DE102009005174B4

DE102009005174B4 - Flat gasket produced by cold gas spraying in machine and vehicle construction

Info

Publication number: DE102009005174B4
Application number: DE102009005174A
Authority: DE
Inventors: Andreas Duda; Benjamin Neuse; Reiner Wesnigk
Original assignee: BEROLINA METALLSPRITZTECHNIK WESNIGK GmbH
Current assignee: BEROLINA METALLSPRITZTECHNIK WESNIGK GmbH
Priority date: 2008-12-23
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: DE102009005174A1

Abstract

Zur sicheren Verbindung von Bauteilen im Maschinen- und Fahrzeugbau wird ein Herstellungsverfahren beschrieben, mit dem thermisch und dynamisch hochbelastbare Dichtflächen an diesen Bauteilen mittels Kaltgasspritzen erzeugt werden. Hierzu wird die herzustellende Dichtung direkt auf eine oder beide Flächen der miteinander zu fügenden und dabei dicht miteinander zu verbindenden Teile aufgespritzt.For the secure connection of components in machine and vehicle construction, a manufacturing process is described with which sealing surfaces that can withstand high thermal and dynamic loads are produced on these components by means of cold gas spraying. For this purpose, the seal to be produced is sprayed directly onto one or both surfaces of the parts to be joined and thereby tightly connected.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht auf mindestens einer Verbindungsfläche von miteinander zu verbindenden Bauteilen mittels Kaltgasspritzen mit metallischen Spritzwerkstoffen.The present invention relates to a method for producing a metal layer on at least one connecting surface of components to be joined together by means of cold gas spraying with metallic spray materials.

Bei der Montage von Verbrennungsmotoren werden der Zylinderblock und der Zylinderkopf durch Verschrauben und Beifügen einer Dichtung miteinander verbunden. Hierzu wird üblicherweise zwischen diese miteinander zu verbindenden Maschinenteile eine aus Metall, aus metallhaltigem Gewebe, asbestfreiem Dichtungsmaterial oder aus Kombinationen dieser Werkstoffe bestehende Dichtungsplatte, beispielsweise eine Zylinderkopfdichtung oder Auspuffdichtung, gelegt. Durch die mechanische Druckausübung beim Verschrauben der Maschinenteile verformt sich diese Dichtung dergestalt, dass sich auf den zu fügenden Maschinenteilen befindliche Bearbeitungsspuren in das Dichtungsmaterial drücken, so dass sich eine formschlüssige und dichte Verbindung dieser Maschinenteile ergibt.In the assembly of internal combustion engines, the cylinder block and the cylinder head are connected by screwing and attaching a gasket together. For this purpose, usually between these machine parts to be joined to one another made of metal, metal-containing fabric, asbestos-free sealing material or combinations of these materials sealing plate, such as a cylinder head gasket or exhaust gasket laid. Due to the mechanical pressure exerted when screwing the machine parts, this seal deformed such that press on the mating parts to be joined machining marks in the sealing material, so that there is a positive and tight connection of these machine parts.

Die Grenzen dieses Abdichtungsverfahrens werden dadurch erreicht, dass beispielsweise im Motoren- und Gasturbinenbau mit immer höheren Verbrennungsdrücken und höheren thermischen Belastungen gearbeitet wird. Herkömmliche Dichtungsplatten kommen in diesem Falle an ihre mechanischen und thermischen Grenzen.The limits of this sealing method are achieved, for example, by working in engine and gas turbine construction with ever higher combustion pressures and higher thermal loads. Conventional sealing plates come in this case to their mechanical and thermal limits.

Aus DE 102 22 284 A1 ist es bekannt, eine Bauteilpaarung mit zumindest zwei miteinander verbundenen Bauteilen zu schaffen, bei der die Materialfließfähigkeit zumindest eines der Bauteile durch die Anordnung mehrerer Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestimmt ist. Diese Schichten können mit einem thermischen Spritzverfahren, insbesondere dem Flammspritzen, hergestellt werden. Außerdem wird erwähnt, dass sich neben dem Flammspritzen auch das Kaltgasspritzen eignet. Die Schichten werden übereinander oder nebeneinander angeordnet. Die Bauteilpaarung wird zur Übertragung von mechanischen Kräften oder zur Bildung einer elektrischen Kontaktverbindung geschaffen. Allerdings sind die Bildung von metallischen Dichtungsschichten, insbesondere im Maschinen- und Fahrzeugbau, und vor allen Dingen, welche spezifischen Eigenschaften derartige Schichten im Hinblick auf diese Anwendungen haben, nicht erwähnt.Out DE 102 22 284 A1 It is known to provide a component pairing with at least two interconnected components, wherein the material flowability of at least one of the components is determined by the arrangement of multiple layers of different materials. These layers can be produced by a thermal spraying process, in particular flame spraying. It is also mentioned that in addition to flame spraying, cold gas spraying is also suitable. The layers are arranged one above the other or side by side. The component pairing is created to transmit mechanical forces or to form an electrical contact connection. However, the formation of metallic sealing layers, especially in mechanical and automotive engineering, and above all, the specific properties of such layers with respect to these applications are not mentioned.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Problem im Motorenbau und im Anlagenbau, dass zwei oder mehrere miteinander zu verbindende und ein gasförmiges oder flüssiges Medium abdichtende Maschinenteile sowohl mechanisch fest als auch flüssigkeits- oder gasdicht durch Verschrauben miteinander verbunden werden sollen.The present invention relates to the problem in engine and plant construction, that two or more to be joined together and a gaseous or liquid medium sealing machine parts are both mechanically solid and liquid or gas-tight to be connected by screwing together.

Das Problem wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer Metallschicht auf mindestens einer Verbindungsfläche (Dichtfläche) von miteinander zu verbindenden Bauteilen mittels Kaltgasspritzen mit metallischen Spritzwerkstoffen. Mit diesem Verfahren kann eine Metallschicht erzeugt werden, die eine Dichtungsschicht zur Abdichtung von thermisch und dynamisch hoch belasteten Bauteilen bildet.The problem is solved by the method for producing a metal layer on at least one connecting surface (sealing surface) of components to be joined together by means of cold gas spraying with metallic spraying materials. With this method, a metal layer can be produced, which forms a sealing layer for sealing thermally and dynamically highly loaded components.

Durch direktes Beschichten eines Maschinenteils oder von zwei miteinander zu verbindenden Maschinenteilen oder auch Fahrzeugteilen mit einem duktilen metallischen Werkstoff, vorzugsweise aus Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen oder auch aus Kombinationen aus diesen Werkstoffen, wird eine wirksame Dichtungsschicht erzeugt, mit deren Hilfe thermisch und dynamisch hoch belastete Bauteile, beispielsweise die Maschinen- oder Fahrzeugteile, erfindungsgemäß insbesondere durch Verschrauben gas- oder flüssigkeitsdicht miteinander verbunden werden können.By directly coating a machine part or two machine parts or vehicle parts to be joined together with a ductile metallic material, preferably copper, copper alloys, aluminum, aluminum alloys or combinations of these materials, an effective sealing layer is produced, with the help of which thermal and dynamic highly loaded components, such as the machine or vehicle parts, according to the invention in particular by screwing gas or liquid-tight can be connected to each other.

Beispielsweise dient die Metallschicht zur Abdichtung eines Verbrennungsraumes an einem Verbrennungsmotor oder eines Reaktionsraumes an einem chemischen Apparat.For example, the metal layer serves to seal a combustion space on an internal combustion engine or a reaction space on a chemical apparatus.

Die auf den Verbindungsflächen zu erzeugende Metallschicht dient insbesondere zur Erzeugung einer formschlüssigen mechanischen Verbindung der Bauteile und zur Optimierung des Wärmeüberganges zwischen mit unterschiedlicher Funktionstemperatur betriebenen Bauteilen, beispielsweise zwischen einem Zylinderblock und dem dazu gehörigen Zylinderkopf.The metal layer to be produced on the connecting surfaces serves, in particular, for producing a positive mechanical connection of the components and for optimizing the heat transfer between components operated at different functional temperatures, for example between a cylinder block and the associated cylinder head.

Als Beschichtungsverfahren wird das Kaltgasspritzen genutzt. Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf das Trägermaterial (Substrat) aufgebracht wird. Dazu wird ein auf unter die Schmelztemperatur des Beschichtungswerkstoffes aufgeheiztes Trägergas durch Expansion in einer Laval'schen Düse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt, und die Pulverpartikel werden in den Gasstrahl injiziert. Die injizierten Spritzpartikel werden dabei auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass sie im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren auch ohne vorangehendes An- oder Aufschmelzen beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bilden (kinetische Prallbeschichtung). Der Vorteil dieses Spritzverfahrens ist die fast völlige Porenfreiheit der Schicht. So lassen sich nur mit dem Kaltgasspritzverfahren gasdichte und duktile gespritzte Metallschichten herstellen.As a coating process, the cold gas spraying is used. Cold gas spraying is a coating process in which the coating material is applied in powder form to the carrier material (substrate) at very high speed. For this purpose, a carrier gas heated to below the melting temperature of the coating material is accelerated to supersonic speed by expansion in a Laval nozzle, and the powder particles are injected into the gas jet. The injected spray particles are thereby accelerated to such a high speed that, in contrast to other thermal spraying methods, they form a dense and firmly adhering layer upon impact with the substrate even without prior melting or melting (kinetic impact coating). The advantage of this spraying process is the almost complete absence of pores in the layer. Thus, gas-tight and ductile sprayed metal layers can only be produced by the cold gas spraying method.

Weiterhin ergibt das Kaltgasspritzen eine sehr hohe Haftfestigkeit der Schicht auf dem Substrat und damit eine hohe Haftscherfestigkeit. Ferner ist die thermische Belastung des Substrats beim Kaltgasspritzen gering; ein Verzug des Substrats durch thermische oder mechanische Belastung während des Beschichtens ist nahezu ausgeschlossen.Furthermore, the cold gas spraying results in a very high adhesive strength of the layer on the substrate and thus a high adhesive shear strength. Furthermore, the thermal load of the substrate during cold gas spraying is low; a distortion of the substrate by thermal or mechanical stress during coating is almost impossible.

Das Metall der Metallschicht kann vorzugsweise ausgewählt sein aus der Gruppe, umfassend Kupfer, Kupferlegierungen, Aluminium, Aluminiumlegierungen und Kompositwerkstoffe aus den genannten Metallen. Unter Kompositwerkstoffen werden Mischungen der genannten reinen Metalle und Metalllegierungen verstanden.The metal of the metal layer may preferably be selected from the group comprising copper, copper alloys, aluminum, aluminum alloys and composite materials of said metals. Composite materials are understood as meaning mixtures of the stated pure metals and metal alloys.

Die Metallschicht kann auf eine der Verbindungsflächen der zu verbindenden Bauteile aufgebracht werden oder auch auf beide (alle) Verbindungsflächen. In letzterem Falle bestehen die Metallschichten auf den allen Verbindungsflächen vorzugsweise aus demselben Material.The metal layer can be applied to one of the connection surfaces of the components to be connected or also to both (all) connecting surfaces. In the latter case, the metal layers on the connecting surfaces are preferably made of the same material.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Metallschicht eine monometallische Schicht, d. h. eine Schicht aus einem einzigen Metall oder einer einzigen Metalllegierung und ist nicht wie im Falle der DE 102 22 284 A1 eine Folge mehrerer übereinander angeordneter Schichten und besteht auch nicht wie im Falle der DE 102 22 284 A1 aus mehreren nebeneinander angeordneten Schichten. Damit wird durch Auswahl eines gut Wärme leitenden Metalls, wie angeführt Kupfer oder Aluminium oder deren Legierungen mit anderen Metallen, einer der Hauptzwecke der vorliegenden Erfindung, nämlich ein optimierter Wärmeübergang zwischen den zu fügenden Bauteilen, deutlich besser erreicht als bei einem Schichtaufbau aus zwei oder mehr Metallschichten. Zudem führen zwei unterschiedliche Metallschichten in chemischen Reaktionsräumen in Anwesenheit von elektrolytisch wirkenden Flüssigkeiten, Dämpfen oder Gasen zu elektrochemischer Korrosion, die auf die zwischen den Schichten entstehende Differenzspannung in der elektrochemischen Spannungsreihe zurück zu führen ist.In a preferred embodiment of the invention, the metal layer is a monometallic layer, ie a layer of a single metal or a single metal alloy and is not as in the case of DE 102 22 284 A1 a sequence of several superimposed layers and does not exist as in the case of DE 102 22 284 A1 from several layers arranged side by side. Thus, by selecting a good heat-conducting metal, as cited copper or aluminum or their alloys with other metals, one of the main purposes of the present invention, namely an optimized heat transfer between the components to be joined, achieved much better than a layer structure of two or more metal layers. In addition, two different metal layers in chemical reaction chambers in the presence of electrolytically acting liquids, vapors or gases lead to electrochemical corrosion, which is attributed to the difference voltage between the layers in the electrochemical voltage series.

Die Schichtdicke der Metallschicht (Dichtungsschicht) kann insbesondere im Bereich von 0,02 bis 0,2 mm liegen. Dieser Schichtdickenbereich ist im unteren Bereich verfahrensbedingt begrenzt und im oberen Bereich der Notwendigkeit geschuldet, dass die Ebenheit der Schicht mit steigender Dicke zum einen abnimmt und somit noch bearbeitet werden muss und zum anderen das abzudichtende unter hohem Druck stehende Medium keine zu große seitliche Angriffsfläche auf den Dichtungswerkstoff finden soll.The layer thickness of the metal layer (sealing layer) may in particular be in the range of 0.02 to 0.2 mm. This layer thickness range is limited in the lower range due to the process and in the upper part of the need that the flatness of the layer decreases with increasing thickness on the one hand and thus still needs to be processed and on the other hand to be sealed under high pressure medium not too large lateral attack surface on the Should find sealing material.

Die abdichtende Schicht kann sowohl flächig als auch nur teilweise auf die Dichtflächen der Bauteile aufgetragen werden, beispielsweise linienförmig oder auch in einem anderen Muster. Beim Verschrauben der zu verbindenden Maschinen- oder Fahrzeugteile drückt sich der duktile Beschichtungswerkstoff in vorhandenen Bearbeitungsspuren der Dichtflächen und bildet eine formschlüssige und dichte Verbindung beider Flächen. Falls nicht die gesamten Verbindungsflächen der Bauteile mit dem Metall beschichtet werden, kann das Metall so auf die beiden Verbindungsflächen aufgebracht werden, dass die Metallschichten jeweils aufeinander liegen, oder auch derart, dass die Metallschichten auf unterschiedlichen Partien der Verbindungsflächen aufgebracht sind und somit jeweils unterschiedliche Dichtungsbereiche auf den Verbindungsflächen bedecken.The sealing layer can be applied both flat and only partially on the sealing surfaces of the components, for example, linear or in a different pattern. When screwing the machine or vehicle parts to be joined, the ductile coating material presses into existing machining marks of the sealing surfaces and forms a positive and tight connection between the two surfaces. If the entire connection surfaces of the components are not coated with the metal, the metal can be applied to the two connection surfaces such that the metal layers lie on each other, or also such that the metal layers are applied to different parts of the connection surfaces and thus each different sealing regions Cover on the connecting surfaces.

In einer weiteren bevorzugten Verfahrensvariante wird mindestens eine Verbindungsfläche der miteinander zu verbindenden Bauteile durch mindestens ein Verfahren, ausgewählt aus der Gruppe, umfassend Schleifen, Fräsen und Glaskugelstrahlen für die Beschichtung vorbereitet, um die gewünschte Oberflächengüte der Verbindungsflächen zu erreichen.In a further preferred variant of the method, at least one joining surface of the components to be joined together is prepared for the coating by at least one method selected from the group comprising grinding, milling and glass bead blasting in order to achieve the desired surface quality of the joining surfaces.

Weiterhin kann eine geringe Restporosität der Metallschicht durch Versiegeln mit chemischen Porenfüllern verfüllt werden. Als Porenfüller werden beispielsweise kalt aushärtende Ein- oder Mehrkomponenten-Flüssigkeit auf Basis von Kunstharzen verwendet. Insbesondere Versiegler auf Basis von Phenolharzen sind temperaturfest bis 400°C und damit den beschriebenen Zweck geeignet.Furthermore, a low residual porosity of the metal layer can be filled by sealing with chemical pore fillers. As a pore filler, for example, cold-curing single or multi-component liquid based on synthetic resins are used. In particular sealants based on phenolic resins are temperature resistant up to 400 ° C and thus suitable for the described purpose.

Die zu verbindenden Bauteile werden typischerweise mit einem üblichen Verbindungsverfahren miteinander verbunden, beispielsweise durch Verschrauben. Grundsätzlich können auch andere Verbindungsverfahren eingesetzt werden, etwa Niet-, Klemm-, Press-, Reibschweiss- o. ä. Verfahren, wobei zum Verbinden der jeweils üblichen Anpressdruck und die jeweils übliche Verbindungstemperatur gewählt werden.The components to be connected are typically connected to one another by a conventional connection method, for example by screwing. In principle, other joining methods can also be used, such as riveting, clamping, pressing, friction welding or the like, in which case the usual contact pressure and the respectively usual connection temperature are selected for bonding.

Die zu verbindenden und gegeneinander abzudichtenden Bauteile können aus gleichartigen oder auch verschiedenen Werkstoffen bestehen, etwa aus Stahl, Grauguss, Aluminium. Durch geeignete Wahl des Schichtwerkstoffes ist es nunmehr möglich, elektrochemische Korrosion zwischen verschiedenartigen Werkstoffen der zu verbindenden Maschinenteile zu vermindern.The components to be joined and sealed against each other may consist of similar or different materials, such as steel, gray cast iron, aluminum. By a suitable choice of the coating material, it is now possible to reduce electrochemical corrosion between various materials of the machine parts to be joined.

Der Vorteil des beschriebenen Verfahrens gegenüber herkömmlichen Dichtungen liegt darin, dass

– die Dicke der Dichtung geringer als eine herkömmliche zusätzliche Dichtung ist,
– ein Bauteil wegfällt und damit Montagekosten geringer werden,
– eine größere Festigkeit gegen thermische und mechanische Beanspruchung sowie dynamische Belastungen besteht,
– eine präzisere Positionierung der Bauteile durch definierte Schichtdicken und Fügekräfte besteht,
– ein deutlich besserer Wärmeübergang zwischen den Fügeflächen besteht als bei dazwischen gelegtem Dichtungsmaterial.
– Eine Instandsetzungsmöglichkeit der Dichtungsfunktion von demontierten Bauteilen besteht darin, dass die beschichtete Fläche nachgeschliffen werden kann. In diesem Fall sollte die ursprüngliche Beschichtungsdicke im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm liegen.

The advantage of the described method over conventional seals is that

The thickness of the seal is less than a conventional additional seal,
- a component is eliminated and thus assembly costs are reduced,
- greater resistance to thermal and mechanical stress and dynamic loads,
A more precise positioning of the components by defined layer thicknesses and joining forces,
- There is a significantly better heat transfer between the joining surfaces as with interposed sealing material.
- A repair possibility of the sealing function of dismantled components is that the coated surface can be reground. In this case, the original coating thickness should be in the range of 0.1 to 0.2 mm.

Die nachfolgend bezeichneten Figuren dienen zur Erläuterung der Erfindung. In den grafischen Darstellungen ist das Funktionsprinzip der Dichtung dargestellt. Es zeigen im Einzelnen:The figures below serve to illustrate the invention. The graphs show the functional principle of the seal. They show in detail:

1: eine schematische Darstellung von zwei zu verbindenden Bauteilen mit einer dazwischen angeordneten erfindungsgemäßen Dichtung vor dem Fügen; 1 a schematic representation of two components to be joined with a seal according to the invention arranged therebetween prior to joining;

2: eine schematische Darstellung wie in 1, nach dem Fügen der Bauteile. 2 : a schematic representation as in 1 , after joining the components.

In den Figuren zeigen gleiche Bezugsziffern gleiche Elemente:
In 1 ist gezeigt, dass das Bauteil 1 die Beschichtung 3 trägt. Das Bauteil 2 wird unter mechanischem Druck P auf die zunächst noch glockenförmige Dichtung 3 gepresst (2). In 2 ist gezeigt, dass sich die duktile Beschichtung der Oberfläche von Bauteil 2 anpasst. Der im Beispiel gezeigte Brennraum 4, beispielsweise eines Motors, wird dicht eingeschlossen.In the figures, the same reference numerals show the same elements:
In 1 is shown that the component 1 the coating 3 wearing. The component 2 is under mechanical pressure P on the first bell-shaped seal 3 pressed ( 2 ). In 2 It is shown that the ductile coating of the surface of component 2 adapts. The combustion chamber shown in the example 4 , for example, a motor, is sealed.

Claims

A method for producing a metal layer on at least one connecting surface of components to be joined by means of cold gas spraying with metallic spray materials, characterized in that the metal layer forms a sealing layer for sealing thermally and dynamically highly loaded components.

A method according to claim 1, characterized in that the components are machine or vehicle parts.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer serves to seal a combustion chamber on an internal combustion engine or a reaction space on a chemical apparatus.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer is used to form a positive mechanical connection of the components and to optimize the heat transfer between operated with different functional temperature components.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer is a monometallic layer.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the cold gas spraying is carried out at a process temperature below the melting points of the metallic spray materials with at least one carrier gas, wherein at least one carrier gas is selected from the group comprising nitrogen, helium and air.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing layer is applied both on one side to one of the components to be connected and to both components to be joined.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sealing layer consists of ductile metal.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal of the metal layer is selected from the group comprising copper, copper alloys, aluminum, aluminum alloys and composite materials of said metals.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the layer thickness of the metal layer is in the range of 0.02 to 0.2 mm.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal layer is applied both on the entire surface as well as linearly on at least one connecting surface of the components to be joined together.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that at least one connection surface of the components to be joined together is prepared for coating by at least one method selected from the group comprising grinding, milling and glass bead blasting.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a low residual porosity of the metal layer is filled by sealing with chemical pore fillers.