DE10036264A1 - Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht, die mit intermetallischen Phasen durchzogen ist, die sich dadurch auszeichnet, dass auf einem Trägerelement eine Schicht aus einem Metall und einer Keramik aufgebracht wird, dass durch einen Energieeintrag während des Aufbringens der Schicht oder durch einen nachträglichen Energieeintrag eine Reaktion zwischen dem Metall und der Keramik der Schicht erfolgt und hierdurch unter Bildung von intermetallischen Phasen die Oberflächenschicht hergestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht nach Patentanspruch 1.
Aus der DE 197 50 599 A1 ist ein Konstruktionselement bekannt, das eine Al2O3-haltige Oberflächenschicht umfasst, die von hochtemperaturbeständigen Aluminiden durchzogen ist. Zur Her­ stellung eines derartigen Konstruktionselementes wird ein gesinterter, poröser keramischer Körper in eine Druckgußform eingelegt und unter Druck mit Aluminium infiltriert. Während des Infiltrieren reagiert der keramische Körper mit dem Alumi­ nium, wobei die genannten Aluminide gebildet werden. Das Kon­ struktionselement füllt in der Regel nur Teile des Bauteils aus, weshalb das Bauteil teilweise aus Aluminium und teilweise, insbesondere an den tribologisch belasteten Bauteilbereichen aus dem genannten Konstruktionselement besteht.
Zur Herstellung des Konstruktionselementes nach der DE 197 50 599 A1 muss in aufwendiger Weise ein keramischer Körper ge­ formt, gesintert und bearbeitet werden, bevor er im Druckguß mit Aluminium infiltriert wird. Des Weiteren besteht ein dis­ kreter Übergang zwischen dem Konstruktionselement und dem rest­ lichen Bauteil, das als Trägerelement fungiert, was die Haftung zwischen den genannten Elementen negativ beeinflusst.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine gegen­ über dem Stand der Technik kostengünstigere Oberflächenschicht bereitzustellen, die eine hohe Verschleißbeständigkeit auf­ weist.
Die Aufgabe wird durch eine Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht nach Patentanspruch 1 gelöst.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Patentanspruch 1 wird eine pulverförmige Mischung aus einem Metall und einer durch dieses Metall chemisch reduzierbaren Keramik auf die Oberfläche eines Trägerelementes aufgebracht. Durch einen Energieeintrag wird eine chemische Redox-Reaktion angeregt, die nach folgendem Reaktionsschema abläuft:
MeKX + MeS → MeKMeS + MeSX Gl. 1
(Ohne Berücksichtigung von Stöchiometriekoeffizienten.)
Hierbei ist MeK ein in der Keramik chemisch gebundenes Metall, X steht für ein Nichtmetall aus der Gruppe Sauerstoff (O), Koh­ lenstoff (C), Bor (B) und/oder Stickstoff (N). Die Bezeichnung MeS steht für das Metall, das in der aufgebrachten Schicht in elementarer Form (oder als Legierung) enthalten ist. Nach Glei­ chung 1 reagiert das Metall MeS mit der Keramik auf der Art, dass es sowohl eine intermetallische Verbindung mit dem Metall MeK eingeht und gleichzeitig dessen Platz in der Keramik ein­ nimmt, dieses demnach ersetzt und somit eine neue keramische Verbindung erzeugt wird. Die so hergestellte Oberflächenschicht weist eine besonders hohe Verschleißfestigkeit auf.
Als Metall MeS ist Aluminium besonders zweckmäßig. Aluminium reduziert die meisten keramischen Verbindungen in der in Glei­ chung 1 angegebenen Form. Zudem bildet es hochtemperaturbestän­ dige intermetallischen Verbindungen, die besonders verschleißfest sind (Anspruch 2).
Die Keramik der Schicht besteht bevorzugt aus einer oxidischen Keramik. Oxidische Keramiken lassen sich insbesondere von Alu­ minium (Al) gut reduzieren, zudem sind viele oxidkeramische Rohstoffe besonders kostengünstig. Das Metall MeK, das in der Keramik chemisch gebunden ist, ist bevorzugt ein Übergangsme­ tall oder das Halbmetall Silizium (Si), besonders bevorzugt finden Titan (Ti) oder Silizium Verwendung. Hierbei ist es mög­ lich, dass die Keramik mehrere Metalle enthält. Demnach sind bevorzugte Keramiken u. a. das Titandioxid (TiO2), das Siliziu­ dimoxid (SiO2) oder Mischoxide wie Spinelle, Silikate oder Il­ menit (Anspruch 3).
Die Beschichtung der Oberfläche des Trägerelementes kann durch die meisten gängigen Beschichtungsverfahren erfolgen. Hierzu gehören physikalische und chemische Abscheideverfahren, wie Sputtern, Sol-Gel-Prozesse, Galvanisieren oder eine CVD- Beschichtung. Besonders geeignet sind Schlickertechniken wie sie bei der Keramikherstellung üblich sind oder Lackiertechni­ ken (z. B. Tauchlackieren oder Spritzen), womit eine besonders kostengünstige Schicht erzeugt werden kann. Des Weiteren sind Verfahren des thermischen Spritzens wie das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Plasmaspritzen, das Lichtbogen-Drahtspritzen oder das kinetische Kaltgaskompaktie­ ren zweckmäßige Beschichtungsverfahren. Die Verfahren des ther­ mischen Spritzens gewährleisten eine besonders dichte Schicht und sind ebenfalls kostengünstig herstellbar (Anspruch 4).
Ein Energieeintrag, der die Reaktion zwischen dem Trägerelement und der keramischen Schicht anregt, kann insbesondere bei den genannten thermischen Spritzverfahren in situ erfolgen. Dies geschieht, wenn die pulverförmige Mischung aus dem Metall MeS und der Keramik beim Auftreffen auf das Trägermaterial eine, für einen Reaktionsstart ausreichende Temperatur aufweist. Bei anderen Beschichtungsverfahren wird eine zusätzliche Tempera­ turbehandlung eingeführt. Die Termperaturbehandlung kann selek­ tiv erfolgen, das heißt, nur die mit der Schicht versehenen Bereiche des Trägerelements werden erwärmt. Dies ist besonders zweckmäßig, da so das Trägerelement keiner zusätzlichen Bela­ stung z. B. durch Korrosion oder Gefügeumwandlung ausgesetzt wird. Für die selektive Beheizung eignen sich besonders konzen­ trierte Wärmestrahlung (z. B. durch hochenergetische Infrarot­ lampen), Laserbestrahlung oder Induktionsbeheizung (Anspruch 5).
Es ist darauf zu achten, dass die Erweichungstemperatur oder die Zersetzungstemperatur des Trägerelementes über der Reakti­ onstemperatur liegt. Als Trägerelemente kommen daher insbeson­ dere Metalle auf Eisen-Basis, aber auch Metall auf Aluminium- Basis und Nickel-Basis in Anwendung. Das erfindungsgemäße Ver­ fahren läßt sich zudem auf anorganische, nichtmetallische Trä­ gerelemente aus Keramik oder Glas anwenden. Besonders geeignet als Trägerelemente sind Bauteile, die im Antriebsstrang und Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden und hohen tri­ bologischen Belastungen ausgesetzt sind. Hierzu zählen u. a. Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderköpfe, Kolben, Getriebegehäuse und Synchronringe.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird in den folgenden Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Zylinderlaufbahnen eines Zylinderkurbelgehäuses aus der Legie­ rung AlSi9Cu3 werden im Plasmaspritzverfahren mit einer Mi­ schung aus Aluminium- und Titanoxid-Pulver beschichtet. Die Pulverpartikel weisen Durchmesser zwischen 10 µm und 50 µm auf. Die Partikel werden im Plasmagas (Argon/Wasserstoff) auf ca. 1800°C erhitzt, schmelzen dabei zumindest partiell auf und treffen im erweichten Zustand auf die Oberfläche der Zylinder­ laufbahn. Die hieraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 200 µm.
Die durch das Plasma erhitzte Pulvermischung reagiert prinzipi­ ell nach der in Gleichung 2 angegebenen Reaktion:
Al + TiO2 → AlxTiy + Al2O3 Gl. 2
Die Gleichung ist ohne Stöchiometriekoeffizienten angegeben.
Die in Gleichung 1 angegebene Reaktion findet währen des Auf­ heizen des Pulvers im Plasmagas statt. Es handelt sich hier um eine in situ Reaktion während des Aufbringen der Schicht. Die während dieser Reaktion entstehenden intermetallischen Ver­ bindungen AlxTiy können je nach Zusammensetzung der Pulvermi­ schung und in Abhängigkeit der Spritzparameter unterschiedliche stöchiometrische Zusammensetzungen x und y haben. Durch die stöchiometrische Zusammensetzung der intermetallischen Verbin­ dungen können die funktionellen Eigenschaften der Schicht be­ einflußt werden. Ein hoher Anteil an Aluminium führt zu einer besseren Oxidationsbeständigkeit, ein hoher Anteil an Titan führt hingegen zu einer besseren Duktilität und zu einem höhe­ ren Schmelzpunkt der Schicht.
Beispiel 2
Eine Suspension aus einer pulvrige Mischung aus Aluminium (Le­ gierung AlSi12) und Titanoxid wird mit Hilfe einer Spritzpisto­ le, wie sie beim Lackieren eingesetzt wird, auf die Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses (Legierung Al­ Si9Cu3) aufgebracht. Während eines Trocknungsprozesses ver­ dampft das Lösungsmittel, die resultierende Schichtdicke beträgt ca. 250 µm.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt durch einen Infra­ rotheizstrahler ein Energieeintrag, der so eingestellt wird, dass in der Schicht eine Temperatur von ca. 560°C erzeugt wird. Diese Temperatur führt zu einer Reaktion analog der Gleichung 2. Ferner findet an der Grenzfläche zwischen der Schicht und dem Trägerlement ebenfalls eine Reaktion nach Gleichung 2 statt, woraus eine gute Haftung zwischen der Oberflächenschicht und dem Trägerelement resultiert.
Während des Energieeintrages kann die Temperatur in der Schicht durch die eingebrachte Energiemenge geregelt werden. Durch die Reaktionstemperatur und die Heizdauer kann der Reaktionsablauf gesteuert werden. Es ist so z. B. möglich, die Reaktion vor der vollständigen Umsetzung zu stoppen. Es bleibt hierbei eine Restmenge an Aluminium in der Schicht, was sich positiv auf die Duktilität der Schicht auswirkt. Durch die Heizparameter kann somit gezielt auf die funktionellen Eigenschaften der Oberflä­ chenschicht Einfluß genommen werden.

Claims (5)

1. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht, die mit intermetallischen Phasen durchzogen ist, dadurch gekennzeichnet, dass
auf einem Trägerelement eine Schicht aus einem Metall und einer Keramik aufgebracht wird,
durch einen Energieeintrag während des Aufbringens der Schicht oder durch einen nachträglichen Energieeintrag eine Reaktion zwischen dem Metall und der Keramik der Schicht erfolgt und
hierdurch unter Bildung von intermetallischen Phasen die Oberflächenschicht hergestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Schicht Aluminium oder eine Aluminiumlegie­ rung ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik der Schicht eine oxidische Keramik ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch eine Schlickertechnik oder durch eine Lackiertechnik aufge­ bracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag über eine Infrarotheizquelle und/oder ei­ nen Laser und/oder eine Induktionswärmequelle erfolgt.
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