DE2521286A1 - Verfahren zur drahtexplosionsspruehbeschichtung von gleitflaechen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Drahtexplosionssprühbeschichtung von Gleitflächen Die Erfindung bezieht sich auf ein Gleitflächenbearbeitungsverfahren mittels der Drahtexplosionssprühbeschichtung, insbesondere auf ein Gleitflächenbearbeitungsverfahren unter Verwendung der Drahtexplosionssprühbeschichtung, demgemäß Zylinder für Verbrennungskraftmaschinen mit hoher Schleiß-, Riß- und Abriebfestigkeit sowie von gleichmäßiger Qualität billig in großen Mengen produziert werden können, ohne Nebenproduktion umweltvergiftender Abfälle.
• Bisher wurden in Verbrennungskraftmaschinen Gußeisen-oder Aluminiumzylinder mit einer Gußeisenbuchse verwendet. Aber in den modernen, großen Hochleistungsmaschinen ist der konventionelle Zylinder wegen seiner schlechten Kühlcnarakteristik unzulänglich. Das ist ein großes Problem im Maschinenbau. Zu seiner Lösung wurden in jüngster Zeit chromplattierte Aluminium-Zylinder, deren innere Gleitfläche mit Chrom plattiert ist, in einigen Fällen verwendet. Aber die herstellung solcher Zylinder beruht auf einem Plattierverfahren, dessen flüssige Abfälle möglicherweise eine Umweltverschmutzung verursachen können. Außerdem erfordert dieser Prozeß eine große Einrichtung und einen erheblichen Zeitaufwand für Vorbehandlung, Plattierung und Nachbehandlung. Demgemäß ist die erforderliche Anzahl Mann-Stunden pro Stück erheblich, und die Herstellungskosten sind entsprechend teuer.
• Andererseits gab es viele Vorschläge für die Aufbringung einer Metallbeschichtung auf der inneren Gleitfläche eines Aluminiumzylinders mittels der Flammensprühbeschichtung u. dgl. Bei diesen Verfahren war es auch bereits bekannt, eine Molybdängrundierschicht auf dem Grundmaterial mittels Flammensprühung aufzubringen, um die Verbindung zwischen dem Grundmaterial und der Beschichtung zu verbessern.
• Mit der konventionellen Flammensprühbeschichtung ist es jedoch schwierig, Zylinderbeschichtungen hoher Dichte und Glätte billig und in großen Mengen herzustellen.
• Es ist das Ziel der Erfindung, ein Gleitflächenbeschichtungsverfahren vorzuschlagen, das die Mängel des vorgenannten Standes der Technik vermeidet. Durch die Verwendung der Drahtexplosionssprühbeschichtung wird der erhebliche Fortschritt einer Beschichtung hoher Haftfähigkeit erzielt, die sich leicht auf der Innenfläche eines Zylinders aufbringen läßt.
• hrfindungsgemåß wird ein Gleitflächenbearbeitungsverfahren vorgeschlagen, das die folgenden Maßnahmen umfaßt: Aufbringung einer Grundierschicht auf der inneren Gleitfläche eines beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinders durch Explosionsversprühung eines Molybdändrahtes, eines Drahtes aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder eines Wolframdrahtes; Aufbringung dünner Konlenstoffstahlschichten zur Verstärkung der Lauffläche und von Schichten mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit auf die Grundierschicht durch abwechselnde und wiederholte Explosionsversprühung eines Kohlenstoffstahldrahtes und eines Drahtes, dessen Material eine hohe Abrieb- und Schleißfestigkeit besitzt; und schließlich Schleifen der beschichteten Oberfläche.
• Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, der erfindungsgemäß beschichtet ist; Fig. 2 zeigt die Schaltung einer Drahtexplosionssprühvorrichtung zur Aufbringung der Beschichtung; Fig. 3a und 3b zeigen Querschnitte eines Zylinders mit Verschleißmeßpunkten; Fig. 4 zeigt ein Diagramm mit den Verschleißwerten eines konventionellen Zylinders mit Gußeisenbuchse und eines erfindungsgemäß beschichteten Zylinders; Fig. 5 zeigt das Röntgenspektrum einer Drahtexplosionsbeschichtung mit nitrierten Eisen- und Titananteilen; Fig. 6a und 6b sind Fotografien eines elektronischen Mikroanalysers von einer Drahtexplosionssprühbeschichtung mit MoS2.
• Fig. 6a zeigt das Gesamtbild; Fig. 6b zeigt das Röntgenbild des Molybdäns.
• Die Drahtexplosionsversprühung ist ein kürzlich entwickeltes Verfahren, bei dem ein Drahtmaterial durch einen starken Stromstoß in der Atmosphäre oder einem Inertgas geschmolzen und atomisiert wird. Die Aufschmelzung und Explosion erfolgen unmittelbar, wobei die atomisierten Schmelzepartikel mit hoher Geschwindigkeit auf das zu beschichtende Material zu bewegt werden.
• Die Erfindung bezieht sich auf die Aufschmelzung und Versprühung spezifischer Materialien auf die innere Oberfläche eines beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinders in spezifischer Folge unter Verwendung der oben beschriebenen Drahtexplosionsversprühung.
• Wie oben beschrieben, ist es bekannt, bei der Flammenbesprühung irgendein Schichtmaterial auf die Lauffläche eines Aluminiumzylinders aufzubringen. Wenn dabei vorher eine Molybdängrundierschicht auf die Lauffläche aufgebracht ist, so erhöht das Molybdän die Verbindung zwischen dem Grundmaterial und dem flammenversprühten Schichtmaterial. Im Falle der Anwendung der Drahtexplosionssprühbeschichtung ist es indessen möglich, eine Grundierschicht von hoher Haftfestigkeit aus einem höher schmelzenden Material als Molybdän, nämlich aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder aus Wolfram herzustellen.
• Denn Schmelzpartikel beispielsweise oder Molybdän oder Wolfram, die durch Drahtexplosionsversprühung erzeugt werden und eine höhere Temperatur als ihre Schmelztemperatur aufweisen, verbinden sich beim Auftreffen auf das aus einer Aluminiumlegierung bestehende Material mit diesem durch eine mechanische Verankerung, indem sie einen Teil der Oberfläche des Grundmaterials aufschmelzen, wobei Mischung und Diffusion mit dem Grundmaterial erfolgt. Dadurch wird eine Haftfestigkeit zwischen dem Grundmaterial aus einer Aluminiumlegierung und der Drahtexplosionssprühschicht von mehr als 500 kg/cm2 erreicht. Diese Haftfestigkeit ist gegenüber der Wärme- und mechanischen Stoßbelastung, der die Auftragsschicht einer Gleitfläche eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist, ausreichend.
• Die Dicke der Auftragsschicht, die mit einer Drahtexplosionsversprühung gebildet wird, beträgt 5 - 15,u.
• Daher beträgt die Anzahl der zur Herstellung einer Grundierschicht ausreichender Dicke erforderlichen Drahtexplosionsversprühungen eins bis drei. Vier oder mehr solcher Explosionsversprühungen sind für die Herstellung einer solchen Grundierschicht nicht erforderlich. Die nur aus einem Material hergestellte Grundierschicht hat eine zu geringe Verschleiß- und Abriebfestigkeit und kann daher nicht als Lauffläche eines Motorzylinders dienen. Vielmehr ist es erforderlich, auf der Grundierschicht Auftragsschichten aufzubringen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und der Gleitfläche die erforderliche Schleiß- und Abriebfestigkeit verleihen.
• Nachdem also die Grundierschicht durch Explosionsversprühung des Molybdändrahtes, des Drahtes aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder des Wolframdrahtes aufgebracht ist, wird deshalb ein Kohlenstoffstahldraht auf die Grundierschicht explosionsversprüht, um eine Kohlenstoffstahlschicht herzustellen, die als Bewehrung für die Lauffläche dient. Sodann wird ein Drahtmaterial wahlweise bestehend aus Molybdän, aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung, aus Wolfram, aus Chrom, aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus Titan auf die Kohlenstoffstahlschicht explosionsversprüht. Ferner wird die Explosionsversprühung des Kohlenstoffstahldrahtes und des Drahtes, ausgewählt aus den sechs Materialien abwechselnd und wiederholt durchgeführt, um eine Beschichtung von etwa 50 - 12O,u herzustellen. Die beiden verschiedenen Materialien mischen sich in der Beschichtung und bilden eine harte Schicht gleichmäßiger Dicke.
• Schließlich wird die Oberfläche der Beschichtung, die die Gleitfläche des Zylinders bildet, vor- und nachgeschliffen. Durch die schnelle Abkühlung nach der Drahtexplosionsversprühung ist der Kohlenstoffstahl in der komplexen Auftragsbeschichtung martensitisch und extrem hart ausgebildet. Die so aus Kohlenstoffstahl und Molybdän (oder aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung, aus Wolfram, Chrom, Chrom-Nickel oder Titan) gebildete Beschichtung besitzt eine günstige Porosität (3 bis 58): Die Poren wirken als dlreservoir und verleihen dadurch der Gleitfläche eine ausgezeichnete Schleiß- und Abriebfestigkeit. Figur 1 zeigt beispielsweise einen Querschnitt einer derart bearbeiteten Gleitfläche.
• Nunmehr werden Ausführungsformen der Erfindung erklärt.
• Figur 2 zeigt die Schaltung einer Drahtexplosionssprühvorrichtung, die für die erfindungsgemäße Drahtexplosionssprühbeschichtung verwandt wird. Sie umfaßt eine Ladevorrichtung CS, einen Ladewiderstand R, einen Kondensator C mit einer Kapazität von beispielsweise 90uF und einen Entladeschalter SW, wie dargestellt in der Zeichnung. Das zu versprühende Metall W ist nahe dem zu beschichtenden Material, z.B. im Inneren eines zu beschichtenden Zylinders CYL, zwischen den Anschlußklemmen der Sprühvorrichtung befestigt.
• Zunächst wurde die Innenfläche eines Zylinders aus einer Aluminiumlegierung mit einem Innendurchmesser von 80,5 mm und einer Länge von 140 mm mit Perchloräthylen entfettet. Ein Wolframdraht von 1,5 mm QI x 180 mm wurde innerhalb des Zylinders explosionsversprüht und so eine Wolframbeschichtung auf seiner Innenfläche mit der oben beschriebenen Vorrichtung aufgebracht. Die Drahtexplosionsversprühung wurde mit einer Entladespannung von 18,9 KV durchgeführt. Die so aufgebrachte Schicht hatte eine Dicke von 5g. Sodann wurden zwei Kohlenstoffstahlschichten aufgebracht durch getrennte Exposionsversprühung zweier Klavierdrähte von 1,60 mm x 180 mm bei 14,4 KV. Anschließend wurde eine Molybdänschicht aufgebracht durch die Explosionsversprühung eines Molybdändrahtes von 1,55 mm x 180 mm bei 17,4 KV. Dann wurde die Drahtexplosionssprühbeschichtung mit zwei Kohlenstoffstahlschichten und einer Molybdänschicht zehn Mal wiederholt. Danach wurde die so behandelte Oberfläche geschliffen. Die fertige Explosionssprühbeschichtung hatte eine Dicke von 804.
• Die Erfinder montierten den so bearbeiteten Zylinder und einen üblich ausgebuchsten Gußeisenzylinder und einen chromplattierten Zylinder in einen Zweitaktmotorradmotor von 360 cm3 (Bohrung x Hub 80,5 x 68) und testeten ihre Leistungsfähigkeit. Figur 4 zeigt die Verschleißwerte des Gußeisenzylinders und des drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinders gem. der Erfindung. Die Figuren 3a und 3b zeigen die Meßpunkte für die Verschleißwerte. Die in Figur 4 dargestellten Verschleißwerte sind die gemittelten Zahlen der in x- und y-Richtung an den Punkten A, A', B und B' gemessenen Werte.
• Wie aus dem Diagramm der Figur 4 zu entnehmen ist, beträgt die Verschleißgröße des erfindungsgemäß drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinders weniger als die Hälfte des mit einer Gußeisenbuchse versehenen Zylinders. Der erfindungsgemäß bearbeitete Zylinder besitzt somit eine ausreichende Dauerhaltbarkeit.
• Ferner wurden an dem drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinder nach einer Testdauer von 200 Stunden keinerlei Abblätterungen in der Beschichtung festgestellt. Demgegenüber trat in der Chromplattierung des plattierten Zylinders nach einer Testdauer von 2 Stunden unter gleichen Bedingungen eine Abblätterung auf.
• Bei dem Drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinder ist es möglich, die Beschichtung bis auf etwa 100 bis 50 A zu verringern. Demzufolge hat der Zylinder eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Kühlleistung. Ferner zeigen Molybdän und Molybdän-Wolfram-Legierungen Selbstschmierung gegenüber metallischer Reibung, und die Poren in der Drahtexplosionssprühbeschichtung wirken als ölreservoir. Angesichts der oben beschriebenen Wirkungen und Eigenschaften besitzt der drahtexplosionssprühbeschichtete Zylinder eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit im Vergleich mit der gußeisernen Zylinderbuchse und dem chrsmplattierten Zylinder, wenn sie zusammen mit einem Aluminiumkolben und gußeisernen Ringen verwendet werden.
• Wenn ein Draht aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder ein Wolframdraht auf die Innenfläche eines aluminiumlegierten Zylinders als Grundierschicht explosionsversprüht wurde, und wenn man darauf Kohlenstoffstahldraht und molybdän-wolfram-legierten Draht oder Wolframdraht abwechselnd und wiederholt zur Bildung einer kombinierten Beschichtung explosionsversprühte, so zeigte der so ausgebildete Zylinder im wesentlichen die gleichen Eigenschaften, wie der oben beschriebene Gegenstand.
• Für die Einbringung einer Verbundbeschichtung mittels eines Chromdrahtes, wurde dieser aus Metallpulver nach dem Extruderverfahren hergestellt und in einem Vakuumofen vorgesintert und gesintert. In diesem Falle wurde eine vielschichtige Verbundbeschichtung auf die Grundierschicht aufgebracht, bestehend aus Chrom und Kohlenstoffstahlschichten. Die Chromdrahtexplosionssprühbeschichtung besitzt eine Vickershärte von etwa 200 - 250 und die Kohlenstoffstahldrahtexplosionssprühbeschichtung von etwa 700 - 800. Angesichts der großen Härte der verschiedenen Schichten der Mischstruktur der Explosionssprühbeschichtung, besitzt die Verbundbeschichtung eine hohe Verschleiß- und Wärmefestigkeit. Ferner zeigt die Verbundbeschichtung angesichts des hauchdünnen Oxydfilms auf der Chromoberfläche eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit.
• Als Nickel-Chrom-Legierung wurde ein Draht aus Chrom E" (Fe 16%, Ni 50%, Cr 33%, Mn 1%) verwendet. Wegen seines erheblichen Bisenanteils wurde die Verbundbeschichtung durch abwechselnde und wiederholte Explosionsversprühung von Kohlenstoffstahldrähten und Chroman-E-Drähten durchgeführt. In diesem Falle zeigte die Verbundbeschichtung eine Vickershärte von etwa 700 und hatte im wesentlichen den gleichen Effekt, wie bei der Verwendung von Chrom.
• Verwendet man einen Titandraht, so besitzt die Verbundbeschichtung, aufgrund eines geringen Anteils an Titandioxyd, das durch die Oxydation des Titans bei der Drahtexplosionsversprühung in Luft entsteht, ausgezeichnete Dichtungseigenschaften. Wenn man einen so beschichteten Zylinder in einem Benzinmotor verwendet, so reagiert der Kohlenstoff des Benzins mit dem Titan der Beschichtung unter teilweiser Umwandlung von Ti zu TiC durch den Gettereffekt, wodurch sich Härte und Abriebfestigkeit erhöhen.
• Bei Durchführung der Drahtexplosionsversprühung, beispielsweise von Stahl- und Titandrähten, in einer Stickstoffatmosphäre werden Eisen und Titan teilweise in Nitride verwandelt, wie aus Figur 5 ersichtlich ist.
• Deshalb besitzen Explosionssprühbeschichtungen, die in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, eine Vickershärte von etwa 900 bis 1000. Da Nitride ausgezeichnete Abriebfestigkeit besitzen, zeigt eine Beschichtung, die solche Nitride enthält, ausgezeichnete Abrieb- und Verschleißfestigkeit.
• Bei Verwendung eines Verbunddrahtmaterials, beispielsweise bestehend aus Stahl und Molybdän, Stahl und Wolfram, Stahl und Chrom und Stahl und Titan, werden die verschiedenen Materialpulver extrudiert gem. der Technik der Pulvermetallurgie und vorgesintert und gesintert in einem Vakuumofen, um einen Verbunddraht herzustellen.
• Das Rohmaterialpulver sollte vorzugweise eine geeignete Partikelgröße (z.B. ca. 5ys-) aufweisen, so daß die zwei verschiedenen Materialien während der Sinterung nicht vollständig legiert werden. Da die Eigenschaften der jeweiligen Materialien in dem Drahtmaterial enthalten sind, müssen sie auch in der Drahtexplosionssprühbeschichtung vollständig erhalten bleiben.
• Es ist bekannt, daß Molybdänbisulfid una1 Wolfrabisulfid ausgezeichnete feste Schmiermittel darstellen. Durch Imprägnierung der Drahtexplosionssprühbeschichtung mit solch einem Schmiermittel, mit dem die Poren der Schicht ausgefüllt werden, wurden die Schmiereigenschaften und die Abriebfestigkeit des Zylinders verbessert.
• Figuren 6a und 6b sind Fotografien eines elektronischen Mikroanalysers von einem Querschnitt einer Beschichtung, die durch abwechselnde und wiederholte Explosionsversprühung von Klavierdraht und Wolframdraht auf eine Molybdängrundierschicht hergestellt wurde und mit Molybdänbisulfid imprägniert wurde. Fig. 6a zeigt die Gesamtansicht und Fig. 6b das Röntgenbild des Molybdän. Auf diesen Fotos ist die Imprägnierung der Beschichtung mit Molybdänbisulfid erkennbar.
• Die Imprägnierung der Drahtexplosionssprühbeschichtung mit Molybdänbisulfidpartikeln wurde mittels einer Suspension des Molybdänbisulfids bei gleichzeitiger Ultrabeschallung der Beschichtung mit einer Frequenz von 10 KHz während einer halben Stunde durchgeführt. Nach der Imprägnierung wurde die Beschichtung bei 170°C in der Luft eine Stunde lang wärmebehandelt, um den Binder des Molybdänbisulfids auszuhärten.
• Wie aus der obigen Erläuterung zu ersehen ist, ist durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Zylinder für Verbrennungskraftmaschinen mit ausgezeichneter Schleiß-, Riß- und Abriebfestigkeit zu erzielen. Weitere Vorteile der Erfindung sind folgende: (1) Da es nicht erforderlich ist, eine Buchse anzufertigen und in den Zylinder einzubauen, ist es möglich, die Herstellungskosten des Zylinders gegenüber dem ausgebuchsten Zylinder, auch unter Berücksichtigung der Kosten der Drahtexplosionssprühbeschichtung zu senken.
• (2) Das erfindungsgemäße Verfahren ist fortschrittlich bezüglich Vorbehandlung, Bearbeitungszeit, Nachbehandlung, Ausschuß und notwendiger Einrichtungen, verglichen mit der Chromplattierung von Zylindern.
• Mit der Erfindung ist es daher möglich, die Herstellungskosten gegenüber denen des chromplattierten Zylinders um etwa 40% und mehr zu senken.
• (3) Eine Umweltverschmutzung, wie sie durch die Abwässer der Plattierbehandlung verursacht wird, ist unmöglich.
• (4) Da die Drahtexplosionsversprühung elektrisch gesteuert wird, ist es einfach, Produkte gleichmäßiger Qualität zu erzeugen und die Fabrikationsausrüstung zu automatisieren und somit eine billige Massenproduktion zu realisieren.
• (5) Durch die Verwendung drahtexplosionsbeschichteter Zylinder für einen Motor ist es möglich, einen leichteren Motor zu bauen als die Motoren mit den üblichen Zylindern.

Claims (10)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Beschichtung der inneren Gleitfläche eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinders,dadurch gekennzeichnet, daß auf die innere Gleitfläche mittels der Draht-Explosions-Sprühbeschichtung unter Verwendung eines Drahtmaterials, das wahlweise aus Molybdän, aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder Wolfram besteht, eine Grundier schicht aufgebracht wird, daß auf die Grundierschicht mittels der Draht-Explosions-Sprühbeschichtung unter Verwendung eines Kohlenstoffstahldrahtes wechselweise und wiederholt eine Verstärkungsschicht und unter Verwendung eines Drahtmaterials mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit eine weitere Schicht aufgebracht wird, und daß die mehrfach beschichtete Oberfläche geschliffen und nachbearbeitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit ein Molybdändraht explosionsversprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit ein Molybdän-Wolfram-legierter-Draht explosionsversprüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit ein Wolframdraht explosionsversprüht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit ein Chromdraht explosionsversprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrie- und Schleißfestigkeit ein Nickel-Chrom-legierter Draht explosionsversprüht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Schleißfestigkeit ein Titandraht explosionsversprüht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch abwechselnde Draht-Explosions-Versprühung von Kohlenstoffstahldraht und Titandraht in einer Stickstoff-Gasatmosphäre auf der Grundierschicht abwechselnde dünne Schichten zweier Nitride aufgebracht werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Grundierschicht ein Legierungsdraht, bestehend aus Stahl und wahlweise Molybdän, Wolfram, Chrom, Titan explosionsversprüht wird und somit eine innere Schichtoberfläche hergestellt wird, in der zwei Komponenten in gemischtem Zustand vorliegen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der fertigen Drahtexplosionsbeschichtung durch Kontaktierung mit einer Suspension von Molybdänbisulfidpulver oder Wolframbisulfid und gleichzeitige Ultrabeschallung mit Molybdänbisulfid oder Wolframbisulfid als festem Schmierstoff imprägniert wird.

Leerseite