EP0896073B1 - Revêtement pour partie d'usure d'un cylindre d'un moteur à pistons - Google Patents

Revêtement pour partie d'usure d'un cylindre d'un moteur à pistons 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
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EP98113380A
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German (de)
English (en)
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EP0896073A1 (fr
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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
Original Assignee
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
    • 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
    • C23C4/12—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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Claims (12)

  1. Revêtement d'une surface de courbe d'une machine à piston alternatif avec un matériau compound d'aluminium/silicium, caractérisé en ce que l'architecture foliaire hétérogène est constituée d'un cristal mixte d'aluminium, de particules de silicium incorporées ou de dépôts primaires de silicium ou aussi bien de particules de silicium incorporées que de dépôts primaires de silicium, de phases intermétalliques comme Al2Cu et Mg2Si et d'oxydes, que la taille moyenne des particules de silicium incorporées ou dépôts primaires de silicium est inférieure à 10 µm et que la taille moyenne des oxydes est inférieure à 5 µm.
  2. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce que soit les particules de silicium incorporées, soit et les particules de silicium incorporées et les dépôts primaires de silicium, sont présents.
  3. Revêtement selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il présente en outre un alliage super eutectique d'aluminium/silicium et que des dépôts primaires de silicium sont présents.
  4. Procédé de fabrication d'un revêtement selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le revêtement est fabriqué avec un procédé de projection thermique, en particulier un procédé de projection au plasma atmosphérique, et que des oxydes se forment grâce au réglage des paramètres appropriés de projection.
  5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on choisit, pour un alliage A, un matériau de projection de départ selon la composition suivante, où les indications chiffrées représentent la teneur en pour cent en poids :
    silicium 23,0 à 40,0 %, de préférence environ 25 %
    magnésium 0,8 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %
    cuivre au maximum 4,5 %, de préférence environ 3,9 %
    zircon au maximum 0,6 %
    fer au maximum 0,25 %
    manganèse, nickel et zinc au maximum 0,01 % chacun reste : aluminium.
  6. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on choisit, pour un alliage B, un matériau de projection de départ selon la composition suivante, où les indications chiffrées représentent la teneur en pour cent en poids :
    silicium 23,0 à 40,0 %, de préférence environ 25 % nickel 1,0 à 5,0 %, de préférence environ 4 %
    fer 1,0 à 1,4 %, de préférence environ 1,2 %
    magnésium 0,8 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %
    cuivre au maximum 4,5 %, de préférence environ 3,9 %
    zircon au maximum 0,6 %
    manganèse et zinc au maximum 0,01 % chacun
    reste : aluminium.
  7. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre comme matériau de projection de départ une poudre compound agglomérée qui se compose de fines particules de silicium et de fines particules métalliques, qui sont liées entre elles par des liants inorganiques et organiques, où la part de particules de silicium atteint 5 à 50 % et la part de particules d'alliage 50 à 95 %, les particules de silicium ont une granuiométrie moyenne de 0,1 à 10,0 µm, de préférence d'environ 5 µm, les particules métalliques ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 50,0 µm, de préférence d'environ 5 µm et en ce que l'on utilise, pour les particules métalliques, comme matériau de projection de départ un alliage C de la composition suivante, où les indications chiffrées représentent la teneur en pour cent en poids :
    silicium 0 à 11,8 %, de préférence environ 9 %
    magnésium 0,8 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %
    cuivre au maximum 4,5 %, de préférence environ 3,9 %
    zircon au maximum 0,6 %
    fer au maximum 0,25 %
    manganèse, nickel et zinc au maximum 0,01 % chacun reste : aluminium.
  8. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre comme matériau de projection de départ une poudre compound agglomérée qui se compose de fines particules de silicium et de fines particules métalliques, qui sont liées entre elles par des liants inorganiques et organiques, où la part de particules de silicium atteint 5 à 50 % et la part de particules d'alliage 50 à 95 %, les particules de silicium ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 10,0 µm, de préférence d'environ 5 µm, les particules métalliques ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 50,0 µm, de préférence d'environ 5 µm et en ce que l'on utilise, pour les particules métalliques, comme matériau de projection de départ un alliage D de la composition suivante, où les indications chiffrées représentent la teneur en pour cent en poids :
    silicium 0 à 11,8 %, de préférence environ 9 %
    nickel 1,0 à 5,0 %, de préférence environ 4 %
    fer 1,0 à 1,4 %, de préférence environ 1,2 %
    magnésium 0,8 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %
    cuivre au maximum 4,5 %, de préférence environ 3,9 %
    zircon au maximum 0,6 %
    manganèse et zinc au maximum 0,01 % chacun
    reste : aluminium.
  9. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre comme matériau de projection de départ une poudre compound agglomérée qui se compose de fines particules de silicium et de fines particules métalliques, qui sont liées entre elles par des liants inorganiques et organiques, où la part de particules de silicium atteint 5 à 50 % et la part de particules d'alliage 50 à 95 %, les particules de silicium ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 10,0 µm, de préférence d'environ 5 µm, les particules métalliques ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 50,0 µm, de préférence d'environ 5 µm et en ce que l'on utilise, pour les particules métalliques, comme matériau de projection de départ un alliage E de la composition suivante, où les indications chiffrées représentent la teneur en pour cent en poids :
    silicium 11,8 à 40 %, de préférence environ 17 %
    magnésium 0,8 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %
    cuivre au maximum 4,5 %, de préférence environ 3,9 %
    zircon au maximum 0,6 %
    fer au maximum 0,25 %
    manganèse, nickel et zinc au maximum 0,01 % chacun reste : aluminium.
  10. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que l'on met en oeuvre comme matériau de projection de départ une poudre compound agglomérée qui se compose de fines particules de silicium et de fines particules métalliques, qui sont liées entre elles par des liants inorganiques et organiques, où la part de particules de silicium atteint 5 à 50 % et la part de particules d'alliage 50 à 95 %, les particules de silicium ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 10,0 µm, de préférence d'environ 5 µm, les particules métalliques ont une granulométrie moyenne de 0,1 à 50,0 µm, de préférence d'environ 5 µm et en ce que l'on utilise, pour les particules métalliques, comme matériau de projection de départ un alliage F de la composition suivante, où les indications chiffrées représentent la teneur en pour cent en poids :
    silicium 11,8 à 40 %, de préférence environ 17 %
    nickel 1,0 à 5,0 %, de préférence environ 4 %
    fer 1,0 à 1,4 %, de préférence environ 1,2 %
    magnésium 0,8 à 2,0 %, de préférence environ 1,2 %
    cuivre au maximum 4,5 %, de préférence environ 3,9 %
    zircon au maximum 0,6 %
    manganèse et zinc au maximum 0,01 % chacun
    reste : aluminium.
  11. Procédé selon au moins l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'un brûleur interne, rotatif autour d'un axe médian d'un trou de cylindre, posé sur un bloc rotatif, est introduit dans le trou du cylindre et déplacé axialement et en ce que le revêtement est projeté sur la paroi du cylindre.
  12. Procédé selon au moins l'une quelconque des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'un brûleur interne est introduit dans le trou du cylindre de la boîte de moteur rotative et est déplacé axialement le long de l'axe médian du trou du cylindre et en ce que le revêtement est projeté sur la paroi du cylindre.
EP98113380A 1997-08-01 1998-07-17 Revêtement pour partie d'usure d'un cylindre d'un moteur à pistons Expired - Lifetime EP0896073B1 (fr)

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