DE19711756A1

DE19711756A1 - Verfahren zum Beschichten von Oberflächen

Info

Publication number: DE19711756A1
Application number: DE1997111756
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Muennighoff; Horst Dipl Ing Lindner; Hans Dipl Ing Rueger; Gerard Barbezat
Original assignee: Sulzer Metco AG; Audi AG
Current assignee: Oerlikon Metco AG; Audi AG
Priority date: 1997-03-21
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1998-09-24

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetall-Legierungen, insbesondere der Zylinderlaufflä chen von Hubkolbenmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein derartiges Verfahren beschreibt beispielsweise die EP 176 803 A1, bei der die Zylinderlaufflächen eines aus einer Aluminium-Silizium-Leichtmetall-Legie rung gegossenen Zylinderkurbelgehäuses einer Hubkolben-Brennkraftma schine mit Silizium bestrichen und mittels einem Laserstrahl aufgeschmolzen werden, so daß sich eine mit Silizium übersättigte Randschicht mit verbesserten Verschleißeigenschaften bildet. Problematisch an diesem Verfahren ist jedoch die Schaffung einer homogenen Oberflächenstruktur sowie die fertigungstech nische Beherrschbarkeit.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art aufzuzei gen, mit dem tribologisch günstigere und fertigungstechnisch besser be herrschbare Beschichtungen geschaffen werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf das Werkstück eine pulverförmige Legierung mit einer Leichtmetall-Matrix, insbesondere einer Aluminium-Matrix, mit 20-60% Silizium, insbesondere 25-40% Gesamtsiliziumgehalt, thermisch aufzuspritzen. Als besonders geeignet hat sich dabei das Plasmaspritzverfah ren in stickstoffhaltiger Umgebung herausgestellt.

Es kann entweder eine 9-25% Si-Anteil aufweisende, pulverförmige Leichtme tallmatrix und der Rest Si-Kristalle oder eine den Gesamtsiliziumgehalt aufwei sende Leichtmetallmatrix verwendet werden.

Besonders vorteilhaft ist die Beschichtung, wenn die Korngröße der Silizium kristalle etwa 4-30 µm beträgt und wenn die Siliziumkristalle, die in dem Ma trixwerkstoff bzw. in dem Aluminium ausgeschieden sind, als Primärsiliziumkri stalle vorliegen. Dadurch wird eine sehr feinkörnige, homogene Beschichtung geschaffen, deren hervorragende Kohäsion zum Grundwerkstoff eine hohe Le bensdauer gewährleistet.

Gemäß den Ansprüchen 9 und 10 liegt eine bevorzugte Anwendung des erfin dungsgemäßen Verfahrens an Zylindergehäusen von Hubkolbenmaschinen, insbesondere Brennkraftmaschinen, in der Herstellung von verschleißfesten und tribologisch besonders günstigen Zylinderlaufflächen, wobei die Zylinder gehäuse bevorzugt eine Aluminium-Silizium-Legierung mit bis zu 17% Silizi umgehalt aufweisen; die Legierung kann ferner übliche Zusätze wie Kupfer, Magnesium etc. sowie die üblichen Verunreinigungen aufweisen.

Die Beschichtung kann bei der vorgenannten Anwendung in einer Stärke von 30-500 µ, insbesondere 50-200 µ aufgebracht werden. Es hat sich dabei ge zeigt, daß die genannte Beschichtung bei Einsatz eines geeigneten Honverfah rens relativ leicht zu bearbeiten ist und eine hohe Oberflächenqualität mit ge ringen Rauhigkeitswerten und tribologisch günstigen, schmierstoffhaltigen Po ren aufweisen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelhei ten näher beschrieben.

Ausführungsbeispiel

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 Plasmasprit zen in einem Argon-Plasma und unter Schutzgas (Stickstoff) eine Laufflächen beschichtung aufgebracht.

Dabei wurde eine Legierung in Pulverform mit einer Partikelgröße von 4 bis 80 µm und folgender chemischer Zusammensetzung verwendet:

Si 30%
Rest Al und übliche Beimengungen.

Diese Legierung - die durch Verdüsen von Aluminium und Silizium hergestellt ist - weist primär ausgeschiedene Siliziumkristalle mit einer Korngröße von etwa 4-30 µm auf, die globular ausgeschieden sind und in das Matrixmaterial Alu minium eingebettet sind.

Beim Plasmaspritzen dieser Legierung unter Schutzgas und in Stickstoffumge bung (Spülung der Oberfläche mit N₂) wird aufgrund der teilweisen Verschmel zung und der schnellen Erstarrung auf dem Grundwerkstoff (Zylinderkurbelgehäuse) eine homogene Beschichtung mit einer feinen, gleich mäßigen Verteilung der Siliziumkristalle in einer Stärke von 200 µm und mit ei ner definierten Porosität geschaffen.

Nach dem Aufbringen der Beschichtung wurden die Zylinderlaufflächen zur Herstellung der geforderten geometrischen Genauigkeit und Oberflächenbe schaffenheit gehont, wobei die Honoperation in zwei Stufen erfolgte. Anschlie ßend wurde eine weitere Honoperation mit einem Werkzeug durchgeführt, das mit duktilen SiC-haltigen Leisten bestückt war. Bei dem letztgenannten Arbeits gang wurde der Matrixwerkstoff der Beschichtung gegenüber den Si-Kristallen zurückgesetzt.

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 Porosität vor liegt. Ferner weisen diese Laufflächen gute Dämpfungseigenschaften auf. Auf grund der gleichen Werkstoffpaarung (Grundmaterial zur Beschichtung) wird eine temperaturunempfindliche, dauerhafte Anhaftung der Beschichtung erzielt; ferner ist eine problemlose Entsorgung bzw. Recycling des Zylinderkurbelge häuses ermöglicht. Der vorgeschlagene Verbundwerkstoff ist kostengünstig, gut beherrschbar in seiner Spritzbarkeit (prozeßsicher) und ermöglicht eine hohe Pulverausbeute.

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, Öl pumpengehäuse, etc. beschichtet werden. Anstelle einer Aluminiumlegierung als Substrat kann auch eine Magnesiumlegierung verwendet sein. Schließlich kann auch einer Leichtmetallmatrix mit einem geringerem Si-Gehalt (z. B. 12% Si) ein Si-Pulver in einer Menge von 25% (zur Gesamtlegierung) in einer Korn größe von 20 bis 45 µm zugesetzt werden.

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen von Werkstücken aus Leicht metall-Legierungen, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Hubkolben maschinen, durch Aufbringen einer mit Silizium übersättigten Leichtmetall- Legierung, gekennzeichnet durch die Verwendung einer pulverförmigen Le gierung mit einer Silizium aufweisenden Leichtmetall-Matrix und einem Ge samt-Siliziumgehalt von 20-60%, insbesondere 25-40% Silizium, die auf die Oberfläche thermisch aufgespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall matrix 9 bis 25%, insbesondere 12% Si aufweist und daß 15 bis 40% Si- Kristalle, insbesondere 25% Si-Kristalle der Legierung beigemischt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leichtmetall matrix den gesamten Si-Anteil enthält.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein Siliziumanteil der Legierung als Primärsiliziumkristalle mit einer Korngröße von 1-50 µm, insbesondere 4-30 µm, vorliegt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärsilizi umkristalle globular ausgeschieden sind.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß als Leichtmetall-Matrix Magnesium oder Aluminium verwendet wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Be schichtung im Plasmaspritzverfahren aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Plasmasprit zen in Stickstoffumgebung bzw. bei einer Stickstoffspülung der Oberfläche durchgeführt wird.

9. Anwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche an einem Zylindergehäuse einer Hubkolbenmaschine, insbeson dere Brennkraftmaschine, aus einer Leichtmetall-Legierung, insbesondere einer überwiegend Aluminium-Silizium-haltigen Legierung mit bis zu 17% Si liziumgehalt, Rest Aluminium mit üblichen Legierungszusätzen und Verun reinigungen.

10. Anwendung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich tung nach einer mechanischen Vorbearbeitung der Zylinderbohrung in einer Stärke von 30-500 µm, insbesondere 50-200 µm, aufgebracht wird.