DE19908107C2 - Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche bei aus Stahl bestehenden Bauteilen sowie Maschine mit wenigstens einem derartigen Bauteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche bei aus Stahl bestehenden Bauteilen. Die Erfindung betrifft ferner eine Maschine mit wenigstens einem aus Stahl bestehenden Bauteil, das zumindest teilweise mit einem Schutzbelag vorstehend genannter Art versehen ist.

Es ist bekannt, aus Stahl bestehende Bauteile zur Bildung einer harten Oberfläche oberflächenseitig zu härten. Dies erfordert jedoch eine aufwendige Wärmebehandlung, die viel Erfahrung verlangt. Außerdem reichen die dabei erzielbaren Härtegrade vielfach nicht aus. Ein weiterer Nachteil ist darin zu sehen, dass bei einer oberflächenseitigen Härtung nur eine vergleichsweise geringe Härtetiefe erzielbar ist und eine große Abplatzgefahr besteht. Es lassen sich daher nur vergleichsweise geringe Standzeiten erreichen.

Die US-A 4 994 235 enthält eine verschleißfeste Aluminium- Bronze, die zur Herstellung von Gleitelementen geeignet ist. Ein einlagiger Schutzbelag mit mehreren Schichten ist hieraus nicht entnehmbar.

Die DE 35 19 452 A1 enthält einen Schichtwerkstoff für Gleitelemente mit mehreren, aufeinander aufgebrachten Lagen unterschiedlicher Materialien. Eine Aluminium-Bronze findet nicht Verwendung.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, nicht nur eine große Härte und Dicke des verschleißfesten Bereichs, sondern auch einen zuverlässigen Halt sowie eine einfache Herstellbarkeit zu ermöglichen.

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit dem gattungsgemäßen Verfahren durch das Kennzeichen des Anspruchs 1 und in Verbindung mit der gattungsgemäßen Maschine durch die Maßnahmen des Anspruchs 10 gelöst.

Die vorzugsweise durch Schweißen aufgeschmolzene Aluminium- Bronze erweist sich in überraschender Weise in der äußeren Lage als härter als in der inneren Lage. Bei Versuchen mit zwei aufeinander aufgeschweißten Lagen wurde in der inneren Lage eine Härte von 300-400 HV und in der äußeren Lage eine dem gegenüber wesentlich größere Härte von 500-600 HV erreicht. Es ergeben sich daher in vorteilhafter Weise automatisch eine vergleichsweise harte Außenschicht und eine dem gegenüber weichere, aber gegen Stahl immer noch härtere Zwischenschicht zum aus Stahl bestehenden Grundmaterial, das eine Härte von 100-200 HV aufweist. Hierdurch ist sichergestellt, dass die Härtedifferenz zwischen Grundmaterial und verschleißfester Außenschicht nicht in einer Stufe überwunden wird, sondern in mehreren Stufen. Dies gewährleistet in vorteilhafter Weise eine gute Übertragung von an der Oberfläche wirksamen, oberflächenparallelen Schubkräften und oberflächennormalen Querkräften auf das Grundmaterial, womit in vorteilhafter Weise eine hohe Abplatzsicherheit erreicht wird, so dass die durch die große Härte der Außenschicht gewährleistete, lange Lebensdauer voll zum Tragen kommen kann. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen gewährleisten daher in vorteilhafter Weise eine hohe Gesamtwirtschaftlichkeit.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den Unteransprüchen angegeben. So erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn das jeweils aufnehmende Material vor dem Aufschmelzen einer Lage aus Aluminium-Bronze vorzugsweise im Ofen vorgewärmt wird. Durch die Vorwärmung können die Härtewerte der unteren bzw. oberen Lagen angehoben werden. Es ergibt sich daher eine einfache Möglichkeit zur individuellen Anpassung der gewünschten Härtegrade an die Verhältnisse des Einzelfalls.

Als besonders zu bevorzugen hat sich eine Vorwärmtermperatur von 350°C erwiesen. Hierbei lassen sich optimale Härtewerte ohne Veränderung des Gefüges des Grundmaterials erreichen.

Eine weitere Möglichkeit zur Anpassung der erzielbaren Härtegrade an die Verhältnisse des Einzelfalls besteht in vorteilhafter Weise in einer Variation der Zusammensetzung der zur Verwendung kommenden Aluminium-Bronze. Sofern eine besonders große Härte erzielt werden soll, kann zweckmäßig eine Aluminium-Bronze mit 13%-16% Al, 4%-5% Fe, 0,2%-0,8% Si, 1%-2% Mn, höchstens 0,2% C und Rest Cu Verwendung finden. Eine geringere Härte läßt sich durch Verwendung einer Aluminium-Bronze mit 8%-11% Al, 4%-6% Ni, 3%-5% Fe, 1%-­ 2% Mn und Rest Cu erreichen. Auf diese Weise lassen sich die Härte der äußeren Lage und/oder der unteren Lage den Bedürfnissen des Einzelfalls anpassen.

In den meisten Fällen erweist es sich als zweckmäßig, wenn sämtliche, den Schutzbelag bildenden Lagen aus derselben Aluminium-Bronze bestehen. Dies erleichtert die Herstellung und ergibt eine besonders homogene Verbindung zwischen den aufeinander folgenden Lagen.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme kann darin bestehen, dass auf die äußere, aus Aluminium-Bronze bestehende, verschleißfeste Lage zur Erzielung guter Einlaufeigenschaften eine schnell verschleißende Beschichtung, beispielsweise aus MoS₂ aufgebracht wird. Diese Einlaufschicht, die während der Einlaufphase von selbst verschwindet, stellt sicher, dass die durch die äußere, aus Aluminium-Bronze bestehende Lage gebildete, harte Tragschicht erst nach einer gewissen Einlaufzeit freigelegt ist und zum Tragen kommt, was sich vorteilhaft auf die Erzielung einer langen Lebensdauer auswirkt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und zweckmäßige Fortbildungen der übergeordneten Maßnahmen sind in den restlichen Unteransprüchen angegeben und aus der nachstehend beschriebenen Beispielsbeschreibung anhand der Zeichnung näher entnehmbar.

In der nachstehend beschriebenen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Teilansicht einer Kreuzkopfführung eines Zweitakt-Großdieselmotors und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eines mit einem Schutzbelag versehenen Ausschnitts der Anordnung gemäß Fig. 1.

Die vorliegende Erfindung kann überall dort zur Anwendung kommen, wo ein aus Stahl bestehendes Bauteil an der Oberfläche einen Schutzbelag mit einer über die Härte von Stahl, die bei 100-­ 200 HV liegt, hinausgehenden Härte benötigt. Dies ist beispielsweise bei verschiedenen, hoch beanspruchte Laufflächen aufweisenden Bauteilen von Motoren, wie Kolbenringen, Kreuzkopfführungen oder dergleichen, der Fall. Mit Hilfe des gegenüber dem Grundmaterial härteren Schutzbelags soll die Verschleißgeschwindigkeit verringert und damit die Lebensdauer erhöht werden. Es wird daher eine möglichst große Härte der beanspruchten Oberfläche sowie eine möglichst gute Verbindung mit dem Grundmaterial angestrebt.

Der der Fig. 1 zu Grunde liegende Ausschnitt aus dem Gestell eines Zweitakt-Grißdieselmotors enthält zwei einen Kreukopf 1 flankierende Ständerwände 2. Der Kreuzkopf 1 besitzt seitliche Gleitschuhe 3, die an ihren Enden mit voneinander abgewandte Lagerflächen aufweisenden Führungsplatten 4 versehen sind. Diese laufen auf ständerseitig vorgesehenen, einander zugewandte Laufflächen aufweisenden Führungsschienen 5.

Die Führungsplatten 4 und Führungsschienen 5 bestehen aus normalem Stahl als Grundmaterial und sind im Bereich ihrer einander zugewandten Laufflächen mit einem Schutzbelag 6 versehen, der eine höhere Härte als Stahl aufweist und daher eine lange Standzeit bewährleistet. Ein derartiger Schutzbelag kann selbstverständlich auch bei anderen, ähnlichen Belastungen ausgesetzen Bauteilen aus Stahl, wie Lagerbüchsen, Kolbenringen etc., vorgesehen sein.

Der Schutzbelag 6 besteht aus Aluminium-Bronze und wird, wie am besten aus Fig. 2 erkennbar ist, durch zwei auf das aus Stahl bestehende Grundmaterial 7 nacheinander zweckmäßig durch Schweißen aufgeschmolzene, einander überdeckende Lagen 8, 9 hergestellt. Die Härte von Stahl liegt in der Regel bei 100-­ 200 HV. Die Härte von Aluminium-Bronze liegt in der Regel in der Größenordnung von 200 HV. Die auf das aus Stahl bestehende Grundmaterial 7 zuerst aufgeschweißte, untere Lage 8 besitzt in überraschender Weise bereits eine Härte von etwa 300-400 HV. In der zweiten, äußeren Lage 9 ergibt sich in überraschender Weise eine noch viel größere Härte von etwa 500-600 HV. Die äußere Lage 9 eignet sich daher besonders gut als verschleißfeste Tragschicht, die auch bei robusten Betriebsverhältnissen eine lange Lebensdauer gewährleistet.

Vielfach kann es zweckmäßig sein, wenn die sehr harte Tragschicht erst nach einer bestimmten Einlaufphase zum Tragen kommt. In diesen Fällen kann auf die äußere Lage 9 eine aus einem vergleichsweise schnell verschleißenden Material, beispielsweise MoS₂, bestehende Einlaufschicht 10 aufgebracht sein, die während der Einlaufphase von selbst verschwindet, so dass anschließend die äußere, aus Aluminium-Bronze bestehende, eine große Härte aufweisende Lage 9 zum Tragen kommt, wie in Fig. 2 rechts angedeutet ist.

Die untere, eine kleinere Härte aufweisende Lage 8 dient praktisch als mittelharte Bindeschicht zwischen der sehr harten, äußeren Lage 9 und dem dem gegenüber vergleichsweise weichen Grundmaterial 7. Hierdurch ergibt sich eine stufenförmige Angleichung der Härte zwischen der äußeren Lage 9 und dem Grundmaterial 7. Gleichzeitig besitzt die innere Lage 8 in Folge ihrer kleineren Härte eine höhere Zähigkeit und Schlagfestigkeit, so dass durch die Pfeile 11, 12 angedeutete, oberflachenparallele Schubkräfte und oberflächennormale Querkräfte gut aufgefangen und auf das Grundmaterial 7 übertragen werden können. Im dargestellten Beispiel ist die Dicke der aufeinander aufgeschweißten Lagen 8, 9 gleich. Diese Dicke kann etwa 1,5 mm betragen. Andere Dicken bzw. unterschiedliche Dicken zwischen der Lagen 8, 9 sind selbstverständlich möglich. Ebenso wäre es auch denkbar, mehr als zwei Lagen aufeinander aufzuschweißen, wenngleich sich die dem dargestellten Beispiel zu Grunde liegende Ausführung mit zwei aufeinander aufgeschweißten Lagen 8, 9 als besonders zu bevorzugen erwiesen hat.

Bei der Herstellung der Lagen 8, 9 findet zweckmäßig eine Aluminium-Bronze Verwendung, die 8%-25% Al, wenigstens eine der Komponenten Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb und C mit jeweils 0,2%-10% und Rest Cu enthält. Sofern besonders hohe Härtewerte der einen und/oder anderen Lage 8, 9 erwünscht sind, kann zweckmäßig eine Aluminium-Bronze Verwendung finden, die 13%-16% Al, 4%-5% Fe, 0,2%-0,8% Si, 1%-2% Mn, höchstens 0,2% C und Rest Cu enthält. Sofern eine etwas kleinere Härte der einen und/oder anderen Lage 8, 9 erwünscht ist, kann eine Aluminium-Bronze mit 8%-11% Al, 4% -6% Ni, 3%-5% fe, 1%-2% Mn und Rest Cu Verwendung finden. Je nach Einzelfall kann die eine oder andere Alumium- Bronze für die eine oder andere Lage 8, 9 Verwendung finden. In der Regel ist es jedoch zweckmäßig für beide Lagen 8, 9 dieselbe Aluminium-Bronze zu verwenden.

Die Lagen 8, 9 können, wie oben schon erwähnt wurde, durch einen Schweißvorgang aufgebracht werden. Dabei können ein elektrischer Lichtbogen oder Laserstrahlen oder Flammen Verwendung finden.

Zur Steigerung der erzielbaren Härte kann das aufnehmende Werkstück vor dem jeweiligen Aufbringen einer Aluminiumlage, d. h. das Grundmaterial 7 vor dem Aufbringen der unteren Lage 8 und das so beschichtete Zwischenprodukt vor dem Aufbringen der zweiten Lage 9, vorgewärmt werden. Die Vorwärmung erfolgt zweckmäßig in einem Ofen, wobei eine Vorwärmtemperatur von etwa 350°C als besonders zweckmäßig ermittelt wurde.

Claims (11)

1. Verfahren zur Erzeugung einer verschleißfesten Oberfläche bei aus Stahl bestehenden Bauteilen, dadurch gekennzeichnet, dass auf das aus Stahl bestehende Grundmaterial (7) zur Bildung eines Schutzbelags (6) mit einer gegenüber Stahl härteren Zwischenschicht und einer noch härteren Außenschicht nacheinander mehrere Lagen (8, 9) aus Aluminium-Bronze einander überdeckend aufgeschmolzen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Lagen (8, 9) aus Aluminium-Bronze aufgeschmolzen werden.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Schutzbelag (6) bildenden Lagen (8, 9) aufgeschweißt werden.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweils aufnehmende Material vor dem Aufbringen jeweils einer Lage (8 bzw. 9) des Schutzbelags (6), vorzugsweise, im Ofen, vorgewärmt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmung auf etwa 350°C erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Schutzbelag (6) bildenden Lagen (8, 9) dieselbe Zusamensetzung aufweisen.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Schutzbelag (6) bildenden Lagen (8, 9) aus einer Aluminium-Bronze mit 8%-25% Al, wenigstens einer der Komponenten Sb, Co, Be, Cr, Sn, Mn, Si, Cd, Zn, Fe, Ni, Pb und C mit jeweils 0,2%-10% und Rest Cu bestehen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage (8, 9) des Schutzbelags (6) aus einer Aluminium-Bronze mit 13%-16% Al, 4%-5% Fe, 0,2%-0,8% Si, 1%-2% Mn, weniger 0,2% C und Rest Cu besteht.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Lage (8, 9) des Schutzbelags (6) aus einer Aluminium-Bronze mit 8%-11% Al, 4%-6% Ni, 3%-5% Fe, 1% -2% Mn und Rest Cu besteht.

10. Maschine mit wenigstens einem aus Stahl bestehenden Bauteil, das mit einem unter Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche gebildeten Schutzbelag versehen ist, der mehrere, einander überdeckende, aus Aluminium-Bronze bestehende Lagen (8, 9) enthält, wobei die Härte der grundmaterialnahen Lage (8) 300-400 HV und die Härte der oberflächenseitigen Lage (9) 500-600 HV beträgt.

11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Neuzustand auf die äußere, aus Aluminium-Bronze bestehende Lage (9) eine aus einem schnell verschleißenden Material bestehende Einlaufbeschichtung (10) aufgebracht ist.