DE19601793B4 - Process for coating surfaces - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetallegierungen durch thermisches Aufspritzen von Hartstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Aufspritzen eines pulverförmigen Verbundwerkstoffes mit Al, Fe und Si gebildet ist.method for coating surfaces of workpieces made of light metal alloys by thermal spraying of hard materials, characterized in that the Coating by spraying on a powdery composite material Al, Fe and Si is formed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetallegierungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The The invention relates to a method for coating surfaces of workpieces made of light metal alloys according to the generic term of claim 1.

Ein derartiges Verfahren beschreibt beispielsweise die DE 44 13 306 C1 anhand einer Bremsscheibe aus einer Leichtmetallegierung, bei der im Flammspritzverfahren als Metallegierungspulver Aluminium-, Magnesium- oder Titanlegierungen und als Verstärkungspartikel aus keramischem Material Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Magnesiumoxid und/oder Titandiborid und ggf. als Gleitstoffpartikel Bornitrid oder Graphit zugesetzt werden. Die so gebildete Verstärkungsschicht soll mindestens 1 mm Dicke aufweisen. Als Leichtmetallegierungen kommen insbesondere Magnesium- oder Aluminiumlegierungen in Frage.Such a method describes, for example DE 44 13 306 C1 on the basis of a brake disc made of a light metal alloy, in which aluminum, magnesium or titanium alloys are added as metal alloy powder in the flame spraying process and silicon carbide, aluminum oxide, boron carbide, magnesium oxide and / or titanium diboride and, if necessary, boron nitride or graphite as lubricant particles are added as the reinforcement particles. The reinforcement layer formed in this way should have a thickness of at least 1 mm. Magnesium or aluminum alloys are particularly suitable as light metal alloys.

Aus der EP 0 487 273 A1 geht ein Werkstoff zur Verwendung beim thermischen Spritzen hervor, bestehend aus einer Matrix aus Metall bzw. Metalllegierungen, insbesondere Aluminium- oder Titanlegierungen, und unter anderm bestehend aus Gleitstoffpartikel auf Keramik-Basis, beispielsweise Bornitrid.From the EP 0 487 273 A1 is a material for use in thermal spraying, consisting of a matrix of metal or metal alloys, in particular aluminum or titanium alloys, and among other things consisting of ceramic-based lubricant particles, for example boron nitride.

Die WO 91 10 755 A2 beschreibt das Plasmaspritzen von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen auf der Basis einer rasch erstarrenden Aluminiumlegierung.The WO 91 10 755 A2 describes the plasma spraying of aluminum or aluminum alloys on the basis of a rapidly solidifying aluminum alloy.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art aufzuzeigen, mit dem tribolobisch besonders günstige und fertigungstechnisch gut beherrschbare Beschichtungen geschaffen werden.task the invention is a method of the generic type to show, with the tribolobisch particularly cheap and technically easily controllable coatings can be created.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.This The object is achieved with the characterizing features of claim 1 solved. advantageous Further developments of the invention can be found in the further claims.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf das Werkstück einen pulverförmigen Verbundwerkstoff mit Al-Fe-Si thermisch aufzuspritzen, wobei der Verbundwerkstoff bei einem Werkstück aus einer Aluminiumlegierung in eine Matrix aus einer Aluminiumlegierung eingebunden sein kann. Durch das thermische Aufspritzen, bevorzugt durch Plasmaspritzen, und die schnelle Erstarrung der Schmelze werden intermetallische AlFe-Verbindungen in im Matrixwerkstoff übereutektisch gelöste AlFeSi-Verbindungen (ohne Primärkristallausscheidungen) homogen eingebunden und bilden eine homogene Beschichtung, deren Wärmedehnungsverhalten und E-Modul dem Grundwerkstoff ähnlich ist (gute Thermoschockbeständigkeit), bei einer Härte von bis zu 600 HV. Die Beschichtung weist ferner eine hohe Zähigkeit, eine gute Zerspanbarkeit (Honbarkeit) und eine tribologisch vorteilhafte Topographie auf.According to the invention, it is proposed on the workpiece a powder Thermally spray composite material with Al-Fe-Si, the composite material with a workpiece from an aluminum alloy into a matrix from an aluminum alloy can be involved. By thermal spraying, preferred by plasma spraying, and the rapid solidification of the melt intermetallic AlFe compounds in hypereutectic in the matrix material dissolved AlFeSi compounds (without primary crystal precipitations) homogeneously integrated and form a homogeneous coating whose Thermal expansion behavior and modulus of elasticity similar to the base material is (good thermal shock resistance), with a hardness up to 600 HV. The coating also has high toughness, good machinability (honability) and tribologically advantageous Topography on.

Der pulverförmig aufgebrachte und beim thermischen Spritzen teilweise schmelzende Verbundwerkstoff wird bevorzugt gebildet durch AlSiFe-Verbindungen, die in der angegebenen Zusammensetzung in übersättigter Form in einer Matrix aus einer Leichtmetallegierung, bevorzugt einer Aluminiumlegierung (Aluminium mit üblichen Zusätzen und/oder Verunreinigungen), eingeschlossen sind und beim Aufspritzen teilweise in Lösung gehen. Dabei ist das Verhältnis der AlFe-Verbindungen nach Partikelgröße und chemischer Zusammensetzung zur Bildung in der Beschichtung eingebetteter intermetallischer AlFe-Verbindungen entsprechend abgestimmt.The powdery applied and partially melting during thermal spraying Composite material is preferably formed by AlSiFe connections, those in the specified composition in supersaturated form in a matrix made of a light metal alloy, preferably an aluminum alloy (Aluminum with usual Additives and / or Impurities), are included and partially during spraying in solution go. Here is the relationship of the AlFe compounds according to particle size and chemical composition Formation of intermetallic AlFe compounds embedded in the coating matched accordingly.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, der aufgebrachten Beschichtung Festschmierstoffe, insbesondere hexagonales Bornitrid, zuzugeben, um insbesondere bei Anwendung der Erfindung an Zylinderlaufflächen für Hubkolben-Brennkraftmaschinen eine weitere Steigerung der tribologischen Eigenschaften zu erzielen.In Further development of the invention is proposed to be applied Add solid lubricants, especially hexagonal boron nitride, in particular when using the invention on cylinder running surfaces for reciprocating piston internal combustion engines to achieve a further increase in the tribological properties.

Eine besonders bevorzugte chemische Zusammensetzung der Beschichtung enthält 3 bis 20% Eisen, insbesondere 5 bis 8%, 13 bis 25% Silizium, insbesondere 14 bis 18% und 3 bis 40% hexagonales Bornitrid, insbesondere 12 bis 18%. Damit sind Zylinderlaufflächen erzielbar, die neben der erforderlichen Härte und Verschleißfestigkeit sowie sehr günstigen Gleiteigenschaften fertigungstechnisch gut bearbeitbar bzw. honbar sind.A particularly preferred chemical composition of the coating contains 3 to 20% iron, in particular 5 to 8%, 13 to 25% silicon, in particular 14 to 18% and 3 to 40% hexagonal boron nitride, especially 12 up to 18%. This makes it possible to achieve cylinder running surfaces which, in addition to the required hardness and wear resistance as well as very favorable sliding properties are technically easy to process or honable.

Bei bevorzugter Anwendung des Plasmaspritzens zum Aufbringen der Beschichtung wird ein Argon-Wasserstoff-Plasma verwendet, mit dem unter anderem unerwünschte Oxidbildungen in Grenzen gehalten werden.at preferred use of plasma spraying to apply the coating an argon-hydrogen plasma is used with which, among other things undesirable Oxide formation can be kept within limits.

Die Beschichtung kann vorzugsweise eine Schichtdicke von 30 bis 500 μm, insbesondere 50 bis 200 μm und durch Variation des Eisengehaltes eine Vickershärte von 250 bis 600 HV aufweisen. Eine derartige Beschichtung hat sich für Zylinderlaufflächen als besonders vorteilhaft und verschleißbeständig erwiesen.The Coating can preferably have a layer thickness of 30 to 500 μm, in particular 50 to 200 μm and by varying the iron content a Vickers hardness of Have 250 to 600 HV. Such a coating has proven to be suitable for cylinder running surfaces proven to be particularly advantageous and wear-resistant.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben.On embodiment the invention is described in more detail below with further details.

Bei einem Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit 17% Silizium wurde nach dem Bohren der Zylinder auf ein definiertes Rohmaß durch Plasmaspritzen in einem Argon-Wasserstoff-Plasma und unter Schutzgas (Stickstoff) eine Laufflächenbeschichtung aufgebracht.at a cylinder crankcase for a reciprocating piston internal combustion engine with a hypereutectic Aluminum-silicon alloy with 17% silicon was made after drilling the cylinder to a defined size by plasma spraying in one Argon-hydrogen plasma and under protective gas (nitrogen) a tread coating applied.

Dabei wurde ein Verbundwerkstoff in Pulverform mit einer Partikelgröße von 60 μm und folgender chemischer Zusammensetzung verwendet:
Fe 10%
Si 15%
BN (hexagonal) 15%
Rest Aluminium und übliche Beimengungen.A composite material in powder form with a particle size of 60 μm and the following chemical composition was used:
Fe 10%
Si 15%
BN (hexagonal) 15%
Rest of aluminum and usual additions.

Dieser Verbundwerkstoff ist gebildet aus Al-Fe-Si-Verbindungen, die übersättigt in der Aluminiummatrix unter teilweiser Bildung von intermetallischen AlFe-Verbindungen eingeschlossen sind.This Composite material is formed from Al-Fe-Si compounds that are supersaturated in the aluminum matrix with partial formation of intermetallic AlFe connections are included.

Beim Plasmaspritzen dieses Verbundwerkstoffes unter Schutzgas wird aufgrund der teilweisen Schmelzung und der schnellen Erstarrung auf dem Grundwerkstoff (Zylinderkurbelgehäuse) eine homogene Beschichtung ohne Ausscheidung von Si-Kristallen gebildet, wobei Si und Fe in übersättigter Lösung mit dem Matrixwerkstoff vorliegen.At the Plasma spraying of this composite under inert gas is due partial melting and rapid solidification on the base material (Crankcase) a homogeneous coating is formed without the precipitation of Si crystals, where Si and Fe in supersaturated solution with the matrix material.

Diese intermetallische AlFe-Verbindungen enthaltende Beschichtung kann je nach deren Fe-Gehalt eine Vickershärte von bis zu 600 HV aufweisen, bei einer gezielten Porösität, die sich unter anderem durch die gewählte Pulver-Partikelgröße bestimmt.This Coating containing intermetallic AlFe compounds can have a Vickers hardness of up to 600 HV depending on their Fe content, with a targeted porosity that among other things by the chosen one Powder particle size determined.

Nach dem Aufbringen der Beschichtung wurde die Zylinderlauffläche mit Diamanthonleisten zur Herstellung der geforderten geometrischen Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit gehont.To the application of the coating was the cylinder tread Diamond honing stones for the production of the required geometric Accuracy and surface quality honed.

Die so gebildeten Laufflächen weisen eine hohe Härte sowie Zähigkeit auf, bei hervorragenden tribologischen Eigenschaften. Sie sind gut zerspanbar bzw. honbar, so daß eine geringe Mikrorauhigkeit bei einer gezielten Porösität vorliegt. Ferner weisen die Laufflächen gute Dämpfungseigenschaften auf. Aufgrund des volumenmäßig geringen Fe-Gehaltes ist ein Recycling des Zylindergehäuses problemlos möglich. Zudem ist der vorgeschlagene Verbundwerkstoff kostengünstiger, gut beherrschbar in seiner Spritzbarkeit (Prozeßsicher) und ermöglicht eine hohe Pulverausbeute.The treads thus formed have a high hardness as well as toughness with excellent tribological properties. You are good machinable or honable, so that a there is low micro-roughness with a targeted porosity. Furthermore, the treads good damping properties on. Because of the low volume Fe content, recycling of the cylinder housing is easily possible. moreover the proposed composite material is less expensive, easy to control in its sprayability (reliable) and enables a high powder yield.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Als thermisches Spritzverfahren kann auch Flammspritzen, Laserspritzen, etc. eingesetzt sein. Anstelle von Zylinderlaufflächen können auch andere aus Leichtmetall hergestellte Bauteile, z. B. Tassenstößel der Ventilsteuerung, Ölpumpengehäuse, etc. beschichtet werden. Anstelle einer Aluminiumlegierung als Substrat kann auch eine Magnesiumlegierung verwendet sein.The Invention is not limited to the described embodiment. As thermal spraying can also include flame spraying, laser spraying, etc. used. Instead of cylinder running surfaces, too other components made of light metal, e.g. B. tappet Valve control, oil pump housing, etc. be coated. Instead of an aluminum alloy as a substrate a magnesium alloy can also be used.

Claims (12)

Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetallegierungen durch thermisches Aufspritzen von Hartstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Aufspritzen eines pulverförmigen Verbundwerkstoffes mit Al, Fe und Si gebildet ist.Process for coating surfaces of workpieces made of light metal alloys by thermal spraying of hard materials, characterized in that the coating is formed by spraying a powdery composite material with Al, Fe and Si. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbundwerkstoff gebildet wird aus Al-Fe-Si-Verbindungen, die in einer übersättigten Matrix aus einer Leichtmetallegierung eingeschlossen sind.A method according to claim 1, characterized in that the Composite is formed from Al-Fe-Si compounds that are in an oversaturated matrix made of a light alloy. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Al-Fe nach Partikelgröße und chemischer Zusammensetzung zur Bildung eingebetteter intermetallischer AlFe-Verbindungen abgestimmt ist.Method according to claims 1 and 2, characterized in that that this relationship Al-Fe according to particle size and chemical Composition for forming embedded intermetallic AlFe compounds is coordinated. Verfahren nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver unter Schutzgas und mit einer Partikelgröße zwischen 5 μm und 80 μm verdüst wird.Method according to claims 1-3, characterized in that this Powder is sprayed under protective gas and with a particle size between 5 μm and 80 μm. Verfahren nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgespritzte Verbundwerkstoff 3 bis 20% Fe und 13 bis 25% Si enthält.Method according to claims 1-4, characterized in that the sprayed composite contains 3 to 20% Fe and 13 to 25% Si. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verbundwerkstoff Festschmierstoffe zugegeben werden.Method according to one or more of claims 1-5, characterized characterized that the Composite solid lubricants are added. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Festschmierstoff hexagonales Bornitrid zugegeben wird.A method according to claim 6, characterized in that as Solid lubricant hexagonal boron nitride is added. Verfahren nach den Ansprüchen 1–7, dadurch gekennzeichnet, daß dem aufgespritzten Verbundwerkstoff 3 bis 40% BN zugegeben wird.Method according to claims 1-7, characterized in that the sprayed composite 3 to 40% BN is added. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Plasmaspritzen hergestellt wird.Method according to one or more of the preceding Expectations, characterized in that the Coating is produced by plasma spraying. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Argon-Wasserstoff-Plasma verwendet wird.A method according to claim 9, characterized in the existence Argon-hydrogen plasma is used. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtdicke von 30 bis 500 μm aufgebracht wird.Method according to one or more of the preceding Expectations, characterized in that a Layer thickness from 30 to 500 μm is applied. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Schicht durch Variation des Fe-Gehaltes auf 250 bis 600 HV eingestellt wird.Method according to one or more of the preceding Expectations, characterized in that the Hardness of Layer by varying the Fe content is set to 250 to 600 HV.
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