleißhemmenden, wärmeleitenden und/oder abrasions-/korrosionsbeständigen Material (4, 5, 6) dauerhaft ausgefüllt sind.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') zumindest teilweise im Wesentlichen über die gesamte Dicke der Schicht (2) erstrecken.
Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') in der Schicht (2) in Abhängigkeit der gewünschten Eigen schaften der Oberfläche der Schicht (2) des Bauteils (1) ausgewählt ist.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') in der Schicht (2) in Abhängigkeit der gewünschten Eigenschaften der Oberfläche der Schicht (2) des Bauteils (1) ausgewählt ist.
Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser in einem Bereich von 1 bis 100 μm liegt.
Bauteil nach den Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtvolumen der Ausnehmungen (3; 3', 3'', 3''') zwischen 10 und 50 % des Volumens der Schicht (2) beträgt.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) wenigstens teilweise aus Al₂O₃ besteht.
Bauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material aus den Werkstoffen C, B, B₂, O₃, H₃, BO₃, MoS₂, BN oder dergleichen ausgewählt ist.
Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Bauteil in einem Motor oder einem Getriebe oder dergleichen, welche aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen hergestellt sind.