DE19637737A1

DE19637737A1 - Verfahren zur Abscheidung einer Eisenoxid-haltigen Beschichtung auf ein Leichtmetallsubstrat

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Publication number: DE19637737A1
Application number: DE19637737A
Authority: DE
Inventors: Matthew J Zaluzec; Jun Robert C Mccone; Oludele O Pupoola; James R Baughman; John E Brevick
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1995-10-06
Filing date: 1996-09-16
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2016-09-17
Also published as: DE19637737C2; US5592927A; GB2305939A; GB9620716D0; CA2186172A1; CA2186172C; GB2305939B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer Fe_xO-haltigen Schicht auf einem Leichtmetallsubstrat, durch thermisches Lichtbogenspritzen von Draht Verwendung findet, das die zerstäubten Tröpfchen mittels eines Zerstäubergases antreibt.

Die Erfindung befaßt sich somit allgemein mit der Technolo gie der Herstellung von verschleißfesten Beschichtungen auf Aluminium oder anderen Leichtmetallsubstraten, und spe zieller mit der Herstellung von Beschichtungen auf Eisen basis, die eine selbstschmierende Phase in Form von Fe_xO umfassen.

Zur Gewichtsreduzierung und Verbesserung der Kraft stoffeffizienz werden in der gesamten Automobilindustrie zunehmend leichtgewichtige Aluminiummotorblöcke verwendet Obwohl Aluminiummotorblöcke das Gewicht reduzieren, ist es für eine hohe Lebensdauer erforderlich, Oberflächen der Zy linderbohrungen vorzusehen, die verschleißfester sind, zu schaffen. Leichtgewichtige Aluminiummotorblöcke umfassen zwecks Schaffung einer verschleiß- und abriebfesten Zylin derbohrungsoberfläche entweder eingepreßte oder eingegos sene Gußeisenlaufbuchsen. Der Einsatz von Gußeisenlaufbuch sen für Aluminiummotorblöcke ist bereits seit einiger Zeit bekannt (vgl. US-Patent 1,347,476). Die Funktionalität der artiger Laufbuchsen basiert auf der Kompatibilität zwischen einer Stahlkolbenringpackung, die geschmiert in Kontakt läuft, mit der Gußeisenzylinderbohrungswand. Die tribologi schen Eigenschaften von Grauguß bedingen, daß dieser ein hervorragendes Material für Anwendung in Zylinderbohrungen ist, da er die notwendige Verschleiß- und Abriebsfestigkeit aufweist, die zur Sicherstellung einer langen Lebensdauer und Betriebssicherheit erforderlich ist.

Metallurgisch gesehen, kann die Verschleißfestigkeit und die Abriebfestigkeit von Grauguß auf die Anwesenheit von Graphit zurückgeführt werden, einer selbstschmierenden Phase, die gleichmäßig in einer verschleißfesten Matrix aus alpha-Eisen(Fe)- und Eisencarbid(Fe₃C-Zementit)-Phasen ver teilt ist.

Obwohl die Aluminiummotorblöcke z.Zt. Gußeisenlaufbuchsen haben, besteht aufgrund der Kosten und der Komplexität, die mit der Technologie des Einpressens oder Eingießens von Laufbuchsen verbunden sind, ein Bedürfnis an anderen Ober flächentechnologien für Zylinderbohrungen.

Eine alternative Oberflächentechnologie umfaßt die Nickel plattierung von Zylinderbohrungswänden, um die Eisensub strate korrosionswiderstandsfähig zu machen, wobei nur eine begrenzte Reduzierung der Reibung aufgrund der Weichheit und der inadäquaten Ausbildung von Nickeloxid (vgl. US-Pa tent 991,404) geboten wurde. Chrom- und Chromoxidbeschich tungen sind selektiv in den 80er Jahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Motoroberflächen verwendet worden, derartige Schichten sind allerdings schwer aufzutragen, instabil, sehr kostenaufwendig und können aufgrund ihrer Unfähigkeit, einen Ölfilm zu halten, keine signifikante Reibungsreduktion bewirken, sind sehr hart und sind oft in kompatibel mit Stahlkolbenringmaterialien. Aluminium- Bronze-Beschichtungen sind auf Aluminiummotorbohrungen in der Hoffnung aufgebracht worden, daß hierdurch eine Kompati bilität mit Stahlkolbenringen erzielt wurde.

Zu dieser Zeit wurden auf Aluminiumzylinderbohrungswänden Eisen- oder Molybdänpuder in sehr dünnen Filmen verwendet, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Derartige Systeme steuern nicht die Oxidform, um einen ausreichend niedrigen Reibungskoeffizienten zu erhalten, der eine signifikante Zunahme der Motoreffizienz und Kraftstoffwirtschaftlichkeit ermöglichen. Wie beispielsweise im US-Patent 3,900,200 ge zeigt, werden thermisch (plasma-)gespritzte Fe₃O₄-Partikel auf Gußeisensubstraten abgelagert, um eine Steigerung des Verschleißwiderstands zu erhalten (Abnutzungs- und Abrieb festigkeit). Leider eliminiert eine derartige Schicht die günstige Wirkung der selbstschmierenden Phase. In ähnlicher Weise wird im US-Patent 3,935,797 eine Eisenpuderschicht mit 0,3% Kohlenstoff, die durch ein Inertgasspray geför dert wurde, auf ein Aluminiumsubstrat plasmage-spritzt, was zu einer Eisen- und Eisenoxidschicht führt, die aufgrund des Überschusses an O₂, der durch den Spritzvorgang des Treibmittels angesaugt wurde, von Natur aus Fe₃O₄ umfaßt. Zur Verringerung der Abnutzung war über der Eisen- und Oxidschicht eine Manganphosphatschicht erforderlich.

Es ist ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum thermi schen Spritzen von Leicht-Metallsubstraten mit niedrig le giertem Stahldraht mit geringem C-Gehalt als Ausgangsmate rial derart zu schaffen, daß der Draht schmilzt, zerstäubt und gespritzt wird, so daß Sauerstoff mit dem Spray zur ki netischen Produktion von Eisenoxid mitgerissen wird. Die entstehende Schicht soll aus einem Verbund aus alpha-Eisen und Fe_xO bestehen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche beschreiben be vorzugte Ausführungsformen.

Die Ziele werden also durch folgende Schritte erreicht:

a) Vorbereiten mindestens einer Leichtmetallsubstratober fläche, daß eine freigelegte im wesentlichen nicht oxi dierte Substratoberfläche vorliegt;
b) thermisches Spritzen geschmolzener Tropfen eines Stahl draht als Ausgangsmaterial auf die vorbereitete Oberfläche mit Hilfe von Treibgasen zur Ablagerung einer Komposit- Schicht wobei die Gaszusammensetzung zur Regelung des Sau erstoff-Ausgesetzt-Sein-Grads der Tropfen gesteuert wird, so daß das sich während des Spritzens bildende Eisenoxid überwiegend Fe_xO ist, wobei x zwischen 0,5 und 1,5 liegt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform gestaltet sich wie folgt:

(i) eine Binderschicht wird vor der Ablagerung der Kompo sit-Schicht thermisch auf dem vorbereiteten Substrat abge lagert; und
(ii) die Komposit-Schicht wird auf eine einheitliche Dicke von 0,1016 bis 0,1524 mm (0,004 bis 0,006 Inches) fertig bearbeitet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand ausgewählter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert, wobei die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt sein soll.

Dabei zeigt:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine thermische Lichtbogenspritzvorrichtung (repräsentativ für Eindraht- oder Zweidrahtlichtbogenspritzen) die gesteuerte primär und sekundär zerstäubte Gase ver wendet, die Partikel auf Eisenbasis antreiben und oxidieren, um erfindungsgemäß eine Fe/Fe_xO-Kompo sit-Schicht auf einer Aluminiumzylinderbohrungswand zu bilden;

Fig. 2 und 3 Ansichten (bzw. 100facher und 400fache Ver größerung) der Mikrostruktur der gemäß Fig. 1 auf getragenen Schicht, wobei die Komposit-Schicht 5 Vol.-% Fe_xO-Phase enthält;

Fig. 4 und 5 Ansichten (bzw. 100fache und 400fache Vergrö ßerung) der Mikrostruktur einer Komposit-Schicht, die gemäß Fig. 1 aufgetragen wurde, die 30 Vol.-% Fe_xO-Phase enthält;

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Zylinderbohrungsver schleißes als Funktion des Gußeisen- oder Stahlge halts der erfindungsgemäß aufgetragenen Beschich tung;

Fig. 7 eine graphische Darstellung der dynamischen Kontakt reibung als Funktion des Gußeisen- oder Stahlge halts der Beschichtung der Zylinderbohrung; und

Fig. 8 eine graphische Darstellung des Abriebwiderstan des als Funktion des Gußeisen- oder Stahlgehalts der Beschichtung der Zylinderbohrung.

Thermisch gespritzte Schichten ermöglichen durch Aufbrin gungen einer dünnen verschleißfesten Schicht, die direkt auf die Zylinderbohrungswand des Aluminiumblocks aufgetra gen wird, die Kosten und das Gewicht des Alumini ummotorblocks zu reduzieren. Jüngste Entwicklungen in Spritzapplikatoren für thermisch gespritzte Schichten haben es ermöglicht, thermisch gespritzte Schichten auf der Zy linderbohrungsoberfläche eines Aluminiummotorblocks zu er zeugen, wobei Techniken wie Zweidraht-Lichtbogenspritzen, Plasmastrahlspritzen mit Lichtbogen, Brenngasflammspritzen und thermische Sauerstoff-Brenngas-Spritzbeschichtungspro zesse verwendet werden.

Erfindungsgemäß werden solche Techniken zum Auftragen einer einzigartigen Komposit-Schicht verwendet, die aus Fe/Fe_xO und ggf. Legierungsbestandteilen besteht, die selbstschmie rende Eigenschaften und hohen Verschleiß- und Abriebwider stand in Hochtemperaturumgebungen - wie in einer Verbren nungskammer oder einer Kolben/Zylinderanordnung eines Ver brennungsmotors - besitzt. Wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein niedrig legierter Stahldraht mit geringem Kohlenstoffgehalt als Ausgangsmaterial 10 in das Plasma oder die Flamme 11 der thermischen Pistole 17 derart gebracht, daß die Spitze 22 des Ausgangsmaterials 10 schmilzt und durch Hochge schwindigkeitsgasdüsen 13A und 13B in Tropfen 12 zerstäubt wird. Die Gasdüsen richten einen Spritznebel 14 auf eine Leichtmetallzylinderbohrungswand 15 im Motorblock und tra gen dabei eine Schicht 16 auf. Die Schicht besteht aus ei ner im allgemeinen homogenen Mischung aus alpha-Eisen und Wuestit (Fe_xO), wobei die Fe_xO-Phase durch Oxidation des geschmolzenen Ausgangsmaterials während des Abscheidungs prozesses gebildet wird. Fe_xO (x ist 0,5 bis 1,5) ist eine harte verschleißfeste Oxidphase, die von Natur aus selbst schmierende Eigenschaften hat, so daß die Komposit-Schicht sich sehr ähnlich wie Gußeisen verhält, das Graphit als Selbstschmierungsmittel enthält. Die Pistole 17 kann eine innere Düse 18, die die Wärmequelle, wie eine Flamme oder Plasmawolke 11, fokussiert, besitzen. Die Plasmawolke 11 wird beim Passieren zwischen Anode 20 und Kathode 21 durch das Abziehen von Elektronen aus dem Primärgas 13A gene riert, was dazu führt, daß hocherhitzte Ionen oder eine Plasma-Wolke 11 ausgestoßen werden. Die Wärmequelle schmilzt die Drahtspitze 22, die daraus stammenden Tropfen 12 werden durch das Primärgas 13A mit hoher Geschwindigkeit transportiert. Ein unter Druck stehendes Sekundärgas 13B kann zur weiteren Steuerung der Spritznebelform 14 verwen det werden. Ein solches Sekundärgas wird durch die Kanäle 24, die zwischen der Kathode 20 und dem Gehäuse 23 gebildet sind, eingeführt. Das Sekundärgas 13B ist zur Achse 25 der Plasmawolke radial nach innen gerichtet. Das Schmelzen des Drahtes 22 wird durch das Anschließen des Drahts als Anode und Aufbau eines Lichtbogens zur Kathode 21 bewirkt. Die entstehende Schicht 16 ist aus Schichten 28 oder Partikel aufgebaut, die jeweils einen Eisenlegierungskern 26 und eine dünne Hülle 27 aus Fe_xO aufweisen.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Ergebnisses müssen zwei Bedingungen erfüllt sein; erstens muß das Ausgangsma terial 10 niedrig legierten Stahl mit niedrigem Kohlen stoffgehalt umfassen und zweitens muß der Gasfluß (hier primär und sekundär) so gesteuert werden, daß die Oxidati onsreaktion zwischen Sauerstoff und den Tropfen 12 ermög licht und ein gesteuertes Volumen Fe_xO erzeugt wird. In Hinblick auf die zweite Bedingung, die Oxidation, kann die Gaskomponente für die Oxidation zwischen 100% Luft (oder Sauerstoff) und 100% Inertgas (z. B. Argon oder Stickstoff) schwanken, wobei auch jedes dazwischenliegende Mischungs verhältnis in Betracht kommt. Die Gasflußrate sollte im Be reich zwischen 0, 014158 und 0,056634 m³/s (zwischen 30 und 120 Standardkubikfuß pro Minute (SCFM) liegen, um die Ein hüllung aller Tropfen zu gewährleisten und das Ausgesetzt- Sein der Stahltropfen gegenüber dem Gas zu steuern. Wenn das Treibgas (Gas 13A und 13B) 100% Stickstoff oder Argon aufweist und die gesteuerte Flußrate auf einen Wert zwi schen 0,018878 und 0,0377558 m³/s (zwischen 40 und 80 SMCF) eingestellt ist, wird Luft in begrenztem Maße durch Umge bungsturbulenzen (Atmosphäre, in der die Pistole benutzt wird) in den Spritznebel gezogen oder mitgerissen. Die Luft oxidiert die Außenoberfläche der Tropfen 12, wodurch 5 Vol.-% Fe_xO in der Schicht erhalten werden. Wenn die Treib gase aus 100% Luft (oder Sauerstoff) bestehen und die Flußraten wieder auf einen Wert zwischen 0,018878 und 0,0377558 m³/s (zwischen 40 und 80 SCFM) eingestellt sind, werden die flüssigen Tropfen auf ihrer Oberfläche oxidiert, wodurch in der Schicht ein Fe_xO-Gehalt von etwa 30 Vol.-% erhalten wird. Wenn eine Mischung aus Luft und Inertgasen verwendet wird, schwankt der Fe_xO-Gehalt in der Schicht zwischen 5 und 30 Vol.-%. Wegen der begrenzten, den Flüs sigkeitstropfen zur Reaktion mit dem umgebenden Sauerstoff zur Verfügung stehenden Zeit treten im wesentlichen keine anderen Eisenoxidformen in der Schicht auf, als Fe_xO (Wuestit). Unter dieser Bedingung (beschränkter Sauerstoff) ist Fe_xO durch die Reaktion bevorzugt; Fe₂O₃ sowie Fe₃O₄ bilden sich entweder nicht oder in vernachlässigbaren Men gen.

Die Stahlausgangsmaterialien, die zur Fertigung derartiger Schichten verwendet werden, umfassen vorzugsweise die fol genden Legierungsbestandteile: 0,04 bis 0,20 Gew.-% Kohlen stoff, 0,025 bis 0,040 Gew.-% Silicium, 0,040 bis 2,0 Gew.-% Mangan, 0,02 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,02 bis 2,0 Gew.-% Molyb dän, 0,02 bis 4,0 Gew.-% Nickel, 0,02 bis 0,50 Gew.-% Kupfer und als Rest Eisen in im wesentlichen unoxidierter Form. Stahlausgangsmaterialien mit niedrigem Kohlenstoffge-halt umfassen optimalerweise durchschnittlich 0,10 Gew.-% Koh lenstoff, 0,45 Gew.-% Mangan, 0,03 Gew.-% Silicium unter 0,50 Gew.-% Kupfer, mit Eisen als Rest. Stahllegierungsaus gangsmaterialien mit niedrigem Kohlenstoffgehalt können durchschnittlich 0,04 Gew.-% Kohlenstoff, 0,04 Gew.-% Sili cium, 2,0 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-% Chrom, 1,5 Gew.-% Molyb dän, 4,0 Gew.-% Nickel und 0,50 Gew.-% Kupfer umfassen, wobei Eisen den Rest bildet.

Die Anwendung von thermischem Spritzen zur Beschichtung von Zylinderbohrungen eines Leichtmetallmotorblocks (wie Alumi nium, Magnesium oder Titan) umfaßt die Verwendung einer Oberflächenaufrauh-Vorbereitungstechnik, wie Sandstrahlen, Hochdruckwasserstrahlbehandlung, Elektrodenentladungsbear beitung, konventionelle Rauhheitsbehandlung an einzelnen Punkten oder Mehrpunkthohnen, um die erwünschten Endresul tate zu erzeugen. Derartige Vorbereitungstechniken legen frisches, nicht oxidiertes Metall für die Aufnahme der thermisch gespritzten Schicht mit verbesserten Adhäsi onscharakteristiken frei. Um die Adhäsionscharakteristiken der aufzubringenden Komposit-Fe/Fe_xO-Schicht weiter zu ver bessern, kann eine Binderschicht thermisch aufgespritzt oder auf andere Art und Weise auf der vorbereiteten Sub stratoberfläche abgelagert werden, wobei die Binderschicht aus Weichmetall besteht, das Leichtmetall des Substrats um faßt. Hierbei wird unter Weichmetall Nickel oder Bronze und unter Leichtmetall vorzugsweise Aluminium verstanden, je doch können die Leichtmetalle auch Magnesium oder Titan umfassen. Wenn beispielsweise ein Aluminiumsubstrat vor liegt, kann die Binderschicht aus einer Legierung mit 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium oder 90 Gew.-% Bronze und 10 Gew.-% Aluminium bestehen. Derartige Binderschichten kön nen zur Bildung einer dünnen Schicht in einer Dicke von 0,0254 bis 0,2032 mm (0,001 bis 0,008 Inches) aufgetragen werden.

Die erfindungsgemäß thermisch aufgespritzte Schicht wird vorzugsweise in einer Schichtdicke im Bereich von 0,4064 bis 1,27 mm (0,016 bis 0,5 Inches) aufgebracht. Die Verar beitung nach dem Beschichten umfaßt die Bearbeitung und das Hohnen der abgeschiedenen Schicht bis zu einer Dicke im Be reich von 0,1016 bis 0,1524 mm (0,004 bis 0,006 Inches) und ersetzt effektiv den Bedarf an eingepreßten oder eingegos senen Gußeisenlaufbuchsen. Innerhalb dieses Dickenberei ches von 0,4064 bis 1,27 mm (entspricht 0,016 bis 0,05 In ches) und des Fe_xO-Gehalts (5 bis 30 Gew.-%) können die Schichten als Zylinderbohrungsbeschichtungen dienen (vgl. die Mikrostruktur in Fig. 2 bis 5). Man vergleiche die Menge an Fe_xO (30) mit der Menge an alpha-Eisen (31), wobei das Substrat Aluminium (32) ist. Mehr als 30 Gew.-% Fe_xO- Gehalt in der Schicht machen das maschinelle Bearbeiten/ Herstellen der Schicht schwierig; wenn der Fe_xO-Gehalt un ter 5 Vol.-% ist, weist die Schicht keine entsprechenden Verschleiß- und Abriebwiderstand auf.

Das Beschichtungsverhalten wurde unter Verwendung eines Zy linderbohrungs/Kolbenringverschleißlabortests unter Bedin gungen bewertet, die schwierige Betriebsbedingungen der Zylinderbohrung/Kolbenring simulierten. Wie in Fig. 6 ge zeigt, brachten die Schichten, die aus Stahl- und Stahlle gierungen als Ausgangsmaterialien mit geringem Kohlenstoff gehalt hergestellt und mit Luft oder Stickstoff als Zer stäuber-Gas gespritzt wurden, innerhalb der Schicht ver schiedene Niveaus an Fe_xO-Oxidgehalt hervor, die im Bereich zwischen 5 und 30 Vol.-% lagen. Stahl mit niedrigem Kohlen stoffgehalt und Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoff gehalt als Ausgangsmaterialien, die mit Luft als Primär- Zerstäubergas abgeschieden werden, produzierten Schichten mit 30 Vol.-% Fe_xO-Oxid. Stahl mit geringem Kohlenstoffge halt und Stahllegierungen mit geringem Kohlenstoffgehalt als Ausgangsmaterialien, die mit Stickstoff als Primärzer stäuber-Gas gespritzt wurden, lieferten eine Beschichtung mit 5 Vol.-% Fe_xO-Oxid. Der Zylinderbohrungsschichtver schleiß, der mit den Beschichtungsausgangsmaterialien, die zwischen 5 und 30 Vol.-% Fe_xO-Oxid enthalten, verbunden ist, ist geringer als der für Grauguß gemessene, wie Fig. 6 zeigt.

Die Beschichtungen wurden im dynamischen Kontaktreibungs labortest mit Grauguß verglichen und bewertet, wobei die Labortestergebnisse zeigten, daß die Lichtbogenspritzbe schichtung von Fe_xO mit denen von Graugußlaufbuchsen ver gleichbar ist, wie Fig. 7 zeigt.

Labortests werden auch unter Verwendung von 4,6 Liter-Vier ventil-Kompressions(top)-Kolbenringen aus der Produktion durchgeführt, die im selbstschmierenden Kontakt mit den Zy linderbohrungsbeschichtungen laufen. Derartige Testergeb nisse haben angezeigt, daß die Tribologie des Beschich tungs-/Kolbenringmaterialsystems kompatibel ist und im Hin blick auf Warmabnutzungstests keine Innenzylinderinnena briebsprobleme entstehen läßt. Draht-Lichtbogen-gespritzte Fe/Fe_xO Komposit-Schichten übertreffen Grauguß, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Test wurde durchgeführt, indem Stahlkolben ringe auf der Zylinderbohrungsschicht vorbelastet und die Last bis zum Auftreten von Abrieb (Metall-Metallkontakt) erhöht wurde. Bei der Fe/Fe_xO Komposit-Schicht übertraf die Last den bei Grauguß gemessenen Abriebwiderstand. In allen Fällen entsprachen oder übertrafen die Draht-Lichtbogenge spritzten Fe/Fe_xO Komposit-Schichten hinsichtlich des Boh rungsverschleißes, der dynamischen Kontaktreibung und der Warmabriebbeständigkeit sogar Eisengrauguß.

Letztlich wurde die Funktionalität der Schichten in Motor- Dynamometer-Tests bewertet, die konzipiert wurden, um die Beschichtungshaltbarkeit auf der ursprünglichen Bohrungs schicht des Aluminiummotorblocks abzuschätzen. Identische Tests wurden mit einem 4,6 Liter-Vierventilmotor aus der Produktion mit eingepreßten Gußeisenlaufbuchsen zum Ver gleich durchgeführt. Die Motorleistung wurde vor und nach einem beschleunigten Motor-Dynamometer-Test ausgewertet, der einen 50 Stunden Kolben- und Dichtungstest, einen 100 Stunden thermischen Schocktest, einen 20 Stunden tiefen thermischen Schocktest sowie den Kolbenwarmabriebstest um faßte. Der mittlere wirksame Motordruck als Funktion der Kolbengeschwindigkeitsdaten vom Zweidraht-Lichtbogenge spritzte 4,6 Liter-Vierventilmotor mit einer 0,1524 mm (0,006 Inches) dicken Fe/Fe_xO Komposit-Zylinderbohrungs schicht war vergleichbar oder besser als die Leistung des Basis-4,6 Liter-Vierventilmotors mit in der Produktion ein gepreßten Gußeisenlaufbuchsen. Da der mittlere Effektiv druck als Funktion der Kolbengeschwindigkeit einen effekti ven Vergleich der Motorreibung im Betrieb darstellt, wurde verifiziert, daß die Leistung des Lichtbogenspritzbe schichteten Aluminiummotorblocks vergleichbar mit der des Gußeisenlaufbuchsenaluminiummotors ist. Ähnliche Resultate wurden für die Ausgangsleistung des thermisch spritzbe schichteten Motors erhalten. Die Leistung als Funktion der Motorgeschwindigkeit des Zweidraht-Lichtbogengespritzten Motors war vergleichbar mit oder besser als die des Gußei senlaufbuchsenmotors. Die Beschichtungshaltbarkeit wurde auf Basis des Zylinderbohrungsverschleißes des Vergleichs nach dem Test festgestellt. Der gemessene Bohrungsver schleiß des durch thermischen Spritzen beschichteten Alu miniummotorblocks maß nach dem Dynamometertest durch schnittlich 2,0 µm Verschleiß an der Oberseite der Boh rungswand am Kolbenringanschlag; verglichen mit 2,9 µm an der Basis des Gußeisenbuchsenmotors. Basierend auf diesem Verhalten, der Kosteneinsparung und Gewichtsreduzierung, die mit dem erfindungsgemäßen Draht-Lichtbogengespritzten Aluminiumblockmotor verbunden sind, ist dies vorteilhaft.

Während und obwohl spezielle erfindungsgemäße Ausführungs formen dargestellt und beschrieben wurden, ist es dem Fach mann wohlbekannt und offensichtlich, daß verschiedene Ände rungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, die ebenfalls unter den Schutzumfang der Erfindung fallen.

Claims

1. Verfahren zum Abscheiden einer Fe_xO-haltigen Schicht auf einem Leichtmetallsubstrat durch thermisches Lichtbogen spritzen von Draht, wobei zerstäubte Tropfen durch Zerstäu bungsgas gefördert werden, mit den Schritten:

(a) Vorbereiten mindestens einer Oberfläche des Leichtme tallsubstrats, so daß eine freigelegte, im wesentlichen nicht oxidierte Substratoberfläche erhalten wird; und
(b) thermisches Spritzen der geschmolzenen Tropfen eines Stahldrahtausgangsmaterials auf die vorbereitete Oberfläche mit Hilfe von Treibgasen unter Abscheidung einer Komposit- Schicht, wobei die Gase in ihrem Gehalt gesteuert werden, um zu regeln, wie die Tropfen Sauerstoff ausgesetzt sind, so daß als einziges Eisenoxid Fe_xO während des Spritzens gebildet wird, wobei x zwischen 0,5 und 1,5 liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt (b) eine thermisch aufgebrachte Binder schicht auf die vorbereitete Oberfläche gespritzt wird, wo bei die Binderschicht ein Weichmetall aufweist, das das Leichtmetall des Substrats umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichmetall Nickel oder Bronze ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmetall Aluminium ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderschicht aus etwa 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium besteht.

6. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderschicht aus etwa 90 Vol.-% Bronze und 10 Vol.-% Aluminium besteht.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Binderschicht in einer Dicke von 0,0254 bis 0,2032 mm (0,001 bis 0,008 Inches) aufgetra gen wird.

8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche eine Innenoberfläche einer Zylinderbohrung eines Verbrennungs motorblocks ist.

9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Komposit-Schicht auf eine Dicke von 0,1016 bis 0,1524 mm (0,004 bis 0,006 Inches) gesetzt ist.

10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Stahl des Ausgangsmaterial drahtes einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,04 bis 0,2 Gew.-% aufweist.

11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Stahl des Ausgangsmaterial drahts niedrig legiert ist und Inhaltsstoffe, wie Magne sium, Chrom und/oder Molybdän im Bereich von 0,02 bis 2,0 Gew.-% für jeden dieser Inhaltsstoffe aufweist.

12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß sich das Ausgesetztsein von Schritt (b) auf ein Gas bezieht, das im wesentlichen Luft umfaßt.

13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß sich das Einem-Gas-Ausgesetztsein in Schritt (b) auf Stickstoff oder Argon bezieht.

14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene Schicht Fe_xO in einer Menge von 5 bis 30 Vol.-% enthält, wobei der Rest Eisen ist, das auf einer dem Stahlausgangsmaterial ähnlichen Zusammensetzung basiert.

15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate des Zerstäuber-Gases im Bereich von 0,014158-0,056628 m³/s (30 bis 120 scfm) liegt.

16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall Aluminium, Magnesium, Titan oder eine Legierung derselben ist.