DE112015004365T5 - Cast iron article with a corrosion resistant layer and method of making the article - Google Patents

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Abstract

Ein Artikel (1) mit einem Gusseisengrundmaterial (3) und einer inneren Oberfläche, die eine innere Passage (2) begrenzt, wobei die innere Oberfläche mit einer Beschichtung beschichtet ist, die eine korrosionsbeständige Schicht (4), die MCrAIX umfasst, wobei M Fe ist und wobei X ein aktives Element ist, und eine Keramikschicht (5), die außerhalb der korrosionsbeständigen Schicht vorgesehen ist, umfasst. Ein Verfahren zum Bilden eines solchen Artikels umfasst das Bilden eines Kerns und das Aufbringen einer Keramikschicht und einer korrosionsbeständigen Schicht, die MCrAIX umfasst, wobei M eines von Fe und Ni ist und wobei X ein aktives Element ist, auf den Kern, das Einsetzen des Kerns in eine Gussform, das Gießen von Eisen in die Gussform bei einer Gießtemperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der korrosionsbeständigen Schicht, um den Artikel zu bilden, und das Entfernen des Kerns.An article (1) comprising a cast iron base material (3) and an inner surface defining an inner passage (2), the inner surface being coated with a coating comprising a corrosion resistant layer (4) comprising MCrAIX, wherein M Fe and wherein X is an active element, and a ceramic layer (5) provided outside the corrosion-resistant layer. One method of forming such an article involves forming a core and applying a ceramic layer and a corrosion resistant layer comprising MCrAIX, where M is one of Fe and Ni and where X is an active element on the core, inserting the core into a mold, pouring iron into the mold at a casting temperature lower than the melting temperature of the corrosion-resistant layer to form the article, and removing the core.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIKFIELD OF THE INVENTION AND PRIOR ART

Die Erfindung betrifft einen Artikel mit einem Gusseisengrundmaterial und einer inneren Oberfläche, die eine innere Passage begrenzt, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Artikels. Solche Artikel werden üblicherweise beispielsweise im Abgassystem eines Fahrzeugs verwendet. Ein Beispiel für einen solchen Artikel ist ein Abgaskrümmer, der eine komplexe Geometrie mit inneren Passagen hat. Abgaskrümmer sowie auch andere Bauteile in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren sind einer korrodierenden Umgebung und erhöhten Temperaturen ausgesetzt. Gusseisenartikel sind jedoch empfindlich gegenüber Korrosion, was die Lebensdauer des Artikels reduziert und die mechanischen Eigenschaften beeinträchtigt. Gusseisenartikel weisen außerdem eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Heiße Abgase, die durch die inneren Passagen eines aus Gusseisen hergestellten Abgaskrümmers strömen, verlieren deshalb Wärmeenergie durch Wärmeleitung zu dem Abgaskrümmer und den Umgebungsbereichen. Aus diesem Grund entstehen in dem Abgassystem große Wärmeverluste, die die Effizienz des Motors verringern. Außerdem können die in dem Abgassystem vorhandenen hohen Temperaturschwankungen zu einer Ermüdung durch Wärmebeanspruchung des Abgaskrümmers führen, wodurch dessen Lebensdauer verkürzt wird. Gusseisen ist jedoch im Vergleich zu korrosionsbeständigeren Legierungen ein relativ kostengünstiges Material und wird aus diesem Grund üblicherweise als Material gewählt, um die Materialkosten niedrig zu halten.The invention relates to an article having a cast iron base material and an inner surface that defines an inner passage, and a method of manufacturing such an article. Such articles are commonly used, for example, in the exhaust system of a vehicle. An example of such an article is an exhaust manifold that has a complex geometry with internal passages. Exhaust manifolds as well as other components in exhaust systems of internal combustion engines are exposed to a corrosive environment and elevated temperatures. However, cast iron articles are susceptible to corrosion which reduces the life of the article and degrades mechanical properties. Cast iron articles also have a relatively high thermal conductivity. Hot exhaust gases flowing through the inner passages of an exhaust manifold made of cast iron therefore lose heat energy by conduction to the exhaust manifold and surrounding areas. For this reason, large heat losses occur in the exhaust system, reducing the efficiency of the engine. In addition, the high temperature fluctuations present in the exhaust system can lead to fatigue due to thermal stress of the exhaust manifold, thereby shortening its life. However, cast iron is a relatively inexpensive material compared to more corrosion resistant alloys, and for this reason is commonly chosen as the material to keep material costs low.

Eine Weise, auf die dieses Problem von Wärmeverlusten in dem Abgassystem teilweise überwunden werden kann, besteht darin, eine keramische Wärmedämmschicht auf die äußere Oberfläche von Artikeln, wie beispielsweise den Abgaskrümmer in dem Abgassystem, aufzubringen. Auf diese Weise wird Wärmeleitung von dem Abgaskrümmer an umliegende Bauteile verhindert, führt jedoch die Wärmeleitung von den Abgasen zu dem Abgaskrümmer selber immer noch zu Wärmeverlusten in den Abgasen. Außerdem wird weder die Ermüdung durch Wärmebeanspruchung noch die Korrosion des Abgaskrümmers verhindert.One way in which this problem of heat losses in the exhaust system can be partially overcome is to apply a ceramic thermal barrier coating to the outer surface of articles such as the exhaust manifold in the exhaust system. In this way, heat conduction from the exhaust manifold to surrounding components is prevented, but the heat conduction from the exhaust gases to the exhaust manifold itself still results in heat losses in the exhaust gases. In addition, neither the fatigue due to thermal stress nor the corrosion of the exhaust manifold is prevented.

Alternative Materialien, wie beispielsweise Superlegierungen und Edelstahl, sind relativ teuer und aus diesem Grund für die Verwendung in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen, wie beispielsweise Lkw, Bussen, Autos usw., ungeeignet.Alternative materials, such as superalloys and stainless steels, are relatively expensive and, for that reason, unsuitable for use in exhaust systems of internal combustion engines in vehicles such as trucks, buses, cars, etc.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einerseits einen Artikel mit einem Gusseisengrundmaterial und einer inneren Passage und andererseits ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Artikels bereitzustellen, wobei der Artikel und das Verfahren in mindestens einigen Aspekten im Vergleich zu bekannten derartigen Artikeln und Verfahren verbessert sind. Insbesondere ist es eine Aufgabe, einen solchen Artikel bereitzustellen, der im Vergleich zu Standardgusseisenartikeln mit einer inneren Passage eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit und verbesserte Wärmeisolationseigenschaften hat.It is an object of the present invention to provide on the one hand an article with a cast iron base material and an inner passage and on the other hand a method for producing such an article, which article and method are improved in at least some aspects compared to known such articles and methods. In particular, it is an object to provide such an article which has improved corrosion resistance and improved thermal insulation properties as compared to standard cast iron internal passage articles.

Im Fall des Artikels wird die Aufgabe mit einem Artikel, wie anfangs definiert, erfüllt, der dadurch gekennzeichnet ist, dass die innere Oberfläche mit einer Beschichtung beschichtet ist, die eine korrosionsbeständige Schicht, die MCrAIX umfasst, wobei M eines von Fe und von Ni ist und wobei X ein aktives Element ist, und eine Keramikschicht, die außerhalb der korrosionsbeständigen Schicht vorgesehen ist, umfasst.In the case of the article, the object is achieved with an article as initially defined, which is characterized in that the inner surface is coated with a coating comprising a corrosion resistant layer comprising MCrAIX, where M is one of Fe and Ni and wherein X is an active element and a ceramic layer provided outside the corrosion-resistant layer.

Der erfindungsgemäße Artikel hat im Vergleich zu beispielsweise Artikeln mit einem Grundmaterial, das Edelstahl oder eine Superlegierung umfasst, relativ geringe Materialkosten. Dank der inneren Beschichtung hat er jedoch Korrosionseigenschaften, die einfachen Gusseisenartikeln überlegen sind, und ist aus diesem Grund für die Verwendung in korrodierenden Umgebungen, wie beispielsweise in Abgassystemen, geeignet. Die MCrAIX-Schicht, die vorzugsweise die Form einer speziellen nicht diffundierenden Schicht hat, schafft einerseits Korrosionsbeständigkeit und bildet andererseits eine ausgezeichnete Bindeschicht zum Binden der Keramikschicht an den Artikel. Die Keramikschicht ist vorzugsweise eine sogenannte Wärmedämmschicht, die gute Wärmeisolationseigenschaften bietet. Der erfindungsgemäße Artikel ist somit beispielsweise für die Verwendung in Abgassystemen von Verbrennungsmotoren geeignet, in denen Abgase mit erhöhter Temperatur durch die innere Passage des Artikels strömen. Die Keramikbeschichtung verhindert die Wärmeleitung von den Abgasen zu dem Grundmaterial des Artikels. Somit minimiert sie effektiv Energieverluste in dem Abgassystem und erhöht somit die Effizienz des Motors. Sie erhöht außerdem die Korrosionsbeständigkeit des Grundmaterials, da Korrosion im Allgemeinen durch hohe Temperaturen gefördert wird. Dadurch werden auch die mechanischen Eigenschaften des Artikels bezüglich einfachen Gusseisenartikeln erhöht.The article of the invention has relatively low material costs compared to, for example, articles having a base material comprising stainless steel or a superalloy. However, thanks to the inner coating, it has corrosion properties superior to simple cast iron articles, and for this reason is suitable for use in corrosive environments, such as in exhaust systems. The MCrAIX layer, which preferably has the form of a special non-diffusing layer, on the one hand provides corrosion resistance and on the other hand forms an excellent bonding layer for bonding the ceramic layer to the article. The ceramic layer is preferably a so-called thermal barrier coating that provides good thermal insulation properties. The article according to the invention is therefore suitable, for example, for use in exhaust systems of internal combustion engines, in which exhaust gases with elevated temperature flow through the internal passage of the article. The ceramic coating prevents heat conduction from the exhaust gases to the base material of the article. Thus, it effectively minimizes energy losses in the exhaust system and thus increases the efficiency of the engine. It also increases the corrosion resistance of the base material, as corrosion is generally promoted by high temperatures. This also increases the mechanical properties of the article relative to simple cast iron articles.

Gemäß der Erfindung umfasst die korrosionsbeständige Schicht FeCrAIX. Durch Verwendung von FeCrAIX sind sowohl die korrosionsbeständige Schicht als auch das Grundmaterial ferritisch, das bedeutet, dass die Wärmeausdehnungseigenschaften des Grundmaterials und der korrosionsbeständigen Schicht im Wesentlichen die gleichen sind. Die Stabilität der Beschichtung während der thermischen Wechselbeanspruchung wird dadurch erhöht.According to the invention, the corrosion resistant layer comprises FeCrAIX. By using FeCrAIX are both the corrosion resistant Layer as well as the base material ferritic, that is, the thermal expansion properties of the base material and the corrosion resistant layer are substantially the same. The stability of the coating during the thermal cycling is thereby increased.

Gemäß der Erfindung umfasst die korrosionsbeständige Schicht zwischen 8–15% Gewichtsprozent Cr, vorzugsweise zwischen 10–14% Gewichtsprozent Cr. Indem der Chromgehalt der korrosionsbeständigen Schicht relativ gering gehalten wird, wird das Risiko der Bildung von Chromcarbiden in der Grenzfläche zwischen dem Gusseisengrundmaterial und der korrosionsbeständigen Schicht verringert. Dies stellt somit eine alternative Weise dar, zu verhindern, dass das Grundmaterial spröde wird, und die Haftung der korrosionsbeständigen Schicht zu verbessern. Natürlich kann außerdem eine Aluminiumoxidschicht zwischen dem Grundmaterial und der korrosionsbeständigen Schicht gebildet werden, um das Risiko des Bildens von Chromcarbiden weiter zu verringern.According to the invention, the corrosion resistant layer comprises between 8-15% by weight Cr, preferably between 10-14% by weight Cr. By keeping the chromium content of the corrosion resistant layer relatively low, the risk of forming chromium carbides in the interface between the cast iron base material and the corrosion resistant layer is reduced. This thus represents an alternative way of preventing the base material from becoming brittle and improving the adhesion of the corrosion-resistant layer. Of course, an aluminum oxide layer may also be formed between the base material and the corrosion resistant layer to further reduce the risk of forming chromium carbides.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat die korrosionsbeständige Schicht eine Dicke im Bereich von 0,05–1 mm, vorzugsweise 0,05–0,5 mm, und noch besser 0,1–0,5 mm. Diese Dicke reicht aus, um dem Artikel Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, und die Schicht ist außerdem dünn genug, um die Materialkosten gering zu halten.According to one embodiment of the invention, the corrosion-resistant layer has a thickness in the range of 0.05-1 mm, preferably 0.05-0.5 mm, and more preferably 0.1-0.5 mm. This thickness is sufficient to impart corrosion resistance to the article, and the layer is also thin enough to minimize material costs.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat die Keramikschicht eine Dicke im Bereich von 0,05–1 mm, vorzugsweise von 0,2–0,5 mm. Mit einer Keramikschicht dieser Dicke werden ausreichende Wärmeisolationseigenschaften erreicht, während die Materialkosten im Rahmen gehalten werden. Eine zu dicke Schicht kann zu Aufsplitterung führen, während eine zu dünne Schicht unzureichende Wärmeisolationseigenschaften mit sich bringt.According to one embodiment of the invention, the ceramic layer has a thickness in the range of 0.05-1 mm, preferably 0.2-0.5 mm. With a ceramic layer of this thickness sufficient thermal insulation properties are achieved while keeping material costs under control. Too thick a layer can lead to chipping, while too thin a layer will result in insufficient heat insulating properties.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Keramikschicht eines von einem dotierten Zirconiumoxid, Mullit oder Forsterit. Diese Materialien haben bekannterweise alle geeignete Wärmeisolationseigenschaften.According to one embodiment of the invention, the ceramic layer comprises one of a doped zirconia, mullite or forsterite. These materials are known to have all suitable thermal insulation properties.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Keramikschicht Yttrium-dotiertes Zirkonium. In dieser Ausführungsform hat die Keramikschicht ausgezeichnete Wärmeisolationseigenschaften.According to one embodiment of the invention, the ceramic layer comprises yttrium-doped zirconium. In this embodiment, the ceramic layer has excellent heat insulating properties.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Beschichtung ferner eine Aluminiumoxidschicht, die zwischen der korrosionsbeständigen Schicht und dem Gusseisengrundmaterial gebildet ist. Die Aluminiumoxidschicht verringert das Risiko des Bildens von Chromcarbiden in der Grenzfläche zwischen dem Gusseisengrundmaterial und der korrosionsbeständigen Schicht aufgrund von Kohlenstoff-Diffusion. Chromcarbide können sonst das Material der korrosionsbeständigen Schicht in der Nähe des Grundmaterials spröde machen und dadurch die Haftung der Schicht verringern. In dieser Ausführungsform schützt die Aluminiumoxidschicht das Material der korrosionsbeständigen Schicht davor, spröde zu werden, und wird die Haftung der korrosionsbeständigen Schicht verbessert.According to one embodiment of the invention, the coating further comprises an aluminum oxide layer formed between the corrosion resistant layer and the cast iron base material. The aluminum oxide layer reduces the risk of forming chromium carbides in the interface between the cast iron base material and the corrosion resistant layer due to carbon diffusion. Chromium carbides may otherwise brittle the material of the corrosion resistant layer in the vicinity of the base material and thereby reduce the adhesion of the layer. In this embodiment, the aluminum oxide layer protects the material of the corrosion-resistant layer from becoming brittle, and the adhesion of the corrosion-resistant layer is improved.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung hat die Aluminiumoxidschicht eine Dicke von weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 200 nm. Eine Aluminiumoxidschicht mit dieser Dicke reicht aus, um eine effiziente Barriere für Kohlenstoff-Diffusion zu schaffen.According to one embodiment of the invention, the aluminum oxide layer has a thickness of less than 500 nm, preferably less than 200 nm. An aluminum oxide layer of this thickness is sufficient to provide an efficient barrier to carbon diffusion.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist der Artikel ein Abgaskrümmer. Vorteile und vorteilhafte Merkmale eines solchen Abgaskrümmers sind vorstehend aufgeführt.According to one embodiment of the invention, the article is an exhaust manifold. Advantages and advantageous features of such exhaust manifold are listed above.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die vorstehend beschriebene Aufgabe mittels eines Verfahrens zur Herstellung eines Artikels mit einem Gusseisengrundmaterial und einer inneren Oberfläche, die eine innere Passage begrenzt, gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:

  • – Bilden eines Kerns zum Definieren der inneren Passage,
  • – Aufbringen einer Keramikschicht auf den Kern,
  • – Aufbringen einer korrosionsbeständigen Schicht, die MCrAIX umfasst, auf den Kern, wobei M eines von Fe und Ni ist und wobei X ein aktives Element ist,
  • – Einsetzen des Kerns in eine Gussform,
  • – Gießen von Eisen in die Gussform, um den Artikel zu bilden, und Entfernen des Kerns.
According to a second aspect of the invention, the above-described object is achieved by a method for producing an article with a cast iron base material and an inner surface that delimits an inner passage, comprising the following steps:
  • Forming a core for defining the inner passage,
  • Applying a ceramic layer to the core,
  • Applying a corrosion resistant layer comprising MCrAIX to the core, wherein M is one of Fe and Ni, and wherein X is an active element,
  • Inserting the core into a mold,
  • - Pour iron into the mold to form the article and remove the core.

Die korrosionsbeständige Schicht hat eine viel höhere Schmelztemperatur als das Gusseisengrundmaterial, typischerweise circa 1500°C im Vergleich zu einer Gießtemperatur von 1350°C und MCrAIX bildet somit eine spezielle und nicht diffundierende Schicht auf der inneren Oberfläche des Grundmaterials. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können Gusseisenartikel mit einer komplizierten Geometrie mit einer wärmeisolierenden und korrosionsbeständigen Beschichtung auf einer inneren Oberfläche des Artikels gebildet werden. Zusätzlich dazu, dass sie vor Korrosion schützt, bildet die korrosionsbeständige Schicht eine ausgezeichnete Bindeschicht zum Binden der Keramikschicht an den Artikel. Somit ist die Aufbringung einer korrosionsbeständigen Schicht entscheidend für die Qualität der Keramikschicht und stellt eine Voraussetzung zum Erlangen der von der Keramikschicht geschaffenen Wärmeisolationseigenschaften dar. Ohne die korrosionsbeständige MCrAIX-Schicht ist die Haftung der Keramikschicht an dem Gusseisengrundmaterial schlecht.The corrosion resistant layer has a much higher melting temperature than the cast iron base material, typically around 1500 ° C, compared to a casting temperature of 1350 ° C, and MCrAIX thus forms a special and non-diffusing layer on the inner surface of the base material. By means of the method according to the invention, cast iron articles having a complicated geometry with a heat-insulating and corrosion-resistant coating can be formed on an inner surface of the article. In addition to protecting against corrosion, the corrosion resistant layer forms an excellent bonding layer for bonding the ceramic layer to the article. Thus, the application of a corrosion resistant layer is critical to the quality of the ceramic layer and is a prerequisite for obtaining the thermal insulating properties provided by the ceramic layer. Without the MCrAIX corrosion resistant layer, adhesion is the ceramic layer on the cast iron base material bad.

Gemäß einer aus Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung umfasst das Verfahren ferner folgenden Schritt:
Oxidieren der korrosionsbeständigen Schicht vor dem Gießen von Eisen in die Gussform derart, dass eine Aluminiumoxidschicht zwischen der korrosionsbeständigen Schicht und dem Gusseisengrundmaterial gebildet wird. Auf diese Weise wird das Risiko des Bildens von Chromcarbiden in der Grenzfläche zwischen dem Gusseisengrundmaterial und der korrosionsbeständigen Schicht verringert. Dadurch wird das Grundmaterial davor geschützt, spröde zu werden, und wird die Haftung der korrosionsbeständigen Schicht verbessert.
According to one embodiment of this aspect of the invention, the method further comprises the following step:
Oxidizing the corrosion resistant layer prior to pouring iron into the mold such that an aluminum oxide layer is formed between the corrosion resistant layer and the cast iron base material. In this way, the risk of forming chromium carbides in the interface between the cast iron base material and the corrosion resistant layer is reduced. This protects the base material from becoming brittle and improves the adhesion of the corrosion-resistant layer.

Gemäß einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung wird thermisches Spritzen in dem Schritt des Aufbringens einer Keramikschicht verwendet. Thermisches Spritzen umfasst beispielsweise Plasmaspritzen, Flammspritzen, Lichtbogenspritzen usw. Thermisches Spritzen ist eine effiziente Art des Aufbringens einer Beschichtung in Form einer Keramikschicht mit einer erwünschten Dicke auf den Kern, der beispielsweise ein Sandkern oder dergleichen sein kann.According to one embodiment of this aspect of the invention, thermal spraying is used in the step of applying a ceramic layer. Thermal spraying includes, for example, plasma spraying, flame spraying, arc spraying, etc. Thermal spraying is an efficient way of applying a coating in the form of a ceramic layer having a desired thickness to the core, which may be, for example, a sand core or the like.

Gemäß einer Ausführungsform dieses Aspekts der Erfindung wird thermisches Spritzen in dem Schritt des Aufbringens einer korrosionsbeständigen Schicht verwendet. Dies ist eine effiziente Weise des Aufbringens einer Beschichtung in Form einer korrosionsbeständigen Schicht mit einer erwünschten Dicke auf der Oberseite der Keramikschicht.According to one embodiment of this aspect of the invention, thermal spraying is used in the step of applying a corrosion resistant layer. This is an efficient way of applying a coating in the form of a corrosion resistant layer having a desired thickness on top of the ceramic layer.

Weitere vorteilhafte Merkmale sowie auch Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung ersichtlich werden.Further advantageous features as well as advantages of the present invention will become apparent from the following description.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGENBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Die Erfindung wird nachstehend beispielhaft mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen genauer beschrieben. In denen zeigenThe invention will now be described in more detail by way of example with reference to the accompanying drawings. In which show

1 schematisch einen Querschnitt eines Artikels gemäß der Erfindung, 1 schematically a cross section of an article according to the invention,

2 schematisch einen Teilquerschnitt eines Artikels gemäß der Erfindung, und 2 schematically a partial cross-section of an article according to the invention, and

3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß der Erfindung. 3 a flow diagram of a method according to the invention.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS

Ein Artikel 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist schematisch im Querschnitt in 1 gezeigt. Der Artikel 1 ist mit einer inneren Passage 2 gebildet und umfasst ein Gusseisengrundmaterial 3, eine korrosionsbeständige Schicht 4, die auf das Gusseisengrundmaterial 3 auf dessen Seite aufgebracht ist, die der inneren Passage 2 zugewandt angeordnet ist, und eine auf die korrosionsbeständige Schicht 4 aufgebrachte Keramikschicht 5. In der gezeigten Ausführungsform hat die korrosionsbeständige Schicht 4 vorzugsweise die Form einer ferritischen FeCrAIX-Schicht, wobei X eines oder mehrere von Hf, Y, Ti, Zr, La, Th, Ce ist, oder eines oder mehrerer anderer in der Technik bekannter reaktiven Elemente hat. Die korrosionsbeständige FeCrAIX-Schicht 4 verhindert einerseits die Korrosion des Gusseisengrundmaterials 3 und erhöht andererseits die Haftung der Keramikschicht 5. Die korrosionsbeständige Schicht 4 hat vorzugsweise eine Dicke im Bereich von 0,05–1 mm, vorzugsweise 0,05–0,5 mm, und noch besser 0,1–0,5 mm. Da die korrosionsbeständige FeCrAIX-Schicht 4 in direktem Kontakt mit dem Gusseisengrundmaterial 3 ist, wird vorzugsweise ein FeCrAIX verwendet, das zwischen 8–15 Gewichtsprozent Cr umfasst, vorzugsweise zwischen 10–14 Gewichtsprozent Cr.An article 1 according to a first embodiment of the invention is shown schematically in cross section in FIG 1 shown. The item 1 is with an inner passage 2 formed and includes a cast iron base material 3 , a corrosion-resistant layer 4 pointing to the cast iron base material 3 on its side is applied, that of the inner passage 2 is arranged facing, and one on the corrosion-resistant layer 4 applied ceramic layer 5 , In the embodiment shown, the corrosion resistant layer has 4 preferably the form of a FeCrAIX ferritic layer, wherein X is one or more of Hf, Y, Ti, Zr, La, Th, Ce, or one or more other reactive elements known in the art. The corrosion-resistant FeCrAIX coating 4 prevents on the one hand the corrosion of the cast iron base material 3 and on the other hand, increases the adhesion of the ceramic layer 5 , The corrosion resistant layer 4 preferably has a thickness in the range of 0.05-1 mm, preferably 0.05-0.5 mm, and more preferably 0.1-0.5 mm. Because the corrosion resistant FeCrAIX layer 4 in direct contact with the cast iron base material 3 Preferably, a FeCrAIX comprising between 8-15% by weight of Cr, preferably between 10-14% by weight of Cr is preferably used.

Typischerweise kann die FeCrAIX-Schicht circa 10 Gewichtsprozent Cr umfassen. Mit diesem relativ geringen Chromgehalt wird das Risiko des Bildens von Chromcarbiden in der Grenzfläche zwischen der korrosionsbeständigen Schicht 4 und dem Gusseisengrundmaterial 3 verringert und dadurch auch das Risiko, dass die korrosionsbeständige Schicht 4 spröde wird. Die Keramikschicht 5 hat ungefähr die gleiche Dicke wie die korrosionsbeständige Schicht 4 und ist eine Wärmedämmschicht in der Form von beispielsweise einem dotierten Zirkoniumdioxid, vorzugsweise Yttrium-dotierten Zirkonium, Mullit oder Forsterit.Typically, the FeCrAIX layer may comprise about 10 weight percent Cr. With this relatively low chromium content, there is the risk of forming chromium carbides in the interface between the corrosion resistant layer 4 and the cast iron base material 3 reduces and thereby also the risk that the corrosion resistant layer 4 becomes brittle. The ceramic layer 5 has about the same thickness as the corrosion resistant layer 4 and is a thermal barrier coating in the form of, for example, a doped zirconia, preferably yttrium-doped zirconium, mullite or forsterite.

Ein Teilquerschnitt eines Artikels 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform ist schematisch in 2 gezeigt. In dieser Ausführungsform umfasst der Artikel 1 ein Gusseisengrundmaterial 3, eine korrosionsbeständige Schicht 4 in der Form einer FeCrAIX-Schicht, wobei X wie vorstehend beschrieben gewählt wird, und ist eine Keramikschicht 5 auf die korrosionsbeständige Schicht 4 aufgebracht. Der Artikel 1 in dieser zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von dem Artikel 1 gemäß der ersten Ausführungsform darin, dass zwischen der korrosionsbeständigen Schicht 4 und dem Gusseisengrundmaterial 3 eine dünne Aluminiumoxidschicht 6 gebildet ist. Die Aluminiumoxidschicht 6 dient als eine Barriereschicht gegen Kohlenstoff-Diffusion in die FeCrAIX-Schicht 4 und verhindert dadurch, dass die FeCrAIX-Schicht 4 in der Nähe des Grundmaterials 3 spröde wird. Somit kann in dieser Ausführungsform der Chromgehalt in der korrosionsbeständigen FeCrAIX-Schicht 4 auf circa 20–22 Gewichtsprozent erhöht werden, was die Korrosionsbeständigkeit des Artikels 1 verbessert. Die Aluminiumoxidschicht 6 hat eine Dicke von weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 200 nm.A partial cross-section of an article 1 according to a second embodiment is shown schematically in FIG 2 shown. In this embodiment, the article comprises 1 a cast iron base material 3 , a corrosion-resistant layer 4 in the form of a FeCrAIX layer, wherein X is selected as described above, and is a ceramic layer 5 on the corrosion resistant layer 4 applied. The item 1 in this second embodiment differs from the article 1 according to the first embodiment, that between the corrosion-resistant layer 4 and the cast iron base material 3 a thin aluminum oxide layer 6 is formed. The aluminum oxide layer 6 serves as a barrier layer against carbon diffusion into the FeCrAIX layer 4 and thereby prevents the FeCrAIX layer 4 near the base material 3 becomes brittle. Thus, in this embodiment, the chromium content in the corrosion resistant FeCrAIX layer 4 increased to about 20-22 weight percent, reflecting the corrosion resistance of the article 1 improved. The aluminum oxide layer 6 has a thickness of less than 500 nm, preferably less than 200 nm.

In einem Verfahren gemäß der Erfindung wird ein Artikel 1 mittels eines Gussprozesses gebildet. Das Verfahren ist schematisch als Ablaufdiagramm in 3 gezeigt. In einem ersten Schritt S1 wird ein Kern zum Definieren einer inneren Passage 2 in dem Artikel 1 gebildet. Der Kern kann beispielsweise ein kunstharzgebundener Sandkern oder dergleichen sein. In einem Schritt S2 wird eine Keramikschicht 5, vorzugsweise in Form einer Schicht aus Yttrium-dotiertem Zirkonium, auf den Kern aufgebracht, beispielsweise durch thermisches Spritzen unter Verwendung von einem von Plasmaspritzen, Flammspritzen, Lichtbogenspritzen usw. Nach Aufbringen der Keramikschicht 5 wird eine korrosionsbeständige Schicht 4, die beispielsweise FeCrAIX umfasst, wobei X eines oder mehrere von Hf, Y, Ti, Zr, La, Th, Ce ist, oder eines oder mehrere sonstige in der Technik bekannte reaktive Elemente, durch thermisches Spritzen in einem Schritt S3 aufgebracht. In einem optionalen Schritt S4 wird die korrosionsbeständige Schicht 4 Oxidation unterzogen, wodurch eine dünne Aluminiumoxidschicht 6 auf der Oberseite der korrosionsbeständigen FeCrAIX-Schicht 4 gebildet wird. Danach wird der Kern in einem Schritt S5 in eine Gussform eingesetzt und wird in einem Schritt S6 Eisen in die Gussform bei einer Gießtemperatur von circa 1350°C gegossen, um den Artikel 1 zu bilden. Die Gießtemperatur ist geringer als die Schmelztemperatur der korrosionsbeständigen Schicht 4, die für FeCrAIX typischerweise circa bei 1500°C liegt, sodass die korrosionsbeständige Schicht 4 dadurch eine nicht diffundierende spezielle Schicht auf dem Gusseisengrundmaterial 3 bildet. In einem Schritt S7 wird der Kern entnommen und die innere Passage 2 gebildet. Der gemäß dem Verfahren gebildete Artikel 1 umfasst ein Gusseisengrundmaterial 3 und auf seiner Innenfläche ist eine Beschichtung, die eine dünne Aluminiumoxidschicht 6, eine korrosionsbeständige Schicht 4 und eine Keramikschicht 5 umfasst, gebildet.In a method according to the invention becomes an article 1 formed by means of a casting process. The method is shown schematically as a flowchart in FIG 3 shown. In a first step S1, a core for defining an inner passage is formed 2 in the article 1 educated. The core may be, for example, a resin-bonded sand core or the like. In a step S2, a ceramic layer is formed 5 , preferably in the form of a layer of yttrium-doped zirconium, applied to the core, for example by thermal spraying using one of plasma spraying, flame spraying, arc spraying, etc., after application of the ceramic layer 5 becomes a corrosion resistant layer 4 which comprises, for example, FeCrAIX, wherein X is one or more of Hf, Y, Ti, Zr, La, Th, Ce, or one or more other reactive elements known in the art, applied by thermal spraying in a step S3. In an optional step S4, the corrosion resistant layer becomes 4 Subjected to oxidation, creating a thin aluminum oxide layer 6 on top of the corrosion-resistant FeCrAIX layer 4 is formed. Thereafter, the core is inserted into a mold in a step S5 and, in a step S6, iron is poured into the mold at a pouring temperature of about 1350 ° C to form the article 1 to build. The casting temperature is lower than the melting temperature of the corrosion resistant layer 4 , which is typically around 1500 ° C for FeCrAIX, so that the corrosion resistant layer 4 thereby a non-diffusing special layer on the cast iron base material 3 forms. In a step S7, the core is removed and the inner passage 2 educated. The article formed according to the method 1 includes a cast iron base material 3 and on its inside surface is a coating that is a thin alumina layer 6 , a corrosion-resistant layer 4 and a ceramic layer 5 includes, formed.

In einem erfindungsgemäßen Gusseisenabgaskrümmer sind die inneren Passagen, in denen die Gase strömen, mit einer Keramikschicht, die als eine Wärmebarriere zwischen den Abgasen und dem Grundmaterial dient, einer korrosionsbeständigen Schicht, die die Keramikschicht an das Grundmaterial bindet und die Korrosion des Grundmaterials verhindert, und optional einer Aluminiumoxidschicht, die die Bildung von Chromcarbiden in der korrosionsbeständigen Schicht verhindert, bedeckt.In a cast iron exhaust manifold according to the invention, the inner passages in which the gases flow are provided with a ceramic layer serving as a thermal barrier between the exhaust gases and the base material, a corrosion resistant layer which binds the ceramic layer to the base material and prevents corrosion of the base material, and optionally an alumina layer which prevents the formation of chromium carbides in the corrosion resistant layer.

Die Erfindung ist selbstverständlich keineswegs auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern einem Fachmann werden viele Möglichkeiten für Modifizierungen ersichtlich sein, ohne vom Offenbarungsbereich der Erfindung, wie in den anhängenden Ansprüchen definiert, abzuweichen.Of course, the invention is by no means limited to the embodiments described above, but many possibilities for modifications will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.

Claims (13)

Artikel (1), der ein Gusseisengrundmaterial (3) und eine innere Oberfläche umfasst, die eine innere Passage (2) begrenzt, wobei die innere Oberfläche mit einer Beschichtung beschichtet ist, die umfasst: eine korrosionsbeständige Schicht (4), die MCrAIX umfasst, wobei M eines von Fe und Ni ist und wobei X ein aktives Element ist, und eine außerhalb der korrosionsbeständigen Schicht (4) vorgesehene Keramikschicht 5, dadurch gekennzeichnet, dass die korrosionsbeständige Schicht (4) FeCrAIX umfasst und dass die korrosionsbeständige Schicht (4) zwischen 8–15 Gewichtsprozent Cr umfasst.Items ( 1 ), which is a cast iron base material ( 3 ) and an inner surface having an inner passage ( 2 ), wherein the inner surface is coated with a coating comprising: a corrosion resistant layer ( 4 ) comprising MCrAIX, where M is one of Fe and Ni, and where X is an active element and one outside the corrosion resistant layer ( 4 ) provided ceramic layer 5 , characterized in that the corrosion resistant layer ( 4 ) FeCrAIX and that the corrosion-resistant layer ( 4 ) comprises between 8-15% by weight of Cr. Artikel nach Anspruch 1, wobei die korrosionsbeständige Schicht (4) eine Dicke im Bereich von 0,05–1 mm, vorzugsweise 0,05–0,5 mm, und noch besser 0,1–0,5 mm hat.Article according to claim 1, wherein the corrosion resistant layer ( 4 ) has a thickness in the range of 0.05-1 mm, preferably 0.05-0.5 mm, and more preferably 0.1-0.5 mm. Artikel nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Keramikschicht (5) eine Dicke im Bereich von 0,05–1 mm, vorzugsweise 0,2–0,5 mm, hat.Article according to claim 1 or 2, wherein the ceramic layer ( 5 ) has a thickness in the range of 0.05-1 mm, preferably 0.2-0.5 mm. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Keramikschicht (5) eines von einem dotierten Zirkoniumdioxid, Mullit oder Forsterit umfasst.Article according to one of the preceding claims, wherein the ceramic layer ( 5 ) comprises one of a doped zirconia, mullite or forsterite. Artikel nach Anspruch 4, wobei die Keramikschicht (5) Yttrium-dotiertes Zirkonium umfasst.Article according to claim 4, wherein the ceramic layer ( 5 ) Comprises yttrium-doped zirconium. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung ferner eine Aluminiumoxidschicht (6) umfasst, die zwischen der korrosionsbeständigen Schicht (4) und dem Gusseisengrundmaterial (3) gebildet ist.Article according to one of the preceding claims, wherein the coating further comprises an aluminum oxide layer ( 6 ) between the corrosion resistant layer ( 4 ) and the cast iron base material ( 3 ) is formed. Artikel nach Anspruch 6, wobei die Aluminiumoxidschicht (6) eine Dicke von weniger als 500 nm, vorzugsweise weniger als 200 nm, hat.Article according to claim 6, wherein the aluminum oxide layer ( 6 ) has a thickness of less than 500 nm, preferably less than 200 nm. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die korrosionsbeständige Schicht (4) zwischen 10–14 Gewichtsprozent Cr umfasst.Article according to one of the preceding claims, wherein the corrosion-resistant layer ( 4 ) comprises between 10-14% by weight of Cr. Artikel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Artikel ein Abgaskrümmer ist.An article according to any one of the preceding claims, wherein the article is an exhaust manifold. Verfahren zur Herstellung eines Artikels (1), der ein Gusseisengrundmaterial (3) und eine innere Oberfläche umfasst, die eine innere Passage (2) begrenzt, das folgende Schritte umfasst: Bilden eines Kerns zum Definieren der inneren Passage (2), Aufbringen einer Keramikschicht (5) auf den Kern, Aufbringen einer korrosionsbeständigen Schicht (4), die MCrAIX umfasst, auf die Keramikschicht (5), wobei M eines von Fe und Ni ist und wobei X ein aktives Element ist, Einsetzen des Kerns in eine Gussform, Gießen von Eisen in die Gussform bei einer Gießtemperatur, die niedriger ist als die Schmelztemperatur der korrosionsbeständigen Schicht (4), um den Artikel (1) zu bilden, und Entfernen des Kerns.Method for producing an article ( 1 ), which is a cast iron base material ( 3 ) and an inner one Surface includes an inner passage ( 2 ), comprising the steps of: forming a core for defining the inner passage ( 2 ), Applying a ceramic layer ( 5 ) on the core, applying a corrosion-resistant layer ( 4 ), which comprises MCrAIX, onto the ceramic layer ( 5 where M is one of Fe and Ni and where X is an active element, inserting the core into a mold, pouring iron into the mold at a casting temperature lower than the melting temperature of the corrosion resistant layer ( 4 ) to the article ( 1 ) and removing the core. Verfahren nach Anspruch 10, dass ferner den folgenden Schritt umfasst: Oxidieren der korrosionsbeständigen Schicht (4) vor dem Gießen von Eisen in die Gussform derart, dass eine Aluminiumoxidschicht (6) zwischen der korrosionsbeständigen Schicht (4) und dem Gusseisengrundmaterial (3) gebildet wird.The method of claim 10, further comprising the step of: oxidizing the corrosion resistant layer ( 4 ) prior to pouring iron into the mold such that an alumina layer ( 6 ) between the corrosion resistant layer ( 4 ) and the cast iron base material ( 3 ) is formed. Verfahren nach einem der Ansprüche 10–11, wobei im Schritt des Aufbringens einer Keramikschicht (5) thermisches Spritzen verwendet wird.A method according to any one of claims 10-11, wherein in the step of applying a ceramic layer ( 5 ) thermal spraying is used. Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, wobei im Schritt des Aufbringens einer korrosionsbeständigen Schicht (4) thermisches Spritzen verwendet wird.A method according to any one of claims 10-12, wherein in the step of applying a corrosion resistant layer ( 4 ) thermal spraying is used.
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