DE2360523B2

DE2360523B2 - Verwendung einer den Haftuntergrund verbessernden Zwischenschicht

Info

Publication number: DE2360523B2
Application number: DE2360523A
Authority: DE
Inventors: Shohei Omiya Ishikawa; Toshiyuki Ageo Maceda; Hiroshi Utsunomiya Tochigi Sakamaki
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1972-12-06
Filing date: 1973-12-05
Publication date: 1978-10-12
Also published as: FR2209857A1; JPS4978639A; DE2360523A1; FR2209857B1; DE2360523C3; JPS5135454B2; US3930899A; IT997938B; GB1403639A

Description

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Es sind Verfahren bekannt, um auf die Oberfläche eines Aluminiumkörpers für verschiedene Zwecke Metall aufzuspritzen. Hierbei bildet sich jedoch bei Aluminium eine Oxidschicht auf seiner Oberfläche und es ist schwierig, eine hinreichende Adhäsion zwischen der aufgespritzten Metallschicht und dem Aluminiumträger herzustellen, weil ihr die Oxidschicht entgegenwirkt. Deshalb neigt die aufgespritzte Metallschicht dazu, abzuschälen, so daß nach diesem Verfahren hergestellte Metallschichten auf dem Aluminiumträger keine Beständigkeit haben.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist zwar bereits vorgeschlagen worden, eine erste, dünne Basisschicht dadurch aufzutragen, daß auf den Aluminiumträger ein hochadhäsives Metall, z. B. Nickelaluminid oder Molybdän aufgespritzt wird. Danach wird ein vorbestimmtes Metall auf den dünnen Basisüberzug aufgespritzt, so daß zwischen ihnen eine relativ kräftige Adhäsion erreicht wird. Das bekannte Verfahren ist jedoch insofern nachteilig, als das Aufspritzen von Metall auf Aluminium durch seine Oxidschicht hindurch erfolgt, und deshalb der vorstehende Nachteil, der auf das Vorhandensein der Oxidschicht zurückgeht, nicht hinreichend beseitigt werden kann. Dies gilt insbesondere dann, wenn die mit der aufgespritzten Schicht versehenen Aluminiumteile als Dichtbauteile, wie Kolbenringe u. dgl. bei inneren Brennkraftmaschinen eingesetzt werden, welche schweren Betriebsbedingungen ausgesetzt sind: es hat sich gezeigt, daß dann der abschälende Effekt, durch den die aufgespritzte Metallschicht vom Basiskörper getrennt wird, überhaupt nicht verhindert werden kann. Insofern schafft auch das bekannte Verfahren keine Abhilfe.

Es sind bereits Verfahren zur Vorbehandlung des Haftgrundes mit dem Zweck bekannt, vor dem Aufspritzen einer Metallschicht die unerwünschten Oxide vorher durch eine chemische Lösung wie Zinnchlorid oder durch Säuren zu beseitigen (Zeitschrift »Metalloberfläche« 13, Jahrgang 1959, Heft 1, Seite 20 [B 4]). Allerdings gehl es hier um Rostbeseitigung, also um das Neutralisieren von Eisenhydroxid.

Es ist auch bekannt, bei einem Eloxalverfahren für Aluminiumgegenstände diese zunächst zu beizen und nachfolgend Metall aufzuspritzen, wobei die Bildung von Oxidschichten nicht als nachteilig angesehen wird (Zeitschrift »Metalloberfläche« Jahrgang 2,1948, Heft 5, 6, Seite 104).

Die Aufgabe, bei den aus Aluminium bestehenden Bauteilen den Oxidfilm zu beseitigen, ist an sich bekannt.

JO Dadurch soll das nachfolgende Plattieren verbessert werden. In diesem Zusammenhang ist auch bekannt, die Aluminiumbauteile durch Zink zu plattieren, wobei Zink galvanisch niedergeschlagen wird. Hierbei handelt es sich jedoch um spezielle Plattierungs- bzw. Galvanisierverfahren, so daß das Gesamtverfahren nach diesem Verfahrensschritt seinen Abschluß findet, d. h. eine weitere Bearbeitung oder das Aufbringen besonderer Schichten ist nicht mehr vorgesehen (Zeitschrift »Plating«, Juli 1966, Seiten 899—901). Es ist auch bekannt, den Einfluß alkalischer Konzentration, der Tauchzeit etc. beim Ausfällen von Zink in detaillierter Weise zu berücksichtigen, also die zugehörige Auswahl von Grundmetallen hierzu. Hiermit befaßt sich die grundlegende aber recht allgemein gehaltene Abhandlung in der Zeitschrift »Technische Rundschau«, Nr. 27, Blatt 2,27.6.1958, Seiten 10 und 11.

Es ist auch ein Verfahren bekannt, aus Aluminium bestehende Bauteile vor der Oxydation zu schützen, damit die nachfolgende Bearbeitung der Oberfläche verbessert wird. Hierbei wird nach der Reinigung eine Zwischenschicht aus Zinn aufgebracht. Danach wird eine Metallschicht aufgespritzt. Die Oberfläche der so bearbeiteten Aluminiumbauteile wird allerdings nicht hoher Temperatur und hohem Verschleiß ausgesetzt, da es sich um Lagerschalen handelt, bei denen es ja auch genügt, für das zuletzt aufgespritzte Metall Weichmetall zu verwenden (DE-PS 4 81 363).

Bei einem Verfahren zur Herstellung von eisernen Zylinderlaufbüchsen wird auf Leichtmetall eine Eisenlegierung aufgespritzt, die dann als Oberfläche dient Hierbei wird allerdings so vorgegangen, daß vorher eine aus Kupfer bestehende Zwischenschicht aufgebracht und nach Aufspritzen der Eisenlegierung noch eine zusätzliche Wärmebehandlung, z. B. durch Hochfrequenzerwärmung, erfolgt. Das bekannte Verfahren erfordert aber eine überdurchschnittliche Sorgfalt hinsichtlich der Wärmebehandlung, die ferner einen zusätzlichen, die Kosten erhöhenden Schritt darstellt Beim bekannten Verfahren wird die zwingend notwendige vorherige Beseitigung der Oxidhaut nicht direkt angesprochen. Ferner gibt das bekannte Verfahren keinen Hinweis, ob ihre besonderen Verfahrensschritte dann verträglich sind, wenn Molybdän als aufgespritzte Schicht verwendet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei aus Aluminium bestehenden Bauteilen, die besonderen Betriebsbedingungen unterworfen sind, bestimmte den Haftuntergrund verbessernde Maßnahmen vorzuschlagen.

Diese bestehen erfindungsgemäß in der Verwendung einer den Haftuntergrund verbessernden Zwischenschicht aus substituiertem Zink in einem Verfahren zum Aufspritzen einer Metallschicht auf das Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden, starkem Verschleiß durch Gleitreibung und hoher Temperatur ausgesetzten Bauteilen einer Brennkraftmaschine, nämlich Kolbenringen oder Zylinderlaufbüchsen.

Wenn diese Zinksubstitution stattfindet wird die Oxidschicht, sofern diese auf der Aluminiumoberfläche vorhanden ist, durch eine dünne Zinkschicht ersetzt Die Zinkschicht gewährleistet eine hinreichend gute Adhäsion zum Aluminiumkörper. Wenn darüber hinaus ein vorbestimmtes Metall auf die durch Substitution gewonnene Zinkschicht aufgespritzt wird, schmilzt das Zink in der sich ergebenden Metallschicht, weil Zink in der Regel einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Metall hat, welches aufgespritzt wird. Auf diese Weise

kann die aufgespritzte Metallschicht unmittelbar mit der Oberfläche des Aluminiumwerkstoffes legierungsähnlich verbunden werden, wobei überhaupt keine Oxidschicht gebildet wird. Folglich hat die aufgespritzte Metallschicht eine hinreichend hohe Adhäs'on, wenn die erfindungsgemäße Verwendung an Kolbenringen o. dgl. stattfindet.

Eine abgewandelte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß — nachdem ein Metall hoher Adhäsion auf der dünnen, durch Substitution gewonnenen Zinkschicht dünn aufgespritzt ist — auf der ersten Metallschicht eine zweite Metallschicht aufgespritzt wird. Durch diese Abwandlung ist eine Verwendung eines Aluminiumbauteils gegeben, bei dem die aufgespritzte Metallschicht fest an der Aluminiumbasis anhaftet.

Hierdurch wird bei Kolbenringen o. dgl. aus Aluminium möglich, eine aufgespritzte Metallschicht zu verwenden, welche eine beachtlich erhöhte Adhäsion aufweist, ohne daß ein kompliziertes Herr'.ellungsverfahren angewendet zu werden braucht. Ein derart hergestelltes Aluminiumbauteil hat eine relativ längere Betriebsdauer, ohne daß das Abschälen auftritt, wenn es in inneren Brennkraftmaschinen unter schweren Betriebsbedingungen eingesetzt wird.

Die Verwendung wird anhand der Zeichnung veranschaulicht

F i g. 1 der Zeichnung zeigt, schematisch, einen Schnitt durch das Aluminium-Basismetall 1, die Zinkschicht 2 und Sprkzmetallschicht 3, während

F i g. 2 ein Schnitt durch einen Kolbenring 4 ist, der stirnseitig die Schichten 2,3 aufweist.

Bevorzugtes Ausführungsbeispiel

Ein Versuchsbauteil mit Abmessungen 20 χ 20 χ 50 mm und mit einem Rauheitsgrad von 50 S wurde aus Aluminiumwerkstoff der Art JIS (japanischer Industriestandard Nr. 2024) hergestellt. Dieses Bauteil wurde dann so behandelt, daß seine Oberfläche alkalisch entfettet wurde, und zwar in einer Mischung von 25 g/l Natriumkarbonat und 25 g/l Natriumtertiärphosphat, zwei Minuten lang bei einer Temperatur unter 70 Grad. Nach dem Waschen im Wasser wurde das alkalisch entfettete Versuchsbauteil fünf Sekunden in einem Bad gebeizt, welches ein Teil Fluorwasserstoffsäure und drei Teile Salpetersäure enthielt Danach wurde das Versuchsbauteil nochmals rasch in Wasser gewaschen. Dann wurde es etwa 50 Sekunden lang einer Behandlung in einer Zink substituierenden Lösung unterworfen, welche 525 g/l Natronlauge, 100 g/l Zinkoxid und 1 g/l kristallinem Ferrichlorid und 10 g/l Kalium-Natriumtartrat enthielt. Als Ergebnis dieser Behandlung wurde die Oxidschicht des Aluminiumwerk-

• stoffes weggereinigt und durch eine dünne Zinkschicht ersetzt. Zuletzt wurde Molybdän auf die dünne Zinkschicht aufgespritzt, so daß eine aufgespritzte Molybdänschicht von 0,3 mm Dicke gewonnen wurde.

Zum Vergleich wurde ein Versurhsbauteil aus

i" gleichem Werkstoff mit gleichen Abmessungen unabhängig von dem erstgenannten Versuchsbauteil hergestellt. Die Rauhigkeit des letzteren wurde ebenfalls auf 50 S festgesetzt. Die zu bespritzende Oberfläche wurde mit Nickeia'uminäd bespritzt, um eine Nickelaiuminid-

¹"' schicht von 0,07 mm Dicke herzustellen. Danach wurde auf diese Nickelaluminidschicht Molybdän aufgespritzt, um ein einzeln an sich bekanntes Bauteil zu gewinnen, welches eine Molybdänschicht von 0,3 mm Dicke aufwies.

21t Die Prüfung auf Adhäsion wurde für jedes Versuchsbauteil viermal durchgeführt. Hierbei wurde die Spannungsfestigkeit des durch Adhäsion anhaftenden Teiles gemessen und ein Klebstoff auf Cyanoacrylatbasis verwendet.

■ ' Für das handelsübliche Bauteil ergab es sich im Versuch, daß alle aufgespritzten Oberflächen beim Spannungstest abgeschält wurden; es wurden Spannungsfestigkeiten von 155,5 kg/cm, 210,0 kg/cm, 158,0 kg/cm und 269,8 kg/cm gemessen, was eine

' durchschnittliche Spannungsfestigkeit von 193,35 kg/cm ergibt.

Andererseits wurde für das erfindungsgemäß hergestellte Versuchsbauteil gefunden, daß keine der gespritzten Oberflächen abgeschält wurden, sondern

'•'j beim Basismetall blieben und der Klebstoff abgeschält wurde. Die Spannungsfestigkeiten, welche zu dem Zeitpunkt gemessen wurden, als das Abschälen der anhaftenden Oberflächen stattfand, betrugen: 425,0 kg/cm, 466,3 kg/cm, 392,5 kg/cm und 457,5 kg/cm,

w mit einem Mittelwert von 435,3 kg/cm. Wenn auch durch diese Versuche nicht eindeutig die Zahl ermittelt werden konnte, welche der Größe der Adhäsion der aufgespritzten Schicht gemäß Erfindung zum Aluminiumbasiskörper ist, so kann dieser Wert doch mit

'·■'< mindestens 435,3 kg/cm als Mittelwert abgeschätzt werden. Dieser Wert zeigt, daß die Adhäsionskraft gemäß Erfindung mindestens 2,2mal stärker als bei der handelsüblichen Ausführung ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer den Haftuntergrund verbessernden Zwischenschicht aus substituiertem Zink in einem Verfahren zum Aufspritzen einer Metall- · schicht auf aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden, starkem Verschleiß durch Gleitreibung und hoher Temperatur ausgesetzten Bauteilen einer Brennkraftmaschine, nämlich Kolbenringen oder Zylinderlaufbüchsen. ^u)

2. Verwendung nach Anspruch 1, wobei auf die Zinkschicht zwei Metallschichten aufgespritzt werden, welche zueinander eine hinreichende Adhäsion haben.

3. Verwendung von Molybdän als Werkstoff für eine aufgespritzte Metallschicht nach Anspruch 1.