DE102015107171A1

DE102015107171A1 - Metallteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102015107171A1
Application number: DE102015107171.1A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Kühn; Annett Bretschneider; Rolf Gosch; Bernhard Stauder; Jurij Gontarev
Original assignee: Nemak SAB de CV
Current assignee: Nemak SAB de CV
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-11-10
Also published as: US20180148845A1; TWI703106B; WO2016178079A1; TW201702204A; CN107635938A; EP3292087A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Metallteil, das eine im Gebrauch thermisch oder mechanisch höher als ihre Umgebung belastete Fläche besitzt, die zumindest abschnittsweise mit einer Glasur- oder Emailleschicht belegt ist, und ein Verfahren zu seiner Herstellung. Das erfindungsgemäße Metallteil ermöglicht es, dass bei der Wärmebehandlung keine besonderen Einschränkungen bestehen und dennoch ein optimaler Schutz der jeweils im Gebrauch hoch belasteten Flächen gewährleistet ist. Dies wird dadurch erreicht, dass die Glasur- oder Emailleschicht bezogen auf die zur Bildung der Emailleschicht eingesetzte Emaillefritte 2–35 Gew.-% einer Beimengung von Partikeln enthält, die aus mindestens einem Material der Gruppe ”Glas, synthetische Oxidmischungen oder Schmelzen, organische Kunststoffe” bestehen, das jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 50 × 10–7 K–1 und eine Schmelztemperatur von mindestens 500°C aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Metallteil, das eine Fläche besitzt, die im Gebrauch thermisch oder mechanisch höher als ihre Umgebung belastet ist, wobei diese Fläche zum Schutz gegen die thermischen oder mechanischen Belastungen zumindest abschnittsweise mit einer Glasur- oder Emailleschicht belegt ist. Insbesondere handelt es sich bei dem Metallteil um ein aus einem metallischen Gusswerkstoff gegossenes Gussteil.
Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Metallteils, insbesondere Gussteils, mit einer Fläche, die an mindestens einer Stelle, an denen sie im Gebrauch einer hohen thermischen Wechselbelastung ausgesetzt ist, mit einer Emaille- oder Glasurschicht belegt ist.
Wie im Einzelnen im Artikel ”Möglichkeiten und Grenzen der Emaillierung von Leichtmetallen” von Dr.-Ing. Wolfgang Kühn, erschienen in Oberflächen Polysurfaces No 2/09, Seiten 6–9, erläutert, gewinnt die Emaillierung von Bauteilen, die aus Leichtwerkstoffen, wie Aluminium-, Magnesium- und Titanwerkstoffen bestehen, zunehmend an Bedeutung. Hierbei stand bisher aus technischer Sicht der Schutz der Bauteiloberflächen vor korrosiven Angriffen im Vordergrund.
Wie im genannten Artikel weiter ausgeführt, handelt es sich bei Emaillebeschichtungen um Glasschichten, die vor allem hinsichtlich der Schmelztemperatur und der thermischen Ausdehnungskoeffizienten an die für sie vorgesehenen Trägerwerkstoffe angepasst wurden. Sie verbinden die Eigenschaften einer Glasoberfläche mit den Material- und Verarbeitungseigenschaften von Metallen. Im Gegensatz zu anderen Beschichtungen verbindet sich beim Einbrand der jeweiligen Emaillebeschichtung ein Glas-Metall-Verbund, bei dem sich zwischen dem Glasmaterial und dem Metallsubstrat Zwischenschichten, so genannte intermetallische Phasen, bilden. Diese sichern eine besonders intensive Haftung der Beschichtung auf dem Metall. Zu diesem Zweck sind moderne Emaillen heute Mehrstoffgemische, die unter Nutzung ihres Eutektikums bei niedrigen Einbrenntemperaturen eine sehr gute mechanische Härte und chemische Beständigkeit erreichen. Dabei sind emaillierte Werkstücke zum Beispiel durch Biegen, Sägen oder Bohren bearbeitbar und können zusätzlich mit funktionellen, nanoskaligen Sol-Gel-Schichten versehen werden, um beispielsweise die harte, kratzfeste Emailleschicht um einen temperaturbeständigen Antihafteffekt zu ergänzen.
Aus der DE 10 2010 025 286 A1 ist es des Weiteren bekannt, dass sich die Innenflächen von Abgaskanälen von Leichtmetallgussteilen, wie beispielsweise Zylinderköpfen, für Verbrennungsmotoren dadurch effektiv gegen eine thermische Überbeanspruchung schützen lassen, dass sie zumindest abschnittsweise mit einer Beschichtung belegt werden, die aus einem Glasmaterial gebildet ist. Bei der praktischen Nutzung dieses Vorschlags ergibt sich eine besondere Herausforderung dadurch, dass die Beschichtung einerseits den im Betrieb auftretenden mechanischen und thermischen Belastungen sicher standhalten muss und andererseits eine mechanische Bearbeitung von an den beschichteten Flächenabschnitt angrenzenden Abschnitten des jeweiligen Bauteils ohne die Gefahr eines Abplatzens der Beschichtung zulassen muss.
Eine hinsichtlich ihrer mechanischen und thermischen Belastbarkeit weiter optimierte Emaillebeschichtung lässt sich mit dem in der DE 10 2013 108 428 A1 und WO 2015/018795 A1 vorgestellten Emaillepulver herstellen. Dessen Bestandteile sind so zusammengestellt, dass die daraus gebildete Emaillebeschichtung grundsätzlich eine höhere Druck- als Zugfestigkeit aufweist als andere aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungen dieser Art. Daher eignet sich dieses bekannte Emaillepulver besonders zur Erzeugung einer Emaillebeschichtung auf einem Metallgussteil, das aus Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung besteht.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass die in der voranstehend erläuterten Weise zusammengesetzten und beschaffenen Emaille- oder Glasurbeschichtungen die an sich gestellten Erwartungen prinzipiell erfüllen. Es zeigt sich jedoch, dass dazu bei der Wärmebehandlung von Metallteilen, die mit solchen Beschichtungen versehen sind, eine besonders sorgfältige und vorsichtige Temperaturführung erforderlich ist.
Vor diesem Hintergrund ergab sich die Aufgabe, ein Metallteil der eingangs angegebenen Art vorzuschlagen, bei dem keine besonderen Einschränkungen bei der Wärmebehandlung bestehen und bei dem dennoch ein optimaler Schutz der jeweils im Gebrauch hoch belasteten Flächen gewährleistet ist.
Ebenso sollte ein Verfahren genannt werden, das zur Herstellung derartiger Metallteile geeignet ist.
In Bezug auf das Metallteil hat die Erfindung diese Aufgabe durch ein mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen versehenes Metallteil gelöst.
Die betriebssichere Herstellung von Metallteilen der erfindungsgemäßen Art lässt sich erfindungsgemäß durch das in Anspruch 14 angegebene Verfahren bewerkstelligen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Ein erfindungsgemäßes Metallteil für einen Verbrennungsmotor besitzt demnach eine im Gebrauch thermisch oder mechanisch höher als ihre Umgebung belastete Fläche, die zumindest abschnittsweise mit einer Glasur- oder Emailleschicht belegt ist. Erfindungsgemäß enthält nun die Glasur- oder Emailleschicht bezogen auf die zur Bildung der Emailleschicht eingesetzte Emaillefritte 2–35 Gew.-% einer Beimengung von Partikeln, die aus mindestens einem Material der Gruppe ”Glas, synthetische Oxidmischungen oder Schmelzen, organische Kunststoffe” bestehen, das jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 50 × 10^–7 K^–1 und eine Schmelztemperatur von mindestens 500°C aufweist.
Unter den Begriff ”Glasur- oder Emailleschicht” fallen nach dem Verständnis der Erfindung Schichten, die aus anorganischen Verbindungen gebildet sind, welche aus miteinander verschmolzenen Oxiden der Alkali- und Erdalkaligruppe bestehen. Hierzu zählen SiO₂, Al₂O_3, B₂O₃, Li₂O, Na₂O, CaO, MgO und K₂O. Dabei können die Schichten zusätzlich anorganische oder organische Verbindungen in Form von Fasern, wie z. B. SiC- oder C-Fasern, sowie weitere emailletypische, dem Fachmann bekannte Zusätze enthalten. Bei der Herstellung der Glasur- oder Emailleschichten werden die vorgeschmolzenen, als Fritte eingesetzten Verbindungen mit Wasser aufgemahlen. Anschließend werden optional die Fasern zugemischt.
Erfindungsgemäß werden dem Schlicker nun, vorzugsweise nach dessen Herstellung, zusätzlich Partikel zugegeben, die einen minimierten Wärmeausdehnungskoeffizienten bei maximierter Schmelztemperatur aufweisen. Diese Partikel bestehen aus Werkstoffen, die der Gruppe ”Glas, synthetische Oxidmischungen oder Schmelzen, organische Kunststoffe” angehören. Die betreffenden Werkstoffe zeichnen sich dadurch aus, dass sie einen sehr niedrigen maximalen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 50 × 10^–7 K^–1 und eine hohe Schmelztemperatur von mindestens 500°C besitzen. Dabei sind für die erfindungsgemäß vorgesehene Partikelbeimengung insbesondere solche Werkstoffe geeignet, die einen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 25 × 10^–7 K^–1, insbesondere höchstens 10 × 10^-7 K^–1, besitzen. Bei für das Beimengungspulver geeigneten Materialien der hier in Rede stehenden Art liegt der Ausdehnungskoeffizient in der Praxis typischerweise bei mindestens 0,5 × 10^-7 K^–1, wobei auch Mindestausdehnungskoeffizienten von mindestens 2 × 10^-7 K^–1 oder mindestens 4 × 10^-7 K^–1 regelmäßig anzutreffen sind.
Für die erfindungsgemäßen Zwecke in Frage kommende Pulver müssen auch eine hohe Schmelztemperatur besitzen. Schmelztemperaturen von mindestens 900°C haben sich hier als besonders geeignet erwiesen, wobei die Schmelztemperatur optimalerweise im Bereich von 1000–1400°C liegt.
Die Menge an erfindungsgemäß zugegebener Beimengung wird bezogen auf das Gewicht der Emaillefritte bestimmt, das zur Bildung der Emailleschicht vorgesehen wird. D. h., soll die Emaille- oder Glasurbeschichtung aus 100 Gramm Emaillefritte werden erfindungsgemäß dem Schlicker 2–35 Gramm an pulverförmiger Beimengung aus Materialien zugegeben, die nach Maßgabe der Erfindung bestimmt sind.
Der jeweils so erhaltene Schlicker wird auf den zu schützenden Abschnitt der jeweiligen Fläche aufgebracht, dort getrocknet und zu der jeweiligen Glasur- oder Emailleschicht eingebrannt. Die Trocknung und das Einbrennen können auf konventionelle Weise durchgeführt werden, indem das Metallteil jeweils insgesamt auf die erforderliche Temperatur gebracht wird. Sofern sich dies im Laufe der Bearbeitung des Metallteils ergibt, kann für das Trocknen und Einbrennen eine im jeweiligen Metallteil verfahrensbedingt vorhandene Hitze für das Trocknen genutzt werden. Dies bietet sich beispielsweise bei Gussteilen an, bei denen das noch gießheiße Gussteil in erfindungsgemäßer Weise beschichtet wird. Ähnliche Möglichkeiten ergeben sich, wenn es sich bei dem Metallteil um ein warmgeformtes, insbesondere warmgeschmiedetes, Bauteil handelt. Auch kann das Trocknen und Einbrennen im Zuge einer Wärmebehandlung absolviert werden, die das Metallteil zur Einstellung seiner mechanischen und sonstigen Eigenschaften durchläuft.
Überraschend hat sich bei erfindungsgemäßen Metallteilen gezeigt, dass die dort vorgesehene Emaille- oder Glasurschicht in Folge der erfindungsgemäß zusätzlich zugegebenen Beimengungen von Partikeln aus Werkstoffen, bei denen ein besonders niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient mit einer hohen Schmelztemperatur kombiniert ist, auch dann unempfindlich gegen Temperaturwechsel ist, wenn diese Temperaturwechsel mit hoher Geschwindigkeit stattfinden. Zu solchen extremen Temperaturwechseln kommt es beispielsweise beim Abschrecken von Metallteilen nach einer Wärmebehandlung, wenn die Metallteile mittels eines Abschreckmittels, z. B. Wasser, Sprühnebel oder flüssigem Stickstoff, abgeschreckt werden. Hierbei werden Abkühlraten von mehr als 2 K/s, typischerweise mindestens 5 K/s erzielt, wobei eine typische Obergrenze der durch Wasserabschreckung oder Wassersprühnebel erzielten Abkühlraten bei 30 K/s liegt. Dabei zeigt sich, dass selbst bei dem mit einer solchen schnellen Abschreckung einhergehenden Temperaturschock eine sichere Haftung der Beschichtung auf dem jeweiligen Metallsubstrat gewährleistet ist.
Risse, die in Folge eines schnellen und extremen Temperaturwechsels auch in einer erfindungsgemäßen Beschichtung unvermeidbar entstehen können, heilen nach einem erneuten Erwärmen aus, sodass auch bei wiederholten Temperaturwechseln keine Verschlechterung der Schutz- und Haftungseigenschaften der Beschichtung gegenüber dem Ausgangszustand eintritt. Praktische Versuche haben hier gezeigt, dass erfindungsgemäß beschichtete Bauteile über die Abschreckung auf Raumtemperatur hinaus beispielsweise mit flüssigem Stickstoff auf eine Temperatur von bis zu –196°C abgekühlt werden können, ohne dass eine Schädigung entsteht, durch die die Schutzwirkung der Beschichtung nachhaltig beeinträchtigt wird.
Die erfindungsgemäße Rezeptur einer Emaille- oder Glasurschicht erlaubt es somit, auf unterschiedlichen Metallwerkstoffen derartige Beschichtungen zu erzeugen und dauerhaft sicher zu erhalten. Dementsprechend eignet sich die Erfindung zum Beschichten von Metallteilen, insbesondere gegossenen Gussteilen, aus einem Eisenwerkstoff genauso wie für die Beschichtung von Teilen, die aus einem Leichtmetallgusswerkstoff, insbesondere einem Al-Gusswerkstoff, hergestellt sind. Dabei wird die Haftung der Beschichtung auf dem jeweiligen Metallsubstrat durch die Reaktivität zwischen Grundmaterial und der Emaille gewährleistet. Die erfindungsgemäß zusätzlich zugegebene Beimengung sichert dann die erforderliche Thermoschockbeständigkeit.
Besonders günstig wirkt sich die erfindungsgemäß vorgesehene Beimengung aus, wenn ihr Gehalt bezogen auf das dem Schlicker zugegebene Gewicht an Emaillefritte mindestens 8 Gew.-%, insbesondere mindestens 10 Gew.-% beträgt. Eine optimale Ausnutzung der Eigenschaften des erfindungsgemäß beigemengten Partikelpulvers ergibt sich dabei dann, wenn der auf das Gewicht der Emaillefritte bezogene Gehalt an Pulverpartikeln höchstens 30 Gew.-%, insbesondere höchstens 20 Gew.-% beträgt.
Hierbei hat es sich herausgestellt, dass sich eine optimale Verteilung der Partikel der Beimengung in dem auf den zu schützenden Flächenabschnitt aufzutragenden Schlicker und eine dementsprechend optimale Verteilung und Wirkung in der am Metallteil erzeugten Emaille- oder Glasurbeschichtung dann einstellt, wenn die Emaille- oder Glasurschicht bzw. der auf den zu schützenden Flächenabschnitt im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgetragene Schlicker vorgemahlene keramische Partikel als Beimengung enthält. Insbesondere wirken sich hier Partikel positiv in Bezug auf die Thermoschockbeständigkeit der Emaille- oder Glasurbeschichtung aus, die in einer Mahlfeinheit von 5–150 μm in der Beschichtung bzw. dem aufgetragenen Schlicker vorhanden sind.
Ihre Schutzwirkung entfaltet eine Emaille- oder Glasurschicht dann besonders wirksam, wenn sie 50–1000 μm dick ist, wobei sich eine optimale Wirkung bei gleichzeitig optimierter Beständigkeit der Schicht bei einer Schichtdicke von 300–500 μm ergibt.
Eine übermäßige Erwärmung des jeweils zu schützenden Flächenabschnitts lässt sich dadurch gewährleisten, dass die erfindungsgemäß aufgebrachte Emaille- oder Glasurschicht eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 10 × 10^–7 K^–1 besitzt, wobei sich Beschichtungen mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 4 × 10^–7 K^–1 als in dieser Hinsicht besonders vorteilhaft herausgestellt haben. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Schichtdicken der erfindungsgemäßen Beschichtung im voranstehend erläuterten Bereich liegen.
Die erfindungsgemäß als Beimengung zugegebenen Partikel können, müssen aber nicht aus einem sortenreinen Werkstoff bestehen. Vielmehr lassen sich auch Mischungen aus derartigen Werkstoffen als Beimengungen verwenden, wenn diese Werkstoffe jeweils die erfindungsgemäß vorgeschriebenen Anforderungen an ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten und Schmelztemperaturen erfüllen.
Als Werkstoff für die als Beimengung der erfindungsgemäßen Beschichtung zugegebenen Partikel eignen sich insbesondere Werkstoff-Partikel, aus der Gruppe der Magnesiumaluminiumsilikate, Lithiumglaskeramiken, Quarzgläser, Zirkonaluminiumsilikate oder Alumo-Silikate.
Zu den in Frage kommenden Werkstoffen des Systems MgO-Al₂O₃-SiO₂ (Magnesiumaluminiumsilikate) zählen insbesondere Cordierit (M₂A₂S₅), zu den Alumo-Silikaten insbesondere Mullit (A₃S₂). Auch können Partikel, die aus Komponenten dieser Systeme bestehen, zum Einsatz kommen, insbesondere Partikel aus SiO₂ in amorpher oder kristalliner Struktur oder Al₂O₃ in Korundmodifikation.
Von den Zirkonaluminiumsilikaten (ZrO₂-Al₂O₃-SiO₂) sind hier insbesondere Zirkonmullit (ZSA₃) oder Zirkonia (ZS) als für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeignete Werkstoffe zu nennen.
Lithiumkeramiken oder technische Gläser, wie Quarzglas, weisen ebenfalls minimierte Ausdehnungskoeffizienten bei hohen Schmelztemperaturen auf und lassen sich in ausreichend zerkleinerter Form für die erfindungsgemäßen Zwecke der Emaille zugeben.
Selbstverständlich können auch Mischungen aus den voranstehend genannten Werkstoffen mit anderen Materialien für die erfindungsgemäßen Zwecke eingesetzt werden, wenn sie die hinsichtlich ihres Ausdehnungskoeffizienten und ihrer Schmelztemperatur von der Erfindung formulierten Anforderungen erfüllen. Hierzu zählen beispielsweise Porzellan-Materialen, die einen typischen Wärmeausdehnungskoeffizienten von höchstens 0,5 × 10^–7 K^–1 und eine besonders hohe Schmelztemperatur von mehr als 1600°C aufweisen.
Bekannte Oxidkeramiken weisen einen typischen Ausdehnungskoeffizienten von 8 × 10^–7 K^–1 bei im Bereich von 900°C liegenden Schmelztemperaturen auf.
Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Beschichtung zum Schutz von solchen Flächen eines Metallteils, die im Einsatz thermisch durch ein sich in ihm bildendes oder ihn durchströmendes Gas thermisch belastet sind. Solche Flächen können in einem Raum oder Kanal des Metallteils vorhanden sein, in dem sich im Gebrauch entsprechend heißes Gas bildet oder der im Gebrauch von heißem Gas durchströmt wird. Derartige Verhältnisse ergeben sich beispielsweise bei Metallteilen, insbesondere Gussteilen, für Verbrennungsmotoren im Bereich der Brennkammern und der Abgaskanäle, aber auch im Bereich von Turboladergehäusen, Kolben und anderen der Hitze eines Abgasstroms ausgesetzten Teilen eines Verbrennungsmotors. Dabei können beispielsweise die abgasführenden Krümmer des Abgassystems eines Verbrennungsmotors aus einem Blechmaterial geformt sein. Auch dort erweist sich eine erfindungsgemäß beschaffene Emaille- oder Glasurschicht im Hinblick auf den Schutz vor übermäßiger lokaler Erwärmung sehr günstig.
Es kann aber gerade auch bei solchen Bauteilen zweckmäßig sein, nicht nur die durch Heißgas belasteten innenliegenden Flächen durch eine erfindungsgemäße Beschichtung zu schützen. So kann es ebenso zweckmäßig sein, außenliegende Flächenabschnitte des jeweiligen Metallteils in erfindungsgemäßer Weise zu beschichten, wenn dort besondere mechanische oder thermische Belastungen auftreten. Auch kann die erfindungsgemäße Glasur- oder Emailleschicht einen Korrosionsschutz darstellen, der den Einsatz gegen ein chemisch aggressives flüssiges oder gasförmiges Medium schützt.
Der für die Erfindung typische Anwendungsfall ist ein als Gussteil hergestellter Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor. Genauso eignet sich die Erfindung auch für ein Gehäuse für einen Turbolader, der im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordnet ist und dessen von Abgas durchströmter Kanal in erfindungsgemäßer Weise beschichtet ist.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung lässt sich die Leistung eines Verbrennungsmotors entscheidend erhöhen. Hierzu können die den Brennraum umgebenden Bereiche, wie Kolben, Block-Lauffläche sowie Zylinderkopf-Brennraumdach-Flächen in erfindungsgemäßer Weise beschichtet werden. Durch die auf diesem Wege erzielte Reduktion der Wärmeverluste kommt man dem Ziel eines „adiabaten Motors” einen Schritt näher. Des Weiteren kann es zweckmäßig sein, die Einlasskanäle des Verbrennungsmotors zumindest abschnittweise erfindungsgemäß zu beschichten, so dass die einströmende Luft gegenüber der bei hoch aufgeladenen Motoren hohen Temperatur des den Einlasskanal jeweils umgebenden Gussmaterials abgeschirmt wird und so ein höherer Aufladungsgrad und eine damit einhergehend erhöhte Motoreffizienz erreicht wird. Auch kann eine erfindungsgemäße Beschichtung zur Reduktion von Abstrahlverlusten von Motoren und anderen thermischen Anlagen durch die geringe Wärmeleitung beitragen. Schließlich lassen sich durch die Erfindung die beim Verbrennungsprozess entstehenden Reaktionsgase mit höherer thermischer Effizienz in die Nachfolgeprozesse leiten.
Soll die erfindungsgemäße Beschichtung als Emailleschicht ausgeführt werden, so eignet sich als Basis hierfür insbesondere eine Emaille, wie sie in der DE 10 2013 108 429 A1 beschrieben ist, deren Inhalt hiermit in die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung einbezogen wird. Das in der betreffenden deutschen Patentanmeldung angegebene Emaillepulver ist zum Belegen von im Betrieb thermisch und mechanisch hoch belasteten metallischen Flächen besonders geeignet und liegt als Mischung vor, die 100 Teile eines Glaspulvers, optional 10–22 Teile grobe Glaskörner, die größer sind als die Partikel des Glaspulvers, 0,1–7,5 Teile keramische Fasern, Glasfasern oder Kohlefasern, sowie alternativ zueinander oder in Kombination miteinander 10–21 Teile einer pulverförmig vorliegenden oxidischen Verbindung eines Leichtmetalls oder 1–5 Teile eines Pulvers eines Schwermetalls enthält. Indem einem aus dieser Mischung gebildeten Schlicker die erfindungsgemäß vorgesehene Beimengung zugegeben wird, wird eine Beschichtung erhalten, die auch höchste Anforderungen an ihre Schutzwirkung und Beständigkeit sicher erfüllt.
Wenn hier von ”Teilen” als Dosiermaß die Rede ist, so wird darunter verstanden, dass die dem Emaillepulver zugegebene Menge an dem jeweiligen Bestandteil mithilfe eines für alle Bestandteile gleichen Einheitsmaßes abgemessen wird und die erfindungsgemäß für die einzelnen Bestandteile jeweils vorgesehenen ”Teile” das jeweilige Vielfache dieses Einheitsmaßes bezeichnen.
Den voranstehenden Erläuterungen entsprechend umfasst ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Metallteils, das eine im Gebrauch thermisch oder mechanisch höher als ihre Umgebung belastete Fläche besitzt, die zumindest abschnittsweise mit einer Glasur- oder Emailleschicht belegt ist, folgende Arbeitsschritte:

– Bereitstellen des Metallteils;
– Bereitstellen eines Emaille- oder Glasurschlickers, der bezogen auf die zur Bildung der Emaille- oder Glasurschicht eingesetzten Emaillefritte 2,0–35 Gew.-% einer Beimengung von Partikeln enthält, die aus mindestens einem Material der Gruppe ”Glas, synthetische Oxidmischungen oder Schmelzen, organische Kunststoffe” bestehen, das jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 50 × 10^–7 K^–1 und eine Schmelztemperatur von mindestens 500°C aufweist;
– Auftragen des Emaille- oder Glasurschlickers auf den Abschnitt der jeweiligen Fläche des Metallteils;
– Trocknen und Einbrennen des aufgetragenen Emaille- oder Glasurschlickers;
– Wärmebehandeln des Metallteils, wobei die Wärmebehandlung optional eine Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit umfasst, die höher ist als die Abkühlgeschwindigkeit, die bei einer Abkühlung an ruhender Luft, insbesondere bei einer Abkühlung an bewegter Luft, erreicht wird;
– optionales mechanisches Bearbeiten der aus dem Emaille- oder Glasurschlicker gebildeten Emaille- oder Glasurschicht.

Die Unempfindlichkeit der erfindungsgemäß aufgebrachten Beschichtung erlaubt dabei eine weite Spanne an Wärmebehandlungs- und sonstigen Verfahren, die zur Herstellung eines Bauteils mit optimalen Eigenschaften erforderlich sind. Beispielsweise lässt sich das Metallteil zum Einbrennen des aufgetragenen Emaille- oder Glasurschlickers im Bereich der aufgetragenen Emaille- oder Glasurschlickerbeschichtung lokal erwärmen und außerhalb dieses Bereichs auf einer niedrigeren Temperatur halten, so dass es zu keiner Beeinträchtigung des Metallteilsubstrats durch die Einbrennbehandlung kommt. Auch kann die erfindungsgemäße Beschichtung mechanisch, beispielsweise durch Schleifen, nachbearbeitet werden.
Die Erfindung eignet sich dabei für beliebige Metallteile, die den voranstehend erörterten Einsatzbedingungen ausgesetzt sind. Hierzu zählen auf Blechbasis durch Umformen erzeuge Metallteile genauso wie Metallteile, die durch Anwendung eines Urformverfahrens, beispielsweise Gießen oder Schmieden, hergestellt sind.
Mit der Erfindung stehen somit ein Metallteil und ein Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung, die eine präzise Fertigung ermöglichen und dabei insbesondere die Beschichtung von Innenhohlräumen erlauben. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Beschichtung besteht dabei darin, dass sie hochwirksam gegen thermische, korrosive oder mechanische Belastungen schützt, ohne dass dazu zusätzliche Bauteile vorgesehen werden müssen. Toleranzprobleme, wie es bei eingegossenen Formteilen der Fall wäre, werden auf diese Weise vermieden.
Die durch die Erfindung möglichen minimierten Schichtdicken bei gleichzeitig optimierter Schutzfunktion erlauben eine im Hinblick auf Gewichtsersparnis optimierte Auslegung und Gestaltung des Metallteils auch in den Bereichen, in denen hohe Belastungen erwartet werden.
Das Einbrennen der Beschichtung kann auf besonders wirtschaftliche Weise im Zuge eines Wärmebehandlungsvorganges, insbesondere eines Lösungsglühprozesses, absolviert werden, wie er üblicherweise bei der Herstellung von Gussteilen für Verbrennungsmotoren durchlaufen wird.
In Folge des durch die erfindungsgemäße Beschichtung gewährleisteten Schutzes können weniger hohe Anforderungen an die thermische, korrosive oder mechanische Beständigkeit des Metallwerkstoffs gestellt werden. Dies erlaubt es, kostengünstigere und insgesamt niedriger belastbare Materialien einzusetzen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Ein aus einer konventionellen Al-Gusslegierung gegossener Zylinderkopf für einen hochverdichteten Dieselmotor wird bei 500°C über eine Dauer von 30 Minuten geglüht und kühlt anschließend auf Raumtemperatur ab.
Anschließend werden an den Flächenabschnitten, die mit einer Emaillebeschichtung versehen werden sollen, die oxidischen Reaktionsprodukte, insbesondere Al₂O₃, und die sonstigen im Zuge der Glühbehandlung entstandenen Verunreinigungen beseitigt. Hierzu werden die betreffenden Flächen mit verdünnter Salpetersäure HNO₃ gebeizt. Anschließend wird der Zylinderkopf zur Neutralisierung der zuvor gebeizten Oberfläche zunächst mit verdünnter Alaklilauge und dann mit Wasser gespült. Nach dem Trocknen erfolgt der Auftrag eines Schlickers, der nach folgender Rezeptur gemischt worden ist:
100 Teile Emaillefritte
3 Teile Borsäure
3 Teile Kalilauge
3 Teile Wasserglas
55 Teile Wasser
Zur Bemessung der genannten ”Teile” ist jeweils dasselbe Hohlmaß eingesetzt worden. D. h. es sind 100 Hohlmaßeinheiten Emaillefritte mit jeweils drei Hohlmaßeinheiten Borsäure, Kalilauge und Wasserglas sowie mit 55 Hohlmaßeinheiten Wasser vermischt worden. Dabei ist das Gesamtgewicht der zugegebenen Emaillefritte erfasst worden.
Diese Mischung ist in einer Porzellanmühle gemahlen worden.
Nach dem Mahlvorgang sind der erhaltenen Mischung bezogen auf das Gewicht der in der Mischung enthaltenen Emaillefritte 20 Gew.-% Codierit in Pulverform zugegeben worden, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von typischerweise 10–30 10^–7 K^–1 aufweist. Die so gebildete Mischung ist anschließend nochmals gemahlen worden, bis eine Mischung mit gleichmäßiger Körnung vorlag.
Dann sind die Kanäle des Zylinderkopfes, deren Flächen mit der Emailleschicht belegt werden sollten, mit dem Schlicker gespült worden, um die betreffenden Flächenabschnitte mit dem Schlicker zu benetzen.
Nach einer Trocknung erfolgte ein Einbrennen, bei dem der Zylinderkopf über eine Dauer von 50 Minuten bei einer Temperatur von 510°C gehalten worden ist.
Die so erhaltene Emailleschicht zeigte auch bei extremen Temperaturwechseln eine gute Anhaftung an dem Al-Gusssubstrat und eine hohe Unempfindlichkeit gegen Rissbildung.
Beispiel 2
Ein ebenfalls aus einer Al-Gusslegierung gegossenes Turboladergehäuse für einen Verbrennungsmotor ist bei einer Temperatur von 500°C für 30 Minuten geglüht und danach auf Raumtemperatur abgekühlt worden. Die mit einer Emailleschicht zu beschichtenden inneren Oberflächen des Turboladergehäuses sind daraufhin von oxidischen Anhaftungen und sonstigen Verunreinigungen mittels Sandstrahlen befreit worden.
Für die Beschichtung ist ein Schlicker bereitgestellt worden, der aus
100 Teilen Emaillefritte,
4 Teilen Borsäure,
4 Teilen Kalilauge,
4 Teilen Wasserglas,
55 Teilen Wasser
gemischt worden ist.
Bei der Bemessung der genannten ”Teile” ist wie im Zusammenhang mit dem Beispiel 1 erläutert vorgegangen worden. Das Gesamtgewicht der der Schlickermischung zugegebenen Emaillefritte ist auch hier erfasst worden.
Die aus den genannten Bestandteilen gebildete Schlickermischung ist ebenfalls in einer Porzellanmühle bis zur gewünschten Mahlfeinheit gemahlen worden.
Nach dem Mahlvorgang sind der Mischung bezogen auf das Gewicht der in der Mischung enthaltenen Emaillefritte 17,5 Gew.-% Quarzglaspulver mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten von typischerweise 5,4 10^–7 K^–1 zugegeben worden. Die so gebildete Mischung ist anschließend nochmals gemahlen worden, bis eine Mischung mit gleichmäßiger Körnung vorlag.
Danach ist der erhaltene Schlicker in das Turboladergehäuse gefüllt und durch Drehen des Gehäuses gleichmäßig auf den zu beschichtenden Flächen verteilt worden.
Nach einer Trocknung erfolgte ein Einbrennen, bei dem das Turboladergehäuse über eine Dauer von 45 Minuten bei einer Temperatur von 525°C gehalten worden ist.
Die so erhaltene Emailleschicht zeigte auch bei extremen Temperaturwechseln eine gute Anhaftung an dem Al-Gusssubstrat und eine hohe Unempfindlichkeit gegen Rissbildung.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010025286 A1 [0005]
DE 102013108428 A1 [0006]
WO 2015/018795 A1 [0006]
DE 102013108429 A1 [0037]

Claims

Metallteil, das eine im Gebrauch thermisch oder mechanisch höher als ihre Umgebung belastete Fläche besitzt, die zumindest abschnittsweise mit einer Glasur- oder Emailleschicht belegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur- oder Emailleschicht bezogen auf die zur Bildung der Emailleschicht eingesetzte Emaillefritte 2–35 Gew.-% einer Beimengung von Partikeln enthält, die aus mindestens einem Material der Gruppe ”Glas, synthetische Oxidmischungen oder Schmelzen, organische Kunststoffe” bestehen, das jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 50 × 10^–7 K^–1 und eine Schmelztemperatur von mindestens 500°C aufweist.
Metallteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasur- oder Emailleschicht bezogen auf die zur Bildung der Emailleschicht eingesetzte Emaillefritte 10–30 Gew.-% der Beimengung enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emaille- oder Glasurschicht vorgemahlene keramische Partikel als Beimengung enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mahlfeinheit der keramischen Partikel 5–150 μm beträgt.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimengung Magnesiumaluminiumsilikat-Partikel enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimengung Lithiumglaskeramik-Partikel enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimengung Quarzglaspartikel enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimengung Zirkonaluminiumsilikat-Partikel enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beimengung Alumo-Silikat-Partikel enthält.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emaille- oder Glasurschicht 50–1000 μm dick ist.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Emaille- oder Glasurschicht eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 25 × 10^–7 K^–1 besitzt.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Emaille- oder Glasurschicht zumindest abschnittsweise beschichtete Fläche einen Raum oder Kanal des Metallteils umgibt, der im Einsatz durch ein sich in ihm bildendes oder ihn durchströmendes Gas thermisch belastet ist.
Metallteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es ein aus einem Gussmetall gegossenes Gussteil ist.
Verfahren zur Herstellen eines Metallteils, das eine im Gebrauch thermisch oder mechanisch höher als ihre Umgebung belastete Fläche besitzt, die zumindest abschnittsweise mit einer Glasur- oder Emailleschicht belegt ist, umfassend folgende Arbeitsschritte: – Bereitstellen des Metallteils; – Bereitstellen eines Emaille- oder Glasurschlickers, der bezogen auf die zur Bildung der Emaille- oder Glasurschicht eingesetzten Emaillefritte 2,0–35 Gew.-% einer Beimengung von Partikeln enthält, die aus mindestens einem Material der Gruppe ”Glas, synthetische Oxidmischungen oder Schmelzen, organische Kunststoffe” bestehen, das jeweils einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von höchstens 50 × 10^–7 K^–1 und eine Schmelztemperatur von mindestens 500°C aufweist; – Auftragen des Emaille- oder Glasurschlickers auf den jeweiligen Abschnitt der Fläche des Metallteils; – Trocknen und Einbrennen des aufgetragenen Emaille- oder Glasurschlickers; – Wärmebehandeln des Metallteils, wobei die Wärmebehandlung optional eine Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit umfasst, die höher ist als die Abkühlgeschwindigkeit, die bei einer Abkühlung an ruhender Luft, insbesondere bei einer Abkühlung an bewegter Luft, erreicht wird; – optionales mechanisches Bearbeiten der aus dem Emaille- oder Glasurschlicker gebildeten Emaille- oder Glasurschicht.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallteil zum Einbrennen des aufgetragenen Emaille- oder Glasurschlickers im Bereich der aufgetragenen Emaille- oder Glasurschlickerbeschichtung lokal erwärmt wird und außerhalb dieses Bereichs auf einer niedrigeren Temperatur gehalten wird.