DE3836614A1 - Beschichtung eines thermisch belasteten magnesiums oder einer magnesiumlegierung - Google Patents

Beschichtung eines thermisch belasteten magnesiums oder einer magnesiumlegierung

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Description

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung eines thermisch belasteten Magnesiums oder einer Magnesiumlegierung mit einer Funktionsschicht.
Aus der US-Patentschrift 36 31 835 ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein Magnesiumsubstrat mit Hilfe des Flammspritzver­ fahrens metallisch beschichtet wird, wobei besondere Vor­ kehrungen getroffen sind, um das Magnesiumsubstrat zu kühlen und in sich eben zu halten. Der bevorzugte Verwen­ dungszweck der so beschichteten Magnesiumsubstrate liegt in der Bildung von Elektroden für Batterien, bei denen es auf eine lückenlose Leitfähigkeit zwischen dem Magnesium und dem aufgespritzten Metall ankommt.
Magnesium und seine Legierungen sind jedoch in der Fahrzeug­ technik, im Automobil- und Motorenbau, in der Luft- und Raumfahrttechnik und bei sonstigem konstruktiven Leichtbau wie Schreibmaschinen, Motorsägen oder Haushaltsgeräten, die gelegentlich getragen werden müssen, ein beliebter Werkstoff wegen des geringen spezifischen Gewichtes bei sehr guten Festigkeitseigenschaften. Allerdings ist das Einsatzgebiet wegen des niedrigen Schmelzpunktes von ca. 650°C, der bei Legierungen noch niedriger liegt, auf diejenigen Anwendungsgebiete begrenzt, bei denen die Tem­ peraturbelastung gering ist oder nicht auftritt.
Die geringe Temperaturbelastbarkeit ist auch der Grund, warum bisher bis auf die genannte Ausnahme keine Verbundwerk­ stoffe im Zusanmenhang mit Magnesium oder seinen Legierungen eingesetzt worden sind. Eine weitere Schwierigkeit liegt in der Beherrschung des relativ hohen thermischen Aus­ dehnungskoeffizienten. Eine Paarung mit thermischen Schutz­ schichten, die in der Regel einen um den Faktor 4 oder 6 geringeren Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist so gut wie nicht versucht worden, was unter anderem auch darauf zurückzuführen ist, daß das unterschiedliche Elasti­ zitätsmodul derartiger Paarungen Probleme aufwirft.
Es besteht gerade ein Bedarf an beschichteten Magnesium­ werkstoffen, um die eingangs genannten hervorragenden Eigenschaften auszunutzen. Der stabilen Wärmedämmung, der Vermeidung von Heißgaskorrosion und dem Verschleiß­ schutz bei gleichzeitiger thermischer Beanspruchung kommt immer mehr Bedeutung zu, so daß gerade die thermisch be­ lasteten, beschichteten Magnesiumgrundwerkstoffe von be­ sonderem Interesse ist.
Es ist daher Aufgabe der Erfin­ dung, eine Beschichtung für belastetes Magnesium oder eine Magnesiumlegierung anzugeben, die sich trotz dieser ungünstigen Bedingungen als dauerhaft und wirksam erweist.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die Ansprüche 1 bis 3 vorgeschlagen, wobei verwendungsspezifische Funktions­ schichten in den Ansprüchen 4 und 5 wiedergegeben sind.
Es hat sich bei beschichteten Magnesiumwerkstoffen gezeigt, daß aufgrund der heftigen chemischen Reaktion des Magnesiums bereits bei Raumtemperatur bei höheren Temperaturen von ca. 100°C und mehr das Magnesium mit für den Anwendungs­ fall geeigneten metallischen Funktionsschichten interme­ tallische Phasen in der Übergangszone zwischen Grundwerkstoff und Schichtwerkstoff bildet, die außerordentlich spröde sind. Aufgrund der fehlenden Duktilität kommt es bei Tempe­ raturschwankungen aufgrund der unterschiedlichen Tempe­ raturausdehungskoeffizienten zu Ablösungen, so daß die aufgebrachten Funktionsschichten oftmals bei thermischer Belastung keine dauernde Haftwirkung entwickeln.
Die Erfindung schlägt nun vor, eine Diffusionssperre auf das Magnesium bzw. auf die Magnesiumlegierung aufzubringen, die wie eine Versiegelung wirkt und so die heftige Reaktivität des Magnesiums bei höheren Temperaturen verhindert. Die Bildung dieser Diffusionssperre gelingt über den Umstand, daß Materialien wie Titan, Eisen, Vanadium, Mangan, Zirkon, Niob, Hafnium, Tantal, Rhenium oder Wolfram gewählt werden, die mit Magnesium gemäß Zustandsdiagramm eine gewisse haftungsfördernde Löslichkeit und keine intermetallischen Phasen bilden.
Versuche haben gezeigt, daß die in den Ansprüchen aufge­ zeigten Schichtaufbauten wirksame Diffusionssperren bilden. Wenn zum Beispiel Magnesium ausschließlich gegen eine Heißgaskorrosion zu schützen ist, genügt ein Schichtauf­ bau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Diffusions­ sperre dann bereits die eigentliche Funktionsschicht ist. Soll hingegen beispielsweise eine Wärmedämmung herbeigeführt werden, werden die Merkmale des Anspruchs 4 erfüllt. Zum Schutz von Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren gegen Verschleiß wird zum Beispiel eine Funktionsschicht gemäß Anspruch 5 auf eine Diffusionssperre gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 aufgebracht. Dabei hat das Silizium­ nitrit einen Anteil von 70%, das Ytriumoxid einen Anteil von 10% und Nickel oder Kobalt einen Anteil von 20%.
Bei der Erzeugung der Beschichtung gemäß der Erfindung werden übliche thermische Spritzverfahren bei Umgebungs­ temperatur, unter Wasser oder im Vakuum angewendet, wobei eine Kühlung des Grundwerkstoffes geboten sein kann. Die Kühlung eines zu beschichtenden Werkstoffes, der tempe­ raturempfindlich ist, ist für sich gesehen bekannt, bei­ spielsweise in Verbindung mit Faserwerkstoffen, die zur Herbeiführung einer elektrischen Leitfähigkeit oder der­ gleichen beschichtet werden sollen.
Im Anspruch 3 ist eine mehrphasige Schicht aus M-Cr-Al-Y angegeben, wobei M für Eisen, Nickel oder Kobalt steht. Diese miteinander substituierbaren Elemente werden mit dem Buchstaben M zusammengefaßt.

Claims (7)

1. Beschichtung eines thermisch belasteten Magnesiums oder einer Magnesiumlegierung mit einer Funktions­ schicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Magnesium oder die Magnesiumlegierung eine Diffusionssperre aus Titan aufgebracht ist, auf die eine einphasige Ni3Al-Schicht oder eine Ni3Al-Legie­ rung aufbringbar ist.
2. Beschichtung eines thermisch belasteten Magnesiums oder einer Magnesiumlegierung mit einer Funktions­ schicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Magnesium oder die Magnesiumlegierung eine Diffusionssperre aus Titan und/oder Eisen oder aus einer Legierung dieser beiden Elemente aufgebracht ist, auf die eine mehrphasige Schicht aus Fe-Cr-Al-Y oder Fe-Cr-Al-Ti als Hauptbestandteile aufbringbar ist.
3. Beschichtung eines thermisch belasteten Magnesiums oder einer Magnesiumlegierung mit einer Funktions­ schicht, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Magnesium oder die Magnesiumlegierung eine Diffusionssperre aus Titan, Vanadium, Mangan, Eisen, Zirkon, Niob, Hafnium, Tantal, Rhenium oder Wolfram oder Legierungen daraus aufgebracht ist, auf die eine mehrphasige Schicht aus M-Cr-Al-Y aufbringbar ist.
4. Beschichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf die einphasige oder mehrphasige Zwischenschicht eine Funktionsschicht aus ZrO2 mit Anteilen von Y2O3, MgO oder CaO aufgebracht ist.
5. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf die einphasige oder mehrphasige Zwischenschicht eine Funktionsschicht aus Si3Ni4 und Y2O3 sowie Nickel oder Kobald aufgebracht ist.
6. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung jeder Schicht durch Flanmspritzen, Plasmaspritzen oder elektrisches Lichtbogenspritzen aufgebracht ist.
7. Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jede Schicht durch thermisches Beschichten im Vakuum aufgebracht ist.
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