DE102004057487A1 - Piston housing comprises a cast base body made from a light metal alloy having an anti-wear and sliding layer applied by a pulse magnetron sputtering process in a region of the running surface - Google Patents

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Abstract

Piston housing comprises a cast base body made from a light metal alloy having an anti-wear and sliding layer applied by a pulse magnetron sputtering process in a region of the running surface. The layer contains 50-89 at.% nickel, 10-20 at.% chromium and 1-20 at.% nitrogen. The layer has a composite structure of a metallic matrix with maximum 500 nm deposits of CrN and/or Cr2N and a Vickers hardness of 500 HV0.005 to 1500 HV0.05. An independent claim is also included for a device for processing a piston housing.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Kolbengehäuse für Verbrennungskraftmaschinen für den Motorrad-, Automobil-, Flugzeug- und stationären Einsatz, und zwar sowohl für Zylinderkurbelgehäuse mit Hubkolben als auch für Rotationskolbenmaschinen, die auch als Wankel-Motoren bekannt sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Motoren-Kolbengehäuse, deren Grundkörper in Leichtmetallbauweise, vorzugsweise unter Verwendung von Aluminium- oder Magnesiumlegierungen, hergestellt werden sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines derartigen Grundkörpers.The The invention relates to piston housings for internal combustion engines for the Motorcycle, automobile, aircraft and stationary use, both for cylinder crankcase with Reciprocating piston as well Rotary piston machines, also known as Wankel engines. In particular, refers the invention relates to engine-piston housing whose body in Light metal construction, preferably using aluminum or Magnesium alloys, as well as a device and a method of processing such a body.

Die Massenfertigung der Grundkörper für Kolbengehäuse erfolgt gegenwärtig durch Niederdruckguss unter Verwendung von Sandformen bzw. Stahlkokillen oder durch Druckguss. Während bei den früher üblichen Kolbengehäusen aus Grauguss die sich ausbildende perlitische Struktur ausreichende Gleiteigenschaften aufwies, ist das nach dem aus Gewichtsersparnisgründen erfolgten Übergang zu Leichtmetalllegierungen nicht mehr der Fall. Deshalb ist bekannt, in ein Zylinderkurbelgehäuse (ZKG) aus Leichtmetall Graugussbuchsen im Bereich der Laufflächen einzusetzen. Solche Buchsen schaffen jedoch in Bezug auf Wärmefluss und Ausdehnungsverhalten heterogene Verhältnisse mit hinsichtlich der Motorfunktion potenziell nachteiligen Eigenschaften.The Mass production of the basic body for piston housing currently by low-pressure casting using sand molds or steel molds or by die casting. While at the former usual piston housings made of cast iron, the forming pearlitic structure sufficient Sliding properties, this is after the transition made for weight saving reasons to light alloys no longer the case. That is why it is known in a cylinder crankcase (ZKG) made of light alloy gray cast iron bushes in the area of the running surfaces. However, such bushings provide in terms of heat flow and expansion behavior heterogeneous conditions with potentially adverse properties in terms of engine function.

Mit speziellen Legierungen wie dem als ALUSIL® bekannten AISi17Cu4Mg, welches beim Erstarren Ausscheidungen von kristallinem Silizium bildet, werden deshalb monolithische ZKG hergestellt. Bei gleicher Festigkeit kann auf diese Weise das Gleitverhalten der Laufflächen verbessert werden. Mit den ständig wachsenden Anforderungen an Motorleistung, Zuverlässigkeit und Lebensdauer reichen die erzielten Parameter jedoch nicht mehr aus. Es wird deshalb auch praktiziert, so genannte quasimonolithische Verhältnisse zu schaffen, indem Verbundwerkstoffe im Bereich der Laufflächen verwendet werden. Dazu ist z. B. bekannt, hochporöse zylindrische Körper, so genannte Preforms, aus Silizium beim Gießen unter hohem Druck mit der Leichtmetalllegierung zu infiltrieren. Diese Verbundwerkstoffe sind am Markt z. B. als LOKASIL®(lokale Silizium-Anreicherung) eingeführt. Der hohe Preis und enorme gießtechnische Anforderungen haben die Einsatzbreite begrenzt.With special alloys such as the known ALUSIL ® AISi17Cu4Mg forming precipitates during the solidification of crystalline silicon, therefore, monolithic engine block are produced. With the same strength can be improved in this way the sliding behavior of the treads. However, with the ever increasing demands on engine performance, reliability and service life, the parameters achieved are no longer sufficient. It is therefore also practiced to create so-called quasi-monolithic conditions by using composite materials in the area of the treads. This is z. For example, it is known to infiltrate highly porous cylindrical bodies, so-called preforms, of silicon when casting under high pressure with the light metal alloy. These composites are on the market z. B. introduced as LOKASIL ® (local silicon enrichment). The high price and enormous casting requirements have limited the range of application.

Die am breitesten in den Markt eingeführte Bauart für ZKG und Trochoiden von Wankelmotoren ist deshalb ein Leichtmetallgehäuse mit galvanisch beschichteten Laufflächen. Die als NIKASIL® bekannte Beschichtung ist durch eine Nickelschicht mit eingelagerten Siliziumkarbidteilchen gekennzeichnet und in DE 16 21 129 beschrieben. Bei gleichmäßiger Verteilung der Hartstoffpartikel gewährleistet eine NIKASIL®-Beschichtung hervorragende Gebrauchseigenschaften hinsichtlich Schmierverhalten, Laufruhe und Verschleißfestigkeit. Da die galvanische Schichtabscheidung jedoch nicht gleichmäßig erfolgen kann, müssen hohe Schichtdicken im Bereich von 100 μm abgeschieden und ein Schleifprozess nachgeschaltet werden. Besonders bei nicht rotationssymmetrischen Laufflächen, wie sie für Wankelmotoren typisch sind, ist dieser Arbeitsschritt mit sehr hohen Kosten verbunden. Weitere Kritikpunkte ergeben sich aus der Abscheidetechnologie, die einerseits Umweltbelastungen durch Nickelschlämme beinhaltet und andererseits die Gefahr birgt, dass eine ungleichmäßige Verteilung der Karbidteilchen zu einem Schichtversagen führt.The most widely introduced type for ZKG and Trochoids of Wankel engines is therefore a light metal housing with galvanically coated running surfaces. The coating known as NIKASIL ® is characterized by a nickel layer with embedded silicon carbide particles and is in DE 16 21 129 described. With uniform distribution of the hard particles, a NIKASIL ® coating ensures excellent performance characteristics with regard to lubricity, smoothness and wear resistance. However, since the galvanic layer deposition can not be uniform, high layer thicknesses in the range of 100 microns must be deposited and a grinding process downstream. Especially with non-rotationally symmetric treads, as they are typical for Wankel engines, this step is associated with very high costs. Further points of criticism arise from the deposition technology, which on the one hand involves environmental pollution by nickel sludge and on the other hand involves the risk that an uneven distribution of the carbide particles leads to a layer failure.

In DE 195 08 687 A1 ist deshalb vorgeschlagen worden, eine verschleißfeste Beschichtung durch Plasma-Spritzverfahren außerhalb des Vakuums oder im Vakuum aufzubringen. Die Schichten müssen ebenfalls nachgeschliffen werden. In DE 40 40 436 A1 wird ein Verfahren zum Umschmelzen der Laufflächen mittels Elektronenstrahl oder Laser beschrieben. Sowohl die Plasmaspritz- als auch die Umschmelzverfahren konnten bisher jedoch noch keine ausreichende technologische Reife erlangen.In DE 195 08 687 A1 It has therefore been proposed to apply a wear-resistant coating by plasma spraying outside the vacuum or in vacuum. The layers must also be reground. In DE 40 40 436 A1 a method for remelting the treads by electron beam or laser is described. However, both the plasma spraying and the remelting processes have not yet reached a sufficient technological maturity.

Der Erfindung liegt daher das technische Problem zugrunde, ein Kolbengehäuse sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Kolbengehäuses zu schaffen, welche die genannten Mängel des Standes der Technik überwinden. Insbesondere sollen mindestens ebenbürtige Gebrauchseigenschaften bei erhöhter Zuverlässigkeit und deutlich verminderten Herstellungskosten erreicht werden. Das Kolbengehäuse soll in unterschiedlichen Bauformen sowohl für Zylinderkurbelgehäuse als auch für Rotationskolbenmaschinen einsetzbar sein.Of the Invention is therefore based on the technical problem of a piston housing as well an apparatus and method for machining a piston housing create, which the mentioned shortcomings overcome the prior art. In particular, should at least equal use characteristics at elevated reliability and significantly reduced manufacturing costs are achieved. The piston housing will be available in different designs for cylinder crankcases as well for rotary piston machines be usable.

Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Patentansprüche 1, 6 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.The solution the technical problem arises from the objects with the features of the claims 1, 6 and 11. Further advantageous embodiments of the invention arise from the dependent ones Claims.

Erfindungsgemäß umfasst ein Kolbengehäuse einen durch ein Gießverfahren hergestellten Grundkörper, bestehend aus einer Leichtmetalllegierung, und eine Gleit- und Verschleißschutzschicht, welche zumindest in einem Bereich einer Kolben-Lauffläche des Grundkörpers abgeschieden wurde. Die Gleit- und Verschleißschutzschicht weist eine spezielle Struktur auf, welche durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren, bei dem sich die Energie der abgeschiedenen Partikel durch die Eigenschaften eines pulsförmig erzeugten Plasmas einstellen lässt, erzeugt wird. Die Gleit- und Verschleißschutzschicht weist mindestens den Gehalt an den Elementen Nickel mit 50 bis 89 Atomprozent, Chrom mit 10 bis 20 Atomprozent und Stickstoff mit 1 bis 20 Atomprozent auf. Die Schicht hat in einer Matrixstruktur mit metallischem Charakter sehr fein verteilte nitridische Ausscheidungen der Zusammensetzung CrN und/oder Cr2N ausgebildet. Die Vickers-Härte dieser Gleit- und Verschleißschutzschicht liegt je nach Struktur und Zusammensetzung der Schicht zwischen 500 HV0,05 und 1500 HV0,05, wobei sich das Verhältnis von Härte und elastischen Eigenschaften auf dem genannten Wege über die Energie der abgeschiedenen Partikel eindeutig vorhersagen und in relativ weiten Grenzen einstellen lässt. Damit kann den unterschiedlichen Anforderungen, die sich aus dem Einsatzspektrum von Verbrennungskraftmaschinen ergeben, in jeweils optimaler Weise entsprochen werden. Entsprechend der Erfindung wird durch das Abscheiden der Gleit- und Verschleißschutzschicht mittels Pulsmagnetronsputtern eine besonders kompakte, dichte Schicht mit definiert einstellbaren Eigenschaften erzeugt.According to the invention, a piston housing comprises a base body produced by a casting process, consisting of a light metal alloy, and a sliding and wear protection layer which has been deposited at least in a region of a piston running surface of the base body. The anti-slip and anti-wear layer has a specific structure which is achieved by a vacuum deposition method in which the energy of the deposited particles is adjusted by the characteristics of a plasma generated in a pulse shape leaves, is generated. The slip and wear protection layer has at least the content of the elements nickel with 50 to 89 atomic percent, chromium with 10 to 20 atomic percent and nitrogen with 1 to 20 atomic percent. The layer has formed in a matrix structure with a metallic character very finely distributed nitridic precipitates of the composition CrN and / or Cr 2 N. Depending on the structure and composition of the layer, the Vickers hardness of this anti-sliding and anti-wear layer is between 500 HV 0.05 and 1500 HV 0.05 , whereby the ratio of hardness and elastic properties in the above-mentioned method is unambiguous over the energy of the deposited particles Predict and set in relatively wide limits. Thus, the different requirements arising from the range of applications of internal combustion engines, can be met in each case in an optimal manner. According to the invention, the deposition of the anti-friction and anti-wear layer by means of pulse magnetron sputtering produces a particularly compact, dense layer with defined adjustable properties.

Ebenfalls auf dem Wege der Einstellung der Teilchenenergie kann auf die Oberflächentopologie Einfluss genommen werden. Das hat positive Auswirkungen auf die Benetzung der Gleit- und Verschleißschutzschicht mit Schmiermittel.Also By adjusting the particle energy, it is possible to influence the surface topology be taken. This has positive effects on the wetting the slip and wear protection layer with lubricant.

Die Vermeidbarkeit eines Nachschleifens der Gleit- und Verschleißschutzschicht stellt in wirtschaftlicher Hinsicht einen mehrfachen Vorteil dar. Zum einen kann die erforderliche Mindestschichtdicke im Beschichtungsprozess Kosten sparend deutlich verringert werden. Zum anderen wird ein teurer Nachbearbeitungsschritt vermieden.The Preventability of re-grinding of the anti-friction and anti-wear layer represents a multiple advantage in economic terms. On the one hand, the required minimum layer thickness in the coating process Cost-saving significantly reduced. On the other hand, a expensive post-processing step avoided.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt die Dicke der mittels Vakuumtechnologie abgeschiedenen Schicht 5 bis 50 Mikrometer, vorzugsweise 10 bis 25 Mikrometer. Sie liegt damit deutlich unter der Schichtdicke, die gemäß dem Stand der Technik erforderlich ist.According to one embodiment of the invention the thickness of the deposited by vacuum technology layer 5 to 50 microns, preferably 10 to 25 microns. she lies thus significantly below the layer thickness required by the prior art is.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung ist charakterisiert durch einen vom Grundkörper aus in Schichtdickenrichtung zunehmenden Gehalt an Ausscheidungen der nitridischen Komponente/Komponenten. Auf diese Weise kann eine bessere Anpassung an die mechanischen Eigenschaften des Grundkörpers erfolgen und das Einbrechen der Gleit- und Verschleißschutzschicht – der so genannte Eierschaleneffekt – vermieden werden.A particularly expedient embodiment The invention is characterized by a from the base body in layer thickness direction increasing content of precipitates of nitridic component / components. That way, a better one Adaptation to the mechanical properties of the body done and breaking in the anti-slip and anti-wear layer - the like called eggshell effect - avoided become.

Es kann erfindungsgemäß auch zweckmäßig sein, mindestens ein weiteres Element aus der Gruppe Molybdän, Vanadium, Zirkonium, Kohlenstoff in die Gleit- und Verschleißschutzschicht einzubringen und damit deren mechanische und/oder tribologische Eigenschaften weiter zu verbessern.It may also be useful according to the invention, at least one further element from the group molybdenum, vanadium, Zirconium, carbon in the anti-slip and anti-wear layer and thus their mechanical and / or tribological Properties continue to improve.

Weiterhin kann es zweckmäßig sein, zwischen Grundkörper und Gleit- und Verschleißschutzschicht mindestens eine weitere, ebenfalls durch Pulsmagnetron-Sputtern aufgebrachte Schicht einzufügen, die Zusatzfunktionen wie Verbesserung der Haftfestigkeit, Diffusionsbarriere, Spannungsabbau oder andere Funktionen erfüllt.Farther it may be appropriate between basic body and slip and wear protection layer at least one more, also by pulse magnetron sputtering insert layer applied, the additional functions such as improving the adhesion, diffusion barrier, Disengagement or other functions fulfilled.

Eine Vorrichtung zum Bearbeiten eines Kolbengehäuses, welches aus einem durch ein Gießverfahren hergestellten Grundkörper aus einer Leichtmetalllegierung besteht, umfasst mindestens eine Pulsmagnetron-Sputtereinheit, mittels welcher eine Gleit- und Verschleißschutzschicht mindestens umfassend 50 bis 89 Atomprozent Nickel, 10 bis 20 Atomprozent Chrom und 1 bis 20 Atomprozent Stickstoff mit gleichmäßiger Schichtdicke auf mindestens einem Teilbereich einer Kolben-Lauffläche des Grundkörpers derart abscheidbar ist, dass die Gleit- und Verschleißschutzschicht mit einer Kompositstruktur aus einer metallischen Matrix und maximal 500 nm großen Ausscheidungen aus CrN und/oder Cr2N ausbildbar ist und eine Vickers-Härte im Bereich von 500 HV0,05 bis 1500 HV0,05 aufweist.An apparatus for processing a piston housing, which consists of a light alloy body made by a casting process comprises at least one pulse magnetron sputtering unit, by means of which a slip and wear protection layer comprising at least 50 to 89 atomic percent nickel, 10 to 20 atomic percent chromium and 1 to 20 atomic percent nitrogen with uniform layer thickness on at least a portion of a piston tread of the body is deposited such that the sliding and wear protection layer with a composite structure of a metallic matrix and a maximum of 500 nm precipitates of CrN and / or Cr 2 N can be formed and has a Vickers hardness in the range of 500 HV 0.05 to 1500 HV 0.05 .

Eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Aufbringen einer Gleit- und Verschleißschutzschicht auf die Laufflächen von Hubkolbenmotor-Grundkörpern beinhaltet Mittel zum Abdichten der kurbelwellenseitigen Öffnungen und der zylinderkopfseitigen Öffnungen gegen die Umgebung, weiterhin Mittel zum Anschluss des abgedichteten Hohlraumes an eine Vakuumpumpeinrichtung und Mittel zum Einlass von Prozessgasen für die Durchführung des Pulsmagnetronsputterprozesses in diesem Hohlraum. Weiterhin enthält die Einrichtung eine der Anzahl der Zylinderbohrungen entsprechende Anzahl von Pulsmagnetron-Sputtereinheiten, die mindestens Target, Kühlung und Stromanschluss umfassen, zweckmäßigerweise sind diese Einheiten untereinander baugleich. Vorteilhaft gestaltete Targets haben Zylindersymmetrie oder sind prismatisch und sichern eine weitgehend gleichmäßige Schichtdicke auf allen relevanten Zylinder-Laufflächen.A embodiment a device according to the invention for applying a sliding and wear protection layer on the treads of reciprocating engine basic bodies includes means for sealing the crankshaft side openings and the cylinder head side openings against the environment, further means for connection of the sealed Cavity to a vacuum pump device and means for inlet of process gases for the implementation the Pulsmagnetronsputterprozesses in this cavity. Farther contains the device one of the number of cylinder bores corresponding Number of pulse magnetron sputtering units, at least target, cooling and power connection, conveniently, these units are interconnected identical. Advantageously designed targets have cylindrical symmetry or are prismatic and ensure a largely uniform layer thickness on all relevant cylinder treads.

Eine alternative Ausführungsform zum Aufbringen einer Gleit- und Verschleißschutzschicht auf die Laufflächen von Grundkörpern gemäß der Erfindung ist für mehrere solche Grundkörper mit trochoidischen Ausnehmungen geeignet, die derart aneinandergereiht werden, dass die Summe der trochoidischen Ausnehmungen einen prismatischen Hohlraum mit trochoidischer Grundfläche bildet. Die Einrichtung umfasst Mittel zum beidseitigen Abdichten des entstehenden prismatischen Hohlraumes gegen die Umgebung, Mittel zum gegenseitigen Abdichten der aneinander gereihten Grundkörper, Mittel zum Anschluss des abgedichteten Hohlraumes an eine Vakuumpumpe und Mittel zum Einlass von Prozessgasen. Die weiterhin enthaltene Pulsmagnetron-Sputtereinheit kann sowohl rohrförmig als auch anders gestaltete Targets enthalten, die gegebenenfalls um ihre Symmetrieachse rotieren und die in dem Hohlraum angeordnet sind.An alternative embodiment for applying a slip and wear protection layer on the treads of basic bodies according to the invention is suitable for a plurality of such bodies with trochoidal recesses, which are lined up in such a way that the sum of the trochoidal recesses forms a prismatic cavity with trochoidal base. The device comprises means for sealing both sides of the resulting prismatic cavity against the environment, means for sealing the juxtaposed basic body, means for connecting the sealed cavity to a Vacuum pump and means for the admission of process gases. The pulse magnetron sputtering unit which is furthermore contained can contain both tubular and differently designed targets, which optionally rotate about their axis of symmetry and which are arranged in the cavity.

Eine weitere alternative Ausführungsform zum Aufbringen einer Gleit- und Verschleißschutzschicht auf den Grundkörpern von Kolbengehäusen umfasst eine Vakuumkammer mit Mitteln zum Anschluss einer Vakuumpumpe und mit Mitteln zum Einlass von Prozessgasen, wobei innerhalb der Vakuumkammer vorzugsweise zwei gleichartige Magnetronquellen einer Pulsmagnetron-Sputtereinheit und mindestens ein Kolbengehäuse zwischen den Magnetronquellen angeordnet sind. Die Magnetronquellen sind derart angeordnet, dass ihre Targetnormalen aufeinander zu ausgerichtet sind und mit der Zentrumsachse eines Kolbenhohlraumes weitgehend eine Linie bilden. Diese Anordnung eignet sich besonders für Kolbengehäuse mit trochoidischer Ausnehmung.A another alternative embodiment to Applying a sliding and wear protection layer on the basic bodies of Includes piston housings a vacuum chamber with means for connecting a vacuum pump and with means for the admission of process gases, wherein within the vacuum chamber preferably two similar magnetron sources of a pulse magnetron sputtering unit and at least one piston housing are arranged between the magnetron sources. The magnetron sources are arranged so that their target normal to each other aligned and with the center axis of a piston cavity largely form a line. This arrangement is particularly suitable for piston housing with trochoidal recess.

Ein Merkmal einer weiteren Ausführungsform besteht darin, dass eine Pulsmagnetron-Sputtereinheit mit Mitteln zum gezielten Einstellen der Pulsform und/oder der Pulsfrequenz und/oder des Verhältnisses von Pulslänge und Pulspause und/oder der Polarität der Pulse sowie mit Mitteln zum Einstellen des Potenzials eines Kolbengehäuses in Bezug auf Höhe und/oder Polarität sowie zeitlichen Verlauf ausgestattet ist. Dem Fachmann sind zumindest tendenziell die Wirkungen dieser Parameter eines Pulsmagnetron-Sputterprozesses bekannt.One Feature of another embodiment is that a pulse magnetron sputtering unit with means for targeted Adjusting the pulse shape and / or the pulse rate and / or the ratio of pulse length and pulse pause and / or the polarity of the pulses as well as with means for adjusting the potential of a piston housing with respect to height and / or polarity as well as temporal course is equipped. The skilled person is at least tends to affect the effects of these parameters of a pulse magnetron sputtering process known.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bearbeiten eines Kolbengehäuses für Verbrennungskraftmaschinen, welches einen durch ein Gießverfahren hergestellten Grundkörper aus einer Leichtmetalllegierung umfasst, wird mittels mindestens eine Pulsmagnetron-Sputtereinheit eine Gleit- und Verschleißschutzschicht mindestens umfassend 50 bis 89 Atomprozent Nickel, 10 bis 20 Atomprozent Chrom und 1 bis 20 Atomprozent Stickstoff mit gleichmäßiger Schichtdicke auf mindestens einem Teilbereich einer Kolben-Lauffläche des Grundkörpers derart abgeschieden, dass die Gleit- und Verschleißschutzschicht mit einer Kompositstruktur aus einer metallischen Matrix und maximal 500 nm großen Ausscheidungen aus CrN und/oder Cr2N ausgebildet wird und eine Vickers-Härte im Bereich von 500 HV0,05 bis 1500 HV0,05 aufweist.In a method according to the invention for machining a piston housing for internal combustion engines, which comprises a base body made of a light metal alloy by means of a casting process, by means of at least one pulse magnetron sputtering unit a slip and wear protection layer comprising at least 50 to 89 atomic percent nickel, 10 to 20 atomic percent chromium and 1 deposited to 20 atomic percent nitrogen with uniform thickness on at least a portion of a piston tread of the body so that the slip and wear protection layer is formed with a composite of a metallic matrix and a maximum of 500 nm precipitates of CrN and / or Cr 2 N and has a Vickers hardness in the range of 500 HV 0.05 to 1500 HV 0.05 .

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Fig. zeigen:The Invention will be described below with reference to a preferred embodiment explained in more detail. The Fig. Show:

1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung, 1 a schematic representation of a longitudinal section through a device according to the invention,

2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch die Vorrichtung gemäß 1. 2 a schematic representation of a cross section through the device according to 1 ,

Ein mittels Druckguss in einer Stahlkokille hergestellter Grundkörper aus einer Aluminiumlegierung wird durch spanende Bearbeitung mit einer trochoidischen Ausnehmung versehen. Die Wandflächen dieser Ausnehmung bilden die Laufflächen für einen nach dem Wankelprinzip rotierenden Kolben für den Verbrennungsmotor eines Leichtflugzeuges. Der auf Endmaß gefertigte Grundkörper wird durch einen speziellen Pulsmagnetronsputterprozess, unter Verwendung von Targets der Zusammensetzung Ni80Cr20, mit einer Gleit- und Verschleißschutzschicht versehen und nicht weiter mechanisch bearbeitet. Durch Auswahl geeigneter Parameter des Abscheideprozesses wird erreicht, dass eine Schicht mit einer mittleren Zusammensetzung von (70±1) at% Nickel, (18±1) at% Chrom und (12±1) at% Stickstoff abgeschieden wird. Die Schicht hat eine Kompositstruktur ausgebildet, welche in einer metallischen Matrix aus überwiegend Nickel fein verteilte Ausscheidungen aus Chromnitriden enthält. Röntgenspektroskopische Untersuchungen erlauben die Identifizierung von etwa zwei Drittel CrN und einem Drittel Cr2N in nanokristalliner Ausscheidung mit einer typischen Korngröße zwischen 50 und 100 Nanometer. Außerdem erfolgte die Abscheidung derart, dass die Konzentration der Ausscheidungen vom Grundkörper nach außen hin etwa um den Faktor 2 bis 3 zunimmt. Dadurch ist eine Härtezunahme von etwa 600 HV0,05 nahe am Grundkörper bis auf 1300 HV0,05 an der Oberfläche der Schicht zu verzeichnen. Die Schichtoberfläche hat eine relativ glatte, leicht näpfchenartig wirkende gleichmäßige Erscheinungsform und zeichnet sich durch gute Benetzbarkeit mit Ölen und lange Nutzungsdauer bei Tests im Motorprüfstand aus. Gegenüber herkömmlichen Nikasil®-Beschichtungen mit anschließendem Nachschleifen ist die Standzeit mindestens verdoppelt.An aluminum alloy body produced by means of die casting in a steel mold is provided with a trochoidal recess by machining. The wall surfaces of this recess form the running surfaces for a Wankelprinzip rotating piston for the internal combustion engine of a light aircraft. The body made to final gauge is provided with a slip and wear protection layer by a special Pulsmagnetronsputterprozess, using targets of composition Ni 80 Cr 20 and not further machined. By selecting suitable parameters of the deposition process, it is achieved that a layer having an average composition of (70 ± 1) at% nickel, (18 ± 1) at% chromium and (12 ± 1) at% nitrogen is deposited. The layer has a composite structure which contains finely divided precipitates of chromium nitrides in a metallic matrix of predominantly nickel. X-ray spectroscopic investigations allow the identification of about two thirds of CrN and one third of Cr 2 N in nanocrystalline precipitation with a typical particle size between 50 and 100 nanometers. In addition, the deposition was carried out in such a way that the concentration of the precipitates from the main body to the outside by about a factor of 2 to 3 increases. As a result, a hardness increase of about 600 HV 0.05 is observed close to the main body up to 1300 HV 0.05 at the surface of the layer. The layer surface has a relatively smooth, slightly cup-like uniform appearance and is characterized by good wettability with oils and long service life in tests in the engine test bench. Compared to conventional Nikasil ® coatings with subsequent regrinding, the service life is at least doubled.

Eine zugehörige erfindungsgemäße Vorrichtung zum Aufbringen der beschriebenen Gleit- und Verschleißschutzschicht ist in den 1 und 2 schematisch dargestellt. Hierbei veranschaulicht 1 einen Längsschnitt und 2 einen Querschnitt der Vorrichtung.An associated device according to the invention for applying the described sliding and wear protection layer is in the 1 and 2 shown schematically. This illustrates 1 a longitudinal section and 2 a cross section of the device.

Mehrere Grundkörper 1 mit trochoidischen Ausnehmungen 2 sind unter Verwendung von Dichtelementen 3 derart zueinander angeordnet, dass die Ausnehmungen 2 einen prismatischen Hohlraum 4 mit trochoidischer Grundfläche bilden. Eine flanschartig ausgebildete Pulsmagnetron-Sputtereinheit 5 mit zwei gleichartigen rohrförmigen Targets 6, welche in den Hohlraum 4 eintauchen, ist mittels einer Dichtung 7 an den oberen Grundkörper 1 angeschlossen. Die Magnetronsputtereinheit 5 enthält weiterhin hier nicht dargestellte Mittel zur Kühlung, zur Erzeugung und Weiterleitung von Pulsenergie sowie Steuereinrichtungen. Die Dichtung 7 bewirkt zusätzlich eine galvanische Trennung zwischen den Grundkörpern 1 und der Pulsmagnetron-Sputtereinheit 5. Mit einer nicht dargestellten Biasstromversorgungseinheit wird eine gegenüber der Pulsmagnetron-Sputtereinheit 5 negative Vorspannung der Grundkörper 1 eingestellt.Several basic bodies 1 with trochoidal recesses 2 are using sealing elements 3 arranged such that the recesses 2 a prismatic cavity 4 form with trochoidal base. A flange-shaped pulse magnetron sputtering unit 5 with two similar tubular targets 6 which are in the cavity 4 to dive is by means of a poetry 7 to the upper body 1 connected. The magnetron sputtering unit 5 also contains not shown here means for cooling, for the generation and transmission of pulse energy and control devices. The seal 7 additionally causes a galvanic separation between the basic bodies 1 and the pulse magnetron sputtering unit 5 , With a bias power supply unit, not shown, one is opposite to the pulse magnetron sputtering unit 5 negative bias of the body 1 set.

Mittel zum Anschluss des abgedichteten Hohlraumes 4 an eine Vakuumpumpeinrichtung 8 und zum Einlass von Prozessgasen 9 sind in einem elektrisch isolierten Bodenflansch 10 zusammengefasst. Dieser Flansch 10 ist mittels einer Dichtung 11 gegen den unteren Grundkörper 1 abgedichtet. Die Targets 6 der Magnetron-Sputtereinheit 5 sind innerhalb des prismatischen Hohlraumes 4, den die trochoidischen Ausnehmungen 2 bilden, so angeordnet, dass sie von den Kolben-Laufflächen der Grundkörper 1 einen mittleren Abstand 12 und voneinander einen Abstand 13 besitzen. Mittels Modellrechnungen wurden die Abstände 12 und 13 derart optimiert, dass Unterschiede in Schichtdicke und Härte einer mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung aufgetragenen Gleit und Verschleißschutzschicht 14 auf allen Bereichen der Kolben-Laufflächen in Toleranzgrenzen von plus/minus zehn Prozent liegen.Means for connecting the sealed cavity 4 to a vacuum pump device 8th and to the admission of process gases 9 are in an electrically insulated floor flange 10 summarized. This flange 10 is by means of a seal 11 against the lower body 1 sealed. The targets 6 the magnetron sputtering unit 5 are inside the prismatic cavity 4 the trochoidal recesses 2 form, arranged so that they move from the piston treads of the main body 1 a middle distance 12 and from each other a distance 13 have. By means of model calculations the distances became 12 and 13 optimized such that differences in layer thickness and hardness of an applied by the device according to the invention sliding and wear protection layer 14 be within tolerance limits of plus / minus ten percent on all areas of the piston treads.

Claims (11)

Kolbengehäuse für Verbrennungskraftmaschinen, bestehend aus einem durch ein Gießverfahren hergestellten Grundkörper (1) aus einer Leichtmetalllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper 1 zumindest in einem Bereich einer Kolben-Lauffläche eine durch einen Pulsmagnetron-Sputterprozess aufgebrachte Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) aufweist, welche mindestens die Elemente Nickel, Chrom und Stickstoff mit den Anteilen 50 bis 89 Atomprozent Nickel, 10 bis 20 Atomprozent Chrom und 1 bis 20 Atomprozent Stickstoff umfasst, wobei die Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) eine Kompositstruktur aus einer metallischen Matrix und maximal 500 nm große Ausscheidungen aus CrN und/oder Cr2N ausgebildet hat und eine Vickers-Härte im Bereich von 500 HV0,05 bis 1500 HV0,05 aufweist.Piston housing for internal combustion engines, consisting of a body produced by a casting process ( 1 ) made of a light metal alloy, characterized in that the basic body 1 at least in a region of a piston running surface, a sliding and wear protection layer applied by a pulse magnetron sputtering process (US Pat. 14 ) which comprises at least the elements nickel, chromium and nitrogen with the proportions of 50 to 89 atomic percent nickel, 10 to 20 atomic percent chromium and 1 to 20 atomic percent nitrogen, the antislip and wear protection layer ( 14 ) has formed a composite structure of a metallic matrix and at most 500 nm precipitates of CrN and / or Cr 2 N and has a Vickers hardness in the range of 500 HV 0.05 to 1500 HV 0.05 . Kolbengehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) 5 Mikrometer bis 50 Mikrometer, vorzugsweise 10 Mikrometer bis 25 Mikrometer beträgt.Piston housing according to claim 1, characterized in that the thickness of the sliding and wear protection layer ( 14 ) Is 5 microns to 50 microns, preferably 10 microns to 25 microns. Kolbengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt der Ausscheidungen einen Gradienten in Dickenrichtung der Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) aufweist derart, dass dieser Gehalt mit wachsendem Abstand vom Grundkörper (1) zunimmt.Piston housing according to one of the preceding claims, characterized in that the content of the precipitates a gradient in the thickness direction of the sliding and wear protection layer ( 14 ) such that this content increases with increasing distance from the main body ( 1 ) increases. Kolbengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleit- und Verschleißschutzschicht (1) mindestens ein weiteres Element aus der Gruppe Molybdän, Vanadium, Zirkonium, Kohlenstoff enthält.Piston housing according to one of the preceding claims, characterized in that the sliding and wear protection layer ( 1 ) contains at least one further element from the group molybdenum, vanadium, zirconium, carbon. Kolbengehäuse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich zwischen Grundkörper (1) und Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) mindestens eine weitere durch einen Pulsmagnetronsputterprozess aufgebrachte Schicht befindet.Piston housing according to one of the preceding claims, characterized in that between body ( 1 ) and slip and wear protection layer ( 14 ) is at least one further layer applied by a pulse magnetron sputtering process. Vorrichtung zum Bearbeiten eines Kolbengehäuses für Verbrennungskraftmaschinen, welches einen durch ein Gießverfahren hergestellten Grundkörper (1) aus einer Leichtmetalllegierung umfasst, gekennzeichnet durch mindestens eine Pulsmagnetron-Sputtereinheit (5), mittels welcher eine Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) mindestens umfassend 50 bis 89 Atomprozent Nickel, 10 bis 20 Atomprozent Chrom und 1 bis 20 Atomprozent Stickstoff mit gleichmäßiger Schichtdicke auf mindestens einem Teilbereich einer Kolben-Lauffläche des Grundkörpers (1) derart abscheidbar ist, dass die Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) mit einer Kompositstruktur aus einer metallischen Matrix und maximal 500 nm großen Ausscheidungen aus CrN und/oder Cr2N ausbildbar ist und eine Vickers-Härte im Bereich von 500 HV0,05 bis 1500 HV0,05 aufweist.Apparatus for processing a piston housing for internal combustion engines, which comprises a base body produced by a casting process (US Pat. 1 ) comprising a light metal alloy, characterized by at least one pulse magnetron sputtering unit ( 5 ), by means of which a sliding and wear protection layer ( 14 ) comprising at least 50 to 89 atomic percent nickel, 10 to 20 atomic percent chromium and 1 to 20 atomic percent nitrogen with a uniform layer thickness on at least a portion of a piston tread of the basic body ( 1 ) is depositable such that the slip and wear protection layer ( 14 ) having a composite structure of a metallic matrix and a maximum of 500 nm precipitates of CrN and / or Cr 2 N can be formed and a Vickers hardness in the range of 500 HV 0.05 to 1500 HV 0.05 . Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine der Zylinderzahl des Grundkörpers entsprechenden Anzahl gleichartiger Pulsmagnetron-Sputtereinheiten, wobei jede der Pulsmagnetron-Sputtereinheiten jeweils in eine Zylinderbohrung einbringbar und derart bemessen ist, dass eine gleichmäßig dicke Beschichtung von Zylinder-Laufflächen realisierbar ist; Mittel zum Abdichten der kurbelwellenseitigen Öffnungen der Zylinderbohrungen; flanschartige Mittel zum Abdichten der zylinderkopfseitigen Öffnungen der Zylinderbohrungen; Mittel zum Evakuieren der Zylinderbohrungen und Mittel zum Einlass von Prozessgasen in die Zylinderbohrungen.Apparatus according to claim 6, characterized by a the number of cylinders of the main body corresponding number of similar pulse magnetron sputtering units, each of the pulse magnetron sputtering units each into a cylinder bore einbringbar and is dimensioned such that a uniformly thick Coating of cylinder treads is feasible; Means for sealing the crankshaft side openings the cylinder bores; flange-like means for sealing the cylinder head side openings of the Cylinder bores; Means for evacuating the cylinder bores and Means for introducing process gases into the cylinder bores. Vorrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Grundkörpern (1) mit trochoidischen Ausnehmungen (2), welche mittels Dichtelementen (3) derart zueinander angeordnet sind, dass durch die Summe der trochoidischen Ausnehmungen (2) ein prismatischer Hohlraum (4) mit trochoidischer Grundfläche ausbildbar ist; eine Pulsmagnetronsputtereinheit (5), welche in den prismatischen Hohlraum (4) einbringbar ist und derart gestaltet und bemessen ist, dass eine weitgehend gleichmäßig dicke Beschichtung von Kolben-Laufflächen der trochoidischen Ausnehmungen (2) ausbildbar ist; Mittel (7; 11) zum beidseitigen Abdichten des prismatischen Hohlraumes (4); Mittel (8) zum Evakuieren des prismatischen Hohlraumes (4) und Mittel (9) zum Einlass von Prozessgasen in den prismatischen Hohlraum (4).Apparatus according to claim 6, characterized by a number of basic bodies ( 1 ) with trochoidal recesses ( 2 ), which by means of sealing elements ( 3 ) are arranged in such a way that by the sum of the trochoidal recesses ( 2 ) a prismatic cavity ( 4 ) can be formed with a trochoidal base; a pulse magnetron sputtering unit ( 5 ), which enter the prismatic cavity ( 4 ) and is designed and dimensioned such that a largely uniformly thick coating of piston running surfaces of the trochoidal recesses ( 2 ) can be formed; Medium ( 7 ; 11 ) for sealing the prismatic cavity on both sides ( 4 ); Medium ( 8th ) for evacuating the prismatic cavity ( 4 ) and means ( 9 ) for the admission of process gases into the prismatic cavity ( 4 ). Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsmagnetron-Sputtereinheit zwei gleichartige Magnetronquellen umfasst, zwischen denen mindestens ein Grundkörper mit vorzugsweise trochoidischer Ausnehmung angeordnet ist, wobei die Magnetronquellen in einer Vakuumarbeitskammer derart angeordnet sind, dass die Targetnormalen der Magnetronquellen zur Ausnehmung des Grundkörpers und aufeinander zuzeigend ausgerichtet sind derart, dass die Targetnormalen mit der Zentrumsachse der Ausnehmung weitgehend eine Linie bilden.Device according to claim 6, characterized in that that the pulse magnetron sputtering unit comprises two similar magnetron sources, between which at least a basic body is arranged with preferably trochoidal recess, wherein the magnetron sources are arranged in a vacuum working chamber are that the target normal of the magnetron sources for recessing the the body and facing each other are such that the target normal largely form a line with the center axis of the recess. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsmagnetron-Sputtereinheit (5) mit Mitteln zum gezielten Einstellen der Pulsform und/oder der Pulsfrequenz und/oder des Verhältnisses von Pulslänge und Pulspause und/oder der Polarität der Pulse sowie mit Mitteln zur freien Wahl des Potentials des Grundkörpers (1) in Bezug auf Höhe und/oder Polarität und zeitlichen Verlauf ausgestattet ist.Device according to one of claims 6 to 9, characterized in that the pulse magnetron sputtering unit ( 5 ) with means for selectively setting the pulse shape and / or the pulse frequency and / or the ratio of pulse length and pulse pause and / or the polarity of the pulses and with means for freely selecting the potential of the basic body ( 1 ) in terms of height and / or polarity and time course. Verfahren zum Bearbeiten eines Kolbengehäuses für Verbrennungskraftmaschinen, welches einen durch ein Gießverfahren hergestellten Grundkörper (1) aus einer Leichtmetalllegierung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass mittels mindestens einer Pulsmagnetron-Sputtereinheit (5) eine Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) mindestens umfassend 50 bis 89 Atomprozent Nickel, 10 bis 20 Atomprozent Chrom und 1 bis 20 Atomprozent Stickstoff mit gleichmäßiger Schichtdicke auf mindestens einem Teilbereich einer Kolben-Lauffläche des Grundkörpers (1) derart abgeschieden wird, dass die Gleit- und Verschleißschutzschicht (14) mit einer Kompositstruktur aus einer metallischen Matrix und maximal 500 nm großen Ausscheidungen aus CrN und/oder Cr2N ausgebildet wird und eine Vickers-Härte im Bereich von 500 HV0,05 bis 1500 HV0,05 aufweist.Method for processing a piston housing for internal combustion engines, which uses a base body produced by a casting process (US Pat. 1 ) comprising a light metal alloy, characterized in that by means of at least one pulse magnetron sputtering unit ( 5 ) a slip and wear protection layer ( 14 ) comprising at least 50 to 89 atomic percent nickel, 10 to 20 atomic percent chromium and 1 to 20 atomic percent nitrogen with a uniform layer thickness on at least a portion of a piston tread of the basic body ( 1 ) is deposited such that the slip and wear protection layer ( 14 ) is formed with a composite of a metallic matrix and a maximum of 500 nm precipitates of CrN and / or Cr 2 N and has a Vickers hardness in the range of 500 HV 0.05 to 1500 HV 0.05 .
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