EP0896073B1 - Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine - Google Patents

Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine Download PDF

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EP0896073B1
EP0896073B1 EP98113380A EP98113380A EP0896073B1 EP 0896073 B1 EP0896073 B1 EP 0896073B1 EP 98113380 A EP98113380 A EP 98113380A EP 98113380 A EP98113380 A EP 98113380A EP 0896073 B1 EP0896073 B1 EP 0896073B1
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EP
European Patent Office
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preferably approximately
silicon
maximum
particles
alloy
Prior art date
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EP98113380A
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Herbert Gasthuber
Tilmann Dr. Haug
Axel Heuberger
Patrick Izquierdo
Harald Pfeffinger
Helmut Pröfrock
Wolfgang Reichle
Franz Dr. Rückert
Peter Stocker
Michael Voit
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Mercedes Benz Group AG
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DaimlerChrysler AG
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C28/00—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying

Definitions

  • the invention relates to a coating of a cylinder surface of a reciprocating engine with an aluminum / silicon composite material and a method for producing the coating, as both are used in industry.
  • the typical wall thickness of such rifles is 2 to 3 mm. Subsequently, the inside of the liner is coarse and fine twisted, honed and exposed. This solution is associated with constructive, manufacturing and not least economic disadvantages such as limited adhesion of the AlSi10 melt on the bush surface, complex handling and high price.
  • the jack wall thickness affects the minimum cylinder spacing.
  • the web width should be as low as possible, especially for future engines of small design, because it also determines the minimum external dimensions of the engine.
  • Thermal spraying offers further possibilities for applying wear-resistant coatings to the cylinder wall of the crankcase.
  • the basic principle of thermal spraying is that a fusible or teilschmelzbarer material is melted in a high-speed hot gas jet to small spray droplets and accelerated in the direction of the surface to be coated (DIN 32530). Upon impact, the spray droplets solidify on the relatively cold metal surface and form a layer layer by layer.
  • the advantage of this coating technology over electro-deposition, chemical or physical vapor deposition is the high application rate, which makes it possible to economically coat a cylinder bore in a few minutes.
  • the methods of thermal spraying differ according to the mode of production and the properties of the high-speed hot gas jet.
  • the object of the invention is to develop a coating for cylinder surfaces, which can be easily and inexpensively manufactured in high quality. It is another object of the invention to provide a method with which appropriate coatings can be applied.
  • the cylinder surface of a die-cast engine block preferably based on iron or light metals - especially aluminum and magnesium - are coated directly by a thermal spraying process with a wear-resistant coating of aluminum and silicon, whereby the hitherto conventional and complicated liner solution is replaced.
  • Another advantage is that the thickness of the actual, tribological running layer on the tribologically non-executable, but good to be cast and machined crankcase is significantly reduced. With 0.1 to 0.2 mm, it is less than 1/10 of today's common box wall thickness and therefore offers the opportunity to build significantly more compact engines.
  • plasma spraying is used to produce the wear-resistant aluminum-silicon coating, because this non-equilibrium process can also be used to form microstructures which otherwise can not be produced metallurgically. Because of the high energy density and the large Parametervieliere the method z. B. almost defined oxides are formed in the layer structure of the coating, which contribute significantly to the wear resistance of the layers.
  • agglomerated spray powders can also be used to add any desired foreign materials to the layer, even those with melting points which differ significantly from the aluminum alloy, such as hard metal or ceramic particles, but also dry lubricants.
  • the coating can also be very accurately applied to the cylinder wall of the crankcase and thereby set a fine surface quality, thereby eliminating costly post-processing steps such as pre-turning and fine turning and thus significantly reduce manufacturing costs.
  • the use of special aluminum / silicon spray powders for the production of the coating in the atmospheric, thermal spraying process produces a heterogeneous layer structure of aluminum mixed crystal, silicon precipitates or particles, intermetallic hare such as Al 2 Cu and Mg during layer-like layer formation 2 Si and extremely finely divided oxides, wherein the formation and distribution of the oxides is due solely to the non-equilibrium properties of the atmospheric, thermal spray processes. Due to the finely divided oxides, the coating has exceptionally good wear resistance.
  • atmospheric plasma spraying is preferred due to the good melting of the spray particles, their good adhesion to the substrate and the moderate heat transfer into the component.
  • spray powders of aluminum / silicon alloys or aluminum / silicon composite materials were developed. In addition to the optimization of the composition, emphasis was placed on the shape of the individual spray powder particles, the powder particle distribution and the flow behavior of the spray powders in the spray powders.
  • Two wettable aluminum / silicon alloy systems were selected by way of example as spraying powder, an alloy A (see FIG. 1) preferably being used for uncoated pistons for cooperation with, in particular, iron-coated pistons and an alloy B (see FIG. 2).
  • FIG. 1 shows a cross-section of the spherical spray particles made from the alloy A, from which the aluminum mixed-crystal structure and the Si primary vacancies can be clearly seen.
  • the microstructure consists of primary aluminum mixed-crystal dendrites in which the dendrite arms are enveloped by eutectic silicon.
  • the size of the dendrite arms varies greatly, so that they can be resolved only conditionally.
  • the fluctuations in the fineness of the present structure comes on the one hand from the fluctuations in temperature and velocity of individual melt droplets and on the other by the different nucleation during the solidification of different melt droplets.
  • Such a fine structure characterizes thermally sprayed layers compared to the microstructures obtained via powder metallic routes and is responsible for the good wear resistance of these layers.
  • the agglomerated composite powders consist of fine silicon particles and fine, metallic particles of an aluminum-silicon alloy, which are bound together by means of inorganic or organic binders, the proportion of silicon particles being 5 to 50% and the proportion of alloy particles being 50 to 95%.
  • the silicon particles have a mean particle size of 0.1 to 10.0 microns, preferably about 5 microns.
  • the metallic particles have an average particle size of 0.1 to 50.0 microns, preferably about 5 microns and consist of either alternatively employable hypoeutectic alloys C or D, or of both alternatively usable überereutekiischen alloys E or F.
  • the inventive coating of a cylinder running surface or bore requires that the casting of the Leichmetallblocks done in the usual way by die-casting, but without the inserted into the mold cylinder liners.
  • the interior of the cylinder bore of the crankcase is then coarsely pre-turned in one operation to ensure the required shape and position tolerances.
  • the aluminum-silicon layer is applied.
  • the coating process can be carried out either in the form that a suitable, commercially available, in the bore around the central axis the cylinder bore rotating inner burner is inserted and moved axially, or a non-rotating burner in the cylinder bore of the rotating crankcase is inserted and guided along the central axis of the cylinder bore to spray the layer at almost right angles to the cylinder wall.
  • the latter is procedurally simpler and safer, because the supply of the necessary media such as electrical energy, cooling water, primary and secondary gas and spray powder by a rotating unit is problematic.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine mit einem Aluminium/Silizium-Verbundwerkstoff sowie ein Verfahren zur Herstellung der Beschichtung, wie beides in der Industrie verwendet wird.
  • Im Automobilbau werden zur Zeit nach und nach die meisten der heute noch dominierenden Graugußkurbelgehäuse von Hubkolbenmaschinen - ihr Anteil lag 1994 in Deutschland noch bei beherrschenden 96%, europaweit bei 82%- durch solche aus Leichtmetallen verdrängt, um das Kraftfahrzeuggesamtgewicht zu verringern und damit die Kraftstoffausnützung zu verbessern. Zur Herstellung von Kurbelgehäusen aus Leichtmetall wird sich aus wirtschaftlichen und technischen Gründen zunächst das Druckgießen von niedrig legiertem Aluminium wie AlSi10 qualifizieren. Solche Legierungen zeigen im Gegensatz zum im Motorenbau etablierten aber erheblich aufwendigeren atmosphärischen Guß von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen wie Alusil (Al-Si17) ein unbefriedigendes Reibungs- und Verschleißverhalten im Kontakt mit Aluminium-Kolben und Kolbenringen und sind daher als Reibpartner ungeeignet.
  • Daher kann für künftige Motoren auf das Eingießen von tribologisch geeigneten Buchsen aus Grauguß oder übereutektischem Aluminium-Silizium nicht verzichtet werden. Zur Herstellung dieser Buchsen werden z. B. nach DE 43 28 619 C2 oder DE 44 38 550 A1 Rohlinge im bekannten Ospray-Verfahren hergestellt und nachträglich mechanisch kompaktiert. Ein leicht abweichender Weg stellt EP 0 411 577 B1 dar, wonach eine übereutektische Legierung im geschmolzenen Zustand aus einer ersten Düse und zugleich feste Siliziumteilchen aus einer weiteren Düse auf eine Trägervorrichtung versprüht werden und dort zu einem Block erstarren. Die halbfertige Buchse wird vor dem Gießen erst in die Gießform eingelegt und dann mit flüssigem Aluminium umgossen. Die typische Wandstärke solcher Büchsen liegt bei 2 bis 3 mm. Anschließend wird das Innere der Laufbüchse grob- und feingedreht, gehont und freigelegt. Diese Lösung ist mit konstruktiven, fertigungstechnischen und nicht zuletzt wirtschaftlichen Nachteilen wie begrenzte Haftung der AlSi10-Schmelze an der Buchsenoberfläche, aufwendige Handhabung und hoher Preis verbunden. Darüberhinaus beeinflußt die Buchsenwandstärke den minimalen Zylinderabstand. Die Stegbreite soll, insbesondere bei zukünftigen Motoren kleiner Bauart, so gering wie möglich sein, weil sie die Mindestaußenabmessungen des Motors mitbestimmt.
  • Das thermische Spritzen bietet weitere Möglichkeiten, verschleißfeste Beschichtungen auf die Zylinderlaufwand der Kurbelgehäuse aufzubringen. Das Grundprinzip des thermischen Spritzens besteht darin, daß ein schmelzbarer bzw. teilschmelzbarer Werkstoff in einem Hochgeschwindigkeit-Heißgasstrahl zu kleinen Spritztröpfchen aufgeschmolzen und in Richtung der zu beschichtetenden Fläche beschleunigt wird (DIN 32530). Beim Aufprallen erstarren die Spritztröpfchen auf der relativ kalt gebliebenen Metalloberfläche und bilden Lage für Lage eine Schicht. Vorteil dieser Beschichtungstechnik gegenüber der E-lektroabscheidung, chemischen oder physikalischen Gasphasenabscheidung ist die hohe Auftragsrate, die es ermöglicht, eine Zylinderbohrung in wenigen Minuten wirtschaftlich zu beschichten. Die Verfahren des thermischen Spritzens unterscheiden sich nach der Erzeugungsart und den Eigenschaften des Hochgeschwindigkeit-Heißgasstrahles.
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschichtung für Zylinderlaufflächen zu entwickeln, die in hoher Qualität einfach und billig hergestellt werden kann. Des weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem entsprechende Beschichtungen aufgetragen werden können.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Beschichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und bzgl. des Verfahrens mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 4 gelöst.
  • Durch die Erfindung kann nach dem eigentlichen Druckgußvorgang die Zylinderlauffläche eines druckgegossenen Motorblocks, der vorzugsweise auf der Basis von Eisen oder Leichtmetallen - insbesondere Aluminium und Magnesium - anhand eines thermischen Spritzverfahrens direkt mit einer verschleißfesten Beschichtung aus Aluminium und Silizium beschichtet werden, wodurch die bislang übliche und aufwendige Laufbuchsenlösung ersetzt ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Dicke der eigentlichen, tribologischen Laufschicht auf dem tribologisch nicht lauffähigen, aber gut zu gießenden und zu bearbeitenden Kurbelgehäuse erheblich reduziert wird. Sie beträgt mit 0,1 bis 0,2 mm weniger als 1/10 der heute üblichen Büchsenwandstärke und bietet daher die Möglichkeit, deutlich kompaktere Motoren zu bauen.
  • Zur Herstellung der verschleißfesten Aluminium-Silizium-Beschichtung wird insbesondere das Plasmaspritzen verwendet, denn mit diesem Nichtgleichgewichtsverfahren lassen sich auch Gefügestrukturen bilden, die sonst metallurgisch nicht darstellbar sind. Wegen der hohen Energiedichte und der großen Parametervielzahl des Verfahrens können z. B. nahezu definiert Oxide in dem Schichtgefüge der Beschichtung gebildet werden, die einen wesentlichen Beitrag zur Verschleißbeständigkeit der Schichten tragen. Durch die Verwendung von agglomerierten Spritzpulvern lassen sich zudem beliebige Fremdmaterialien der Schicht beifügen, auch solche mit sich deutlich von der Aluminium-Legierung unterscheidenden Schmelzpunkten wie Hartmetalloder Keramikpartikel aber auch Trockenschmierstoffe. Von besonderem Vorteil ist auch, daß die erfindungsgemäßen Beschichtung ohne Veränderung der heute installierten Fertigungseinrichtungen in die Serie zu integrieren, wodurch die kostenspielige Fertigung und Handhabung der Zylinderlaufbuchsen entfallen und erhebliche Mengen an Material eingespart werden. Dafür muß die Auftragung der Beschichtung bei hohen Auftragsraten in besonders kurzen Taktzeiten erfolgen.
  • Des weiteren kann die Beschichtung auch sehr formgenau auf die Zylinderlaufwand des Kurbelgehäuses aufgebracht und dabei eine feine Oberflächengüte eingestellt werden, wodurch aufwendige Nachbearbeitungsschritte wie Vordrehen und auch Feindrehen entfallen und somit die Fertigungskosten deutlich zu reduzieren.
  • Durch die Verwendung von speziellen Aluminium/Silizium-Spritzpulvern für die Herstellung der Beschichtung im atmosphärischen, thermischen Spritzverfahren entsteht während der lagenartigen Schichtbildung ein heterogene Schichtgefüge aus Aluminium-Mischkristall, Silizium-Ausscheidungen bzw. -Partikeln, intermetallischen ?hasen wie Al2Cu und Mg2Si und extrem fein verteilten Oxiden, wobei die Bildung und die Verteilung der Oxide ausschließlich auf die Nichtgleichgewichtseigenschaften der atmosphärischen, thermischen Spritzverfahren zurückzuführen ist. Durch die fein verteilten Oxide weist die Beschichtung außergewöhnlich gute verschleißfestigkeit auf.
  • Zur Herstellung der verschleißbeständigen Aluminium/Silizium-Bechichtung durch atmosphärisches thermisches Spritzen wird aufgrund der guten Aufschmelzung der Spritzpartikel, deren guter Haftung auf dem Substrat und der mäßigen Wärmeübertragung ins Bauteil das atmosphärische Plasmaspritzen bevorzugt.
  • Besondere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von Beispielen und in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen nähers erläutert. Dabei zeigt
    • Fig. 1
    ein Schliffaufnahme der sphärischen Spritzpartikel aus der Legierung A und
    Fig. 2
    Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer plasmagespritzten Schicht
  • Um die in den Figuren 1 und 2 dargestellten Schichten herzustellen, wurden Spritzpulver aus Aluminium/Silizium-Legierungen bzw. Aluminium/Silizium-Verbundwerkstoffen entwickelt. Neben der Optimierung der Zusammensetzung wurde bei den Spritzpulvern Wert auf die Form der einzelnen Spritzpulverpartikel, die Pulverkornverteilung und das Fließverhalten der Spritzpulver gelegt. Als Spritzpulver wurden beispielhaft zwei Aluminium/Silizium-Legierungssyteme gewählt, wobei eine Legierung A (siehe Figur 1) für das Zusammenwirken mit insbesondere Eisenbeschichteten Kolben und eine Legierung B (siehe Figur 2) vorzugsweise für unbeschichtete Kolben eingesetzt wird.
  • Beispiele für Legierungen werden in den nachfolgenden Beispielen angegeben, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    • Beispiel 1
  • Die Legierung A ist wie folgt zusammengesetzt: Die vier Legierungen C, D, E, und F sind folgendermaßen zusammengesetzt, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    • Silizium 23,0 bis 40,0%, vorzugsweise etwa 25%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    • Zirkon maximal 0,6%
    • Eisen maximal 0,25%
    • Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
    Beispiel 2
  • Die Legierung B unterscheidet sich von Legierung A durch einen etwas höheren Gehalt an Eisen und Nickel, die etwas höher sind:
    • Silizium 23,0 bis 40,0%, vorzugsweise etwa 25%
    • Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    • Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    • Zirkon maximal 0,6%
    • Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
    Beispiel 3
  • Legierung C:
    • Silizium 0 bis 11,8%, vorzugsweise etwa 9%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    • Zirkon maximal 0,6%
    • Eisen maximal 0,25%
    • Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
    Beispiel 4
  • Legierung D:
    • Silizium 0 bis 11,8%, vorzugsweise etwa 9%
    • Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    • Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    • Zirkon maximal 0,6%
    • Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
    Beispiel 5
  • Legierung E:
    • Silizium 11,8 bis 40%, vorzugsweise etwa 17%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    • Zirkon maximal 0,6%
    • Eisen maximal 0,25%
    • Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium oder
    Beispiel 6
  • Legierung F:
    • Silizium 11,8 bis 40%, vorzugsweise etwa 17%
    • Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    • Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    • Zirkon maximal 0,6%
    • Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
  • In Figur 1 ist eine Schliffaufnahme der sphärischen Spritzpartikel aus der Legierung A dargestellt, aus der die Aluminium-Mischkristallstruktur und die Si-Primärauscheidungen deutlich ersichtlich sind.
  • In Figur 2 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer plasmagespritzten Schicht abgebildet, die mit dem Spritzpulver der Legierung A hergestellt wurde. Der Schliff wurde geätzt, um den Aluminium-Mischkristall anzugreifen und somit die Gefügestruktur zu verdeutlichen. Neben den Silizium-Primärausscheidungen besteht das Gefüge aus primären Aluminiummischkristalldendriten, bei denen die Dendritenarme von eutektischem Silizium umhüllt sind. Die Größe der Dendritenarme schwankt sehr, so daß sie nur bedingt aufgelöst werden können. Die Schwankungen in der Feinheit des vorliegenden Gefüges kommt zum einen von den Schwankungen in Temperatur und Geschwindigkeit einzelner Schmelztropfen und zum anderen von der unterschiedlichen Keimbildung bei der Erstarrung verschiedener Schmelztropfen. Ein solch feines Gefüge kennzeichnet thermisch gespritzten Schichten gegenüber den Gefügestrukturen, die über pulvermetallischen Routen erlangt werden und ist für die gute Verschleißbeständigkeit dieser Schichten verantwortlich.
  • Um den Anteil an groben Si-Partikeln in der Schicht zu erhöhen, wurden Aluminium/Silizium-Verbundpulver entwickelt. Die agglomerierten Verbundpulver bestehen aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, metallischen Partikeln einer Aluminium-Silizium-Legierung, die miteinander anhand von anorganischen oder organischen Bindern gebunden sind, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50% und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95% beträgt. Die Silizium-Partikel haben eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm. Die metallischen Partikel haben eine mittlere Partikelgröße von 0,1 bis 50,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm und bestehen aus beiden alternativ einsetztbaren untereutektischen Legierungen C oder D, oder aus beiden alternativ einsetztbaren übereutekiischen Legierungen E oder F. Durch die Verwendung von übereutektischen Legierungspartikeln wird der Anteil an Aluminium-Mischkristall im Schichtgefüge beibehalten, während die Bildung des Aluminium-Mischkristalls im Schichtgefüge durch die Verwendung von untereutektischen Aluminium/Silizium-Partikeln unterdrückt wird.
  • Die erfindungsgemäße Beschichtung einer Zylinderlauffläche bzw. -bohrung setzt voraus, daß das Gießen des Leichmetallblocks auf die übliche Weise im Druckgußverfahren erfolgt, aber ohne die in die Gußform eingelegten Zylinderlaufbuchsen. Das Innere der Zylinderlaufbohrung des Kurbelgehäuses wird dann in einem Arbeitsgang grob vorgedreht, um die erforderlichen Form- und Lagetoleranzen zu gewährleisten. Anschließend wird die Aluminium-Silizium Schicht aufgebracht. Der Beschichtungsvorgang kann entweder in der Form durchgeführt werden, daß in die Bohrung ein geeigneter, kommerziell erhältlicher, um der Mittelachse der Zylinderbohrung rotierender Innenbrenner eingeführt und axial bewegt wird, oder ein nichtdrehender Brenner in der Zylinderbohrung des rotierenden Kurbelgehäuses eingeführt und entlang der Mittelachse der Zylinderbohrung geführt wird, um die Schicht im nahezu rechten Winkel auf die Zylinderlaufwand aufzuspritzen. Letzteres ist verfahrenstechnisch einfacher und sicherer, denn die Zuführung der notwendigen Medien wie elektrischer Energie, Kühlwasser, Primär- und Sekundärgas und Spritzpulver durch ein rotierendes Aggregat ist problematisch.

Claims (12)

  1. Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine mit einem Aluminium/Silizium-Verbundwerkstoff,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das heterogene Schichtgefüge aus einem Aluminium-Mischkristall, eingebetteten Silizium-Partikeln oder Silizium-Primärausscheidungen oder sowohl eingebetteten Silizium-Partikeln als auch Silizium-Primärausscheidungen, intermetallischen Phasen wie Al2Cu und Mg2Si und Oxiden besteht, daß die mittlere Größe der eingebetteten Silizium-Partikeln bzw. Silizium-Primärausscheidungen kleiner als 10 um ist und daß die mittlere Größe der Oxide kleiner als 5 µm ist.
  2. Beschichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß entweder eingebettete Silizium-Partikel oder sowohl eingebettete Silizium-Partikel als auch Silizium-Primärausscheidungen vorliegen.
  3. Beschichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß sie ferner eine übereutektische Aluminium/Silizium-Legierung aufweist und dass Silizium-Primärausscheidungen vorliegen.
  4. Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Beschichtung mit einem thermischen, insbesondere mit einem atmosphärischen Plasmaspritzverfahren hergestellt wird, und daß durch die Einstellung der geeigneten Spritzparameter Oxide gebildet werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für eine Legierung A ein Ausgangsspritzwerkstoff gemäß der folgenden Zusammensetzung gewählt wird, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    Silizium 23,0 bis 40,0%, vorzugsweise etwa 25%
    Magnesium 0,8 bis 2;0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    Zirkon maximal 0,6%
    Eisen maximal 0,25%
    Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  6. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß für eine Legierung B ein Ausgangsspritzwerkstoff gemäß der folgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    Silizium 23,0 bis 40,0%, vorzugsweise etwa 25%
    Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Magnesium 0,8 bis 2;0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    Zirkon maximal 0,6%
    Mangan und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  7. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Ausgangsspritzwerkstoff ein agglomeriertes Verbundpulver eingesetzt wird, der aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, metallischen Partikeln besteht, die miteinander durch anorganische oder organische Binder gebunden sind, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50% und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95% beträgt, die Silizium-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben, die metallischen Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 50,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben und daß für die metallischen Partikel als Ausgangsspritzwerkstoff eine Legierung C der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    Silizium 0 bis 11,8%, vorzugsweise etwa 9%
    Magnesium 0,8 bis 2;0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    Zirkon maximal 0,6%
    Eisen maximal 0,25%
    Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  8. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Ausgangsspritzwerkstoff ein agglomeriertes Verbundpulver eingesetzt wird, der aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, metallischen Partikeln besteht, die miteinander anorganische oder organische Binder gebunden sind, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50% und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95% beträgt, die Silizium-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben, die metallischen Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 50,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben und daß für die metallischen Partikel als Ausgangsspritzwerkstoff eine Legierung D der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    Silizium 0 bis 11,8%, vorzugsweise etwa 9%
    Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Magnesium 0,8 bis 2;0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    Zirkon maximal 0,6%
    Mangan und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  9. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Ausgangsspritzwerkstoff ein agglomeriertes Verbundpulver eingesetzt wird, das aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, metallischen Partikeln, die miteinander anhand von anorganischen oder organischen Bindern gebunden sind, bestehen, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50% und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95% beträgt, wobei die Silizium-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben und wobei die metallischen Partikel eine mittlere Partikelgröße von 0,1 bis 50,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben und daß für die metallischen Partikel als Ausgangsspritzwerkstoff eine Legierung E mit der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    Silizium 11,8 bis 40%, vorzugsweise etwa 17%
    Magnesium 0,8 bis 2;0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Kupfer maximal 4,5%. Vorzugsweise etwa 3,9%
    Zirkon maximal 0,6%
    Eisen maximal 0,25%
    Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  10. Verfahren nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß als Ausgangsspritzwerkstoff ein agglomeriertes Verbundpulver eingesetzt wird, das aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, metallischen Partikeln, die miteinander anhand von anorganischen oder organischen Bindern gebunden sind, bestehen, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50% und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95% beträgt, wobei die Silizium-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben und wobei die metallischen Partikel eine mittlere Partikelgröße von 0,1 bis 50,0 µm, vorzugsweise etwa 5µm haben und daß für die metallischen Partikel als Ausgangsspritzwerkstoff eine Legierung F mit der nachfolgenden Zusammensetzung verwendet wird, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
    Silizium 11,8 bis 40%, vorzugsweise etwa 17%
    Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Magnesium 0,8 bis 2;0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Kupfer maximal 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%
    Zirkon maximal 0,6%
    Mangan und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  11. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein um die Mittelachse einer Zylinderbohrung rotierender Innenbrenner, der auf einem rotierenden Aggregat aufgebaut ist, in die Zylinderbohrung eingeführt und axial bewegt wird, und daß die Beschichtung auf die Zylinderwand aufgespritzt wird.
  12. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß ein Innenbrenner in die Zylinderbohrung des rotierenden Kurbelgehäuses eingeführt und entlang der Mittelachse der Zylinderbohrung axial bewegt wird, und daß die Beschichtung auf die Zylinderwand aufgespritzt wird.
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