DE10036264B4

DE10036264B4 - Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht

Info

Publication number: DE10036264B4
Application number: DE10036264A
Authority: DE
Inventors: Tilman Dr.Rer.Nat. Haug; Patrick Dr.-Ing. Izquierdo; Michael Dipl.-Ing. Scheydecker (Fh); Oliver Dipl.-Ing. Storz (FH); Tanja Dipl.-Ing. Tschirge (FH); Karl-Ludwig Dr. Weisskopf
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Daimler AG
Priority date: 2000-07-26
Filing date: 2000-07-26
Publication date: 2004-09-16
Anticipated expiration: 2020-07-27
Also published as: US6803078B2; DE10036264A1; EP1176227A1; US20020034593A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Oberflächeschicht auf einem Trägerelement, die mit intermetallischen Phasen durchzogen ist,
dadurch gekennzeichnet,
– dass auf einem Trägerelement durch ein Plasmaspritzverfahren, durch ein Lichtbogendrahtspritzen oder durch ein kinetisches Kaltgaskompaktieren
– Metall- und Keramikpartikel auf die Oberfläche aufgebracht werden,
– durch den Energieeintrag während des Aufbringens der Schicht eine Reaktion zwischen den Metallpartikeln und den Keramikpartikeln unter Bildung von intermetallischen Phasen erfolgt
– und 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 Al203-haltige Oberflächenschicht umfasst, die von hochtemperaturbeständigen Aluminiden durchzogen ist. Zur Herstellung eines derartigen Konstruktionselementes wird ein gesinterter, poröser keramischer Körper in eine Druckgußform eingelegt und unter Druck mit Aluminium infiltriert. Während des Infiltrierens reagiert der keramische Körper mit dem Aluminium, wobei die genannten Aluminide gebildet werden. Das Konstruktionselement 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 geformt, gesintert und bearbeitet werden, bevor er im Druckguß mit Aluminium infiltriert wird. Des Weiteren besteht ein diskreter Übergang zwischen dem Konstruktionselement und dem restlichen Bauteil, das als Trägerelement fungiert, was die Haftung zwischen den genannten Elementen negativ beeinflusst.

Weitere Verfahren zur Darstellung von Oberflächenschichten werden z. B. in der DE 41 02 495 A1 beschrieben. Diese beschreibt ein Verfahren zum Aufbringen von Schichten nach Art des Auftragsschweißens. Hierzu werden Pulvermischungen, die im Wesentlichen aus Metallen bestehen und Anteile an keramischen Substanzen enthalten können auf ein metallisches Substrat gegeben und durch eine Energiequelle aufgeschmolzen. Als Ener giequelle dient hierbei ein Laser oder eine Lichtbogenlampe oder ähnliche Hilfsmittel, die zum Schweißen angewendet werden können. Die reaktive Pulvermischung wird durch die Energiequelle gezündet, wodurch eine selbständige Reaktion abläuft, durch die das Material aufgeschmolzen wird und zu intermetallischen Phasen reagiert. Durch dies Methode können keine diskreten Schichten hergestellt werden, zudem kann das Substrat durch die hohe freigesetzte Energiemenge beschädigt werden.

Die DE 196 05 858 A1 beschreibt grundlegende Mechanismen zur Herstellung von Metall-Keramik-Verbundwerkstoffen, die intermetallische Phasen aufweisen, gibt jedoch keine Anregung zur Herstellung von Oberflächenschichten.

Die EP 482 831 B1 beschreibt eine Beschichtung auf der Basis von Chromcarbid, die durch thermisches Spritzen im Abgasbereich eines Turboladers aufgebracht wird. Die EP 522 583 B1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Beschichtung einer Oberfläche auf der Basis von Chromcarbid und Nickel.

Schließlich zeigt die EP 496 935 A1 die Herstellung von Oberflächenschichten auf Nickel-Basis-Legierungen. Hierzu werden aluminiumhaltige Pulver auf die Oberfläche eines Bauteils gebracht, die mit dem Nickel diffusionsgesteuert zu Nickelaluminiden legieren.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik kostengünstigere Oberflächenschicht bereitzustellen, die eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

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 Energieein trag wird eine chemische Redox-Reaktion angeregt, die nach folgendem Reaktionsschema abläuft: Me_KX + Me_S → Me_KMe_S + Me_SX Gl. 1

(Ohne Berücksichtigung von Stöchiometriekoeffizienten.)

Hierbei ist Me_K ein in der Keramik chemisch gebundenes Metall, X steht für ein Nichtmetall aus der Gruppe Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Bor (B) und/oder Stickstoff (N). Die Bezeichnung Me_S steht für das Metall, das in der aufgebrachten Schicht in elementarer Form (oder als Legierung) enthalten ist. Nach Gleichung 1 reagiert das Metall Me_S mit der Keramik auf der Art, dass es sowohl eine intermetallische Verbindung mit dem Metall Me_K eingeht und gleichzeitig dessen Platz in der Keramik einnimmt, dieses demnach ersetzt und somit eine neue keramische Verbindung erzeugt wird. Die so hergestellte Oberflächenschicht weist eine besonders hohe Verschleißfestigkeit auf.

Als Metall Me_S ist Aluminium besonders zweckmäßig. Aluminium reduziert die meisten keramischen Verbindungen in der in Gleichung 1 angegebenen Form. Zudem bildet es hochtemperaturbeständige intermetallischen Verbindungen, die besonders verschleißfest sind (Anspruch 2).

Die Keramik der Schicht besteht bevorzugt aus einer oxidischen Keramik. Oxidische Keramiken lassen sich insbesondere von Aluminium (Al) gut reduzieren, zudem sind viele oxidkeramische Rohstoffe besonders kostengünstig. Das Metall Me_K, das in der Keramik chemisch gebunden ist, ist bevorzugt ein Übergangsmetall oder das Halbmetall Silizium (Si), besonders bevorzugt finden Titan (Ti) oder Silizium Verwendung. Hierbei ist es möglich, dass die Keramik mehrere Metalle enthält. Demnach sind bevorzugte Keramiken u. a. das Titandioxid (TiO₂), das Siliziudimoxid (SiO₂) oder Mischoxide wie Spinelle, Silikate oder Ilmenit (Anspruch 3).

Die Beschichtung der Oberfläche des Trägerelementes kann durch das Plasmaspritzen, das Lichtbogen-Drahtspritzen oder das kinetische Kaltgaskompaktieren erfolgen. Diese Verfahren des thermischen Spritzens gewährleisten eine besonders dichte Schicht und sind kostengünstig herstellbar.

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 Me_S und der Keramik beim Auftreffen auf das Trägermaterial eine, für einen Reaktionsstart ausreichende Temperatur aufweist.

Es ist darauf zu achten, dass die Erweichungstemperatur oder die Zersetzungstemperatur des Trägerelementes über der Reaktionstemperatur liegt. Als Trägerelemente kommen daher insbesondere Metalle auf Eisen-Basis, aber auch Metall auf Aluminium-Basis und Nickel-Basis in Anwendung. Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich zudem auf anorganische, nichtmetallische Trägerelemente aus Keramik oder Glas anwenden. Besonders geeignet als Trägerelemente sind Bauteile, die im Antriebsstrang und Fahrwerk eines Kraftfahrzeuges eingesetzt werden und hohen tribologischen Belastungen ausgesetzt sind. Hierzu zählen u. a. Zylinderkurbelgehäuse, Zylinderköpfe, Kolben, Getriebegehäuse und Synchronringe.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden Beispiel näher erläutert.

Beispiel 1
Zylinderlaufbahnen eines Zylinderkurbelgehäuses aus der Legierung AlSi9Cu3 werden im Plasmaspritzverfahren mit einer Mischung 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 Zylinderlaufbahn. Die hieraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 200 μm.
Die durch das Plasma erhitzte Pulvermischung reagiert prinzipiell nach der in Gleichung 2 angegebenen Reaktion: Al + TiO₂ → Al_xTi_y + Al₂O₃ Gl. 2
Die Gleichung ist ohne Stöchiometriekoeffizienten angegeben.
Die in Gleichung 1. angegebene Reaktion findet währen des Aufheizen 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 Verbindungen Al_xTi_y können je nach Zusammensetzung der Pulvermischung und in Abhängigkeit der Spritzparameter unterschiedliche stöchiometrische Zusammensetzungen x und y haben. Durch die stöchiometrische Zusammensetzung der intermetallischen Verbindungen können die funktionellen Eigenschaften der Schicht beeinflußt 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 höheren Schmelzpunkt der Schicht.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Oberflächeschicht auf einem Trägerelement, die mit intermetallischen Phasen durchzogen ist, dadurch gekennzeichnet, – dass auf einem Trägerelement durch ein Plasmaspritzverfahren, durch ein Lichtbogendrahtspritzen oder durch ein kinetisches Kaltgaskompaktieren – Metall- und Keramikpartikel auf die Oberfläche aufgebracht werden, – durch den Energieeintrag während des Aufbringens der Schicht eine Reaktion zwischen den Metallpartikeln und den Keramikpartikeln unter Bildung von intermetallischen Phasen erfolgt – und die Oberflächenschicht hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall der Schicht Aluminium oder eine Aluminiumlegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Keramik der Schicht eine oxidische Keramik ist.