DE19506656A1

DE19506656A1 - Verfahren zur Keramisierung von Leichtmetalloberflächen

Info

Publication number: DE19506656A1
Application number: DE1995106656
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr Heck; Norbert Dipl Ing Hauenstein
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1995-02-25
Filing date: 1995-02-25
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2015-02-26
Also published as: DE19506656B4

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Keramisierung von Leichtmetalloberflächen unter Nutzung der Funkenentladung in Elektrolyten, insbesondere zur Erzeugung von Beschichtungen auf Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen.

Plasma-chemische Schichten auf beispielsweise Aluminium, Magnesium und deren Legierungen entstehen durch lokal erzeugte Lichtbogenentladungen unter Vorhandensein eines Elektrolyten. Diese Lichtbogenentladungen laufen zwischen der Elektrolysezerfallskomponente Sauerstoff als Kathode, einer elektrolytischen Zelle und der Leichtmetalloberfläche als Anode ab. In diesem hochenergetischen Mikroraum der elektrischen Entladung (Lichtbogen mit der Kürze von Funken) entstehen die Schichten als Folge der Reaktion des vorhandenen Sauerstoffs mit der partiell angeschmolzenen oberflächennahen Schicht des Leichtmetalls bzw. einer Legierung desselben. Gebildet werden Oxidkeramikschichten aus den Oxiden der Leichtmetallbestandteile.

In der DD-Patentschrift 142 360 wird die anodische Oxidation unter Funkenentladung für Aluminiumoberflächen mit Gleich- und/oder Wechsel- und/oder mit monopolaren Impulsspannungen, Gleich- und Wechselspannung in wäßrigen Elektrolyten anhand verschiedener Ausführungsbeispiele eingehend beschrieben.

Gemäß der EP 280 868 A1 wird die Funkenentladung in wäßrigen Elektrolyten auf den Metallen Aluminium, Titan, Tantal, Zirkonium, Niob oder deren Legierungen mit definierten Impulsen durchgeführt.

Die Anwendungsmöglichkeiten der vorbeschriebenen Beschichtungstechnolo gie sind sehr weitreichend und im genannten Stand der Technik teilweise auch erwähnt (z. B. Bauindustrie, dekorative Überzüge auf Schmuckartikeln und dergleichen). Eine weitere Anwendungsmöglichkeit erschließt sich bezüglich der Erzeugung von Beschichtungen auf Zylinderlaufbahnen von Brennkraftma schinen, z. B. für Kraftfahrzeuge.

Soweit bekannt waren bisher durchgeführte Versuche, besagte keramische Schichten ohne weitere Behandlung als Zylinderlaufbahnen zu verwenden, erfolglos. Dies liegt im wesentlichen in den hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen begründet, denen eine solche Beschichtung im Brennraum ausgesetzt ist.

Von daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Kerami sierung von Leichtmetalloberflächen aufzuzeigen, welches im Ergebnis eine Beschichtung hervorbringt, die sich insbesondere, aber nicht nur, als Beschichtung auf Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen eignet.

Dies gelingt erfindungsgemäß unter Anwendung eines Verfahrensablaufes nach den Merkmalen des Patentanspruches 1. Bevorzugte Verfahrensparameter sind als Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß umfaßt ein erster Verfahrensschritt also eine entsprechende Vorbehandlung (z. B. Honen) der Leichtmetalloberfläche, um bereits vorab eine hohe Oberflächengüte zu erreichen. Beim sich an einen Reinigungsvorgang anschließenden plasma-chemischen Beschichten können bezüglich Elektrolytzusammensetzung weitestgehend die Erkenntnisse aus der eingangs erwähnten DD-Patentschrift 142 360 umgesetzt werden. An das plasma chemische Beschichten schließt sich eine mechanische Oberflächenglättung, vorzugsweise mittels Messingdraht-Rotationsbürste, mit im nachstehenden Ausführungsbeispiel weiter genannten Randbedingungen an.

Im Ergebnis liegt (ggf. nach einem abschließenden Säubern der Oberfläche, z. B. mittels Preßluft) eine Keramik-Beschichtung vor, deren Schichtstruktur im aufgezeigten Ausführungsbeispiel im wesentlichen gekennzeichnet ist durch eine Dicke von 8-10 µm sowie Oberflächenrauhigkeiten Rpk < 1 µm, Rk < 2 µ m und Rvk < 2 µm. Darüberhinaus weist die Oberflächenschicht ein für die bevorzugte Anwendung hervorragend geeignetes Gleitvermögen sowie eine gute Schmierstoffaufnahme auf.

Im nachstehend angeführten Ausführungsbeispiel (vgl. Diagramm) sind den einzelnen Verfahrensstufen I-IV (Verfahrensstufe III ist in die Unterstufen a-e unterteilt) die jeweiligen Verfahrensparameter und die sich ergebenden Schichtstrukturen zugeordnet. Bezüglich des Verfahrensschrittes - Oberflä chenglätten - ließe sich ein ähnlich gutes Ergebnis hinsichtlich der Schichtstruktur erreichen, wenn die Rotationsbürste anstatt aus Messingdraht aus textilem Werkstoff bestünde. Alternativ wäre auch ein Polieren mit textilen Scheiben mit und ohne Zusatz von Poliermittel und mit einer Oberflächengeschwindigkeit < 2,5 m/sec. denkbar.

Die dem Ausführungsbeispiel zugrunde liegende Werkstückoberfläche (Werkstoff: Al Si 7 Cu 3) ist eine Zylinderlaufbahn mit einem Zylinderbohrungsdurchmesser von 80,95 mm, mit einer Rauhigkeit Rz = 6-15 µm, einer maximalen Zylinderformabweichung < 25 µm, wobei die Bohrung ausgespindelt und mit einer Fase von 30° versehen ist.

Es bedeuten:
Rpk: Profilhöhe des erhabenen Anteiles des Rauheitsprofiles
Rk: Profilhöhe des Kernanteiles des Rauheitsprofiles
Rvk: Profilhöhe des tiefliegenden Anteiles des Rauheitsprofiles
D35: Größe des verwendeten Diamantkernes in µm (Siebanalyse).

Ausführungsbeispiel (Verfahrensschritte I-IV)

Claims

1. Verfahren zur Keramisierung von Leichtmetalloberflächen unter Nutzung der Funkenentladung in Elektrolyten, insbesondere zur Erzeugung von Beschichtungen auf Zylinderlaufbahnen von Brennkraftmaschinen, ge kennzeichnet durch die Verfahrensschritte

- Vorbehandeln, vorzugsweise Honen, der Leichtmetalloberfläche
- Reinigen der Leichtmetalloberfläche
- plasma-chemisches Beschichten und
- Nachbehandeln, vorzugsweise Bürsten, der erzeugten Keramik schicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Verfahrenspa rameter

- Vorbehandeln: Diamant-Honleisten, 1-stufig mit D 35, Hon- ∡ = 20 bis 45°
- Waschen und trocknen mittels Kaltwaschmittel, entfettend, ohne Rückfettung
- Plasma-chemisches Beschichten: Kathoden/Anoden-Verhältnis < 1 : 1, Elektrolyt-ph 4 bis 12, phosphat-, fluorid-, carbonat-, sulfit-, citrat- und aluminathaltig; Gleichspannung < 100 V gepulst (thyristor- getaktet), Strom (nach Einpegelung) 2 A/dm², Stromzeit 10 Min.
- Nachbehandeln: Messing-Rotationsbürste, Drahtdurchmesser = 0,2 mm, Drehzahl = 3500 Upm, Axialvorschub = 300 mm/min.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem plasma-chemischen Beschichten mittels Stromzelleneinrichtung die Arbeitsfolge - Stromzelle fluten - (Elektrolytdruck 1 bar, Elektrolytmenge 20 l/min, Elektrolyttemperatur 25°C ± 3°C, Strömungsrichtung - aufwärts) vorgeschaltet und die Arbeitsfolgen - Stromzelle leeren -, - Stromzelle spülen-und-Stromzelle trocknen - nachgeschaltet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Ober flächenglätten einer Zylinderlaufbahn die Rotationsbürste einen gegen über dem Zylinderbohrungsdurchmesser geringeren Durchmesser auf weist und der Rotationsbewegung eine Kreisbewegung des Bürstenzen trums mit n = 30 Upm überlagert ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nach behandlung der Keramikbeschichtung mittels aus textilem Werkstoff be stehender Rotationsbürste erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nach behandlung der Keramikschicht durch Polieren mit textilen Scheiben mit/ohne Zusatz von Poliermitteln und mit einer Oberflächengeschwin digkeit < 2,5 m/sec erfolgt.