EP0292777A1 - Verfahren zur Herstellung eines keramikbeschichteten metallischen Bauteils - Google Patents

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    • F05C2203/00—Non-metallic inorganic materials
    • F05C2203/08—Ceramics; Oxides

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
  • the applicant has described a method by means of which castings made of metallic material can be provided with a cast-in smooth lining, for. B. so-called portliner of internal combustion engines.
  • layers are applied successively to a lost core by means of flame or plasma spraying, the composition of which is varied in such a way that a purely ceramic composition gradually becomes a finally purely metallic composition.
  • An arbitrarily thick layer of metal can be cast onto the latter to complete the component.
  • the graded transition from ceramic to metal leads to a gradual reduction of the stresses caused by the different thermal expansion of the two materials in the component.
  • the object of the present invention is an alternative solution to the same technical problem, namely a coating of metallic components, preferably on the inside of those components that are hollow.
  • the first ceramic layer essentially forms the desired thermal protective layer and must be dimensioned with regard to its thickness and porosity; Layers (which can be produced by several conventional methods) of 2 to 3 mm thickness (if necessary from several, applied in succession Partial layers put together) appear suitable.
  • the sliding layer in turn only needs to have a thickness of 0.05 to 0.1 mm and, due to its ductility (which is also the case with the use of metal at these small thicknesses), reduces stresses by sliding the two ceramic layers against one another.
  • a layer thickness of 0.1 to 1 mm is recommended for the second ceramic layer.
  • the second claim teaches a method of how the required joints can be made in a defined size and frequency.
  • Various plastics appear suitable for the production of the grid.
  • Preferred materials for the production of the first ceramic layer are designated by the third claim. Like the materials proposed below for the second ceramic layer, they have a low modulus of elasticity, which dampens the transmission of vibrations to the metal parts.
  • the method according to the invention appears particularly suitable for providing the inside of hollow bodies with ceramic protective layers.
  • the use of lost cores, from which the component is built, is recommended. If the procedure according to claim 11 is followed, a very smooth inner surface of the coated component can be achieved. If low-melting metals are used, the glass can be replaced with a suitable plastic.
  • a lost ceramic core 1 was applied by means of plasma or flame spraying a first ceramic layer 2 several millimeters thick, then a very thin sliding layer 3 made of metal, boron nitride or molybdenum disulphide and a second ceramic layer 4 on this in turn by the same method is divided into individual fields by thin joints 5; the joints 5 represent the gaps left by the burning of a lattice that previously took their place.

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Abstract

Zur Herstellung einer sowohl vibrationsfesten als auch temperaturwechselbeständigen, wärmeisolierenden Keramikauskleidung in hohlen Bauteilen, z. B. Abgaskrümmern von Verbrennungskraftmaschinen wird ein Verfahren angegeben, bei dem auf einer Form (1) zunächst eine erste Keramikschicht (2) aufgebracht wird, auf diese anschließend eine sehr dünne Gleitschicht (3), z. B. aus Metall und auf diese wiederum eine zweite Keramikschicht (4), die durch Mikrofugen (5) in einzelne Felder geteilt wird. Durch Umgießen mit Metall (6) wird schließlich das Bauteil fertiggestellt. Bedingt durch die Fugen kann die zweite Keramikschicht besser den stärkeren Wärmedehnungen des Metallkörpers folgen. Ein weiterer Spannungsausgleich zwischen erster und zweiter Keramikschicht erfolgt über die duktile Gleitschicht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des 1. Anspruchs. In ihrer nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldung P 37 05 903.3 hat die Anmelderin ein Verfahren beschrieben, mittels dessen Gußteile aus metallischem Werkstoff mit einer eingegossenen glatten Auskleidung versehen werden können, z. B. sogenannte Portliner von Verbrennungs­kraftmaschinen. Hier werden auf einen verlorenen Kern mittels Flamm- oder Plasmaspritzen nacheinander Schichten aufgebracht, deren Zusammensetzung so variiert wird, daß allmählich von einer rein keramischen Zusammensetzung zu einer schließlich rein metallischen Zusammensetzung gelangt wird. An letztere kann zur Fertigstellung des Bauteiles eine beliebig dicke Schicht Metall angegossen werden. Durch den gradierten Übergang von Keramik zu Metall wird ein allmählicher Abbau der durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung der beiden Werkstoffe im Bauteil hervorgerufenen Spannungen erreicht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist eine Alternativlösung für das gleiche technische Problem, nämlich eine Beschichtung von metallischen Bauteilen, vorzugsweise auf der Innenseite solcher Bauteile, die hohl sind.
  • Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im kennzeichnenden Teil des 1. Anspruchs angegebenen Verfahrensschritte. Die erste Keramikschicht bildet im wesentlichen die gewünschte thermische Schutzschicht und ist mit Rücksicht hierauf in ihrer Dicke und Porosität zu bemessen; Schichten (die auf mehrere, herkömmliche Verfahrensweisen hergestellt werden können) von 2 bis 3 mm Dicke (ggf. aus mehreren, hintereinander aufgebrachten Teilschichten zusammengesetzt) erscheinen geeignet. Die Gleitschicht ihrerseits braucht nur eine Dicke von 0,05 bis 0,1 mm aufzuweisen und bewirkt vermöge ihrer Duktilität (die bei diesen geringen Dicken auch bei Verwendung von Metall gegeben ist) einen Abbau von Spannungen durch ein Aneinanderabgleiten der beiden Keramikschichten. Für die zweite Keramikschicht empfiehlt sich eine Schichtdicke von 0,1 bis 1 mm. Das Aufteilen derselben auf zahlreiche Segmente, die durch Fugen von wenigen Hundertstel mm voneinander getrennt sind, bietet eine Möglichkeit, die nach dem Umgießen der Schicht mit dem Metall durch dessen größere Wärmekontraktion bei der Abkühlung auftretenden Spannungen durch ein Schließen dieser Fugen zu verringern. Bei späterer erneuter Temperaturerhöhung im Betrieb folgt die zweite Keramikschicht durch erneutes Öffnen derselben.
  • Der 2. Anspruch lehrt ein Verfahren, wie die geforderten Fugen in definierter Größe und Häufigkeit hergestellt werden können. Verschiedene Kunststoffe erscheinen für die Herstellung des Gitters geeignet.
  • Bevorzugte Werkstoffe für die Herstellung der ersten Keramikschicht werden durch den 3. Anspruch bezeichnet. Sie weisen ebenso wie die weiter unten für die zweite Keramikschicht vorgeschlagenen Werkstoffe einen geringen E-Modul auf, wodurch die Übertragung von Vibrationen auf die Metallteile gedämpft wird.
  • Der 4., 5. und 6. Anspruch lehrten alternative Werkstoffe, die für die Herstellung der Gleitschicht geeignet sind.
  • Für die Bildung der zweiten Keramikschicht geeignete Werkstoffe werden schließlich im 7. Anspruch vorgeschlagen, die die geforderte Temperaturwechselfestigkeit bei guten mechanischen Eigenschaften und ausreichender chemischer Beständigkeit aufweisen.
  • Die im 8. Anspruch für die Herstellung der Keramikschichten und im 9. Anspruch für die Herstellung der Gleitschicht vorgeschlagenen, eng verwandten Verfahren eignen sich besonders zur Herstellung dünner, gleichmäßiger Schichten auf kompliziert geformten Oberflächen. An ihrer freien Oberfläche weisen sie eine gewisse Rauhigkeit auf, die der besseren Verzahnung der einzelnen Schichten untereinander dienlich ist.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren erscheint besonders geeignet, das Innere von Hohlkörpern mit keramischen Schutzschichten zu versehen. Dazu empfiehlt sich die im 10. Anspruch vorgeschlagene Verwendung verlorener Kerne, von denen ausgehend das Bauteil aufgebaut wird. Wird entsprechend dem 11. Anspruch verfahren, kann eine sehr glatte Innenoberfläche des beschichteten Bauteils erzielt werden. Bei Verwendung niedrig­schmelzender Metalle kann das Glas durch einen geeigneten Kunststoff ersetzt werden.
  • Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt, und zwar im Längsschnitt am Beispiel des Abgaskrümmers einer Verbrennungskraftmaschine. Die Dicken der einzelnen Schichten sind der Darstellbarkeit zuliebe stark übertrieben. Auf einen verlorenen Kern 1 aus Glas wurde mittels Plasma- oder Flammspritzen eine mehrere Millimeter dicke erste Keramikschicht 2 aufgebracht, auf diese dann eine sehr dünne Gleitschicht 3 aus Metall, Bornitrid oder Molybdändisulfid und auf diese wiederum nach dem gleichen Verfahren eine zweite Keramikschicht 4. Diese wird durch dünne Fugen 5 in einzelne Felder geteilt; dabei stellen die Fugen 5 die durch das Verbrennen eines vorher ihre Stelle einnehmenden Gitters hinterlassenen Lücken dar. Durch ein Umgießen des so hergestellten Gebildes mit einem den eigentlichen Körper des Bauteils bildenden Metall 6, z. B. Aluminium- oder Eisenguß und anschließende Zerstörung des Kernes 1 wird das Bauteil fertiggestellt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines mit einer Keramikauskleidung versehenen metallischen Bauteils in einer Form (1), wobei auf diese eine erste Keramikschicht (2) aufgebracht wird, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
a) Aufbringen einer Gleitschicht (3) auf die erste Keramik­schicht (2),
b) Aufbringen einer zweiten, durch Fugen (5) in einzelne Bereiche geteilten Keramikschicht (4),
c) in an sich bekannter Weise Umgießen der zweiten Keramik­schicht (4) mit Metall (6) zum fertigen Bauteil.
2. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Fugen (5) in der zweiten Keramikschicht (4) durch ein auf die Gleitschicht (3) aufgelegtes Gitter aus einem Werkstoff vorgegeben werden, der durch den Vorgang des Aufbringens der Schicht und/oder durch das Umgießen verbrannt oder sublimiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die erste Keramikschicht (2) aus Aluminium-Titan-Oxyd, Magnesium-Aluminium-Silikat, Zirkonsilikat oder Mullit hergestellt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3) aus einem Metall hergestellt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3) aus Titan oder aus einer Nickel-Aluminium-, Nickel-Chrom-, Nickel-Chrom-Aluminium-Yttrium-, Nickel-Kobalt-Chrom-Aluminium-­Yttrium- oder Kobalt-Chrom-Aluminium-Yttrium-Legierung hergestellt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3) aus Molybdändisulfid oder Bornitrid besteht.
7. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Keramikschicht (4) aus Aluminiumtitanoxyd, Zirkonoxyd/Magnesiumoxyd, Zirkonoxyd/Yttriumoxyd, Zirkonsiliziumoxyd, Magnesium-Aluminium-Silikat, Aluminiumoxyd/Siliziumoxyd, Quarzgut, Mullit oder Spinell hergestellt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Keramikschicht (2, 4) durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragen werden.
9. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitschicht (3) durch Plasma- oder Flammspritzen aufgetragen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 zur Herstellung eines auf seiner Innenseite mit einer Keramikauskleidung (2, 4) versehenen hohlen Bauteils (6),dadurch gekennzeichnet, daß als Form ein verlorener Kern (1) verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10,dadurch gekennzeichnet, daß ein Kern (1) aus Glas verwendet wird.
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