EP1048825B1 - Verfahren zur Ausbildung einer verschleissfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz - Google Patents

Verfahren zur Ausbildung einer verschleissfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz Download PDF

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Hans Waldmann
Hans Wilhelm Dr. Bergmann
Horst Dettling
Jürgen Mittrach
Jörg Dr. Wunder
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    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/02Selecting particular materials for valve-members or valve-seats; Valve-members or valve-seats composed of two or more materials
    • F01L3/04Coated valve members or valve-seats
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING 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
    • C23CCOATING 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
    • C23C4/00Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/04Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/06Metallic material

Definitions

  • the invention relates to the preamble of the independent Claiming a method for forming a wear-resistant Coating on preformed surfaces of valve train parts Internal combustion engine, wherein a diamond - metal composite thermally is arranged.
  • Such a coating with a diamond-nickel composite is in the generic US 5, 441, 024, which are used to increase the Wear resistance with permanently small play on a valve stem a gas exchange valve of an internal combustion engine is provided.
  • the Coating takes place on a catalytically active surface of the Gas exchange valve de-energized with heat at temperatures up to about 95 ° C.
  • a powdered bronze with diamond particles is used in one of the US 3,879,175 known coating method for producing hard, bearing treads applied to the workpiece and under light pressure
  • the bronze melted at about 750 ° C
  • 501 is further a method for forming a Wear-resistant coating on both a separately used Valve seat as well as on an associated poppet valve of an internal combustion engine known, wherein in each of said components initially in a carbonaceous atmosphere by means of energy supply to the respective component - Surface a layer of artificial diamonds is generated. In one subsequent process step, this layer is made of artificial Diamonds coated with a metal to achieve the required tribological properties.
  • This method is disadvantageous consuming, as a further disadvantage, the relatively thin, only a few atomic layers thick layers are to be called, which are at a strong elastic or plastic deformation of the component substrate are damaged.
  • a metal matrix diamond particles in a particle size of 40 - 163 ⁇ m in one Add volume fraction of 24 - 60% is known from GB 2 201 425. This describes a method of forming a resistant Coating of a diamond - metal composite on / on one Tool, wherein the diamond-containing composite material by means of Flame spraying applied to the tool and then under relative high pressure and electrical resistance heating thermally cohesively is connected to the tool by sintering.
  • PCT / EP 96/04 341 describes and shows a coating method for a Tool in which a sprayed diamond metal powder of impact of a laser exposed to adhesion to the tool surface is melted.
  • US 5,848,348 describes a diamond metal coating process - Matrix known in which a metal or metal carbide matrix without Application of pressure with the help of microwaves formed into a sintered body becomes.
  • the invention is based on the object, the generic method so further develop that in / on valve train parts of an internal combustion engine a high wear-resistant, heat-dissipating and mechanically resistant Coating is achieved with relatively less effort.
  • the invention is for a directly in a cylinder head of a Aluminum alloy machined valve seat a beneficial cohesive material composite between the aluminum base material of the Cylinder head and the claimed coating achieved with the other advantageously the characteristic properties of diamond, such as. B. the high hardness, the high thermal conductivity and the good tribological properties Property characteristics with the advantageous properties of the claimed Copper - titanium matrix are combined, with the chosen matrix especially due to their high affinity to the aluminum base material the thermal Conductivity of the metal advantageously wetted diamond particles advantageous supported.
  • thermal conductivity of diamond or diamond particles is on the EP 0 364 155 A2, according to the example in a copper or Aluminum matrix embedded diamond particles as Heat dissipation device serve.
  • the invention is based on a cylinder head shown in the drawing with integrally formed valve seat made of a light metal for an internal combustion engine described.
  • An only schematically illustrated cross-flow cylinder head 1 for a not shown Internal combustion engine is made of an aluminum alloy and has an inlet channel 2 and a diametrically arranged outlet channel 3.
  • the Gas exchange channels 2 and 3 are controlled by means not shown poppet valves.
  • each channel 2, 3 is assigned a valve seat 4 on the combustion chamber side.
  • Each valve seat 4 is in its geometric configuration initially by a Machining process directly in the edge region of each gas exchange channel 2, 3 formed in the cylinder head 1.
  • each valve seat 4 according to the invention with a Diamond-metal composite coated, coating 5.
  • diamond metal composite material preferably comprises a hartlotieri metal matrix of a copper-titanium compound, wherein each of said metals first pulverized and the mixed metal powder or alloyed mechanically or thermally or prealloyed.
  • This copper-titanium powder will be diamond particles with a grain size of for example 5 microns in a volume fraction of For example, 45% added, with the titanium content zwichen 5 - 15% Weight shares.
  • This diamond-metal powder is under a protective gas atmosphere, for example Argon atmosphere, in through a high-energy beam, for example a laser, in the surface region of a valve seat 4 produced melting introduced for thermally cohesive material connection with the base material of the cylinder head 1.
  • a protective gas atmosphere for example Argon atmosphere
  • a high-energy beam for example a laser
  • the application of the coating 5 takes place continuously, whereby e.g. the cylinder head 1 about the axis of the respective poppet valve for respective valve seat 4 is rotated or a corresponding beam guide is selected.
  • This mixed with diamond particles copper-titanium compound can be in an advantageous Way without an intermediate layer on a light metal component, such. one Cylinder head, are applied, whereby a simpler method is achieved.
  • the final shaping of the coated valve seat 4 takes place by means of grinding and / or polishing.
  • the preferred Metals copper and titanium are also pulverized, which is a polymeric binder is added.
  • Diamond particles in the above-mentioned Size and in the aforementioned volume fraction can be added. This thus formed diamond metal powder is in the order in a surface area of the component held by means of the polymeric binder on the surface, wherein the applied coating then after a chemical and / or thermal Debinding by means of a high-energy beam - electron beam or Laser - on the surface reflowed / melted to form the adherent Coating 5 on the cylinder head 1.

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Description

Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruches auf ein Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung an vorgeformten Oberflächen von Ventiltriebteilen einer Brennkraftmaschine, wobei ein Diamant - Metall - Verbundwerkstoff thermisch angeordnet wird.
Eine derartige Beschichtung mit einem Diamant - Nickel - Verbundwerkstoff ist in der gattungsbildenden US 5, 441, 024 beschrieben, die zur Steigerung der Verschleißfestigkeit bei dauerhaft kleinem Laufspiel an einem Ventilschaft eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist. Die Beschichtung erfolgt auf einer katalytisch wirksamen Oberfläche des Gaswechselventils stromlos unter Wärmezufuhr bei Temperaturen bis ca. 95°C.
Eine pulverisierte Bronze mit Diamantpartikel wird in einem aus der US 3,879,175 bekannten Beschichtungsverfahren zur Erzeugung harter, tragender Laufflächen auf das Werkstück aufgebracht und bei leichtem Druck die Bronze bei ca. 750° C aufgeschmolzen
Aus der US 5, 040, 501 ist weiter ein Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung sowohl auf einem gesondert eingesetzten Ventilsitz als auch auf einem zugehörigen Tellerventil einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei bei jedem der genannten Bauteile zunächst in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre mittels Energiezufuhr auf der jeweiligen Bauteil- - Oberfläche eine Schicht künstlicher Diamanten erzeugt wird. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird diese Schicht aus künstlichen Diamanten mit einem Metall beschichtet zur Erzielung der erforderlichen tribologischen Eigenschaften. Dieses Verfahren ist in nachteiliger Weise aufwändig, wobei als weiterer Nachteil die relativ dünnen, nur einige Atomlagen dicken Schichten zu nennen sind, die bei einer starken elastischen oder plastischen Verformung des Bauteiluntergrundes geschädigt werden.
Einer Metallmatrix Diamantpartikel in einer Korngröße von 40 - 163µm in einem Volumenanteil von 24 - 60% zuzufügen ist aus der GB 2 201 425 bekannt. Diese beschreibt ein Verfahren zur Ausbildung einer widerstandsfähigen Beschichtung aus einem Diamant - Metall - Verbundwerkstoff an /auf einem Werkzeug, wobei der diamanthaltige Verbundwerkstoff zunächst mittels Flammspritzen auf das Werkzeug aufgebracht und anschließend unter relativ hohem Druck und elektrischer Widerstandserwärmung thermisch stoffschlüssig mit dem Werkzeug durch Sintern verbunden wird.
Kleinere Korngrößen für Diamantpartikel eines Beschichtungsverfahrens sind aus der US 5,368,890 bekannt.
Die PCT/EP 96/04 341 beschreibt und zeigt ein Beschichtungsverfahren für ein Werkzeug, bei dem ein aufgespritztes Diamant - Metall - Pulver der Einwirkung eines Lasers ausgesetzt zur Haftung an der Werkzeug - Oberfläche aufgeschmolzen wird.
Mit der US 5,848,348 ist ein Beschichtungsverfahren mit einer Diamant - Metall - Matrix bekannt, bei dem eine Metall- oder Metallcarbid -Matrix ohne Anwendung von Druck mit Hilfe von Mikrowellen zu einem Sinterkörper gebildet wird.
Ferner ist aus der US 4,749,594 ein Beschichtungsverfahren bekannt, bei dem auf einen Metallkörper ein organischer Binder aufgebracht wird zur Aufnahme eines gemischten Metallpulvers, und auf diese angetrocknete Schicht nochmals Binder aufgetragen ist zur Aufnahme einer Lage Diamantpulver, wobei die Schichten unter einer Schutzgasatmosphäre bei ca. 1000° C thermisch entbindert mit dem Metallkörper hartgelötet verbunden werden.
Schließlich ist aus der US 5,492,769 ein Beschichtungsverfahren für Materialien bekannt mit weich zu machenden Oberflächenschichten zur Aufnahme harter Partikel, z. B. Diamantpartikel, die in der wieder härtbaren Oberflächenschicht fixiert sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, dass in/an Ventiltriebteilen einer Brennkraftmaschine eine hoch verschleißfeste, wärmeableitende und mechanisch widerstandsfähige Beschichtung mit relativ geringerem Aufwand erzielt wird.
Diese Aufgabe ist mit dem unabhängigen Patentanspruch gelöst.
Mit der Erfindung ist für einen unmittelbar in einem Zylinderkopf aus einer Aluminiumlegierung spanabhebend ausgebildeten Ventilsitz ein vorteilhaft stoffschlüssiger Werkstoffverbund zwischen dem Alu - Grundmaterial des Zylinderkopfes und der beanspruchten Beschichtung erzielt, mit der in weiterer vorteilhafter Weise die charakteristischen Eigenschaften von Diamant, wie z. B. die große Härte, die hohe thermische Leitfähigkeit und die guten tribologischen Eigenschaftsmerkmale mit den vorteilhaften Eigenschaften der beanspruchten Kupfer - Titan - Matrix kombiniert sind, wobei die gewählte Matrix insbesondere durch ihre hohe Affinität zum Alu - Grundmaterial die thermische Leitfähigkeit der metallisch vorteilhaft benetzten Diamantpartikel vorteilhaft unterstützt.
Die vorgenannten Vorteile bleiben erhalten, wenn anstelle von Titan gemäß Anspruch 2 Vanadium oder Chrom oder Zirkon verwendet wird. Diese Materialien sind zwar für Diamant - Metall - Beschichtungen bekannt, jedoch nicht für eine erfindungsgemäße Anwendung bei einem Leichtmetall-Zylinderkopf.
Bezüglich der Wärmeleitfähigkeit von Diamant bzw. Diamantpartikeln ist auf die EP 0 364 155 A2 verwiesen, gemäß der beispielsweise in eine Kupfer- oder Aluminium - Matrix eingebettete Diamantpartikel als Wärmeableitungseinrichtung dienen.
Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Zylinderkopfes mit integral ausgebildetem Ventilsitz aus einem Leichtmetall für eine Brennkraftmaschine beschrieben.
Ein lediglich schematisch dargestellter Querstrom-Zylinderkopf 1 für eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt und weist einen Einlasskanal 2 sowie einen diametral angeordneten Auslasskanal 3 auf. Die Gaswechselkanäle 2 und 3 werden mittels nicht gezeigter Tellerventile gesteuert. Für jedes Tellerventil ist jedem Kanal 2, 3 brennraumseitig ein Ventilsitz 4 zugeordnet.
Jeder Ventilsitz 4 ist in seiner geometrischen Ausbildung zunächst durch ein spanabhebendes Verfahren unmittelbar im Randbereich jedes Gaswechselkanals 2, 3 im Zylinderkopf 1 ausgebildet.
Zur Erzielung eines hoch verschleißfesten, gut wärmeableitenden und mechanisch widerstandsfähigen Ventilsitzes 4 wird jeder Ventilsitz 4 erfindungsgemäß mit einem Diamant-Metall-Verbundwerkstoff beschichtet, Beschichtung 5.
Der für die Beschichtung der Ventilsitze 4 vorgesehene Diamant-Metall-Verbundwerkstoff umfasst vorzugsweise eine hartlotartige Metallmatrix aus einer Kupfer-Titan-Verbindung, wobei jedes der genannten Metalle zunächst pulverisiert und die beiden Metallpulver miteinander gemischt oder mechanisch oder thermisch legiert oder vorlegiert werden. Diesem Kupfer-Titan-Pulver werden Diamantpartikel mit einer Korngröße von beispielsweise 5 µm in einem Volumenanteil von beispielsweise 45 % zugesetzt, wobei der Titananteil zwichen 5 - 15 % Gewichtsanteile beträgt.
Dieses Diamant-Metall-Pulver wird unter einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Argon-Atmosphäre, in eine durch einen energiereichen Strahl, beispielsweise eines Lasers, im Oberflächenbereich eines Ventilsitzes 4 erzeugte Aufschmelzung eingebracht zur thermisch stoffschlüssigen Werkstoffverbindung mit dem Grundmaterial des Zylinderkopfes 1. Die Auftragung der Beschichtung 5 erfolgt kontinuierlich, wobei z.B. der Zylinderkopf 1 um die Achse des jeweiligen Tellerventils zum jeweiligen Ventilsitz 4 rotiert oder eine entsprechende Strahlführung gewählt wird.
Diese mit Diamantpartikel versetzte Kupfer-Titan-Verbindung kann in vorteilhafter Weise ohne eine Zwischenschicht auf einem Leichtmetall-Bauteil, wie z.B. einem Zylinderkopf, aufgebracht werden, wodurch ein einfacheres Verfahren erzielt ist.
Die endgultige Formgebung des beschichteten Ventilsitzes 4 erfolgt mittels Schleifen und/oder Polieren.
Bei einer anderen Art des Auftrages der Beschichtung werden die bevorzugt verwendeten Metalle Kupfer und Titan ebenfalls pulverisiert, denen ein polymerer Binder beigemischt wird. Diesem Metallpulver können Diamantpartikel in der vorerwähnten Größe und im vorerwähnten Volumenanteils zugesetzt werden. Dieses so gebildete Diamant-Metall-Pulver ist beim Auftrag in einem Oberflächenbereich des Bauteiles mittels des polymeren Binders an der Oberfläche gehalten, wobei die aufgetragene Beschichtung anschließend nach einer chemischen und/oder thermischen Entbinderung mittels eines energiereichen Strahles - Elektronenstrahl oder Laser - auf der Oberfläche um-/aufgeschmolzen wird zur Bildung der festhaftenden Beschichtung 5 am Zylinderkopf 1.
Zur vorteilhaften metallischen Benetzung der Diamantpartikel können außer Titan jeweils auch Vanadium, Chrom oder Zirkon in Verbindung mit Kupfer zur Anwendung kommen.

Claims (2)

  1. Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung an vorgeformten Oberflächen von Ventiltriebteilen einer Brennkraftmaschine,
    wobei ein Diamant- Metall- Verbundwerkstoff thermisch angeordnet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein durch ein spanabhebendes Verfahren unmittelbar in einem Randbereich eines Gaswechselkanals (2,3) in einem Brennkraftmaschinen- Zylinderkopf (1) aus einem Leichtmetall ausgebildeter Ventilsitz (4) mit einem mit Diamantpartikeln versetzten Kupfer-Titan-Pulver beschichtet wird, das
    unter einer Schutzgasatmosphäre in eine im Oberflächenbereich des Ventilsitzes (4) mittels eines energiereichen Strahles erzeugte Aufschmelzung eingebracht wird zur thermisch stoffschlüssigen Verbindung mit dem Leichtmetall, wobei
    der aus einem pulverisierten Hartlot gebildeten Kupfer-Titan- Metallmatrix Diamantpartikel von D=1µm - 15µm in einem Volumenanteil von 10 - 60 % zugesetzt werden und
    der Titananteil zwischen 5 - 15 % Gewichtsanteile beträgt, und
    die endgültige Formgebung des beschichteten Ventilsitzes (4) mittels Schleifen und/oder Polieren erzielt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Diamant- Metall- Verbundwerkstoff auf der Basis von Kupfer auch mit Vanadium oder Chrom oder Zirkon gebildet werden kann.
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