DE4413306C1 - Verfahren zur Verstärkung eines Bauteils und Anwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verstärkung eines Bauteils und die Anwendung dieses Verfahrens.

Steigender Kraftstoffverbrauch und zunehmendes Umweltbewußtsein machen im Automobilbau Leichtbaukonzepte notwendig. So bestehen die Bremsscheiben der Scheibenbremsen eines Kraftfahrzeuges im allgemeinen aus Gußeisen oder Stahl und besitzen damit ein erhebliches Gewicht. Dies hat zur Entwicklung von Leichtbaubremsscheiben auf Aluminumbasis geführt.

So ist es bekannt, Bremsscheiben aus einer Mischung aus einem Aluminiumpulver und keramischen Partikeln pulvermetallurgisch herzustellen. Das Verfahren ist teuer und für Großserien unwirtschaftlich. Ferner ist es bekannt, Bremsscheiben durch Sprühkompaktieren herzustellen, also einem metallischen Sprühverfahren, in dem die Verstärkungspartikel dem Sprühstrahl aus der Aluminiumschmelze beigefügt werden. Nach einem anderen Verfahren werden die Verstärkungspartikel direkt in die Aluminiumschmelze eingerührt. Bei diesem Verfahren sind nur Verstärkungspartikel einsetzbar, die von der Aluminiumschmelze nicht angegriffen oder aufgelöst werden.

Mit den geschilderten Verfahren werden Aluminiumbremsscheiben aus einem Metall-Matrix-Verbund­ werkstoff mit eingebetteten Verstärkungspartikeln erzeugt, d. h., die über ihre gesamte Dicke Verstärkungspartikel enthalten. Ein Vollwerkstoff aus mit Verstärkungspartikeln durchsetztem Aluminium ist jedoch spröde. Die Gefahr eines Bruchs einer solchen Bremsscheibe ist daher groß. Für die Bearbeitung der verstärkten Bereiche sind Diamantwerkzeuge notwendig. Für eine vollverstärkte Scheibe ist der Aufwand damit sehr hoch.

Der obere Temperaturbereich, den eine Aluminium-Brems­ scheibe erreicht, liegt bei ca. 430°C, der einer Bremsscheibe aus Grauguß bei ca. 550°C. Bei gleicher mechanischer Reibbelastung treten damit bei einer Aluminium-Bremsscheibe im oberen Temperaturbereich um 100-150°C geringere Temperaturen auf, weil Aluminium eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Durch Flammspritzen mit einem Metall, wie Nickel oder Cobalt, und Teilchen aus einem keramischen Material, z. B. Wolfram- oder Chromcarbid, ist es möglich, eine Verschleißschutzschicht auf metallische Bauteile aufzubringen, beispielsweise auf die Oberfläche von Walzen, Turbinenschaufeln oder Kolbenstangen. Damit die Wolfram- bzw. Chromcarbidteilchen durch die hohe thermische Belastung beim Flammspritzen sich nicht verändern oder geschädigt werden, werden sie mit dem Metall umhüllt. Zur Erzielung einer hohen Verschleißfestigkeit wird das Verhältnis zwischen dem keramischen Material und dem Metall so eingestellt, daß der Volumenanteil des keramischen Materials überwiegt. Die gebildeten Schichten weisen eine Porosität bis zu 10% und mehr auf. Sie besitzen daher nur eine geringe Festigkeit und aus diesem Grunde können sie auch nur mit einer Dicke von beispielsweise 100 bis 200 µm aufgetragen werden, weil sie sonst vom Grundwerkstoff abplatzen.

Zum Korrosionsschutz von Stahl durch Flammspritzen ist ein Aluminiumdraht erhältlich, der einen geringen Anteil von etwa 10 Vol.-% an Aluminiumoxid enthält. Damit wird jedoch nur ein mäßiger Verschleißschutz erreicht. Auch weist die mit diesem Draht herstellbare Schicht nur eine geringe Festigkeit auf und ist daher nur in dünner Schicht auftragbar.

Gegenüber der normalen Flammspritzpistole weist beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (englisch: High Velocity Oxygen Fuel oder HVOF) die Spritzpistole eine Laval-Düse auf, mit der der Spritzstrahl beschleunigt wird.

Dabei wird beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen nach dem Stand der Technik das Pulver auf eine Temperatur von etwa 3000°C erhitzt ("Oberfläche + JOT" 1986, Seiten 12 bis 17) Diese Temperatur wird als erforderlich angesehen, um die Partikel aufzuschmelzen, damit sie in flüssigem Zustand auf das Bauteil auftreffen und damit eine Schacht hoher Dichte erzeugen, desgleichen eine innige Verbindung der Schicht mit dem Bauteil. Aufgrund dieser hohen Temperatur wird beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen entweder auf Verstärkungspartikel ganz verzichtet, oder, wenn Verstärkungspartikel eingesetzt werden, werden diese ummantelt.

So wird nach der DE-OS 42 29 006 zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ein Werkstoff verwendet, der entweder aus einer Legierung gebildet ist oder aus Metallkarbiden mit umgebender Metallmatrix aufgebaut ist. Nach EP-OS 459 693 wird zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ein Gemisch aus einer Nickellegierung und einem Molybdänmetallpulver eingesetzt. Verstärkungspartikel werden nicht verwendet. Nach EP-OS 375 931 werden zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen zwar Verstärkungspartikel verwendet, diese sind jedoch mit einem Metall ummantelt.

Bei der hohen Temperatur von mehreren Tausend Grad sollen die Verstärkungspartikel durch den Metallüberzug vor einem Anschmelzen ihrer Oberfläche geschützt werden. Dadurch sollen die Partikel ihre kantige Struktur behalten, die für eine Verankerung in der Schicht notwendig ist. Beispielsweise würden bei einer Bremsscheibe durch die Reibungskraft die Verstärkungspartikel herausbrechen, wenn sie nicht fest verankert sind, wodurch die Verschleißfestigkeit zu wünschen übrig ließe, die durch die Partikel in die Schicht eingebracht werden soll. Auch würde der Reibungskoeffizient bei abgerundeten Verstärkungspartikeln wesentlich niedriger sein. Ferner wird eine Zersetzung der Verstärkungspartikel durch den Schutzüberzug verhindert, insbesondere der Metallkarbide. Darüberhinaus verhindert eine solche Schutzhülle aus Metall, daß sich durch Anschmelzen der Verstärkungspartikel keine Legierung bilden kann, die die Eigenschaften der Metallegierung beeinträchtigen würde, z. B. durch Erhöhung der Sprödigkeit, Inhomogenitäten usw.

Neben der aufwendigeren Herstellung der Verstärkungspartikel hat die Metallhülle jedoch einen entscheidenden Nachteil. Dadurch wird nämlich die Größe der Verstärkungspartikel begrenzt. Um die Metallhülle aufzuschmelzen, darf diese nämlich nicht zu groß sein. D.h., bei Verstärkungspartikeln mit einer größeren Korngröße wird der Durchmesser der Metallhülle und damit die Masse der Metallhülle so groß, daß die Energie, die während der extrem kurzen Flugzeit beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen auf die Metallhülle übertragen wird, nicht mehr ausreicht, um diese aufzuschmelzen.

So beträgt nach der DE-OS 42 29 006 die Korngröße der Partikel maximal 50 µm oder nach EP-OS 375 931 53 µm, und zwar die Korngröße der ummantelten Partikel, d. h. die Korngröße der Verstärkungspartikel, also der Kerne, ist noch wesentlich kleiner.

Aufgabe der Erfindung ist es, ohne Beeinträchtigung seiner übrigen Eigenschaften ein Bauteil aus einer Metallegierung wesentlich zu verstärken.

Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen eine Verstärkungsschicht, also eine Schicht aus einer Metallmatrix mit darin eingebetteten Verstärkungspartikeln gebildet, die einen hohen Dichtegrad von 99,5 Vol.-% oder mehr aufweist, und zwar mit einer Dicke von mindestens 1 mm bis zu mehreren, beispielsweise 5 oder gar 10 mm. D. h., die Verstärkungsschicht weist eine so hohe Festigkeit auf, daß sie, losgelöst vom Grundwerkstoff, einen freitragenden Körper bilden wurde.

Der Grundwerkstoff, also der Werkstoff, aus dem das Bauteil besteht, kann eine Leichtmetallegierung sein, also insbesondere eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung. Jedoch ist auch die Verstärkung von Bauteilen aus anderen Metallen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, insbesondere von Bauteilen aus Kupfer- oder Nickellegierungen, Stahl oder Grauguß.

Der Gehalt der Verstärkungspartikel in der Verstärkungsschicht kann dabei über die gesamte Dicke der Verstärkungsschicht gleich sein oder sich graduell ändern. So kann der Gehalt der Verstärkungspartikel in dem dem Bauteil zugewandten Bereich der Verstärkungsschicht gering oder Null sein, um durch einen hohen Metallgehalt der Verstärkungsschicht eine feste Bindung mit dem Bauteil zu erreichen.

Im allgemeinen beträgt der Gehalt der Verstärkungspartikel in der Verstärkungsschicht jedoch höchstens 50 Vol.-%, damit der hohe Dichtegrad von 99,5 Vol.-% erreicht wird. Damit eine ausreichende Verstärkung erzielt wird, sollte der Gehalt der Verstärkungspartikel in der Verstärkungsschicht jedoch nicht weniger als 10 Vol.-% und bei Aufbringen einer Verstärkungsschicht mit sich graduell änderndem Verstärkungspartikelgehalt im Mittel nicht weniger als 10 Vol.-% betragen.

Die Teilchengröße der Verstärkungspartikel beträgt vorzugsweise nicht mehr als 100 µm, da sonst eine zu rauhe Oberfläche auftritt. Um ein Durchschmelzen der Metallegierungspulverteilchen sicherzustellen, sollte auch die Teilchengröße der Metallegierungspulverteilchen nicht größer als 100 µm sein.

Das Metallegierungspulver besteht vorzugsweise aus einer Leichtmetallegierung, insbesondere einer Aluminium-, Magnesium- oder Titanlegierung.

Die Verstärkungspartikel können aus einem keramischen Material bestehen, wie Siliciumcarbid (SiC), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Borcarbid (B₄C), Magnesiumoxid (MgO), Titanborid (TiB₂) oder Gemischen davon. Siliciumcarbid und Aluminiumoxid werden wegen ihrer großen Härte und ihres geringen spezifischen Gewichts bevorzugt. Es können jedoch auch andere Hartstoffe eingesetzt werden, also Stoffe, die eine Mohssche Härte von wenigstens 8 aufweisen.

Weiterhin sind als Verstärkungspartikel metallische Partikel, z. B. aus Titan, Nickel oder Wolfram, einsetzbar, desgleichen Partikel aus Silicium-Metall.

Ferner können Gleitstoffpartikel zugesetzt werden, beispielsweise Bornitrid (BN) oder Graphit.

Die Verstärkungspartikel werden dabei vorzugsweise im gemahlenen Zustand ohne Nachbehandlung, d. h. mit einer freien Oberfläche eingesetzt, also insbesondere nicht mit einer Metallschicht bedeckt, wie die Hartstoffpartikel, die sonst zum Flammspritzen verwendet werden. Wenn die keramischen Partikel, also z. B. SiC- oder WC-Partikel, mit einer Metallschicht bedeckt werden, wird nämlich das Metall durch die Wärmeleitung des keramischen Materials nicht durchgeschmolzen, so daß der erfindungsgemäße hohe Dichtegrad von mindestens 99,5 Vol.-% nicht erreichbar ist.

Um andererseits die unbedeckten Verstärkungspartikel nicht zu schädigen, erfolgt erfindungsgemäß das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit einer relativ niedrigen Temperatur, so daß die Teilchen beim Auftreffen auf das zu beschichtende Bauteil eine Temperatur aufweisen, die um lediglich 200 bis 400°C über dem Schmelzpunkt des Metallegierungspulvers liegt, bei Verwendung einer Aluminiumlegierung als Metallegierung, also beispielsweise bei 800 bis 950°C. Die Auftrefftemperatur kann mit einem Hochgeschwindigkeitspyrometer bestimmt werden. Zugleich verhindert die hohe Geschwindigkeit der Partikel beim Auftreffen von ca. 400 bis 900 m/s und damit deren extrem kurze Flugzeit eine Beeinträchtigung der Verstärkungspartikel. Andererseits führen die mit hoher Geschwindigkeit auftreffenden Verstärkungspartikel zu einer Verdichtung der geschmolzenen, vorher auf die Oberfläche der Verstärkungsschicht aufgetroffenen Metallegierungströpfchen und damit zu einem hohen Dichtegrad.

Zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Gemisch aus einem Pulver der Verstärkungspartikel sowie dem Metallegierungspulver verwendet.

Es ist jedoch auch möglich, die Verstärkungspartikel durch in situ Reaktion zu bilden. Damit können z. B. Verstärkungspartikel aus Titancarbid (TiC), Tantalcarbid (TaC), Borcarbid (B₄C), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄) oder Bornitrid (Bn) gebildet werden. Bei der in situ Bildung werden im allgemeinen die das keramische Verstärkungsmaterial bildenden Elemente in der Metallschmelze umgesetzt, wodurch es sich als fein verteilte Dispersion in der Metallmatrix ausscheidet.

So kann zum Hochgeschwindigkeitsflammspritzen beispielsweise ein Gemisch aus einem Aluminiumpulver, Titanpulver und Kohlenstoffpulver verwendet werden, um TiC-Verstärkungspartikel zu bilden. Wenn statt dem Titanpulver ein Tantal-, Bor- oder Siliciumpulver zugegeben wird, entstehen TaC-, B₄C- oder SiC-Verstärkungspartikel. Statt der Metallpulver bzw. reinem Bor- oder Siliciumpulver können auch Metallegierungen bzw. Bor- oder Siliciumlegierungen eingesetzt werden, um die Verstärkungspartikel in situ zu bilden. Die Verstärkungspartikel können in situ durch Fest/Fest-, Gasförmig/Fest-, Flüssig/Flüssig-, Gasförmig/Flüssig-Re­ aktionen entstehen.

Weiterhin kann durch Einlagerung bestimmter Partikel in das Bauteil dessen Dämpfungsverhalten gezielt beeinflußt werden. So können z. B. Partikel aus Polymeren, beispielsweise Fluorkohlenstoff-Polymeren, wie Polytetrafluorethylen, eingesetzt werden. Alle Partikel, die sich vom E-Modul von der Matrixlegierung unterscheiden, wie Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, verändern den E-Modul der Verbundschicht und damit das Eigenresonanzverhalten. Damit wird direkt das Dämpfungsverhalten verändert bzw. verbessert. Auch ist die Einlagerung feinste Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid-Par­ tikel möglich, z. B. aus Pulvern, die durch mechanisches Legieren hergestellt werden.

Als Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole wird vorzugsweise eine Spritzpistole verwendet, bei der Luft zugeführt wird, um einen Kühlluftmantel zwischen dem Spritzstrahl und der Innenwand der Laval-Düse und des Expansionsrohres zu erzeugen. Damit wird verhindert, daß die geschmolzene Metallegierung sich an der Innenwand der Laval-Düse bzw. des sich daran anschließenden Expansionsrohres ansammelt, das zu diesem Zweck vorzugsweise sehr kurz ausgebildet wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist vielseitig anwendbar. Es kann zur Herstellung von Reibbelägen, z. B. von Kupplungsscheiben, zur Versteifung von Lagerschalen, z. B. von Gleitlagern, zur Versteifung der Ringnuten für Kolbenringe, zur Versteifung von Kolbenböden, also um die zylindrische Geometrie des Kolbens zu erhalten, zur Beschichtung von Zylinderlaufflächen, zur Beschichtung von Fahrzeugeinstiegen, also der Fahrzeugtürschwelle oder zur Herstellung anderer Trittbeläge sowie zur Verstärkung von Wellen eingesetzt werden.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Verfahren für Bauteile in der Luft- und Raumfahrt geeignet, z. B. Treibstoffventile, Kolben, Buchsen und dgl., sowie für Bauteile für Bahnsysteme, aber auch im konventionellen Maschinenbau.

Als besonders geeignet hat sich das erfindungsgemäße Verfahren jedoch zur Herstellung der Bremsscheiben von Scheibenbremsen erwiesen. Dies sei anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert, deren einzige Figur schematisch einen Schnitt durch eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole zur Beschichtung einer Bremsscheibe einer Scheibenbremse zeigt.

Die Hochgeschwindigkeitsflammspritzpistole 1 weist eine Brennkammer 2 auf, der über einen Anschluß 3 das Brenngas und Sauerstoff zugeführt wird und über den Anschluß 4 von einer Mischkammer das Spritzpulvergemisch aus dem Verstärkungspartikelpulver, z. B. aus Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid, und einem Leichtmetallpulver, z. B. einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, wobei der Anteil des Siliciumcarbids bzw. des Aluminiumoxids an dem Spritzpulvergemisch 20 bis 40 Vol.-% betragen kann.

Der Spritzstrahl 5 wird in der Laval-Düse 6 und der Expansionsdüse 7 beschleunigt. Eine Kohlendioxidkühlung 8 ist im Bereich der Auftreffstelle 9 angeordnet. Die Bremsscheibe 10 rotiert mit einer Dreheinrichtung 11 während des Spritzvorgangs. Sie weist eine Ringnut 12 auf, die mit der Verstärkungsschicht 13 aufgefüllt wird. Die Pistole 1 wird dabei in radialer Richtung hin und her bewegt.

Die Bremsscheibe 10 besteht aus einer Aluminiumlegierung, also einem duktilen, warmfesten Trägerwerkstoff. Zugleich kann sie wie die herkömmlichen Bremsscheiben mit Kühlkanälen versehen sein.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die lokale Einbettung der Verstärkungspartikel im Bereich der Reibfläche der Bremsscheibe 10 ein hoher Verstärkungspartikelgehalt bei einem sehr hohen Dichtegrad und damit hoher Festigkeit der Reibfläche erreicht. Wenn die gebildete Metallmatrixverbundwerkstoffschicht 13 mit einer Metallmatrix aus einer Aluminiumlegierung und Verstärkungspartikeln aus Siliciumcarbid oder Aluminiumoxid besteht, wird sowohl eine lange Lebensdauer der Bremsscheibe wie der Bremsbeläge der Scheibenbremse gewährleistet. Da nur eine lokale Verstärkung der Bremsscheibe erfolgt, ist der Kostenaufwand gering.

Claims (16)

1. Verfahren zur Verstärkung eines Bauteils, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Bauteil durch Hochgeschwindigkeitsflammspritzen mit einem Pulver einer Metallegierung eine Verstärkungspartikel enthaltende Verstärkungsschicht mit einem Dichtegrad von mindestens 99,5 Vol.-% in einer Dicke von mindestens 1 mm aufgetragen wird, wobei unbedeckte Verstärkungspartikel verwendet werden und die Pulverteilchen beim Auftreffen auf das Bauteil bei einer Temperatur, die um 200 bis 400°C über dem Schmelzpunkt der Metallegierung liegt, gehalten werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Bauteil eine Leichtmetall-, eine Kupfer-, eine Nickel- oder eine Stahl- oder Graugußlegierung verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Leichtmetallegierung eine Aluminium- oder Magnesiumlegierung eingesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abnahme des Gehaltes der Verstärkungspartikel in der Verstärkungsschicht zum Bauteilkern hin eingestellt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gehalt der Verstärkungspartikel in der Verstärkungsschicht von höchstens 50 Vol.-% eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Teilchengröße der Verstärkungspartikel zwischen 1 und 100 µm und des Metallegierungspulvers 5 bis 100 µm eingesetzt werden.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallegierungspulver eine Leichtmetallegierung verwendet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Aluminium-, Magnesium- oder Titanlegierung verwendet wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Verstärkungspartikel aus einem keramischen Material, einem Metall mit einem höheren Schmelzpunkt als das Metallegierungspulver und/oder Silicium verwendet werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als keramisches Material Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Borcarbid, Magnesiumoxid und/oder Titandiborid verwendet werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Titan, Nickel oder Wolfram verwendet werden.

12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulvergemisch aus Verstärkungspartikel und Metallegierung Gleitstoffpartikel zugesetzt werden.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungspartikel durch in situ Reaktion beim Hochgeschwindigkeitsflammspritzen gebildet werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkungspartikel aus Titancarbid, Tantalcarbid, Borcarbid, Siliciumcarbid, Siliciumnitrid oder Bornitrid in situ gebildet werden.

15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Auftrefftemperatur des Spritzstrahls 800 bis 950°C eingestellt werden.

16. Anwendung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Herstellung einer Bremsscheibe oder von Reibbelägen, zur Versteifung von Lagerschalen, der Ringnuten für Kolbenringe, des Kolbenbodens oder von Wellen sowie zur Beschichtung von zylinderlaufflächen, Ventilen, Fahrzeugeinstiegen oder Trittbelägen.