DE2602335A1 - Steel coatings sprayed onto aluminium alloy substrates - using intermediate layer of nickel-phosphorus alloy to obtain good adhesion - Google Patents

Steel coatings sprayed onto aluminium alloy substrates - using intermediate layer of nickel-phosphorus alloy to obtain good adhesion

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DE2602335A1 DE19762602335 DE2602335A DE2602335A1 DE 2602335 A1 DE2602335 A1 DE 2602335A1 DE 19762602335 DE19762602335 DE 19762602335 DE 2602335 A DE2602335 A DE 2602335A DE 2602335 A1 DE2602335 A1 DE 2602335A1
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Abstract

In a process for providing a substrate with a sprayed coating (II) firmly bonded to the substrate, an intermediate layer (I), which can be pptn. hardened and to which coating (I) adheres, is applied to the substrate followed by heat-treatment and then the spraying of (II) onto (I). (I) is pref. applied by chemical means, and is pref. a nickel-phosphorus alloy which is heated using a predetermined temp. and time followed by natural cooling in air to form a solid bond with the substrate, and then (II) applied. Method is used e.g. for sprayed coatings for the tops of pistons used in internal combustion engines, to provide high resistance to thermal shock and increase piston life; on discs used in disc brakes to obtain high thermal conductivity and wear-resistance; or on the bores of aluminium cylinder blocks for engines where the block is not fitted with cylinder liners.

Description

Verfahren zum Aufbringen eines aufgespritzten Uberzuges auf eine Unterlage Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufbringen eines festhaftenden Überzugs aus Metall, Glas oder anderen ähnlichen Materialien auf eine Unterlage. Method for applying a sprayed coating to a Support The invention relates to a method for applying a firmly adhesive Coating of metal, glass or other similar materials on a base.

Wenn gleitend geführte Bauteile der verschiedensten mechanischen Vorrichtungen möglichst leicht ausgebildet werden sollen, ist es in vielen Fällen üblich, solche Bauteile aus Leichtmetallen herzustellen und ihre Gleitflächen mit einem aufgespritzten Uberzug aus bestimmten Metallen zu versehen, um eine ausreichende Härte und eine hohe Verschleißfestigkeit zu gewährleisten. Hierbei werden jedoch die Metallüberzüge gewöhnlich in erster Linie mechanisch mit der Oberfläche der Unterlage verbunden, so daß sich nur eine Verbindung von geringer Festigkeit ergibt; daher besteht ein Nachteil solcher aufgespritzter Überzüge darin, daß sie dazu neigen, sich von der Unterlage abzuschälen; dies geschieht insbesondere dann, wenn die Bauteile einer maschinellen Bearbeitung unterzogen werden, oder wenn sie hohen Temperaturen ausgesetzt werden, wie es z,B, bei den Kolbenbödenvon Verbrennungskraftmaschinen geschieht, Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es allgemein üblich, die mit einem Uberzug zu versehende Oberfläche der Unterlage aufzurauhen, um die Haftfestigkeit des Uberzugs zu steigern; zu diesem Zweck werden die betreffenden Flächen durch Sandstrahlen behandelt, einer maschinellen Bearbeitung unterzogen, durch Aufdampfen im Vakuum mit einer Überzugsschicht versehen, mit einer Molybdänlegierung bespritzt o.dgl. Bis jetzt hat jedoch keines dieser bekannten Vorbehandlungsverfahren in jeder Beziehung die gestellten Anforderungen erfüllt, Durch die Erfindung ist nunmehr ein verbessertes Verfahren der genannten allgemeinen Art geschaffen worden, das es insbesondere durch eine Verbesserung der Vorbehandlung ermöglicht, die Haftfestigkeit eines auf eine Unterlage aufgespritzten Überzugs erheblich zu steigern.When slidingly guided components of a wide variety of mechanical devices are to be trained as easily as possible, it is customary in many cases to use such Manufacture components from light metals and their sliding surfaces with a sprayed on Plating of certain metals to be provided to have sufficient hardness and a to ensure high wear resistance. Here, however, the metal coatings usually primarily mechanically connected to the surface of the base, so that there is only a connection of low strength; therefore there is a The disadvantage of such sprayed-on coatings is that they tend to separate from the Peel off the substrate; This happens especially when the components are a machined or exposed to high temperatures as it happens, for example, with the piston crowns of internal combustion engines, In order to avoid this disadvantage, it is common practice to use a coating to roughen the surface of the support to ensure the adhesive strength of the Coating to increase; for this purpose, the surfaces concerned are sandblasted treated, machined, by vacuum evaporation provided with a coating layer, sprayed with a molybdenum alloy or the like. To date, however, none of these known pretreatment methods has been in any way the requirements met, the invention is now an improved Process of the aforementioned general type has been created, which it in particular by an improvement in the pretreatment enables the bond strength of one to one The base of the sprayed coating can be increased considerably.

Zu dem Verfahren nach der Erfindung gehören Maßnahmen, um auf einer Unterlage eine ausscheidungshärtbare Zwischenschicht zu erzeugen, die eine hohe Affinität zu einem als Überzug darauf aufzubringenden Material besitzt, um diese Zwischenschicht einer Wärmebehandlung zu unterziehen, und um dann das gewünschte Überzugsmaterial auf die Zwischenschicht aufzuspritzen.The method according to the invention includes measures to on a Pad to create a precipitation-hardenable intermediate layer that has a high Has affinity to a material to be applied as a coating thereon in order to this To subject the intermediate layer to a heat treatment, and then to make the desired To spray coating material onto the intermediate layer.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.The invention and advantageous details of the invention are set forth in the following explained in more detail using an exemplary embodiment.

In einem Fall wurde eine aus einer Aluminiumlegierung bestehende runde Scheibe mit einem Durchmesser von 300 mm und einer Dicke von 10 mm als Unterlage gewählt und etwa eine Stunde lang nach einem bekannten Verfahren auf chemischem Wege mit einer Nickel-Phosphor-Legierung plattiert, um eine Zwischenschicht mit einer Stärke von etwa 20 Mikrometer zu erzeugen0 Diese Zwischenschicht besaß eine Vickers-Mikrohärte von 400 Hmv.In one case, a round one made of an aluminum alloy became Disc with a diameter of 300 mm and a thickness of 10 mm as a base chosen and for about an hour by a known method on chemical Paths are plated with a nickel-phosphorus alloy to have an intermediate layer a thickness of about 20 micrometers0 This intermediate layer had a Vickers micro hardness of 400 Hmv.

Die auf diese Weise galvanisch behandelte Unterlage wurde auf 0 eine Temperatur von etwa 400 C erhitzt, etwa 30 bis 60 min auf dieser Temperatur gehalten und dann in Luft auf natürlichem Wege abgekühlt. Nach dem Abschluß dieser Behandlung hatte die wärmebehandelte Zwischenschicht eine Härte von 1000 Hmv. Dann wurde auf die Zwischenschicht eine selbstlösende Nickel-Aluminium-Legierung bis zu einer Dicke von etwa 0,1 bis 0,2 mm aufgespritzt, auf die wiederum eine Schicht aus einem unlegierten Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von etwa 0,8yó bis zu einer Stärke von etwa 0,5 bis 0,8 mm aufgespritzt wurde.The base galvanically treated in this way was reduced to one Heated to a temperature of about 400 C, held at this temperature for about 30 to 60 minutes and then naturally cooled in air. After completing this treatment had the heat-treated intermediate layer a hardness of 1000 Hmv. A self-releasing nickel-aluminum alloy was then applied to the intermediate layer sprayed on to a thickness of about 0.1 to 0.2 mm, on which in turn a layer made of an unalloyed steel with a carbon content of about 0.8yó up to one Thickness of about 0.5 to 0.8 mm was sprayed on.

Auf diese Weise wurde ein neuartiges Erzeugnis geschaffen, bei dem die Haftfähigkeit zwischen der Unterlage und dem aufgespritzten Uberzug bemerkenswert hoch war. Diese vorteilhafte Eigenschaft wurde durch den nachstehend beschriebenen Zugversuch nachgewiesen.In this way a novel product was created in which the adhesion between the base and the sprayed-on coating is remarkable was high. This advantageous property was confirmed by the one described below Tensile test proven.

Zu Prtlfzweckenwurde dem vorstehend beschriebenen Erzeugnis eine runde Scheibe mit einem Durchmesser von 25,0 mm und einer Dicke von 10,0 mm entnommen, und die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelte Stirnfläche dieser Scheibe wurde dann mit einem Ende eines die gleichen Abmessungen aufweisenden Stücks einer Aluminiumlegierung mit Hilfe eines Kunstharzklebstoffs verbunden. Nach diesem Verfahren wurde eine erste Gruppe von Probestücken hergestellt. Außerdem wurden Scheiben aus einer Stange aus einer Aluminiumlegierung der gleichen Art hergestellt, welche die gleichen Abmessungen hatten wie die Probestücke der ersten Gruppe, und diese Scheiben wurden an einer Stirnfläche maschinell mit Nuten versehen, um eine aufgerauhte Oberfläche zu erzeugen; auf diese Flächen wurden dann unmittelbar die gleichen Materialien aufgespritzt wie bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Erzeugnisses, woraufhin die Probe stücke der zweiten Gruppe unter Verwendung des gleichen Klebstoffs mit die gleichen Abmessungen aufweisenden Stücken der gleichen Aluminiumlegierung verbunden wurden, Die Probestücke der zweiten Gruppe wurden zu Vergleichszwecken hergestellt.For testing purposes, the product described above was given a round shape Disc with a diameter of 25.0 mm and a thickness of 10.0 mm removed, and the end face of this disk treated by the method according to the invention then became one with one end of a piece of the same dimensions Aluminum alloy connected with the help of a synthetic resin adhesive. According to this procedure a first group of specimens was made. In addition, disks were made a rod made of an aluminum alloy of the same type that the the same dimensions as the specimens of the first group, and these disks were machined on one end face to create a roughened surface to create; The same materials were then applied directly to these surfaces sprayed on as in the manufacture of the product according to the invention, whereupon the test pieces of the second group using the same adhesive the same dimensions of the same aluminum alloy The specimens of the second group were made for comparison purposes.

Beim Aufbringen einer Zugkraft auf die Probestücke im rechten Winkel zur Ebene des aufgespritzten äußeren Überzugs brachen die Probe stücke der ersten Gruppe bei einer Zugbeanspruchung 2 von 190 kg/cm innerhalb der auf chemischem Wege aufgebrachten Zwischenschicht, doch wurden die aufgespritzten Überzüge in keinem Fall von der Zwischenschicht abgeschält; hieraus ist die hervorragende Haftfestigkeit ersichtlich; im Gegensatz hierzu brachen die Probestücke der zweiten Gruppe beim Auf-2 bringen einer Zugbeanspruchung von 170 kg/cm an der Trennfläche zwischen der Unterlage und der innersten der aufgespritzten Überzugsschichten, woraus die geringere Haftfestigkeit ersichtlich ist.When applying tensile force to the specimens at right angles The test pieces of the first broke at the level of the sprayed-on outer coating Group under tensile stress 2 of 190 kg / cm within the chemically applied intermediate layer, but were sprayed on Coatings never peeled off from the intermediate layer; this is the excellent one Adhesive strength visible; in contrast, the specimens of the second broke Group when Auf-2 applies a tensile load of 170 kg / cm at the interface between the substrate and the innermost of the sprayed-on coating layers, from which the lower bond strength can be seen.

Wie vorstehend beschrieben, wird gemäß der Erfindung zunächst auf der Oberfläche der Unterlage durch Aufplattieren eine Zwischenschicht erzeugt, die dann einer Wärmebehandlung unterzogen wird, um eine Ausscheidungshärtung zu bewirken, damit in dieser Schicht bleibende Druckspannungen erzeugt werden, um die Schicht fest mit der Unterlage zu verbinden. Da die Zwischenschicht so gewählt wird, daß sie eine hohe Affinität zu dem aufzuspritzenden Material aufweist, ist es möglich, eine sehr feste Verbindung zwischen der Zwischenschicht und dem Überzug aus dem aufgespritzten Material zu erzielen, so daß auch eine äußerst feste Verbindung zwischen der Unterlage und dem äußersten Überzug erreicht wird. Außerdem bietet die Vorbehandlung der Unterlage durch den beschriebenen Plattiervorgang weitere Vorteile, die darin bestehen, daß die nicht mit einem aufgespritzten Überzug zu versehenden Teile der Unterlage niemals in einem bemerkbaren Ausmaß beschädigt werden, was insbesondere bei Unterlagen aus relativ weichen Nichteisenmetallen von Bedeutung ist, daß sich eine sehr hohe Haftfestigkeit sogar an den Rändern der aufgespritzten Überzüge erzielen läßt, daß sich die- aufplattierte Zwischenschicht leicht reinigen läßt, und daß es nicht erforderlich ist, die aufplattierte Zwischenschicht nach der Reinigung mit besonderer Sorgfalt zu behandeln.As described above, according to the invention, initially on the surface of the base creates an intermediate layer by plating, which then subjected to a heat treatment to effect precipitation hardening, so that permanent compressive stresses are generated in this layer around the layer to be firmly connected to the base. Since the intermediate layer is chosen so that it has a high affinity for the material to be sprayed on, it is possible a very strong connection between the intermediate layer and the coating of the To achieve sprayed material, so that an extremely strong connection between the base and the outermost coating is achieved. It also provides pretreatment the base by the plating process described further advantages that it exist that the parts of the not to be provided with a sprayed coating Underlay should never be damaged to a noticeable extent, which is particularly important in the case of substrates made of relatively soft non-ferrous metals, it is important that achieve a very high adhesive strength even at the edges of the sprayed-on coatings lets that the plated-on intermediate layer can be easily cleaned, and that there is no need for the plated interlayer after cleaning to be treated with special care.

Wegen der gemäß der vorstehenden Beschreibung erzielbaren hervorragenden Wirkungen läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren auf vielseitige Weise anwenden; man kann es z.B. anwenden, um ein bestimmtes Metall am bonden der Kolben von Verbrennungskraftmaschinen mit einem aufgespritzten Überzug zu versehen, damit den Kolben eine hohe Widerstandsfähigkeit gegen Wärmeschocks verliehen wird, und um die Lebensdauer der Kolben zu verlängern. Wird das erfindungsgemäße Verfahren angewendet, um die Bremsflächen der Scheiben von Scheibenbremsen mit aufgespritzten Überzügen zu versehen, läßt sich ebenfalls eine feste Verbindung zwischen den Überzügen und den betreffenden Flächen der Bremsscheiben erzielen, so daß es möglich ist, Bremsscheiben herzustellen, die durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hervorragende Verschleißfestigkeit gekennzeichnet sind, und bei denen beim Aufspritzen des Überzugsmaterials nur geringe oder überhaupt keine Spannungen entstehen, Weiterhin läßt sich das Verfahren auf sehr zweckmässige Weise anwenden, um aufgespritzte Überzüge auf die Innenflächen von Motorenzylindern, Bremstrommeln oder dglo auf zu bringen; dies gilt insbesondere für nicht mit Laufbüchsen versehene Zylinderblöcke aus Aluminium, bei denen es möglich ist, die Wände der Zylinderbohrungen mit dünnen Filmen zu überziehen, die außerordentlich fest an der Unterlage haften, so daß die Verschleißfestigkeit verbessert und der Gefahr des Auftretens von Freßerscheinungen entgegengewirkt wird0 Schließlich ist zu bemerken, daß sich das Verfahren nach der Erfindung ebenso gut auch anwenden läßt, um Uberzüge aus Glas auf eine Unterlage aufzubringen.Because of the excellent achievable according to the above description Effects can be the inventive method on versatile Apply wisely; it can be used, for example, to bond a certain metal to the To provide pistons of internal combustion engines with a sprayed-on coating, so that the pistons are given a high level of resistance to thermal shocks, and to extend the life of the pistons. If the inventive method applied to the braking surfaces of the discs of disc brakes with sprayed-on Providing coatings, can also be a firm connection between the coatings and the relevant surfaces of the brake discs, so that it is possible Manufacture brake discs, which are characterized by high thermal conductivity and excellent Wear resistance are marked, and where when spraying the coating material only little or no stresses arise. Furthermore, the method apply in a very convenient way to apply sprayed coatings to internal surfaces to bring on from engine cylinders, brake drums or dglo; this applies in particular for cylinder blocks made of aluminum that are not provided with liners, where it is possible is to coat the walls of the cylinder bores with thin films, which are extraordinary firmly adhere to the substrate, so that the wear resistance improves and the The risk of seizure phenomena is counteracted0 Finally to note that the method of the invention can also be used as well lets to apply coatings made of glass to a support.

Ansprüche:Expectations:

Claims (5)

ANPRU CHE '1. Verfahren, um eine Unterlage mit einem damit fest verbundenen aufgespritzten Uberzugzu versehen, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß auf der Unterlage eine ausscheidungshärtbare Zwischensclachterzeugt wird, die geeignet ist, fest an einem aufzuspritzenden Material zu haften, daß die Zwischenschicht einer Wärmebehandlung unterzogen wird, und daß das genannte Material durch Aufspritzen auf die Zwischenschicht aufgebracht wird. CLAIMS '1. Procedure to make a document with a firmly attached sprayed-on coating to be provided, thereby noting that on a precipitation hardenable intermediate layer is created of the substrate which is suitable is to adhere firmly to a material to be sprayed that the intermediate layer is subjected to a heat treatment, and that said material is sprayed on is applied to the intermediate layer. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht auf die Unterlage auf chemischem Wege aufplattiert wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the intermediate layer is chemically plated onto the substrate. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht aus einer i4ickel-Phosphor-Legierungbesteht. 3. The method according to claim 2, characterized in that the intermediate layer consists of a nickel-phosphorus alloy. 4. Verfahren, um eine Unterlage mit einem damit fest verbundenen aufgespritzten Überzug zu versehen, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß auf der Unterlage eine ausscheidungshärtbare Zwischenschicht erzeugt wird, die geeignet ist, fest an einem aufzuspritzenden Material zu haften, daß die Zwischenschicht auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt und während einer vorbestimmten Zeitspanne auf dieser Temperatur gehalten wird, daß zugelassen wird, daß sich die Zwischenschicht unter der Einwirkung der Umgebungsluft auf natürlichem Wege abkühlt, um eine feste Verbindung mit der Unterlage herzustellen,und daß das genannte Materialauf die Zwischenschicht aufgespritzt wird0 4. Procedure to make a document with a firmly attached to provide sprayed-on coating, thereby noting that on a precipitation-hardenable intermediate layer is produced on the substrate which is suitable is to adhere firmly to a material to be sprayed that the intermediate layer heated to a predetermined temperature and for a predetermined period of time is maintained at this temperature that the intermediate layer is allowed to move under the action of the ambient air cools naturally to a solid To establish a connection with the base, and that said material is applied to the intermediate layer is sprayed on 0 5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schutzüberzug auf das als Überzug auf die Zwischenschicht aufgebrachte Material aufgespritzt wird05. The method according to claim 4, characterized in that a Protective coating on the material applied as a coating on the intermediate layer is sprayed on 0
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