DE19717825A1

DE19717825A1 - Verfahren zur Aluminiumnitrid-Beschichtung der Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses aus einer Al-Basislegierung

Info

Publication number: DE19717825A1
Application number: DE19717825A
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Phys Steinwandel; Joerg Dr Rer Nat Hoeschele; Theodor Dipl Ing Staneff; Axel Dipl Ing Heuberger
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1997-04-26
Filing date: 1997-04-26
Publication date: 1998-10-29
Anticipated expiration: 2017-04-27
Also published as: US6180189B1; DE19717825B4; GB2324539B; GB2324539A; FR2762618A1; JP2893402B2; FR2762618B1; IT1299436B1; JPH10330905A; GB9808087D0; ITRM980268A1; ITRM980268A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aluminiumnitrid-Beschichtung der Zylin derlauffläche eines Kurbelgehäuse, wobei das Kurbelgehäuse aus einer Al- Basislegierung besteht.

Im Hinblick auf die Reduktion statischer und bewegter Massen und damit ver bunden der Kraftstoffersparnis sowie der weiteren Reduktionen von Schadstof fen werden im Motorenbau zunehmend Leichtmetallegierungen auf Aluminium basis eingesetzt. Ein Beispiel zur Reduktion bewegter Massen sind Aluminium kolben, die schon seit längerer Zeit bekannt sind. Ein Beispiel zur Reduktion statischer Massen ist der Einsatz von Leichtmetall-Kurbelgehäusen aus Al-Ba sis-Legierungen, z. B. druckgußgefertigte eutektische Al-Si-Materialien (z. B. Al8Si-Cu).

Derzeit kann auf das Eingießen von Laufbuchsen nicht verzichtet werden, je doch ist diese Vorgehensweise nicht in allen Punkten voll befriedigend. Zum einen resultiert daraus ein höheres Gewicht, zum anderen stellt die Verbindung der Laufbuchse zur Al-Legierung einen sensiblen Übergang bezüglich der Wärmeübertragung in die Kühlflüssigkeitskanäle dar. Bei gravierenden Män geln ist auch eine Ablösung der Laufbuchse möglich, was die Zerstörung des Motors nach sich zieht.

Aufgrund der genannten Problembereiche, die sich bei einer Verwendung ein gegossener Laufbuchsen in Al-Kurbelgehäusen ergeben können, ist abzulei ten, daß die Verwendung buchsenloser Kurbelgehäuse grundsätzlich erstre benswert wäre, was jedoch nicht ohne zusätzliche Maßnahmen an der Zylin derlauffläche realisiert werden kann.

Zum einen bietet der Al-Basiswerkstoff z. B. im Vergleich mit Eisen-Basislegie rungen einen geringeren Abstützwiderstand für den Kolben mit der Folge eines verstärkten Einlaufverschleißes mit entsprechend negativen Auswirkungen hin sichtlich Kompression, Öl- und Kraftstoffverbrauch sowie genereller Langzeit stabilität der Maschine, z. B. im Bereich der Pleuellager. Zum anderen stellt die Materialpaarung Al-Kurbelgehäuse/Al-Kolben hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften ein nicht optimales System dar.

Zur Umsetzung einer buchsenlosen Lösung bei Al-Kurbelgehäusen wird es da her notwendig sein, die Laufbahnoberfläche zu modifizieren, d. h. eine Schicht anderer chemischer Zusammensetzung als dem Al-Basismaterial aufzubauen, die sowohl den Festigkeitsanforderungen genügt, als auch hinsichtlich ihrer tri bologischen Eigenschaften günstige Werte aufweist. Darüber hinaus ist zusätz lich zu fordern, daß die Schicht günstige Werte hinsichtlich der Wärmeleitfähig keit aufweist.

Im Hinblick auf die genannten notwendigen Eigenschaften wäre die Verwen dung eines nichtoxidischen keramischen Werkstoffes vorteilhaft, vorzugsweise Aluminiumnitrid (AlN). AlN ist ein Hartstoff mit für keramische Werkstoffe vergleichsweise hoher ther mischer Leitfähigkeit. Darüber hinaus sind gute tribologische Eigenschaften bezüglich der Paarung AlN-Schicht/Al-Kolben zu erwarten. Der Aufbau einer oxidkeramischen Schicht, z. B. Aluminiumoxid - Al₂O₃ - ist demgegenüber auf grund entsprechender Materialeigenschaften weniger günstig. Darüber hinaus ist bekannt, daß z. B. durch Eloxieren enthaltene Al₂O₃-Schichten einer höhe ren mechanischen Wechselbelastung nicht im erforderlichen Maß standhalten und zum Abplatzen neigen.

Insbesondere im Hinblick auf die mechanische Belastbarkeit sind bei der Ver wendung von AlN vergleichsweise dicke Schichten im Bereich mindestens einiger 10 × 10^-6 m erforderlich. Im Hinblick auf die Beschichtungstechnologie und in Anbetracht des vorgesehenen Anwendungsfalls bedeutet dies den Ein satz eines Hochraten-Beschichtungsverfahrens, vorzugsweise eines Gaspha sen-Plasmaprozesses.

Hohe Auftragraten bei entsprechenden Plasmaprozessen sind von dem tech nisch etablierten Plasmaspritzprozeß bekannt. Hierbei handelt es sich um ein typisches Dickschichtverfahren, bei dem das in Pulverform vorliegende Be schichtungsmaterial in einem Plasmajet einer Hochstrom-Bogenentladung zumindest teilweise aufgeschmolzen werden und mit vergleichsweise hoher kinetischer Energie auf einem Bauteil aufgetragen werden. Das Aufbringen von AlN-Schichten durch dieses konventionelle Plasmaspritzen ist grundsätzlich möglich. Für den hier vorgesehenen Anwendungsfall erscheint das Verfahren jedoch weniger geeignet. Zum einen findet keine optimale Verankerung der aufgespritzten Schicht mit dem Basismaterial statt, zum anderen wird kein ho mogener Werkstoff erhalten. Beide Faktoren sind ungünstig bezüglich einer Langzeitbeständigkeit unter der im vorgesehenen Anwendungsfall vorliegen den mechanischen Wechselbelastung.

Darüber hinaus bestehen Probleme bei der Prozeßführung insofern, als spe zielle Konstruktionen der Plasmaspritzköpfe zur Bearbeitung der Zylinderboh rungen erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zu schaffen, mit dem auf einer Al-Basislegierung (z. B. AlSi8Cu, AlSi9Cu, AlSi10Cu als Nah-Eutektische Legierungen) eines Kurbelgehäuses im Bereich der Zylinderlaufflächen eine im Basismaterial fest verankerte und vom Aufbau her homogene Schicht aus Aluminiumnitrid. (AlN) aufgebracht werden kann. Mit dem Verfahren sollte es außerdem möglich sein, die Aluminiumnitridschicht auch auf vorgegebene Laufbahnstrukturen, z. B. mittels eines Honprozesses aufzubringen. Eine weiter gehende Nachbehandlung sollte nicht erforderlich sein. Das Verfahren sollte nicht nur bei der Motorfertigung, sondern auch bei der Instandsetzung ge brauchter Vorrichtungen eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vor teilhafte Ausführungen sowie das AlN-beschichtete Kurbelgehäuse selbst sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

Erfindungsgemäß erfolgt die AlN-Beschichtung mittels Oberflächennitrierung der Al-Basislegierung. Der dazu benötigte aktivierte Stickstoff wird mittels ei nes Hochdruck-Plasmaprozesses aus molekularem Stickstoff erzeugt.

Die Erfindung wird anhand von Figur näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Anordnung zur Beschichtung der Zylinderlauffläche eines Kurbel gehäuses mittels einer Mikrowellen-Plasmaentladung;

Fig. 2 eine Anordnung zur Beschichtung der Zylinderlauffläche eines Kurbel gehäuses mittels einer Corona- oder Barrierentladung.

Sämtliche im folgenden beispielhaft beschriebenen Verfahren zur Hochdruck plasmaerzeugung sind dem Fachmann bekannt und werden hier nur insoweit beschrieben, als sie für das Verständnis der Erfindung notwendig sind. Auf grund der allgemeinen plasmaphysikalischen Konvention ist der Begriff "Hoch druckplasma" derart zu verstehen, daß der Plasmazustand bei Arbeitsdrucken oberhalb ca. 1 mbar realisiert wird und der Druckbereich nach oben hin offen ist. Aufgrund fertigungstechnischer Randbedingungen sind Arbeitsdrücke im at mosphärischen Bereich anzustreben, was jedoch nicht als Beschränkung des erfindungsgemäßen Verfahrens aufzufassen ist.

Zur Beschichtung der Zylinderlaufflächen ZL des Kurbelgehäuses KG wird mit der in Fig. 1 gezeigten Anordnung in der Zylinderbohrung Z des Kurbelgehäu ses KG ein Hochdruckplasma mittels Einkopplung von Mikrowellenenergie er zeugt. Die Mikrowellenstrahlung wird mit einem hier nicht dargestellten Magne tron erzeugt und mittels Hohlleiter oder Koaxialleitung an das Kurbelgehäuse KG geführt. Vorteilhaft erfolgt die MW-Einkopplung über eine Koppelantenne AT bei den technisch etablierten Frequenzen 0,915 GHz und 2,46 GHz. Die Wahl dieser Frequenzen orientiert sich dabei ausschließlich an der breiten Verfügbarkeit entsprechender MW-Komponenten. Die Anwendung anderer Frequenzen im Mikrowellenband ist grundsätzlich genauso möglich. Im Hin blick auf eine größere Variationsbreite der Plasmaparameter ist zusätzlich eine Überlagerung eines stationären oder gepulsten elektrischen Feldes mit radialer Vorzugsrichtung der elektrischen Feldvektoren vorhanden. Die Zufuhr der Pro zeßgase erfolgt über eine Öffnung in einem Abdeckflansch AF, der an der Stirn seite der Zylinderbohrung Z angeordnet ist.

Gemäß der Anordnung nach Fig. 2 wird ein Hochdruckplasma mittels eine Corona- bzw. Barrierenentladung in der Zylinderbohrung Z des Kurbelgehäu ses erzeugt. In die Zylinderbohrung Z ist eine Zentralelektrode EZ eingeführt, an der in der gezeigten Ausführung zusätzliche Sprühscheiben S angeordnet sind. Die Sprühscheiben sind vorzugsweise mit scharf auslaufenden Kanten ausgebildet, wodurch hohe elektrische Feldgradienten entstehen und somit eine hohe Feldemissionswahrscheinlichkeit für Elektronen besteht. Zwischen der Zentralelektrode EZ und dem Kurbelgehäuse KG als Gegenelektrode ist eine elektrische Hochspannung angelegt. Die Entladungen können sowohl stationär, als auch gepulst betrieben werden, wobei die gepulsten Entladungen eine größere Variationsbreite der Plasmaparameter zulassen.

Wenngleich die in Fig. 1 und Fig. 2 beschriebenen Plasmaentladungen durch unterschiedliche physikalische Prozesse erzeugt werden, so ist doch die son stige erforderliche Prozeßtechnik identisch und im folgenden beschrieben.

Im Hinblick auf eine gute Verankerung der AlN-Schicht im Basismaterial kann in einem ersten Verfahrensschritt zunächst die natürliche oxidische Deck schicht der Al-Basislegierung, die im wesentlichen aus Al₂O₃ sowie SiO₂ be steht, entfernt werden. Im vorliegenden Fall wird dazu ein reduktiver Gas-Fest körperprozeß unter Verwendung von Wasserstoff eingesetzt. In diesem Zusammenhang ist zu beachten, daß mittels molekularem Wasser stoff eine Reduktion der relevanten Oxide infolge chemisch-thermodynamischer Restriktionen nicht möglich ist. Vielmehr ist dazu atomarer Wasserstoff notwen dig, welcher aus dem molekularen Wasserstoff durch ausreichend energierei che Plasmaentladungen erzeugt werden kann. Die relevanten Reaktionen sind wie folgt zu formulieren:

3H₂ = 6H (Plasmareaktion) (1)

Al₂O₃ + 6H = 2Al + 3H₂O (2)

Der molekulare Wasserstoff kann dabei als reines Gas oder in Form von was serstoffhaltigen Arbeitsgasen eingesetzt werden, z. B. als Formiergas (Stickstoff mit variablen Wasserstoffgehalten, üblicherweise ca. 70 bis 95% N₂, Rest H₂).

Durch die Entfernung der natürlichen Oxidschicht wird die Reaktivität des Ba sismaterials bezüglich Nitrierung erhöht, bzw. eine Nitrierung wird dadurch erst ermöglicht. Eine Nitrierung des Basismaterials bedeutet in diesem Zusammen hang eine Bildung von stöchiometrischen Gemischen aus AlN und Si₃N₄ in der Oberfläche des Basiswerkstoffes.

Diese Oberflächennitrierung wird dadurch erreicht, daß - ggf. nach erfolgter Entfernung der natürlichen Oxidschicht - auf Reinstickstoff als Prozeßgas über gegangen wird. Unter der Voraussetzung ausreichend hoher Plasmaenergien wird aktivierter Stickstoff erhalten, worunter man ein Gemisch aus Stickstoffato men sowie insbesondere elektronisch angeregten Stickstoffmolekülen versteht.

2N₂ = 2N (3)

N₂ = (N₂)* (4)

Der aktivierte Stickstoff weist eine wesentlich höhere Diffusionswahrscheinlich keit in das Basismaterial auf, als dies für den nicht aktivierten molekularen Stickstoff der Fall ist. Dies hat eine erhöhte Reaktivität bezüglich der Nitridbil dung in der Oberfläche des Basiswerkstoffes zur Folge. Die Schichtdicke für die Oberflächen AlN-Schicht beträgt: 5-20 . 10^-6 m

In Anwendungsfällen, in denen die Dicke der Oberflächen-Nitridschicht nicht ausreichend groß ist, kann in einem weiteren Verfahrensschritt eine reine AlN-Schicht auf die Oberflächen-Nitridschicht aufgebracht werden. Die Schicht dicke für die reine AlN-Schicht beträgt: ca. 5-10 . 10^-6 m

Die Aktivierung der reaktiven Komponenten erfolgt in einem reaktiven Hoch druckplasmaprozeß. Dazu wird dem Reinstickstoff des Nitrierprozesses ein aluminiumhaltiges Prozeßgas in Konzentrationen bis maximal stöchiometrisch bezüglich AlN-Bildung zugegeben.

Ein Beispiel ist die Verwendung von Al-Trimethyl. Ebenfalls möglich ist die Ver wendung von Aluminiumchlorid, welches in der Gasphase durch Sublimation des Feststoffes erhalten werden kann. In beiden Fällen kann die Reaktions wahrscheinlichkeit durch Zusatz von Wasserstoff erhöht werden. Die entspre chenden Reaktionen sind wie folgt zu formulieren:

Al(CH₃)₃ + 1/2 N₂ + 3/2 H₂ = AlN(gas) + CH₄ (5)

xAlN(gas) = (AlN)_x (Schicht) (6)

und

AlCl₃(gas) + 1/2 N₂ + 3/2 H₂ = (AlN)gas + 3HCl (7)

xAlN(gas) = (AlN)_x (Schicht) (8)

Claims

1. Verfahren zur Aluminiumnitrid-Beschichtung der Zylinderlauffläche (ZL) eines Kurbelgehäuses (KG) aus einer Al-Basislegierung, dadurch ge kennzeichnet, daß die Aluminiumnitrid-Beschichtung mittels Oberflä chennitrierung der Al-Basislegierung erfolgt, und der dazu benötigte akti vierte Stickstoff mittels eines Hochdruck-Plasmaprozesses aus molekula rem Stickstoff erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberflächen-AlN-Schicht eine zusätzliche AlN-Schicht mittels eines reak tiven Hochdruck-Plasmaprozesses unter Einsatz von Stickstoff und gas förmigen Verbindungen des Al sowie ggf. Wasserstoff abgeschieden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gasför mige Al-Verbindung Aluminiumchlorid oder Aluminiumtrimethyl ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Oberflächennitrierung die natürliche Oxidschicht der Al-Basislegierung durch einen reduktiven Gas-Festkörperprozeß unter Beteiligung von ato maren Wasserstoff entfernt wird, wobei der atomare Wasserstoff mittels eines Hochdruck-Plasmaprozesses aus molekularem Wasserstoff oder gasförmigen Verbindungen des Wasserstoffs erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Hochdruckplasma durch statische oder ge pulste Corona- oder Barrierentladung erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß das Hochdruckplasma durch Einkopplung von Mikrowellen mittels einer Antenne (AT) erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Mikrowellenfeld ein statisches oder alternieren des elektrisches Feld in radialer Richtung senkrecht zur Antennenachse überlagert wird.

8. Kurbelgehäuses aus einer Al-Basislegierung, dadurch gekennzeich net, daß seine Zylinderlauffläche eine Aluminiumnitrid-Beschichtung auf weist.