DE102013222241A1

DE102013222241A1 - Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche ei-nes Maschinenelements

Info

Publication number: DE102013222241A1
Application number: DE201310222241
Authority: DE
Inventors: Frank Himsel; Serge Kursawe
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30
Also published as: WO2015062591A1

Abstract

Es ist ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche (4) eines Maschinenelements (6) offenbart. Hierzu wird eine Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8) aufgebracht. Nach dem Härten der Maskierung (10) wir eine gleichmäßige Beschichtung (12) aufgebracht. Letztendlich wird die Maskierung (10) abgetragen und eine Struktur (2) bleibt auf der Oberfläche (4) des Maschinenelements (6) zurück.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Maschinenelements.
Hintergrund der Erfindung
Die deutsche Patentanmeldung DE 10 2011 076 410 A1 offenbart ein Verfahren zur Bearbeitung einer Wälz- oder Gleitbelastung ausgesetzten Oberfläche eines Maschinenelements. Auf die Oberfläche wird eine Beschichtung im PVD-Verfahren aufgebracht. Die Oberfläche selbst wird durch ein geometrisch nicht definiertes, spanabhebendes Verfahren derart bearbeitet, dass sie eine isotrope Struktur erhält.
Aus der DE 10 2007 054 181 A1 ist ein mit einer korrosionsfesten Beschichtung versehener Tassenstößel bekannt. Die Beschichtung ist in diesem Fall mehrlagig aufgebaut und umfasst amorphen Kohlenstoff mit Wasserstoff.
Ein Verfahren zur Bearbeitung einer Beschichtung aus hartem Kohlenstoff ist z. B. aus der DE 10 2006 010 916 A1 bekannt. Hierbei werden zur Glättung der Oberfläche borsten- oder plattenförmige Elemente verwendet.
Zur Beschichtung von Oberflächen geeignete ARC-Prozesse sind beispielsweise in der DE 10 2007 058 356 A1 offenbart. Verschiedene verschleißfeste Beschichtungen, welche CrNx-Phasen oder kohlenstoffhaltige Funktionsschichten (Me-C:H, a-C:H, a-C:H:a, ta-C) umfassen, sind z. B. aus der DE 10 2004 043 550 A1 bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kostengünstiges und einfaches Verfahren zur Oberflächenstrukturierung von Maschinenelementen anzuführen, so dass das Ölrückhaltevermögen bei stark polierten Oberflächen verbessert ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche eines Maschinenelements, das die Merkmale des Anspruchs 1 umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass zunächst eine Maskierung auf der Oberfläche des Maschinenelements durch eine Druckeinrichtung aufgebracht wird. Anschließend wird eine Beschichtung aufgebracht, so dass die Beschichtung gleichmäßig die Oberfläche des Maschinenelements und eine Oberfläche der Maskierung auf dem Maschinenelement bedeckt. Letztendlich wird die Maskierung von der Oberfläche des Maschinenelements abgetragen. Das Abtragen der Maskierung von der Oberfläche des Maschinenelements ist ein mechanischer und/oder chemischer Prozess, wodurch die lose anhaftenden Teile der Maskierung entfernt werden. Eine weitere Möglichkeit der Abtragung kann auch im Betrieb erfolgen. Die Abtragung wird dabei durch die Nockenwelle im Betrieb herbeigeführt.
Die Maskierung selbst wird durch ein Trennmittel gebildet, das derart ausgebildet ist, dass die von der Maskierung freie Oberfläche des Maschinenelements nach dem Aufbringen der Maskierung frei von Kontaminationen bleibt.
Das Trennmittel wird nach dem Aufbringen auf die Oberfläche des Maschinenelements ausgehärtet. Somit wird ein Ausgasen von Bestandteilen des Trennmittels verhindert. Dies ist umso wichtiger, da beim Aufbringen der Beschichtung diese nicht durch ein Ausgasen des Trennmittels in ihrer Ausbildung behindert werden soll.
Das Aufbringen der Maskierung auf das Maschinenelement erfolgt mit einer Druckeinrichtung, die einen Tintenstrahldruckprozess realisiert. Zum Aufbringen der Maskierung mit dem Tintenstrahldruckprozess wird zwischen der Druckeinrichtung und dem Maschinenelement eine Relativbewegung erzeugt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann das Aufbringen der Maskierung mit einer Druckeinrichtung erfolgen, die einen Siebdruckprozess oder einen Tampondruckprozess realisiert.
Das Abtragen der Maskierung von der Oberfläche des Maschinenelements wird mechanisch und/oder chemisch durchgeführt. Durch die mechanische und/oder chemische Einwirkung auf die Oberfläche des Maschinenelements lösen sich diejenigen Teile des Trennmittels, welche direkt mit der Oberfläche des Maschinenelements in Kontakt sind. Die auf die Maskierung und die Oberfläche des Maschinenelements aufgebrachte Beschichtung bleibt somit an denjenigen Stellen am Maschinenelement haften, die nicht von einer Maskierung bedeckt sind. Nach dem Abtragen der Maskierung von der Oberfläche erhält man somit eine strukturierte Funktionsfläche.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren erhält man ein Maschinenelement mit einer Oberfläche, die einer Wälz- oder Gleitbelastung ausgesetzt ist und eine Struktur trägt, die somit eine strukturierte Funktionsfläche bildet. Diese strukturierte Oberfläche wird mit dem oben beschriebenen Verfahren ausgebildet. Die Funktionsfläche des Maschinenelements wirkt mit einer Gegenfläche zusammen, so dass mittels der Struktur der Funktionsfläche eine Reibung verringerbar ist und ein Ölrückhaltevermögen verbessert ist.
Im Folgenden sollen Ausführungsbeispiele die Erfindung und ihre Vorteile anhand der beigefügten Figuren näher erläutern. Die Größenverhältnisse in den Figuren entsprechen nicht immer den realen Größenverhältnissen, da einige Formen vereinfacht und andere Formen zur besseren Veranschaulichung vergrößert im Verhältnis zu anderen Elementen dargestellt sind. Dabei zeigen:
1 eine schematische Ansicht der Ausbildung einer strukturierten Funktionsfläche auf einem Maschinenelement gemäß einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
2 eine schematische Ansicht der Ausbildung einer strukturierten Funktionsfläche auf der Oberfläche eines Maschinenelements gemäß einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Maschinenelements, das mit einem entsprechenden Gegenelement zusammenwirkt.
Für gleiche oder gleich wirkende Elemente der Erfindung werden identische Bezugszeichen verwendet. Ferner werden der Übersicht halber nur Bezugszeichen in den einzelnen Figuren dargestellt, die für die Beschreibung der jeweiligen Figur erforderlich sind. Die dargestellten Ausführungsformen stellen lediglich Beispiele dar, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur Ausbildung einer strukturierten Funktionsfläche auf der Oberfläche eines Maschinenelements ausgestaltet sein kann und stellt somit keine abschließende Begrenzung der Erfindung dar.
1 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung einer Struktur 2 auf der Oberfläche 4 eines Maschinenelements 6. Mittels einer Druckeinrichtung 8 wird eine Maskierung 10 auf die Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 aufgebracht. Zum Aufbringen der Maskierung 10 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 wird zwischen der Druckeinrichtung 8 und dem Maschinenelement 6 eine Relativbewegung R erzeugt. In der Regel steht jedoch das Maschinenelement 6 still und die Druckeinrichtung 8 bewegt sich. In der in 1 dargestellten Ausbildungsform ist die Druckeinrichtung 8 ein Tintenstrahldrucker. Mit dem Tintenstrahldrucker kann somit jede beliebige Form der Maskierung 10 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 ausgebildet werden. Nachdem die Maskierung 10 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 ausgebildet ist, wird die Maskierung 10 ausgehärtet, so dass ein Ausgasen während des Aufbringens einer Beschichtung 12 verhindert ist. Auf das ausgehärtete Trennmittel der Maskierung 10 wird dann mit einem Standardprozess die Beschichtung 12 aufgebracht. Die Beschichtung 12 wird dabei derart aufgebracht, dass die Beschichtung 12 Teile der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6, die frei von der Maskierung 10 sind, bedeckt. Ebenso wird die Oberfläche 16 der Maskierung 10 von der Beschichtung 12 bedeckt. Nachdem die Beschichtung 12 vollständig auf die Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 und die Oberfläche 16 der Maskierung 10 aufgebracht worden ist, erfolgt ein Abtragen 14 der Maskierung 10. Das Abtragen 14 der Maskierung 10 wird dadurch erleichtert, dass durch das Trennmittel der Maskierung 10 eine geringere Haftung zwischen der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 besteht. Durch die geeignete mechanische Einwirkung werden die Stellen der Maskierung 10 von der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 entfernt. Übrig bleibt die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aufbringen einer Struktur 2 auf die Oberfläche 4 eines Maschinenelements 6. Die Druckeinrichtung 8 ist in diesem Fall als ein Siebdruckprozess ausgestaltet. Der Siebdruckprozess umfasst ein Druckteil 20, das als Rackel ausgebildet ist, womit das Trennmittel mittels einer Bewegung R der Rackel auf die Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 aufgebracht wird. Abgesehen von der verwendeten Druckeinrichtung 8 in 2 läuft das erfindungsgemäße Verfahren genauso ab, wie bereits in der 1 beschrieben und wird hier der Einfachheit halber nicht noch einmal erläutert.
3 zeigt schematisch das Zusammenwirken des Maschinenelements 6 mit einem Gegenelement 22. Die auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 ausgebildete Struktur 2 liegt an einer Gegenfläche 24 des Gegenelements 22 an. Durch die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 wird die Reibung zwischen dem Maschinenelement 6 und dem Gegenelement 22 erhöht. In der Regel besteht zwischen dem Maschinenelement 6 und dem Gegenelement 22 eine große Haftreibung, da die Flächen sehr glatt ausgebildet sind, was zu einer extrem geringen Oberflächenrauheit resultiert Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausbildung einer Struktur 2 auf der Oberfläche 4 eines Maschinenelements 6 findet bei Tassenstößelventiltrieben oder sonstigen Gleitflächen im Ventiltrieb, wie z. B. Schwing- oder Schlepphebeln oder schaltbaren Schwing- oder Schlepphebeln, Anwendung. Durch die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 wird somit des Ölrückhaltevermögen verringert, so dass eine bessere Schmierung zwischen dem Maschinenelement 6 und dem Gegenelement 22 erreicht wird. Ferner findet ein Maschinenelement 6 mit der erfindungsgemäßen ausgebildeten Struktur 2 ebenfalls Anwendung in tribologisch beanspruchten Funktionsflächen in Wälz- und Gleitlagern. Im Allgemeinen dient die Struktur 2 auf der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 zur Reibungsreduzierung und besseren Schmierung.
Eine tribologisch beanspruchte Funktionsfläche wird gemäß der Erfindung partiell mit einer Maskierung 10 bedruckt. Anschließend wird die Maskierung 10 mit einer reibmindernden und verschleißhemmenden Beschichtung 12 versehen. Durch eine nachgelagerte mechanische Bearbeitung wird die Maskierung 10 mit der darüber liegenden Schicht 12 entfernt. Die von der Maskierung 10 freigelegten Bereiche der Oberfläche 4 des Maschinenelements 6 verbessern das Ölrückhaltevermögen und tragen so zur weiteren Reibverminderung und/oder Verbesserung des Verschleißverhältnisses zwischen Maschinenelement 6 und Gegenelement 22 bei.
Bezugszeichenliste

2: Struktur
4: Oberfläche
6: Maschinenelement
8: Druckeinrichtung
10: Maskierung
12: Beschichtung
14: Abtragen
16: Oberfläche der Maskierung
20: Druckelement
22: Gegenelement
24: Gegenfläche
R: Relativbewegung, Bewegung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102011076410 A1 [0002]
DE 102007054181 A1 [0003]
DE 102006010916 A1 [0004]
DE 102007058356 A1 [0005]
DE 102004043550 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Strukturierung einer Oberfläche (4) eines Maschinenelements (6), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Aufbringen einer Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8); – Aufbringen einer Beschichtung (12), derart dass die Beschichtung (12) gleichmäßig die von der Maskierung (10) freie Oberfläche (4) des Maschinenelements (6) und eine Oberfläche (16) der Maskierung (10) auf dem Maschinenelement (6) bedeckt; und – Abtragen (14) der Maskierung (10) von der Oberfläche (4) des Maschinenelements (6).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Maskierung (10) durch ein Trennmittel gebildet wird, das derart ausgebildet ist, dass die von der Maskierung (10) freie Oberfläche (4) eines Maschinenelements (6) nach dem Aufbringen der Maskierung (10) frei von Kontaminationen bleibt.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Trennmittel nach dem Aufbringen auf die Oberfläche (4) eines Maschinenelements (6) ausgehärtet wird, so dass ein Ausgasen von Bestandteilen des Trennmittels verhindert ist.
Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei das Aufbringen der Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8) erfolgt, die einen Tintenstrahldruckprozess realisiert.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das Aufbringen einer Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8) erfolgt, die einen Siebdruckprozess realisiert.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, wobei das Aufbringen einer Maskierung (10) mit einer Druckeinrichtung (8) erfolgt, die einen Tampondruckprozess realisiert.
Verfahren nach den vorangehenden Ansprüchen, wobei ein Abtragen (14) der Maskierung (10) von der Oberfläche (4) des Maschinenelements (6) mechanisch und/oder chemisch durchgeführt wird.
Maschinenelement (6) mit einer Oberfläche (4), die einer Wälz- oder Gleitbelastung ausgesetzt ist und eine Struktur (2) trägt, die gemäß dem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 ausgebildet ist.
Maschinenelement (6) nach Anspruch 8, wobei die Oberfläche (4) des Maschinenelements (6) mit der Struktur (2) eine Funktionsfläche ist, die mit einer Gegenfläche (24) zusammenwirkt und mittels der Struktur (2) eine Reibung verringerbar und ein Ölrückhaltevermögen verbesserbar ist.