EP0355430A2 - Reibungsbeanspruchtes Aluminiumbauteil - Google Patents

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EP0355430A2
EP0355430A2 EP89113552A EP89113552A EP0355430A2 EP 0355430 A2 EP0355430 A2 EP 0355430A2 EP 89113552 A EP89113552 A EP 89113552A EP 89113552 A EP89113552 A EP 89113552A EP 0355430 A2 EP0355430 A2 EP 0355430A2
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EP
European Patent Office
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intermediate layer
coating
aluminum
hardness
base material
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP89113552A
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EP0355430A3 (de
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Alfred Rutka
Götz Mielsch
Rudolf Dr. Flierl
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0355430A2 publication Critical patent/EP0355430A2/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C25D15/02—Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D5/00—Electroplating characterised by the process; Pretreatment or after-treatment of workpieces
    • C25D5/10—Electroplating with more than one layer of the same or of different metals
    • C25D5/12—Electroplating with more than one layer of the same or of different metals at least one layer being of nickel or chromium
    • C25D5/14—Electroplating with more than one layer of the same or of different metals at least one layer being of nickel or chromium two or more layers being of nickel or chromium, e.g. duplex or triplex layers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02—Surface coverings of combustion-gas-swept parts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
    • F05C2201/00—Metals
    • F05C2201/02—Light metals
    • F05C2201/021—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to an aluminum component subjected to friction, in particular a valve lifter or a piston of an internal combustion engine, which has a surface coating with a hardness that is significantly higher than that of the aluminum base material.
  • Coated aluminum components of this type are sufficiently known and can also be designed, for example, as a valve guide. Examples of such components can be found in DE-OS 27 49 227 or DE-OS 29 29 890.
  • the invention is not limited to the components mentioned above, but lends itself wherever the correspondingly high requirements explained below are made.
  • valve tappets made of an aluminum base structure in aluminum cylinder heads of internal combustion engines Arrange material, because the matching thermal expansion coefficient, regardless of the prevailing temperature conditions, always ensures optimal guidance of the valve lifter.
  • the object of the invention is to demonstrate a coated, friction-stressed aluminum component that is further improved in terms of mechanical stability. This object is achieved by the characterizing features of the first claim.
  • a solution to the further problem of demonstrating a coating method which is advantageous for the aluminum component developed according to claim 3 is specified in the fourth patent claim. Further advantageous training and further education describe the other subclaims.
  • at least one additional intermediate layer is provided between the aluminum base material and the actual surface coating, the hardness of which lies between the hardness values specified by the aluminum base material and the surface coating.
  • the properties of this intermediate layer are much more similar to those of the aluminum base material than the actual surface coating. On the other hand, since there are certain similarities in properties to the latter, this intermediate layer prevents this Possible fatigue cracks.
  • This intermediate layer can be designed to be completely stress-free, but it is also possible, for example, to build up internal stress in the intermediate layer by adding hardness formers and thus to apply targeted shrinkage stresses.
  • a particularly high level of stability is achieved with a so-called “gradient coating" according to claim 2.
  • gradient coating For example, by continuously adding a hardness former to the material of the intermediate layer, an equally continuously increasing hardness curve can be built up in this.
  • an advantageous coating material the mechanical properties of which can be easily influenced by adding a hardening agent, for example saccharin, is specified in the third claim.
  • the surface coating is designed as a nickel dispersion layer with inserted wear particles, for example in the form of silicon carbide.
  • Claim 7 finally specifies how the so-called “gradient coating” according to claim 2 can be represented in a simple manner. This is used strongly temperature-dependent absorption behavior of saccharin on activated carbon.
  • Pockets 2 which have a depth of approximately 1 to 5 ⁇ m, are first etched into the surface of an aluminum component 1, which is only shown in fragments and which in particular represents a valve tappet or a piston of an internal combustion engine. This is done by placing the aluminum component 1 in a solution of potassium monopersulfate and hydrochloric acid. Since the aluminum component was pretreated with nickel chloride for chemical nickel deposition in a previous step, the nickel layer partially dissolved in potassium monopersulfate. The existing chloride ions of hydrochloric acid are reduced to nascent chlorine and cause pitting in the aluminum. Then the pockets 2 are cleaned in an ultrasonic bath, after which the remaining nickel layer is stripped off, for example, in nitric acid.
  • the pocketed surface of the aluminum base material is activated by placing it in a hydrofluoric acid bath.
  • the intermediate layer according to the invention can be deposited in the form of a nickel layer without internal stresses in a layer thickness of approximately 10 ⁇ m. This process takes place electrolytically in a nickel sulfate bath, to which to a small extent hardening agents, for example in the form of saccharin, can be added. No wear particles are provided in this intermediate layer.
  • the current program to be applied must be coordinated in a known manner in such a way that the pockets 2 are completely filled with nickel.
  • the resulting intermediate layer is designated by the number 3.
  • a known nickel dispersion layer 4 with high compressive stresses and high hardness is applied to this intermediate layer 3 without further intermediate treatment in order to increase the wear resistance.
  • the layer thickness set using the appropriate current program is 30 to 40 m.
  • the specified coating process results in a so-called gradient coating with different internal stresses. While the aluminum base material has a hardness of approximately 140 HV, the hardness of the intermediate layer 3 is approximately 240 HV and the hardness of the nickel dispersion layer 4 is 600 HV. With this structure, the desired hard surface coating adheres optimally to the aluminum component.
  • the heating is low, only a small amount of saccharin is released; if the heating is higher, saccharin can reach the coating bath in a higher concentration.
  • the container is cooled again in order to bind the saccharin returned from the coating bath.

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Abstract

Ein Aluminium-Ventilstößel einer Brennkraftmaschine weist eine Oberflächenbeschichtung in Form einer mit einem Härtebildner versehenen Nickel-Dispersionsschicht auf. Zwischen dem Aluminium-Grundwerkstoff (1) sowie der Oberflächenbeschichtung (4) ist eine Zwischenschicht (3) vorgesehen, deren Härte zwischen der des Aluminium-Grundwerkstoffes sowie der Oberflächenbeschichtung liegt. Auf diese Weise hält der beschichtete Ventilstößel höchsten Flächenpressungen und Schubspannungen Stand.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein reibungsbeanspruchtes Alu­miniumbauteil, insbesondere einen Ventilstößel oder einen Kolben einer Brennkraftmaschine, welches eine Oberflächenbeschichtung mit einer gegenüber dem Alu­minium-Grundwerkstoff deutlich höheren Härte aufweist. Derartige beschichtete Aluminiumbauteile sind hinrei­chend bekannt und können beispielsweise auch als Ven­tilführung ausgebildet sein. Beispiele für derartige Bauteile sind der DE-OS 27 49 227 oder der DE-OS 29 29 890 zu entnehmen. Die Erfindung bleibt dabei nicht auf die oben genannten Bauteile beschränkt, sondern bietet sich überall dort an, wo die im folgenden erläuterten entsprechend hohen Anforderungen gestellt werden.
  • Zur Gewichtsreduzierung insbesondere dynamisch bean­spruchter Bauteile werden diese aus Leichtmetall und dabei insbesondere aus Aluminium-Grundwerkstoffen gefertigt. Derartige Leichtmetalle sind jedoch nicht in der Lage, Schubspannungen und Flächenpressungen im gleichen Maße aufzunehmen wie die bislang üblichen Stahllegierungen. Auch stellt sich bei einer Reibpaarung zweier Aluminiumbauteile kein ausreichender Schmierfilm­aufbau ein. Andererseits ist es beispielsweise er­wünscht, in Aluminium-Zylinderköpfen von Brennkraft­maschinen Ventilstößel aus einem Aluminium-Grundwerk­ stoff anzuordnen, da aufgrund des übereinstimmenden Wärmeausdehnungskoeffizienten unabhängig von den herr­schenden Temperaturverhältnissen stets eine optimale Führung des Ventilstößels gewährleistet ist.
  • Zwar ist es prinzipiell bekannt, reibungsbeanspruchte Aluminiumbauteile mit einem verschleißfesten, gegenüber dem Aluminium-Grundwerkstoff härterem Material zu beschichten, jedoch können die damit bislang erzielten Ergebnisse nur eingeschränkt befriedigen. Insbesondere vermögen diese Beschichtungen oftmals nicht, den auf­tretenden Flächenpressungen sowie Schubspannungen standzuhalten. Schichtablösungen bei mechanischer Beanspruchung sind die Folge.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hinsicht­lich der mechanischen Standfestigkeit weiter verbesser­tes beschichtetes reibungsbeanspruchtes Aluminiumbauteil aufzuzeigen.
    Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Eine Lösung der weiteren Aufgabe, ein für das gemäß Anspruch 3 weitergebildete Aluminiumbauteil vorteilhaftes Beschichtungsverfahren aufzuzeigen, ist im vierten Patentanspruch angegeben. Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen beschrei­ben die übrigen Unteransprüche.
    Erfindungsgemäß ist zwischen dem Aluminium-Grundwerk­stoff sowie der eigentlichen Oberflächenbeschichtung zumindest eine weitere Zwischenschicht vorgesehen, deren Härte zwischen den vom Aluminium-Grundwerkstoff sowie der Oberflächenbeschichtung vorgegebenen Härtewerten liegt. Diese Zwischenschicht ähnelt in ihren Eigen­schaften dem Aluminium-Grundwerkstoff weit mehr als die eigentliche Oberflächenbeschichtung. Da andererseits auch zu letzterer gewisse Eigenschafts-Ähnlichkeiten vorhanden sind, verhindert diese Zwischenschicht das Auftreten eventueller Ermüdungsrisse. Dabei kann diese Zwischenschicht vollständig spannungsfrei ausgebildet sein, es ist jedoch ebenso möglich, beispielsweise durch Zugabe von Härtebildnern in der Zwischenschicht eine innere Spannung aufzubauen und somit gezielte Schrumpf­spannungen aufzubringen. Eine besonders hohe Stand­festigkeit ergibt sich mit einer sog. "Gradientenbe­schichtung" gemäß Anspruch 2. Beispielsweise durch kontinuierliche Zugabe eines Härtebildners zum Material der Zwischenschicht läßt sich in dieser ein ebenso kontinuierlich ansteigender Härteverlauf aufbauen.
  • Ein vorteilhaftes Beschichtungsmaterial, welches in seinen mechanischen Eigenschaften durch Beigabe eines Härtebildners, beispielsweise Saccharin, einfach beein­flußbar ist, ist im dritten Patentanspruch angegeben. Wie an sich bekannt, ist dabei die Oberflächenbeschich­tung als Nickel-Dispersionsschicht mit eingefügten Verschleißpartikeln, beispielsweise in Form von Sili­ziumcarbid, ausgeführt.
  • Optimale Ergebnisse wurden erzielt, wenn zur Fixierung der Zwischenschicht die Oberfläche des Aluminium-­Grundwerkstoffes lochfrasähnlich mit Taschen versehen wird. Dabei empfiehlt es sich zur besseren Haftung der Zwischenschicht in Form eines sog. Druckknopf­effektes, die lochfraßähnlichen Taschen gemäß Anspruch 6 vollständig mit dem Material der Zwischenschicht auszufüllen. Ein vorteilhaftes Bearbeitungsverfahren zur Erzeugung dieser lochfraßähnlichen Taschen ist im fünften Patentanspruch angegeben.
  • Anspruch 7 gibt schließlich an, wie auf einfache Weise die sog. "Gradientenbeschichtung" gemäß Anspruch 2 dargestellt werden kann. Zunutze gemacht wird dabei das stark temperaturabhängige Absorptionsverhalten von Saccharin an Aktivkohle.
  • Anhand des in der Figurendarstellung gezeigten Prinzip­schnittes durch ein erfindungsgemäßes Aluminiumbauteil wird im folgenden das Beschichtungsverfahren näher erläutert.
    In die Oberfläche eines nur bruchstückhaft gezeigten Aluminiumbauteiles 1, welches insbesondere einen Ventil­stößel oder einen Kolben einer Brennkraftmaschine darstellt, werden zunächst lochfraßähnlich Taschen 2 eingeätzt, welche eine Tiefe von ca. 1 bis 5 µm auf­weisen. Dies geschieht durch Einlegen des Aluminiumbau­teiles 1 in eine Lösung aus Kaliummonopersulfat und Salzsäure. Da in einem vorhergehenden Arbeitsschritt das Aluminiumbauteil mit Nickelchlorid zur chemischen Nickel-Abscheidung vorbehandelt wurde, löst sich die Nickelschicht in Kaliummonopersulfat teilweise wieder auf. Die vorhandenen Chlorid-Ionen der Salzsäure werden zu naszierendem Chlor reduziert und verursachen einen Lochfraßangriff im Aluminium. Anschließend daran werden die Taschen 2 in einem Ultraschallbad gereinigt, wonach die restliche Nickelschicht beispielsweise in Salpeter­säure abgezogen wird.
  • Im nächsten Arbeitsschritt wird die nunmehr mit Taschen versehene Oberfläche des Aluminium-Grundwerkstoffes durch Einlegen in ein Flußsäurebad aktiviert. An­schließend daran kann die erfindungsgemäße Zwi­schenschicht in Form einer Nickelschicht ohne innere Spannungen in einer Schichtdicke von ca. 10 µm abge­schieden werden. Dieser Vorgang erfolgt elektrolytisch in einem Nickelsulfatbad, welchem in geringfügigem Maße Härtebildner, beispielsweise in Form von Saccharin, zugegeben sein können. Irgendwelche Verschleißpartikel sind in dieser Zwischenschicht nicht vorgesehen.
  • Das anzulegende Stromprogramm gilt es in bekannter Weise derart abzustimmen, daß die Taschen 2 vollständig mit Nickel ausgefüllt werden. Die so entstandene Zwischen­schicht ist mit der Ziffer 3 bezeichnet.
  • Auf diese Zwischenschicht 3 wird ohne weitere Zwischen­behandlung eine an sich bekannte Nickel-Dispersions­schicht 4 mit hohen Druckspannungen und hoher Härte zur Steigerung der Verschleißfestigkeit aufgebracht. Die mittels des geeigneten Stromprogrammes eingestellte Schichtdicke liegt dabei bei 30 bis 40 m. Beigegeben sind dieser Nickel-Dispersionsschicht 4 Verschleißteil­chen in Form von Siliziumcarbid sowie ein gegenüber der Zwischenschicht 3 deutlich größerer Härtebildneranteil, beispielsweise in Form von Saccharin.
  • Mit dem angegebenen Beschichtungsverfahren ergibt sich eine sog. Gradientenbeschichtung mit verschiedenen inneren Spannungen. Während der Aluminium-Grundwerkstoff eine Härte von in etwa 140 HV aufweist, liegt die Härte der Zwischenschicht 3 bei ca. 240 HV und die Härte der Nickel-Dispersionsschicht 4 bei 600 HV. Mit dieser Struktur ergibt sich eine optimale Haftung der gewünsch­ten harten Oberflächen-Beschichtung auf dem Aluminium-­Bauteil.
  • Anstelle des oben beschriebenen stufenweisen Härte­gradienten ist es mit Hilfe geeigneter Beschichtungs­verfahren natürlich ebenso möglich, eine nahezu nahtlose Härtesteigerung vom Aluminium-Grundwerkstoff bis zur Nickel-Dispersionsschicht 4 einzustellen. Hierzu können entweder eine Mehrzahl von Zwischenschichten verschie­denartiger Härte vorgesehen sein, oder es wird in einem dafür geeigneten Beschichtungsverfahren kontinuierlich ein stetig steigender Härtebildneranteil zugegeben. Zunutze gemacht werden kann hierzu beispielsweise das stark temperaturabhängige Absorptionsverhalten von Saccharin an Aktivkohle. Demnach wird das als Härte­bildner zum Einsatz kommende Saccharin dem Beschich­tungsbad mittels einer Umwälzpumpe aus einem beheizbaren Behälter zugeführt, der u. a. mit Aktivkohle befüllt ist. Bei geringer Beheizung wird lediglich eine geringe Menge von Saccharin freigegeben, bei stärkerer Beheizung kann Saccharin in höherer Konzentration ins Beschich­tungsbad gelangen. Mit Ende des Beschichtungsprozesses wird der Behälter wieder abgekühlt, um das aus dem Beschichtungsbad zurückgeführte Saccharin wieder zu binden.

Claims (7)

1. Reibungsbeanspruchtes Aluminium-Bauteil, insbeson­dere Ventilstößel oder Kolben einer Brennkraft­maschine, welches eine Oberflächenbeschichtung mit einer gegenüber dem Aluminium-Grundwerkstoff höheren Härte aufweist,
gekennzeichnet durch zumindest eine zwischen dem Aluminium-Grundwerkstoff sowie der Oberflächenbe­schichtung (4) liegende Zwischenschicht (3) von einer bezüglich der Nachbarschichten in etwa mittleren Härte.
2. Aluminium-Bauteil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht (3) vom Grundwerkstoff zur Oberflächenbeschichtung (4) hin nahezu stufenlos ansteigende Härtewerte auf­weist.
3. Aluminium-Bauteil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenbe­schichtung (4) eine galvanisch erzeugte Nickel-­Dispersionsschicht mit einem gewünschten Härte­bildneranteil und die Zwischenschicht (3) eine Nickelschicht mit (einem) demgegenüber geringeren Härtebildneranteil(en) darstellt.
4. Beschichtungsverfahren für ein Aluminium-Bauteil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Aufbringen der Schichten (3, 4) in die Oberfläche des Aluminium-­Grundwerkstoffes lochfrasähnlich Taschen (2) zur Fixierung der Zwischenschicht (3) eingebracht werden.
5. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen der Taschen durch Ätzen unter Zuhilfenahme von Chlo­ridionen erfolgt.
6. Beschichtungsverfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines an die chemischen Zusammensetzungen angepaßten Strompro­grammes die lochfrasähnlichen Taschen (2) voll­ständig mit dem Material der Zwischenschicht (3) ausgefüllt werden.
7. Beschichtungsverfahren für ein Aluminium-Bauteil nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß während des Beschich­tungsprozesses das als Härtebildner zum Einsatz kommende Saccharin einem Beschichtungsbad in ansteigender Konzentration zugeführt wird, wobei die Zufuhr aus einem temperierbaren, mit das Saccharin bindender Aktivkohle befüllten Behälter erfolgt.
EP19890113552 1988-08-23 1989-07-24 Reibungsbeanspruchtes Aluminiumbauteil Withdrawn EP0355430A3 (de)

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