DE102005042474A1 - Beschichtung eines thermisch und erosiv belasteten Funktionsbauteil, sowie ein Trennmittel und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung - Google Patents

Beschichtung eines thermisch und erosiv belasteten Funktionsbauteil, sowie ein Trennmittel und ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein metallisches Funktionsbauteil, das einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt ist und auf dem auf mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Beschichtung aus einer Binderphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem in die Binderphase eingebetteten Werkstoff besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Beschichtung sowie ein Verfahren zur Aufbringung der Beschichtung auf ein Funktionsbauteil.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein metallisches Funktionsbauteil, das einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt ist und auf dem auf mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung aufgebracht ist, wobei die Beschichtung aus einer Binderphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem in die Binderphase eingebetteten Werkstoff besteht. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Trennmittel zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Funktionsbauteil und darüber hinaus ein Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche eines Funktionsbauteils.
  • Bauteile, die einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt werden und dabei von einem Medium durchströmt, beaufschlagt oder ausgesetzt sind, üben zum Beispiel die Funktion einer Kraftübertragung oder einer Leitfläche aus. In dieser Funktion werden sie mit strömenden oder expandierenden Medien beaufschlagt. Vielfach kommt es dabei zu starken Temperaturschwankungen, so dass die Bauteile die Bedingung einer Temperaturbeständigkeit erfüllen müssen. Vielfach kommt es bei Bauteilen, die mit strömenden Medien in Kontakt stehen auch zu Ablagerungen, so dass diese Bauteile zumeist mit Beschichtungen versehen sind. Typische Beispiele für derartige Funktionsbauteile sind beispielsweise Kolben, Zylinderkopfkalotten sowie der gesamte Bereich der Abgasrückführung im Kraftfahrzeug. Neben der erosiven Belastung dieser Bauteile, sind diese Bauteile auch hohen thermischen Belastungen und Temperaturschwankungen unterlegen. Zum Schutz derartiger Funktionsbauteile sind verschiedenste Beschichtungen und Beschichtungsverfahren bekannt.
  • Aus der DE 101 24 434 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung sowie eine Beschichtung für Metalle oder Metalllegierungen wie Stähle, Sintermetalle oder Aluminiumlegierungen aus den Bereichen Automobilbau und Maschinenbau bekannt. Ziel dieser Beschichtung ist es, die genannten Werkstoffe vor Verschleiß und Korrosion zu schützen. Die Beschichtung besteht hierbei aus einer anorganischen Matrixphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht und einem darin eingebetteten Werkstoff. In einer Ausführungsform besteht die Beschichtung aus einer anorganischen Matrixphase aus Aluminiumphosphat, in die Werkstoffe, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Graphit eingebettet sind. Derartige Beschichtungen werden bevorzugt über wasserbasierte Gele oder Dispersionen aus gelöstem Monoaluminiumphosphat und darin dispergierten, pulverförmigen Funktionswerkstoffen auf das zu beschichtende Substrat aufgetragen, getrocknet und bei typischen Temperaturen von 150°C bis 500°C in einem Ofen eingebrannt.
  • Eine weitere Beschichtung für Aluminiumwerkstoffe ist aus der DE 699 08 837 T2 bekannt. Die Beschichtung bezieht sich hierbei auf die Oberfläche eines Kolbenmantels, der eine hartanodisierte Beschichtung besitzt und eine auf der hartanodisierten Beschichtung aufgebrachten Verbundpolymerbeschichtung. Die Verbundpolymerbeschichtung umfasst eine Vielzahl von festen und schmierenden Teilchen in einer wärmebeständigen Polymermatrix, die den Arbeitstemperaturen des Motors standhalten kann. Als Schmiermittel werden hierbei die bekannten Schmiermittel-Werkstoffe Graphit, Bornitrit, Molybdän et cetera eingesetzt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Beschichtung von thermisch oder thermisch und erosiv belasteten Funktionsoberflächen an Bauteilen zu entwickeln, die eine chemische Bindung mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils eingeht und somit den erosiven und thermischen Belastungen der Funktionsbauteile entgegen steht. Darüber hinaus soll die Beschichtung leicht zu applizieren sein und eine hohe Haftung zum Grundwerkstoff aufweisen. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein Trennmittel zur Herstellung einer derartigen Schicht bereitzustellen, das kostengünstig herzustellen und leicht zu applizieren ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das in der Lage ist eine derartige Schicht zu erzeugen und das eine hohe Haftung zwischen dem Binder und dem Grundwerkstoff erzeugt.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in Bezug auf das mit einer Beschichtung versehene Funktionsbauteil dahingehend gelöst, dass die Binderphase chemisch mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils verbunden ist und dass die Binderphase aus einem Polymer aus polymerisiertem Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat gebildet ist, wobei das Funktionsbauteil ein Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist. Durch den erfindungsgemäßen Einsatz einer Binderphase aus polymerisierten Phospha ten ist nun die Möglichkeit geschaffen, eine chemische Bindung mit dem Grundwerkstoff herzustellen, und somit eine festhaftende Schicht auf dem Funktionsbauteil zu erzeugen. Derartige Beschichtungen erhöhen die Lebensdauer der Funktionsbauteile und reduzieren, bei verbesserter Wirkung den aufwendigen und kostenintensiven Einsatz von Verfahren zur Verbesserung des Thermoschockverhaltens der Grundwerkstoffe. Weiterhin werden mittels der erfindungsgemäßen Schicht Ablagerungen vermieden, was wiederum zur Emissionsminderung der Kraftfahrzeuge dient. In vorteilhaften Ausgestaltungsvarianten der Erfindung werden in die Binderphase Strukturteile der Form Al2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 eingebunden. Dabei umschließen die Polymerketten die Strukturteile und binden die Strukturteile auf dem Grundwerkstoff. Hierbei geht das Phosphat entweder eine chemische Bindung mit einem im Grundwerkstoff vorhandenen Eisen oder einem Nichtmetall wie beispielsweise Aluminium ein. Es ist somit eine festhaftende Schicht auf dem Funktionsbauteil erzeugt, die mittels einer chemischen Bindung mit dem Grundwerkstoff und dem Einschließen der Strukturelemente in die Polymerketten eine große Sicherheit gegenüber erosiven Belastungen bildet. Hierbei dienen die harten Strukturteile, die als Oxide vorliegen, als Verschleißträger und die Binderphase als Binder zwischen Grundwerkstoff und Strukturelement. Die Strukturteile liegen in einer Fraktion von 80nm bis 200nm vor und bilden mit bis zu 10 Gew.-% den größten Anteil an partikelartigen Werkstoffen in der Beschichtung. Die Strukturteile weisen eine relativ grobe Oberflächenstruktur auf, so dass sich einerseits die Strukturteile untereinander verhaken und gleichzeitig einen guten Halt in der Binderphase gewährleisten.
  • Bevorzugt werden mit den Strukturteilen Primärteile der Form Al2O3 und/oder SiO2 und/oder ZnO und/oder TiO2 und/oder ZrO2 und/oder CeO in die Binderphase mit eingebracht. In die Lücken zwischen den Strukturteilen lagern sich die Primärteile ein. Insbesondere durch die Größe der Primärteile von 2nm bis 80nm sind die Primärteile optimal dazu geeignet, als Füllstoffe zwischen den Strukturteilen zu dienen. Hieraus resultiert eine sehr glatte Oberfläche, die wiederum einer Erosion und einer Ablagerung von das Funktionsteil beaufschlagenden, im zum Beispiel einem Abgas eines Abgasrückführkanals enthaltenen Rußpartikeln entgegenwirken. Die sehr glatte und beständige Oberfläche ermöglicht somit den erfindungsgemäßen Vorteil, dass die mit einer erfindungsgemäßen Beschichtung versehenen Funktionsbauteile eine hohe Lebensdauer aufweisen. Die Primärteile liegen bevorzugt in Anteilen von 1 Gew.-% bis 3 Gew.-% in der Beschichtung vor.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsvariante der Erfindung sind in die Binderphase Gleitteile der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid und/oder silikatischen Mineralien, zum Beispiel Glimmer, eingebunden. Die Gleitteile sind in der Beschichtung mit Anteilen von bis zu 5 Gew.-% enthalten. Die sehr viel größeren Gleitteile mit Ausdehnungen von 2μm bis 15μm werden ebenfalls durch die Polymerketten gehalten oder liegen zwischen den Strukturteilen in der Beschichtung.
  • Als Schichtdicken sind bevorzugt Dicken zwischen 1 μm und 80μm vorgesehen. Bevorzugt wird eine Dicke zwischen 25μm und 60μm auf der Oberfläche des Funktionsbauteils. Funktionsbauteile sind zum Beispiel Bauteile wie Kolben, eine Zylinderkopfkalotte, oder Teile der Abgasrückführung in einem Kraftfahrzeug. Hierbei sind die Funktionsbauteile aus Aluminiumlegierungen oder aus Stahl gebildet. Es ist ebenfalls möglich, eine erfindungsgemäße Beschichtung auf einem Funktionsbauteil aus Gusseisen, insbesondere ein Gusseisen der Form GG, GGG, GGV, zu bilden.
  • Die erfindungsgemäße Aufgabe wird in Bezug auf das Trennmittel zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Funktionsbauteil dahingehend gelöst, dass das Trennmittel aus einem vollentsalzten Wasser gebildet ist und die folgenden Bestandteile enthält:
    • – einen Säurebildner der Form Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid und
    • – einen phosphathaltigen Binder der Form Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat und
    • – einem organischen Dispergiermittel, wie beispielsweise Glimmer.
  • Mittels des Säurebildners ist es erfindungsgemäß möglich, den Säuregehalt und damit den pH-Wert des Trennmittels einzustellen und somit die Reaktionsgeschwindigkeit und Bildung der Polymere zu steuern. Bevorzugt wird ein pH-Wert von 4 bis 5 im Trennmittel eingestellt. Durch die Verwendung des Trennmittels ist es nun möglich, eine Beschichtung gemäß dem Anspruch 1 zu erzeugen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind im Trennmittel Strukturteile sowie Primärteile enthalten, die mittels eines Aufsprühens oder Tauchens des Funktionsbauteils auf die Oberfläche des Werkstoffs des Funktionsbauteils appliziert werden. Vorteilhaft ist es ebenfalls in das Trennmittel Gleitteile der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid einzubringen.
  • Die Fraktionen der Strukturteile liegen dabei zwischen 80nm bis 200nm der Primärteile zwischen 2nm und 80nm und der Gleitteile zwischen 2μm und 15μm. Vorteilhaft ist hierbei die Gelantine, die selbstständig Nanopartikel bildet. In den in den Unteransprüchen angegebenen Grenzen werden dem Trennmittel Binder in einem Größenanteil von bis zu 5 Gew.-% hinzugefügt. Die Strukturteile werden mit bis zu 10 Gew.-%, die Primärteile von bis zu 3 Gew.-% und die Gleitteile in einem Anteil von bis zu 5 Gew.-% dem Trennmittel hinzugegeben.
  • Durch die gezielte Auswahl der Hinzugabe der Strukturteile, Primärteile, Gleitteile und des Binders besitzt das Trennmittel eine große Liquidität und kann mit einfachen Mitteln zum Beispiel auf die Oberfläche des Funktionsbauteils aufgesprüht werden.
  • In Bezug auf das Verfahren zur Erzeugung der Beschichtung auf einer Oberfläche des Funktionsbauteils wird die erfindungsgemäße Beschichtung dadurch erzeugt, dass die Oberfläche zuerst mit einem Trennmittel beaufschlagt und das anschließend das Funktionsbauteil auf eine Temperatur von mindestens 200°C erwärmt wird, so dass eine chemische Bindung des Phosphats mit dem Grundwerkstoff und eine Polymerisation des Binders erfolgt. Vorteilhafterweise wird die Erwärmung mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes erzeugt, dass beispielsweise kapazitiv oder induktiv auf das Funktionsbauteil aufgebracht wird. Durch dieses direkte Aufwärmen, wie es beispielsweise bei einer induktiven Erwärmung erfolgt, kann die Oberfläche sehr gleichmäßig erwärmt werden. Bevorzugte Frequenzbereiche für das Erwärmen mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes sind hierbei 100 kHz bis zu 10 MHz, wobei bevorzugt ca. 4 MHz eingesetzt werden. Bei einer Erwärmung mit 4 MHz ergibt sich somit eine Eindringtiefe des Phosphats von 0,2 bis 0,3 mm. Es ist somit eine sehr gut haftende Beschichtung auf dem Funktionsbauteil erzeugt.
  • Die Polymerketten dienen einerseits für den Zusammenhalt der Schicht und andererseits sind sie vorteilhaft, da sie unter thermischer Belastung wachsen und somit die Elastizität der Schicht erhöhen. Bei zyklischer thermischer Belastung tritt somit kein vorzeitiges Bauteilversagen durch Rissbildung der Beschichtung auf, da die erfindungsgemäße Beschichtung den Dehnungen des Grundwerkstoffes elastisch folgen kann. Durch den erfindungsgemäßen Aufbau der Schicht kann eine Temperaturbeständigkeit bis ca. 1300°C erreicht werden. Die eingesetzten Phosphatbindersysteme haben eine Polymerisationstemperatur von etwa 220°C und eine Verglasungstemperatur von 830°C. Die Haftung zum Grundwerkstoff wird hierbei auch im nahezu verglasten oder verglasten Zustand durch die chemische Bindung zum Grundswerkstoff sichergestellt. Bevorzugt wird aber darauf zu achten sein, dass die Betriebstemperaturen im Einsatzgebiet der Funktionsbauteile unterhalb der Verglasungstemperatur liegt, damit die Beschichtungen im elastischen Bereich und somit in ihrem Ausdehnungskoeffizient ähnlich dem des Grundwerkstoffs sind.
    •

Claims (19)

  1. Metallisches Funktionsbauteil, das einer thermischen oder einer thermischen und erosiven Belastung ausgesetzt ist und auf dem auf mindestens eine Oberfläche eine Beschichtung, aus einer Binderphase, die zumindest weitgehend aus einem Phosphat besteht, und einem in die Binderphase eingebetteten Werkstoff aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil ein Teil einer Verbrennungskraftmaschine ist und dass die Binderphase chemisch mit dem Grundwerkstoff des Funktionsbauteils verbunden ist und die Binderphase aus einem Polymer aus polymerisiertem Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Monomagnesiumphosphat und/oder Natriumphosphat und/oder Borphosphat gebildet ist.
  2. Funktionsbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in die Binderphase eingebettete Werkstoff ein Strukturteil der Form Al2O3 und/oder SiO2 und/oder TiO2 und/oder ZrO2 in einer Fraktion von 80nm bis 200nm ist, wobei die Strukturteile von dem Polymer umschlossen sind.
  3. Funktionsbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Binderphase eingebettete Werkstoff aus Primärteilen der Form Al2O3, SiO2, ZnO, ZrO2, CeO, TiO2 in einer Fraktion von 2nm bis 80nm gebildet ist, wobei die Primärteile in den Lücken zwischen den Strukturteilen eingelagert sind und die Primärteile von dem Polymer umschlossen sind.
  4. Funktionsbauteil nach Anspruch 1 oder 2 oder 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass der in die Binderphase eingebettete Werkstoff ein Gleitteil der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2μm bis 15μm ist, wobei die Gleitteile von dem Polymer umschlossen sind.
  5. Funktionsbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil aus einer Aluminiumlegierung oder einem Stahl oder einem Gusseisen, insbesondere einem Gusseisen der Form GG, GGG, GGV gebildet ist.
  6. Funktionsbauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil ein eisenhaltiges Bauteil ist und das die Beschichtung mittels gebundenem Eisenphospit mit dem Grundwerkstoff verbunden ist.
  7. Funktionsbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht in einer Dicke von 1 μm bis 80μm, vorzugsweise einer Dicke von 25μm bis 60μm auf der Oberfläche vorhanden ist.
  8. Funktionsbauteil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsbauteil ein Kolben, eine Zylinderkopfkalotte oder ein Teil einer Abgasrückführung ist.
  9. Trennmittel zur Herstellung einer Beschichtung auf einem Funktionsbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass das Trennmittel aus einem vollentsalzten Wasser gebildet ist und mindestens die folgenden Bestandteile enthält: – einen Säurebildner der Form Natriumlauge und/oder Kaliumlauge und/oder Aluminiumchlorid und – einen phosphathaltigen Binder der Form Monoaluminiumphosphat und/oder Monozinkphosphat und/oder Magnesiumphosphat und/oder Manganphosphat und/oder Borphosphat.
  10. Trennmittel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trennmittel ein Anteil an Strukturteilen der Form Al2O3 und/oder SiO2, in einer Fraktion von 80nm bis 200nm enthalten ist.
  11. Trennmittel nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Trennmittel ein Anteil an Primärteilen der Form Al2O3 und/oder SiO2 und/oder ZnO und/oder TiO2 und/oder ZrO2 und/oder CeO, in einer Fraktion von 2nm bis 80nm enthalten ist.
  12. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trennmittel ein Anteil an Gleitteilen der Form Bornitrit und/oder Magnesiumaluminiumsilikat und/oder Molybdändisulfid, in einer Fraktion von 2μm bis 15μm enthalten ist.
  13. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Trennmittel mittels des Säurebildners ein pH-Wert von 4 bis 5 eingestellt ist.
  14. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Binders im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist.
  15. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Strukturteile im Trennmittel kleiner oder gleich 10 Gew.-% ist.
  16. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Primärteile im Trennmittel kleiner oder gleich 3 Gew.-% ist und vorzugsweise zwischen 1 Gew.-% und 3 Gew.-% liegt.
  17. Trennmittel nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Gleitteile im Trennmittel kleiner oder gleich 5 Gew.-% ist.
  18. Verfahren zur Erzeugung einer Beschichtung auf einer metallischen Oberfläche eines Funktionsbauteils, nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, mittels eines Trennmittels nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass – die Oberfläche zuerst mit dem Trennmittel beaufschlagt und dass – anschließend das Funktionsbauteil auf eine Temperatur von mindestens 200°C erwärmt wird, so dass eine chemische Bindung des Phosphats mit dem Grundwerkstoff und eine Polymerisation eines Binders im Trennmittel erfolgt.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mittels eines hochfrequenten elektrischen Feldes in einem Frequenzbereich von 100 kHz bis 10 MHz, vorzugsweise in einem Frequenzbereich von 4 MHz, induktiv oder kapazitiv erfolgt.
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