DE19637737C2 - Verfahren zur Abscheidung einer Eisenoxid-haltigen Beschichtung auf ein Leichtmetallsubstrat - Google Patents

Verfahren zur Abscheidung einer Eisenoxid-haltigen Beschichtung auf ein Leichtmetallsubstrat

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abscheiden einer FexO-haltigen Schicht auf einem Leichtmetallsubstrat durch thermisches Lichtbogenspritzen von Draht, wobei zerstäubte Tropfen durch Zerstäubergas gefördert werden.
Die Erfindung befaßt sich somit allgemein mit der Technologie der Herstellung von verschleißfesten Beschichtungen auf Aluminium- oder anderen Leichtmetallsubstra­ ten, und insbesondere mit der Herstellung von Beschichtungen auf Eisenbasis, die eine selbstschmierende Phase in Form von FexO umfassen.
Zur Gewichtsreduktion und Verbesserung der Kraftstoffeffizienz werden in der ge­ samten Automobilindustrie zunehmend leichtgewichtige Aluminiummotorblöcke ver­ wendet. Obwohl Aluminiummotorblöcke das Gewicht reduzieren, ist es für eine hohe Lebensdauer notwendig, verschleißfeste Zylinderbohrungsoberflächen vorzusehen. Leichtgewichtige Aluminiummotorblöcke haben als verschleiß- und abriebfeste Zylin­ derbohrungsoberflächen eingepreßte oder eingegossene Gußeisenlaufbuchsen. Der Einsatz von Gußeisenlaufbuchsen für Aluminiummotorblöcke ist bereits seit einiger Zeit bekannt (vgl. US-PS 1,347,476). Die Funktionalität derartiger Laufbuchsen ba­ siert auf der Kompatibilität einer Stahlkolbenringpackung, die geschmiert in Kontakt mit der Gußeisenzylinderbohrungswand läuft. Die tribologischen Eigenschaften von Grauguß sorgen dafür, daß dieser ein hervorragendes Material für die Anwendung in Zylinderbohrungen ist, da er die notwendige Verschleiß- und Abriebfestigkeit besitzt, die zur Sicherstellung einer langen Lebensdauer und Zuverlässigkeit erforderlich ist.
Metallurgisch beruht die Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit von Grauguß auf der Anwesenheit von Graphit, einer selbstschmierenden Phase, die gleichmäßig in einer verschleißfesten Matrix aus alpha-Eisen(Fe)- und Eisencarbid(Fe3C-Zementit)- Phasen verteilt ist.
Obwohl die Aluminiummotorblöcke z. Zt. Gußeisenlaufbuchsen haben, besteht auf­ grund der Kosten und der Komplexität, die mit der Technologie des Einpressens oder Eingießens von Laufbuchsen verbunden ist, ein Bedürfnis an anderen Oberflächen­ technologien für Zylinderbohrungen.
Eine alternative Oberflächentechnologie umfaßt die Nickelplattierung von Zylinder­ bohrungswänden, um die Eisensubstrate korrosionsfest zu machen, wobei nur eine begrenzte Reduktion der Reibung aufgrund der Weichheit und der inadäquaten Aus­ bildung von Nickeloxid (vgl. US-PS 991,404) erzielt wurde. Chrom- und Chromoxidbe­ schichtungen sind selektiv in den 80er Jahren zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit von Motoroberflächen eingesetzt worden, derartige Schichten sind allerdings schwer aufzutragen, instabil, sehr kostenaufwendig und können, da sie keinen Ölfilm halten können, keine signifikante Reibungsreduktion bewirken, sie sind sehr hart und sind oft inkompatibel mit Stahlkolbenringmaterialien. Aluminium-Bronze-Beschichtungen sind auf Aluminiummotorbohrungen in der Hoffnung aufgebracht worden, daß hier­ durch eine Kompatibilität mit Stahlkolbenringen erzielt würde.
Zu dieser Zeit wurden Eisen- oder Molybdänpulver in sehr dünnen Filmen auf Alumi­ niumzylinderbohrungswänden eingesetzt, um die Verschleißfestigkeit zu erhöhen. Derartige Systeme steuern die Oxidform, um einen ausreichend niedrigen Reibungs­ koeffizienten zu erhalten, der eine signifikante Zunahme der Motoreffizienz und Kraft­ stoffwirtschaftlichkeit ermöglicht, nicht. Wie beispielsweise im US-PS 3,900,200 ge­ zeigt, werden thermisch (plasma-)gespritzte Fe3O4-Partikel auf Gußeisensubstrate abgeschieden, um einen verbesserten Verschleißwiderstand zu erhalten (Abnutzungs- und Abriebfestigkeit). Leider eliminiert eine derartige Schicht die gün­ stige Wirkung der selbstschmierenden Phase. In ähnlicher Weise wird in der US-PS 3,935,797 eine Eisenpulverschicht mit 0,3% Kohlenstoff, die durch ein Inertgasspray gefördert wurde, auf ein Aluminiumsubstrat plasmagespritzt, was zu einer Eisen- und Eisenoxidschicht führt, die aufgrund des Überschusses an O2, der durch den Spritz­ vorgang durch das Treibmittel angesaugt wird, von Natur aus Fe3O4 umfaßt. Zur Verringerung der Abnutzung war über der Eisen- und Oxidschicht eine Manganphos­ phatschicht erforderlich.
Es ist demgegenüber ein Ziel der Erfindung, ein Verfahren zum thermischen Spritzen von Leicht-Metallsubstraten mit niedrig legiertem Stahldraht mit geringem C-Gehalt als Ausgangsmaterial zu schaffen, bei dem der Draht schmilzt, zerstäubt und ge­ spritzt wird, so daß Sauerstoff mit dem Spray zur kinetischen Produktion von Eisen­ oxid mitgerissen wird. Die entstehende Schicht soll aus einem Verbund von alpha- Eisen und FexO bestehen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 ge­ löst. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Weiterbildungen derselben.
Diese erfindungsgemäßen Ziele werden durch folgende Schritte erreicht:
  • a) Vorbereiten mindestens einer Leichtmetallsubstratoberfläche, so daß eine freige­ legte im wesentlichen unoxidierte Substratoberfläche vorliegt;
  • b) thermisches Spritzen geschmolzener Tröpfchen eines Stahldrahts als Ausgangs­ material auf die vorbereitete Oberfläche mit Treibgasen zur Abscheidung einer Kom­ posit-Schicht, wobei die Gaszusammensetzung zur Regelung des Sauerstoffgehalts der Tropfen gesteuert wird, so daß das sich beim Spritzen bildende Eisenoxid über­ wiegend FexO ist, wobei x zwischen 0,5 und 1,5 liegt.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens umfaßt:
  • a) thermisches Aufbringen einer Binderschicht vor dem Abscheiden der Komposit- Schicht auf dem vorbereiteten Substrat; und
  • b) Glätten der Komposit-Schicht bis auf eine gleichmäßige Dicke von 0,1016 bis 0,1524 mm.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand ausgewählter Ausführungsbeispiele sowie der begleitenden Zeichnung näher erläutert, auf die sie keineswegs beschränkt ist.
Dabei zeigt:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine thermische Lichtbogenspritzvorrichtung (repräsentativ für Eindraht- oder Zweidrahtlichtbogenspritzen), die gesteuert primäre und sekundäre Zerstäuber-Gase einsetzt, die die Partikel auf Eisenbasis fördern und oxidieren, um eine erfindungsgemäße Fe/FexO-Komposit-Schicht auf einer Alumini­ umzylinderbohrungswand zu bilden;
Fig. 2 und 3 Ansichten (in 100facher bzw. 400facher Vergrößerung) der Mikrostruktur der gemäß Fig. 1 aufgetragenen Schicht, wobei die Komposit-Schicht 5 Vol.-% FexO- Phase umfaßt;
Fig. 4 und 5 Ansichten (100fache bzw. 400fache Vergrößerung) der Mikrostruktur einer Komposit-Schicht, die gemäß Fig. 1 aufgetragen wurde und 30 Vol.-% FexO- Phase enthält;
Fig. 6 eine graphische Darstellung des Zylinderbohrungsverschleißes als Funktion des Gußeisen- oder Stahlgehalts der erfindungsgemäß aufgetragenen Beschichtung;
Fig. 7 eine graphische Darstellung der dynamischen Kontaktreibung als Funktion des Gußeisen- oder Stahlgehalts der Beschichtung der Zylinderbohrung; und
Fig. 8 eine graphische Darstellung des Abriebwiderstandes als Funktion des Gußei­ sen- oder Stahlgehalts der Beschichtung der Zylinderbohrung.
Thermisch gespritzte Schichten ermöglichen durch das Aufbringen einer dünnen ver­ schleißfesten Schicht, die direkt auf die Zylinderbohrungswand des Aluminiumblocks aufgetragen wird, die Kosten und das Gewicht des Aluminiummotorblocks zu reduzie­ ren. Jüngste Entwicklungen bei den Applikatoren für thermisch gespritzte Schichten haben es ermöglicht, solche Schichten auf der Zylinderbohrungsoberfläche eines Aluminiummotorblocks zu erzeugen, wobei Techniken wie Zweidraht-Lichtbogensprit­ zen, Plasmastrahlspritzen mit Lichtbogen, Brenngasflammspritzen und thermische Sauerstoff-Brenngas-Spritzbeschichtungsverfahren verwendet werden.
Erfindungsgemäß werden diese Techniken zum Auftragen einer einzigen Komposit- Schicht verwendet, die aus Fe/FexO und ggf. Legierungsbestandteilen besteht, die selbstschmierende Eigenschaften und hohen Verschleiß- und Abriebwiderstand in Hochtemperaturumgebungen - wie in einer Brennkammer oder einer Kolben/Zylin­ deranordnung eines Verbrennungsmotors - 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 Hochgeschwindigkeits­ gasdüsen in Tropfen 12 zerstäubt wird. Die Gasdüsen richten einen Spritznebel 14 auf eine Leichtmetallzylinderbohrungswand 15 im Motorblock und tragen dabei eine Schicht 16 auf. Die Schicht besteht aus einer allgemein homogenen Mischung aus alpha-Eisen und Wuestit (FexO), wobei die FexO-Phase durch Oxidation des ge­ schmolzenen Ausgangsmaterials während des Abscheidungsverfahrens gebildet wird. FexO (x ist 0,5 bis 1,5) ist eine harte verschleißfeste Oxidphase, die von Natur aus selbstschmierende Eigenschaften hat, so daß die Komposit-Schicht sich sehr ähnlich wie Gußeisen verhält, das Graphit als Selbstschmiermittel enthält. Die Pistole 17 kann eine Innendüse 18, die die Wärmequelle, wie eine Flamme oder Plasma­ wolke 11, fokussiert, besitzen. Die Plasmawolke 11 wird beim Durchgang zwischen Anode 20 und Kathode 21 durch Abziehen von Elektronen aus dem Primärgas gene­ riert, wodurch hocherhitzte Ionen oder eine Plasma-Wolke 11 ausgestoßen werden. Die Wärmequelle schmilzt die Drahtspitze 22, die daraus stammenden Tropfen 12 werden durch das Primärgas mit hoher Geschwindigkeit transportiert. Ein unter Druck stehendes Sekundärgas 13B kann zur weiteren Steuerung der Spritznebelform 14 verwendet werden. Ein solches Sekundärgas wird durch die Kanäle 24, die zwischen der Kathode 20 und dem Gehäuse 23 gebildet sind, eingeführt. Das Sekundärgas 13B wird zur Achse 25 der Plasmawolke radial nach innen gerichtet. Das Schmelzen des Drahtes 22 wird durch Anschließen des Drahts als Anode und Aufbau eines Lichtbogens zur Kathode 21 bewirkt. Die entstehende Schicht 16 ist aus Schichten 28 oder Partikeln aufgebaut, die jeweils einen Eisenlegierungskern 26 und eine dünne Hülle 27 aus FexO aufweisen.
Im Erhalt des erfindungsgemäßen Ergebnisses müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
  • - Erstens muß das Ausgangsmaterial 10 niedrig legierten Stahl mit niedrigem Kohlen­ stoffgehalt umfassen und
  • - zweitens muß der Gasfluß (hier primärer und sekundärer) so gesteuert werden, daß die Oxidationsreaktion zwischen Sauerstoff und den Tröpfchen 12 ermöglicht und ein gesteuertes Volumen FexO erzeugt wird.
Für die zweite Bedingung, die Oxidation, kann die Gaskomponente für die Oxidation zwischen 100% Luft (oder Sauerstoff) und 100% Inertgas (z. B. Argon oder Stick­ stoff) schwanken, wobei auch jedes dazwischenliegende Mischungsverhältnis in Be­ tracht kommt. Die Gasflußgeschwindigkeit sollte im Bereich zwischen 0,014158 und 0,056634 m3/s liegen, um die Einhüllung aller Tropfen zu gewährleisten und den Kontakt der Stahltropfen mit dem Gas zu steuern. Wenn das Treibgas (Primärgas und Sekundärgas) 100% Stickstoff oder Argon aufweist und die gesteuerte Flußgeschwindigkeit auf einen Wert zwischen 0,018878 und 0,0377558 m3/s einge­ stellt ist, wird Luft in begrenztem Maße durch Umgebungsturbulenzen (Atmosphäre, in der die Pistole eingesetzt wird) in den Spritznebel gezogen oder gerissen. Die Luft oxidiert die Außenoberfläche der Tropfen 12, wodurch 5 Vol.-% FexO in der Schicht erhalten werden. Wenn die Treibgase aus 100% Luft (oder Sauerstoff) bestehen und die Flußgeschwindigkeiten wieder auf einen Wert zwischen 0,018878 und 0,0377558 m3/s eingestellt sind, werden die flüssigen Tropfen auf ihrer Oberfläche oxidiert, wodurch in der Schicht ein FexO-Gehalt von etwa 30 Vol.-% erhalten wird. Wenn eine Mischung aus Luft und Inertgasen verwen­ det wird, schwankt der FexO-Gehalt in der Schicht zwischen 5 und 30 Vol.-%. We­ gen der begrenzten Zeit, die den Flüssigkeitstropfen zur Reaktion mit dem umgeben­ den Sauerstoff zur Verfügung steht, treten praktisch außer FexO (Wuestit) keine an­ deren Eisenoxidformen in der Schicht auf. Unter dieser Bedingung (beschränkter Sauerstoff) ist FexO durch die Reaktion bevorzugt; Fe2O3 sowie Fe3O4 bilden sich entweder nicht oder in vernachlässigbaren Mengen.
Die für die Herstellung derartiger Schichten eingesetzten Stahlausgangsmaterialien umfassen bevorzugt die nachfolgenden Legierungsbestandteile: 0,04 bis 0,20 Gew.- % Kohlenstoff, 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.-% Molybdän, 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 Kohlenstoffgehalt umfassen optimalerweise durchschnittlich 0,10 Gew.-% Kohlenstoff, 0,45 Gew.-% Mangan, 0,03 Gew.-% Sili­ cium, weniger als 0,50 Gew.-% Kupfer, mit Eisen als Rest. Stahllegierungsausgangs­ materialien mit niedrigem Kohlenstoffgehalt können durchschnittlich 0,04 Gew.-% Kohlenstoff, 0,04 Gew.-% Silicium, 2,0 Gew.-% Mangan, 1,5 Gew.-% Chrom, 1,5 Gew.-% Molybdän, 4,0 Gew.-% Nickel und 0,50 Gew.-% Kupfer umfassen, wobei Eisen den Rest bildet.
Der Einsatz des thermischen Spritzens zur Beschichtung von Zylinderbohrungen von Leichtmetallmotorblöcken (wie Aluminium, Magnesium oder Titan) umfaßt die Ver­ wendung einer Oberflächenaufrauhungs-Vorbereitung-Technik, wie Sandstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen, Elektrodenentladung, konventionelle Rauhheitsbehand­ lung an einzelnen Punkten oder Mehrpunkthohnen, um die erwünschten Endresultate zu erzeugen. Derartige Vorbereitungstechniken legen frisches, unoxidiertes Metall zur Aufnahme der thermisch gespritzten Schicht mit verbesserten Adhäsionscharak­ teristiken frei. Um die Adhäsionscharakteristiken der aufzubringenden Fe/FexO- Komposit-Schicht weiter zu verbessern, kann thermisch eine Binderschicht aufge­ spritzt oder auf andere Art und Weise auf der vorbereiteten Substratoberfläche abge­ schieden werden, wobei die Binderschicht, die aus Weichmetall besteht, das Leicht­ metall des Substrats umfassen kann. Hierbei wird unter Weichmetall Nickel oder Bronze und unter Leichtmetall bevorzugt Aluminium verstanden, jedoch können auch Magnesium oder Titan die Leichtmetalle sein. Wenn beispielsweise ein Aluminium­ substrat vorliegt, kann die Binderschicht aus einer Legierung mit 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium oder 90 Gew.-% Bronze und 10 Gew.-% Aluminium beste­ hen. Derartige Binderschichten können zur Bildung einer dünnen Schicht in einer Dicke von 0,0254 bis 0,2032 mm aufgetragen werden.
Die erfindungsgemäß thermisch aufgespritzte Schicht wird bevorzugt in einer Schichtdicke im Bereich von 0,4064 bis 1,27 mm aufgebracht. Die Verarbeitung nach dem Beschichten umfaßt die Bearbeitung und das Hohnen der abgeschiedenen Schicht bis zu einer Dicke im Bereich von 0,1016 bis 0,1524 mm und ersetzt effektiv eingepreßte oder eingegossene Gußei­ senlaufbuchsen. Innerhalb dieses Dickenbereiches von 0,4064 bis 1,27 mm und des FexO-Gehalts (5 bis 30 Gew.-%) können die Schichten als Zylinderbohrungsbeschichtungen dienen (vgl. die Mikrostruktur in Fig. 2 bis 5). Man vergleiche die Menge an FexO (30) mit der Menge an alpha-Eisen (31), wobei das Substrat Aluminium (32) ist. Mehr als 30 Gew.-% FexO-Gehalt in der Schicht er­ schweren die maschinelle Bearbeitung/Herstellung der Schicht; wenn der FexO-Ge­ halt unter 5 Vol.-% liegt, weist die Schicht keine adäquate Verschleiß- und Abriebfe­ stigkeit auf.
Das Beschichtungsverhalten wurde unter Einsatz eines Zylinderbohrungs/Kolbenring­ verschleißlabortests unter Bedingungen bewertet, die schwierige Betriebsbedingun­ gen von Zylinderbohrung/Kolbenring simulieren. Wie in Fig. 6 gezeigt, brachten die Schichten, die aus Stahl- und Stahllegierungen mit geringem Kohlenstoffgehalt als Ausgangsmaterial hergestellt und mit Luft oder Stickstoff als Zerstäubergas gespritzt wurden, innerhalb der Schicht verschiedene Niveaus FexO-Oxidgehalt hervor, die im Bereich zwischen 5 und 30 Vol.% lagen. Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt und Stahllegierungen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt als Ausgangsmaterialien, die mit Luft als Primär-Zerstäubergas abgeschieden wurden, ergaben Schichten mit 30 Vol.% FexO. Stahl und seine Legierungen mit geringem Kohlenstoffgehalt wurden als Ausgangsmaterialien mit Stickstoff als Primär Zerstäubergas gespritzt und lieferten Beschichtungen mit 5 Vol.-% FexO. Der Verschleiß der Zylinderbohrungsbeschich­ tung, mit Beschichtungsausgangsmaterialien mit zwischen 5 und 30 Vol.% FexO ist geringer als der für Grauguß gemessene, wie in Fig. 6 gezeigt.
Die Beschichtungen wurden bewertet und im dynamischen Kontaktreibungslabortest mit Grauguß verglichen. Die Labortestergebnisse zeigten, daß die lichtbogenge­ spritzte Beschichtung mit FexO Graugußlaufbuchsen vergleichbar ist, wie in Fig. 7 gezeigt.
Labortests wurden auch unter Verwendung von 4,6 Liter-Vierventil-Kompressi­ ons(top)-Kolbenringen aus der Produktion durchgeführt, die im selbstschmierenden Kontakt mit den Zylinderbohrungsbeschichtungen laufen. Die Testergebnisse haben gezeigt, daß die Tribologie des Beschichtungs-/Kolbenringmaterialsystems kompati­ bel ist und auch bei Warmabnutzungstests keine Innenzylinderinnenabriebsprobleme entstehen läßt. Draht-Lichtbogengespritzte Fe/FexO Komposit-Schichten übertreffen Grauguß, wie in Fig. 8 gezeigt. Der Test wurde durchgeführt, indem Stahlkolbenringe auf der Zylinderbohrungsschicht vorbelastet und die Last bis zum Auftreten von Ab­ rieb (Metall-Metallkontakt) erhöht wurde. Bei der Fe/FexO Komposit-Schicht übertraf die bis zum Abriebfall aufgebrachte Last die bei Grauguß gemessene. In allen Fällen entsprachen oder übertrafen die Draht-Lichtbogengespritzten Fe/FexO Komposit- Schichten Grauguß hinsichtlich des Bohrungsverschleißes, der dynamischen Kontak­ treibung und der Wärmeabriebbeständigkeit.
Schließlich wurde die Funktionalität der Schichten in Motor-Dynamometer Tests be­ wertet, um die Haltbarkeit der Beschichtung auf der ursprünglichen Beschichtung der Bohrung des Aluminiummotorblocks abzuschätzen. Identische Tests wurden mit ei­ nem 4,6 Liter-Vierventilmotor aus der Produktion mit eingepreßten Gußeisenlauf­ buchsen als Vergleich durchgeführt. Die Motorleistung wurde vor und nach einem be­ schleunigten 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 umfaßte. Der mitt­ lere wirksame Motordruck als Funktion der Kolbengeschwindigkeit eines Zweidraht- Lichtbogengespritzten 4,6 Liter-Vierventilmotors mit einer 0,1524 mm dicken Fe/FexO Komposit-Zylinderbohrungsschicht war vergleichbar oder besser als die Leistung des Basis-4,6 Liter-Vierventilmotors mit in der Produktion eingepreßten Gußeisenlaufbuchsen. Da der mittlere Effektivdruck als Funktion der Kolbenge­ schwindigkeit einen effektiven Vergleich der Motorreibungen im Betrieb darstellt, wurde sichergestellt, daß die Leistung des durch Lichtbogenspritzen beschichteten Aluminiummotorblocks vergleichbar mit der des Aluminiummotors mit Gußeisenlauf­ buchsen ist. Ähnliche Resultate wurden für die Ausgangsleistung des Motors mit ei­ ner thermisch gespritzten Beschichtung erhalten. Die Leistung als Funktion der Mo­ torgeschwindigkeit des Zweidraht-Lichtbogengespritzten Motors war vergleichbar oder besser als die des Motors mit Gußeisenlaufbuchsen. Die Haltbarkeit der Be­ schichtung wurde auf Basis des Vergleichs des Verschleißes der Zylinderbohrung nach dem Test festgestellt. Der gemessene Bohrungsverschleiß des durch thermi­ sches Spritzen beschichteten Aluminiummotorblocks nach dem Dynamometertest betrug durchschnittlich 2,0 µm an der Oberseite der Bohrungswand am Kolbenrin­ ganschlag, verglichen mit 2,9 µm an der Basis des Motors mit Gußeisenbuchsen. Aufgrund dieses Verhaltens, der Kosteneinsparung und der Gewichtsreduktion, die mit dem erfindungsgemäßen Draht-Lichtbogengespritzten Aluminiumblockmotor ver­ bunden sind, besitzt die Erfindung viele vorteilhafte Eigenschaften.
Während und obwohl spezielle erfindungsgemäße Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurden, ist es dem Fachmann offensichtlich, daß weitere Änderun­ gen und Abwandlungen möglich sind, die ebenfalls unter den Schutzumfang der An­ sprüche fallen.

Claims (16)

1. Verfahren zum Abscheiden einer FexO-haltigen Schicht auf einem Leichtmetall­ substrat durch thermisches Lichtbogenspritzen von Draht, wobei die zerstäubten Tröpfchen durch Zerstäubergas gefördert werden, mit den Schritten:
  • a) Vorbereiten mindestens einer Oberfläche des Leichtmetallsubstrats, so daß eine freigelegte, im wesentlichen unoxidierte Substratoberfläche erhalten wird; und
  • b) thermisches Spritzen der geschmolzenen Tröpfchen eines Stahldraht-Ausgangs­ materials auf die vorbereitete Oberfläche mittels Treibgasen unter Abscheidung einer Komposit-Schicht, wobei die Gase in Ihrer Zusammensetzung so gesteuert werden, daß die Tröpfchen Sauerstoff ausgesetzt werden, so daß während des Spritzens FexO als einziges Eisenoxid gebildet wird, wobei x zwischen 0,5 und 1,5 liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Schritt (b) thermisch eine Binderschicht auf die vorbereitete Oberfläche gespritzt wird, die ein Weichmetall aufweist, und das Leichtmetall des Substrats umfaßt.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Weichmetall Nickel oder Bronze ist.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratmetall Aluminium ist.
5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderschicht aus etwa 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium besteht.
6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderschicht aus etwa 90 Vol.-% Bronze und 10 Vol.% Aluminium besteht.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Binderschicht in einer Dicke von 0,0254 bis 0,2032 mm aufgetragen wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratoberfläche eine Innenoberfläche einer Zylinderbohrung eines Motor­ blocks eines Verbrennungsmotors ist.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Komposit-Schicht eine Dicke von 0,1016 bis 0,1524 mm aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl des Ausgangsmaterialdrahtes einen Kohlenstoffgehalt im Bereich von 0,04 bis 0,2 Gew.-% aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl des Ausgangsmaterialdrahts niedrig legiert ist und Magnesium, Chrom und/oder Molybdän 0,02 bis 2,0 Gew.-% aufweist.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (b) ein Gas eingesetzt wird, das im wesentlichen Luft ist.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche 1-11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gas in Schritt (b) Stickstoff oder Argon ist.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die abgeschiedene Schicht FexO in einer Menge von 5 bis 30 Vol.-% enthält, wobei der Rest Eisen ist, das auf einer dem Stahlausgangsmaterial ähnlichen Zu­ sammensetzung basiert.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flußrate des Zerstäubergases im Bereich von 0,014158 - 0,056628 m3/s liegt.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall Aluminium, Magnesium, Titan oder eine Legierung derselben ist.
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