Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit zumindest einem

verschleißreduzierten Oberflächenabschnitt sowie Bauteil selbst

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines im tribologischen Kontakt zu einem weiteren hiermit korrespondierenden - Bauteil mit zumindest einem verschleißreduzierten

Oberflächenabschnitt, welches aus einem Stahlmaterial bestehend zunächst zur Formgebung bearbeitet wird. Weiterhin betrifft die Erfindung ein nach diesem Herstellungsverfahren gefertigtes Bauteil mit speziellen Eigenschaften.

Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Herstellung von Bauteilen, welche miteinander in Reibkontakt stehend mit einem Verschleiß- und/oder Korrosionsschutz zu versehen sind. Beispielsweise weisen Anker und/oder Führungshülsen elektromagnetischer Hubantriebe von Magnetpumpen in DNOX-Systemen zur Reduzierung von Stickoxiden im Abgas derartige verschleißreduzierte Oberflächenabschnitte auf.

Stand der Technik

Die DE 10 2007 0367 12 AI offenbart ein gattungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem verschleißreduzierten Oberflächenabschnitt. Das Bauteil ist in Form einer Seitenscheibe für eine Spreizbandmechanik ausgebildet, die einen Korpus mit einer Führungsnut umfasst, worin ein

Kantenbereich des Spreizbandes eingreift. Der Bereich der Führungsnut ist zumindest abschnittsweise mit einem bezogen auf die Kante des Spreizbandes verschleißreduzierten Oberflächenabschnitt versehen. Während das Spreizband samt Kantenbereich aus einem durchgehärteten Stahl besteht, ist der

verschleißreduzierte Oberflächenabschnitt seitens der Seitenscheibe als hiermit korrespondierendes Bauteil mit einer Beschichtung aus einer Metallmatrix mit PTFE-Partikeln (Teflon) versehen. Dabei ist die Metallmatrix vorzugsweise eine Nickel-Phosphor-Matrix, in welche die PTFE-Partikel mit einem Durchmesser von circa 1 μηι und einem Anteil von circa 25 % eingebaut sind. Die Herstellung eines solchen verschleißreduzierten Oberflächenabschnitts erfordert mehrere

Verfahrensschritte.

Gemäß des allgemein bekannten Standes der Technik erfolgt die Aufbringung einer PTFE-Beschichtung zur Verbesserung von tribologischen Eigenschaften eines Bauteils nach der mechanischen Bearbeitung des Bauteils, welches in der Regel als Stahlbauteil ausgeführt ist, im ungehärteten Zustand. Anschließend wird die Oberfläche des Bauteils durch Strahlen zur Rauheitssteigerung behandelt, um die Hafteigenschaften der anschließenden Beschichtung zu steigern. Diesbezüglich wird zunächst eine galvanische Schicht aufgetragen, auf welcher die PTFE-Beschichtung aufgetragen wird.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einem verschleißreduzierten Oberflächenabschnitt zu schaffen, welches mit wenigen Verfahrensschritten einen wirksamen

Verschleißschutz im tribologischen Kontakt mit einem hierzu korrespondierenden Bauteil ermöglicht.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Hinsichtlich eines mit diesem Herstellungsverfahren erzeugten Bauteil und dessen speziellen Materialeigenschaften wird auf Anspruch 7 verwiesen. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüchen geben vorteilhafte

Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass das Bauteil nach Formgebung im Bereich des Oberflächenabschnitts, welchem

verschleißreduzierte Eigenschaften verliehen werden sollen, zunächst einem Nitrocarburieren unterzogen wird, womit eine Verbindungsschicht erzeugt wird. Nach dem Nitrocarburieren erfolgt die Aufbringung einer PTFE-Schicht in Form einer Kontaktschicht zur Verschleißreduktion. Bei Nitrocarburieren handelt es sich um ein an sich bekanntes thermochemisches Verfahren zum Anreichern der Randschicht des Bauteils mit Stickstoff und Kohlenstoff. Hierdurch entsteht eine Nitrierschicht, bestehend aus Verbindungs- und Diffusionsschicht. Im Gegensatz dazu würde beim einfachen Nitrieren lediglich Stickstoff in die Bauteiloberfläche eingelagert werden.

Der Vorteil des erfindungsgemäß erzeugten verschleißreduzierten

Oberflächenabschnitts eines Bauteils besteht in dessen hoher Härte von circa 1200 HV. Der Verfahrensschritt des Nitrocarburierens schafft eine Porigkeit der Verbindungsschicht als Haftgrundlage für die Kontaktschicht aus PTFE. Aufgrund der geschlossenen Verbindungsschicht wird ein wirksamer Korrosionsschutz erzielt. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren stellt sowohl eine

Kombination (A) als auch eine getrennte Prozessfolge (B) aus

Wärmebehandlung für das Nitrocarburieren mit PTFE-Beschichtung dar, so das Prozesszwischenschritte, beispielsweise (wie A) ein wiederaufheizen, auch entfallen können. Dies führt zu einer Reduzierung der Verfahrensdauer sowie des Energieaufwandes. Durch die Einsparung des ansonsten üblichen

Zwischenschritts eines Strahlens zur Steigerung der Oberflächenrauigkeit werden Mikro-Grate an der Bauteiloberfläche vermieden, so dass keine

Materialpartikel den tribologischen Kontakt verschlechtern würden. Da ferner ein Strahlen zur Rauigkeitsteigerung bei harten Bauteilen nicht möglich ist, kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Aufbringung einer PTFE-Beschichtung auf ganz andere Materialsorten, insbesondere Stahlsorten, ausgedehnt werden.

Vorzugsweise erfolgt das Nitrocarburieren des Oberflächenabschnitts in Form eines Gasnitrocarburierens bei einer Prozesstemperatur zwischen 400° und 600° C, vorzugsweise zwischen 450° bis 600° C. Alternativ könnte auch Plasma- Nitrieren und Salzbad-Nitrieren stattfinden. Versuche haben ergeben, dass in dem bevorzugten Temperaturbereich besonders hohe Hafteigenschaften der Verbindungsschicht erzielbar sind. Das Gasnitrocarburieren kann mit einer Nachoxidation verbunden werden.

Ein Gasnitrocarburieren erfolgt bei der angegebenen Prozesstemperatur vorzugsweise in einem Gasgemisch, welches Stickstoff und Kohlenstoff abgebende Komponenten beinhaltet, vorzugsweise Ammoniak und Kohlendioxid. Ziel ist es, die Verschleißfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit von niedrig bis mittellegierten Stellen zu verbessern.

Anschließend sollte das Bauteil einem Abkühlungsschritt auf circa 300° bis 400° C unterzogen werden, wonach erst die Aufbringung der PTFE-Beschichtung als Kontaktschicht zur Verschleißreduktion erfolgt. Dieser Abkühlungsschritt lässt sich effizienter Weise durch Eintauchen oder Bespritzen des Bauteils mit einer flüssigen PTFE-Dispersion erzielen, so dass im Sinne einer Funktionsintegration die notwendige Abkühlung auf den vorgenannten Temperaturbereich mit der Aufbringung der Kontaktschicht kombiniert wird.

Zur Herstellung einer optimalen Oberflächenhaftung der Kontaktschicht auf der Verbindungsschicht wird gemäß einer die Erfindung weiter verbessernden Maßnahme nach der Aufbringung der Kontaktschicht eine mechanische

Vernetzung bei einer Temperatur zwischen 300° und 450° C herbeigeführt.

Die auf die Verbindungschicht aufzubringende Kontaktschicht kann neben PTFE auch mindestens einen Füllstoff enthalten. Als Füllstoff eignet sich beispielsweise MoS2 oder ZnO. In diesem Zusammenhang muss die Beschichtungstemperatur oder die Bauteiltemperatur vor der Benetzung auf beispielsweise unter 100 °C reduziert werden und anschließend wieder zum Vernetzen erwärmt werden.

Das Bauteil wird vorzugsweise vor der verschleißmindernden Beschichtung vollständig mechanisch bearbeitet, um die Bauteilendform zu erzeugen. Als Material eignet sich insbesondere ein Automatenstahl, vorzugsweise HSMn30. Die Formgebung kann insoweit durch spanende Bearbeitung, beispielsweise Drehen, Bohren oder Fräsen durchgeführt werden.

Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird

vorgeschlagen, dass die auf das Bauteil aufgebrachte Verbindungsschicht im Sinne einer Funktionsintegration auch zur Einstellung einer

Bauteilpaarungstoleranz gegenüber eines im tribologischen Kontakt hiermit stehenden weiteren Bauteils genutzt wird. Insoweit wird vorgeschlagen, die Verbindungsschicht mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 5 bis 15 μηι auszuführen. Ist das Bauteil ein Anker oder eine Hülse eines elektromagnetischen Hubantriebs, so lässt sich hierüber der Restluftspalt dieser Bauteilpaarung einstellen, um ein sogenanntes magnetisches Kleben zu verhindern.

Offenbarung der Erfindung

Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.

Ausführungsbeispiele

Es zeigt:

Figur 1 eine Flowchart-Darstellung von Verfahrensschritten zur Herstellung eines Bauteils mit einem verschleißreduzierten Oberflächenabschnitt,

Figur 2 eine schematische Darstellung eines metallographischen Schliffs eines gemäß des Verfahrens nach Figur 1 beschichteten Bauteils,

Figur 3 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines Verfahrensablaufes in Form von getrennten Batch-Prozessen gemäß eines ersten Beispiels, und

Figur 4 ein Temperatur-Zeit-Diagramm eines Verfahrensablaufes in Form eines kombiniert, kontinuierlichen Prozesses gemäß eines zweiten Beispiels.

Gemäß Figur 1 bildet das Bauteil 1 einen Anker eines - hier nicht weiter dargestellten - elektromagnetischen Hubantriebs, welches entlang der gesamten Mantelfläche mit einem verschleißreduzierten Oberflächenabschnitt 2 zu versehen ist. Als Halbzeug wird in einem ersten Schritt ein Automatenstahl der Stahlsorte llSMn30 ausgewählt. Ausgehend hiervon wird das Stahlmaterial in einem nachfolgenden Schritt a spanend durch Drehen und Fräsen bearbeitet um die gewünschte in etwa zylindrische Formgebung zu erhalten. Diese spanende Bearbeitung erfolgt im weichen, also ungehärteten, Materialzustand.

In einem nachfolgenden Schritt b wird der Oberflächenabschnitt 2 durch

Gasnitrocarburieren in einem evakuierten Kammerofen mit einer

Verbindungsschicht 3 versehen.

Im einem anschließenden Schritt c erfolgt die Aufbringung einer Kontaktschicht 4 auf die Verbindungschicht 3 durch Bespritzen des Bauteils 1 mit einer PTFE- Dispersion, die neben PTFE auch Füllstoffe enthält. Anschließend erfolgt im Zuge der weiteren Abkühlung ein mechanisches Vernetzen der Kontaktschicht 4 zur Herstellung einer zuverlässigen Oberflächenhaftung auf der

Verbindungsschicht 3.

Nach dem aus Figur 2 ersichtlichen metallographischen Schliff des Bauteils 1 befindet im Ergebnis dieses Herstellungsverfahrens eine auf den

Oberflächenabschnitt 2 des Bauteils 1 aufgebrachte Verbindungsschicht 3 einer Schichtdicke zwischen 5 bis 15 μηι. Über die aufgebrachte Schichtdicke für die Verbindungsschicht 3 lässt sich der Durchmesser des Bauteils 1 auf Sollmaß bringen. Die durch mechanische Vernetzung fest auf der Verbindungsschicht 3 haftende Kontaktschicht 4 aus zumindest teilweise PTFE bildet die

verschleißreduzierte äußere Mantelfläche des Bauteils 1. Die Verbindungsschicht 3 dient aufgrund der Porigkeit hier nicht allein als Haftvermittler für die

Kontaktschicht 4, sondern bildet in Folge der Aufbringung durch das

Gasnitrocarburieren eine höhere Randschichthärte durch die hiermit verbundene Wärmebehandlung aus.

Die Figur 3 zeigt einen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens im Zuge von getrennten Batch-Prozessen, wobei der Schritt b des Nitrocarburierens in einem evakuierten Kammerofen durchgeführt wird und der anschließende Schritt der Aufbringung der PTFE-Kontaktschicht durch Bespritzen des Bauteils außerhalb des Kammerofens. Das mechanisch fertig bearbeitete Bauteil wird zunächst während eines

Zeitraums I auf eine Temperatur von circa 450° bis 600° Celsius erwärmt, wobei hier eine Voroxidation stattfindet. Während des Zeitraums II erfolgt das

Gasnitrocarburieren und anschließend wird das Bauteil aus dem Kammerofen entnommen, ehe nach Vergehen eines Zeitraums III die PTFE-Beschichtung beginnt. Dies erfolgt hier während des Aufwärmens des Bauteils in einem

Zeitraum IV auf circa 200° C durch Bespritzen derjenigen Bauteiloberfläche, welche zuvor in Folge des Gasnitrocarburierens mit einer Verbindungsschicht versehen wurde. Im nachfolgenden Zeitraum V wird das mechanische Vernetzen der Kontaktschicht auf der Verbindungsschicht bei einer Temperatur von circa 350° C durchgeführt, wozu das Bauteil wieder entsprechend erwärmt wird. Bei diesem getrennten Batch-Prozess erfolgt ein wiederholtes Aufwärmen und Abkühlen des Bauteils zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Dagegen ermöglicht der in Figur 4 dargestellte kombiniert kontinuierliche Prozess eine bessere Ausnutzung der im Bauteil durch die Wärmebehandlung

gespeicherte Wärmeenergie.

Demzufolge wird zunächst während eines Zeitraums I ein stufenweise Erwärmen des Bauteils einer Temperatur von zumindest 450° C durchgeführt. Hierbei erfolgt eine Voroxidation. Während des Zeitraums II findet das

Gasnitrocarburieren statt. Anschließend wird das Bauteil gesteuert mittels flüssigem Stickstoff auf circa 300° bis 400° C abgekühlt, ehe ein weiteres Abschrecken durch Eintauchen des Bauteils in eine flüssige PTFE-Dispersion stattfindet, um die Kontaktschicht auszubilden. Unter Nutzung der

Bauteileigenwärme kann ein mechanisches Vernetzen der Kontaktschicht auf der zuvor durch das Gasnitrocarburieren aufgebrachten Verbindungsschicht durchgeführt werden, welches ebenfalls während des Zeitraums IV stattfindet.

Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, andere Bauteile als die Komponenten elektromagnetischer Hubantriebe, wie Anker oder Führungshülsen, mit einer verschleißreduzierten Oberfläche in erfindungsgemäßer Weise zu versehen, sofern das hierfür geeignete Stahlmaterial des Bauteils den Bauteilanforderungen entspricht.