EP1304396A1 - Legierungspulver zur Beschichtung sowie Beschichtungsverfahren - Google Patents

Legierungspulver zur Beschichtung sowie Beschichtungsverfahren Download PDF

Info

Publication number
EP1304396A1
EP1304396A1 EP02019625A EP02019625A EP1304396A1 EP 1304396 A1 EP1304396 A1 EP 1304396A1 EP 02019625 A EP02019625 A EP 02019625A EP 02019625 A EP02019625 A EP 02019625A EP 1304396 A1 EP1304396 A1 EP 1304396A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alloy powder
coating
weight
aluminum
alloy
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP02019625A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1304396B1 (de
Inventor
Markus Wittmann
Götz Mielsch
Nigel Dr. Stothard
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP1304396A1 publication Critical patent/EP1304396A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1304396B1 publication Critical patent/EP1304396B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • C22C32/0047—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ with carbides, nitrides, borides or silicides as the main non-metallic constituents
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C32/00—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ
    • 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
    • C23C24/00—Coating starting from inorganic powder
    • C23C24/08—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat
    • C23C24/10—Coating starting from inorganic powder by application of heat or pressure and heat with intermediate formation of a liquid phase in the layer
    • 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
    • C23C26/00—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00
    • C23C26/02—Coating not provided for in groups C23C2/00 - C23C24/00 applying molten material to the substrate

Definitions

  • the invention relates to an alloy powder for coating an aluminum alloy in particular existing component, in particular the valve seat area of a cylinder head an internal combustion engine.
  • the invention relates to a method for coating such Component by means of a high-energy beam.
  • valve seat area in particular one made of an aluminum alloy existing cylinder head in particular with regard to strength, resilience and to optimize abrasion and wear resistance, it is known, accordingly use robust valve seat rings.
  • DE 197 describes 21 406 A1 a valve seat, which fits into an aluminum or aluminum cylinder head Aluminum alloy inserted and / or connected to it.
  • valve seat especially due to large temperature fluctuations over one wide range and the associated thermal expansion as well as the high Load is very critical, so you switched to instead of Valve seat rings a direct coating of the seat on the cylinder head make.
  • EP 843 022 A1 which relates to Process for forming a valve seat by means of thermal spray coating.
  • the object of the invention is to provide a coating material and a method to provide its application, thereby avoiding the aforementioned Disadvantages of a valve seat area with a particular hardness without a tendency to Cracking is provided.
  • the coating produced is said to be a good one Wear resistance at high temperatures, high hardness and strength, have good thermal conductivity and lubrication.
  • the alloy powder advantageously contains aluminum (Al) 10-70% by weight, in particular 20-50% by weight silicon (Si) and 5-50% by weight, in particular 10-40 wt .-% titanium (Ti), corresponding to the Si or Ti content the hardness within wide limits - for example up to over 550 HV with AlSi50Ti30 - is controllable without an increased tendency to form cracks.
  • the alloying element titanium is used to refine the grain from the Melt deposited silicon primary crystals, so that despite one high grain content small grain sizes are present.
  • the alloy powder also contains up to 25% by weight, in particular 1-15% by weight of nickel (Ni) and / or up to 20% by weight, in particular 1-10 wt .-% copper (Cu) contain.
  • a particular advantage results from the addition of high-temperature lubricants to the alloy powder, boron nitrite (BN), graphite, B 2 O 3 and / or Co / Cr 2 O 2 being present in a proportion by weight of up to 20%, in particular 5- 10% have shown to be very suitable.
  • boron nitrite (BN), graphite, B 2 O 3 and / or Co / Cr 2 O 2 being present in a proportion by weight of up to 20%, in particular 5- 10% have shown to be very suitable.
  • the pocket-like islands of lubricant continuously formed in the layer are exposed again and again due to operational wear, so that a permanent lubricating effect is achieved over the service life.
  • the alloy powder also contains hard material particles.
  • Fig. 1 shows a micrograph of an using an aluminum-silicon powder coated component made of an aluminum alloy.
  • This type of coating is used to technology in particular Wear resistance of an aluminum component through alloying or application of alloying elements in the area of the surface.
  • an aluminum-silicon powder which is applied / applied in the molten state is, with a very high addition of Si the cooling 1 with the structure shown.
  • The are clearly recognizable in the Aluminum basic structure 10 embedded rod / lamellar silicon crystals 12a, 12b, 12c.
  • the aim is to have a high concentration of these silicon crystals and their firm anchoring in the aluminum base structure 10. In the present high silicon concentration of approx. 60 wt.
  • the silicon particles form rod / lamellar with a size of up to several 100 ⁇ m. This causes a very disadvantageous material behavior.
  • the one coated in this way The area is very brittle and tends to crack.
  • a desired high Si content stands the disadvantageous formation of large, rod / lamella-like Towards silicon crystals.
  • FIG. 2 shows the structure produced of the alloy powder according to the invention
  • alloy powder contains in addition to the Base element aluminum has a very high silicon content of approx. 62% by weight as well approx. 20% by weight titanium.
  • a Metal alloy with the appropriate composition processed into powder if necessary, it can also be advantageous to mix different alloy powders Mix composition so that an alloy powder with the desired Composition arises.
  • Al-Ti phases form in the basic matrix.
  • the formation of high-melting Al-Ti phases such as Al 3 Ti, whose melting point is approximately 1,340 ° C., is particularly preferred.
  • Silicon particles 22 are embedded in this very robust basic matrix 20, wherein the alloying element titanium continues to cause grain refinement when they are separated from the melt.
  • the micrograph shown in FIG. 2 shows this basic matrix 20 with embedded silicon particles 22, the silicon particles 22 being finely dispersed in a size of only approximately 20 ⁇ m, in particular of 1 to 5 ⁇ m, in spite of the high silicon content of approximately 60% by weight.
  • the Si content can be increased significantly without the Si primary crystals forming from the melt becoming too large and rod-like / lamella-like.
  • the Control macro hardness - for example up to over 550 HV with AlSi50Ti30 - whereby nevertheless, an increased tendency to crack formation is avoided.
  • the addition of small amounts of nod (Ni) in the range from 1 to 15% has an advantageous effect.
  • Further wear resistance of the microstructure matrix can also be achieved by adding hard material particles.
  • SiC and / or B 4 C can be stored up to 30%, in particular 5 to 20%, by weight as a wear protection carrier.
  • B 4 C In conjunction with a fuel such as gas or hydrogen or in high-performance engines, B 4 C also takes on the role of a solid lubricant due to its oxidation to B 2 O 3 .
  • the coating takes place - as shown in Fig. 3 - by means of a coating lance 32, which has a feed 37 for the alloy powder and a light guide 33 for coupling a laser beam.
  • a diode laser is used as the laser or a solid-state laser such as Nd: YAG laser with an output of approx. 3 kW used.
  • the alloy powder is fed through the feed 37 of a nozzle 38 supplied, from which a powder jet 36 emerges; from the light guide 33 emerging laser beam is by means of several optical elements - schematically and exemplarily indicated with 34a, 34b - focused.
  • the Coating lance 32 is rotatable and / or displaceable relative to component 30, so that a targeted coating of the component 30 in regions is possible; if necessary the focus of the laser beam 35 and / or the nozzle 38 adjustable.
  • the alloy powder emerging from the nozzle 38 is sprayed in the direction of the component to be coated, it being at least partially melted by the heat of the laser beam.
  • the powder jet 36 is guided in the vicinity of or through the laser beam 35.
  • the powder jet emerges from the nozzle 38 in such a way that the required area is acted upon by the desired amount of alloy powder when it strikes the component surface 31a of the component 30 to be coated.
  • the focus 35a of the laser beam 35 is adjusted so that it lies exactly on the component surface; if the heating is too strong here, it can also be advantageous to guide the coating lance 32 in such a way that the component surface comes to lie above or below the focus 35a.
  • the energy density in the focal spot of the laser steel is approximately 10 4 W / cm 2 .
  • alloying takes place in the 1/10 mm area combined with an application of a few millimeters, approx. 2-3 mm, thick layer; that shown and described with Figure 2 In this way, the wear protection layer is firmly anchored in the base material.
  • the component - the cylinder head - expediently cooled This is a compromise between a quick Heat dissipation to prevent the melting of the Base material, between an ideal gradient to form the desired structure and between a slow cooling and slight Temperature differences to avoid cracks found.
  • the whole is done Coating process under a protective gas atmosphere such as argon or nitrogen.
  • a protective gas atmosphere such as argon or nitrogen.
  • the powder material is sprayed with protective gas, whereby the Shielding gas carried in the feed 37 or in a separate line to the Area of the nozzle 38 is passed.
  • alloy powder As an alternative to applying the alloy powder as described, this can be done Alloy powder also in the form of a paste for example coating area are applied.
  • the coating lance then includes only the laser device and possibly a protective gas supply device, which makes it structurally much simpler.
  • the cylinder head blank provided for coating is combined with a a certain allowance, so that subsequently possibly in the coating occurring heat distortion in the finishing can be compensated.
  • the valve seat areas to be coated are pre-processed with a certain undersize, since a layer is applied there. During the Coating of the valve seat area 31a, 31b, 31c, 31d moves the Coating lance 32 with a linear speed of up to 3 m / min and will rotated accordingly. There are several adjacent caterpillars - each after width one to two - with a degree of overlap of approx. 30-50% applied. Finally, the coated area is machined.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)

Abstract

Ein Silizium sowie Titan umfassendes Legierungspulver (36) auf Aluminiumbasis sowie ein Verfahren zu dessen Aufbringung zur Beschichtung eines insbesondere aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Bauteiles, insbesondere des Ventilsitzbereiches (31a, 31b, 31c, 31d) eines Zylinderkopfes (30) einer Brennkraftmaschine ermöglicht die Erzeugung einer Beschichtung mit einer besonderen Härte ohne Neigung zur Rissbildung. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ein Legierungspulver zur Beschichtung eines insbesondere aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Bauteiles, insbesondere des Ventilsitzbereiches eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine.
Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Beschichtung eines derartigen Bauteils mittels eines Hochenergiestrahles.
Um den hochbelasteten Ventilsitzbereich eines insbesondere aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Zylinderkopfes insbesondere hinsichtlich Festigkeit, Belastbarkeit und Abrieb- und Verschleißfestigkeit zu optimieren, ist es bekannt, entsprechend belastbare Ventilsitzringe einzusetzen. Beispielsweise beschreibt die DE 197 21 406 A1 einen Ventilsitz, welcher in einen Zylinderkopf aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingefügt und/oder mit diesen verbunden ist.
Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die Verbindung zwischen Ventilsitz und Zylinderkopf insbesondere aufgrund großer Temperaturschwankungen über einen weiten Bereich und der damit einhergehenden Wärmeausdehnung sowie der hohen Belastung sehr kritisch ist, so dass man dazu übergegangen ist, anstelle von Ventilsitzringen eine direkte Beschichtung der Sitzfläche am Zylinderkopf vorzunehmen.
In diesem Zusammenhang wird auf die EP 843 022 A1 verwiesen, die sich auf ein Verfahren zur Bildung eines Ventilsitzes mittels thermischem Spritzbeschichten bezieht.
Nach wie vor ist insbesondere der Wärmeübergang zwischen Zylinderkopf und Ventilsitz in Bezug auf die Hochtemperaturbetriebsfestigkeit sehr kritisch. Hinzu kommt eine sehr hohe Neigung der eingesetzten Ventilsitzmaterialien zur Rissbildung. Besonders schwer wiegen diese Nachteile bei Hochleistungsmotoren sowie bei Fahrzeugen, denen die Schmierwirkung des flüssigen Treibstoffes fehlt - wie beispielsweise bei Gas-/Wasserstofffahrzeugen- da hier besondere, extreme Belastungen bezüglich Temperatur und Verschleiß vorherrschen.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Beschichtungswerkstoff sowie ein Verfahren zu dessen Aufbringung bereitzustellen, wodurch unter Vermeidung der genannten Nachteile ein Ventilsitzbereich mit einer besonderen Härte ohne Neigung zur Rissbildung bereitgestellt wird. Die erzeugte Beschichtung soll eine gute Verschleißbeständigkeit bei hohen Temperaturen, eine hohe Härte und Festigkeit, eine gute Wärmeleitfähigkeit und Schmierwirkung aufweisen.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 mittels eines Legierungspulvers zur Beschichtung, welches als wesentliche Bestandteile Aluminium (Al), Silizium (Si) und Titan (Ti) enthält.
Vorteilhafte Weiterbildungen des Legierungspulvers sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 7.
Vorteilhaft enthält das Legierungspulver neben dem Basiselement Aluminium (Al) 10-70 gew.-%, insbesondere 20-50 gew.-% Silizium (Si) sowie 5-50 gew.-%, insbesondere 10-40 gew.-% Titan (Ti), wobei entsprechend dem Si- bzw. Ti-Anteil die Härte in weiten Grenzen - beispielsweise bis über 550 HV bei AlSi50Ti30 - steuerbar ist, ohne dass eine verstärkte Neigung zur Rissbildung auftritt. Darüber hinaus wird mit dem Legierungselement Titan eine Kornverfeinerung der aus der Schmelze abgeschiedenen Silizium-Primärkristalle erreicht, so dass trotz eines hohen Siliziumanteiles kleine Korngrößen vorliegen.
Zweckmäßigerweise sind im Legierungspulver weiterhin bis zu 25 gew.-%, insbesondere 1-15 gew.-% Nickel (Ni) und/oder bis zu 20 gew.-%, insbesondere 1-10 gew.-% Kupfer (Cu) enthalten.
Ein besonderer Vorteil ergibt sich durch die Zugabe von Hochtemperaturschmierstoffen zum Legierungspulver, wobei sich Bornitrit (BN), Graphit, B2O3 und/oder Co/Cr2O2 in einer gewichtsanteiligen Menge von zusammen bis zu 20 %, insbesondere von 5-10 % als sehr geeignet herausgestellt haben. Die sich in der Schicht durchgehend bildenden taschenartigen Schmiermittelinseln werden aufgrund des betriebsbedingten Verschleißes immer wieder freigelegt, so dass über die Lebensdauer eine ständige Schmierwirkung erreicht wird.
Sehr von Vorteil ist es, wenn das Legierungspulver zudem Hartstoffpartikel enthält. Als besonders zweckmäßig hat sich in diesem Zusammenhang die Zugabe von SiC und/oder B4C gewichtsanteilig mit zusammen bis zu 30 gew.-%, insbesondere 5-20 % erwiesen.
Mit den Unteransprüchen 8 bis 11 ist ein erfindungsgemäßes Verfahren unter Verwendung des beanspruchten Legierungspulvers angegeben.
Nachfolgend wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen
Fig. 1
ein Schliffbild eines Gefüges mit hohem Si-Anteil unter Verwendung eines herkömmlichen Legierungspulvers,
Fig. 2
ein Schliffbild eines Gefüges mit hohem Si-Anteil unter Verwendung des erfindungsgemäßen Legierungspulvers sowie
Fig. 3
schematisch und beispielhaft die Aufbringung des Legierungspulvers auf den Ventilsitzbereich eines Zylinderkopfes.
Fig. 1 zeigt ein Schliffbild eines unter Verwendung eines Aluminium-Silizium-Pulvers beschichteten Bauteils aus einer Aluminiumlegierung. Gemäß dem Stand der Technik wird diese Art der Beschichtung verwendet, um insbesondere die Verschleißfestigkeit eines Aluminium-Bauteiles durch Einlegierung bzw. Aufbringung von Legierungselementen im Bereich der Oberfläche zu erhöhen. Verwendet wurde vorliegend ein Aluminium-Silizium-Pulver, welches in schmelzflüssigem Zustand ein-/aufgebracht wird, wobei bei einer sehr hohen Si-Beigabe sich bei Abkühlung das mit Fig. 1 gezeigte Gefüge ausbildet. Deutlich erkennbar sind die im Aluminiumgrundgefüge 10 eingebetteten stangen-/lamellenartigen Siliziumkristalle 12a, 12b, 12c. Angestrebt wird eine hohe Konzentration dieser Siliziumkristalle sowie deren feste Verankerung im Aluminiumgrundgefüge 10. Bei der vorliegenden hohen Siliziumkonzentration von ca. 60 gew. % bilden sich die Siliziumpartikel stangen-/lamellenartig mit einer Größe von bis zu mehreren 100 µm aus. Dies bedingt ein sehr nachteiliges Werkstoffverhalten. Der auf diese Weise beschichtete Bereich ist sehr spröde und neigt zur Rissbildung. Einem gewünschten hohen Si-Anteil steht die nachteilige Ausbildung großer, stangen-/lamellenartiger Siliziumkristalle entgegen.
Ein Schliffbild eines mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens unter Verwendung des erfindungsgemäßen Legierungspulvers erzeugten Gefüges zeigt Fig. 2. Das Legierungspulver enthält im vorliegenden Ausführungsbeispiel neben dem Basiselement Aluminium einen sehr hohen Siliziumanteil von ca. 62 gew.-% sowie ca. 20 gew.-% Titan. Zur Herstellung des Legierungspulvers wird eine Metalllegierung mit der entsprechenden Zusammensetzung zu Pulver verarbeitet, ggf. kann es auch vorteilhaft sein, Legierungspulver verschiedener Zusammensetzung zu mischen, so dass ein Legierungspulver mit der gewünschten Zusammensetzung entsteht.
Unter Einfluss des Legierungselementes Titan (Ti) bilden sich in der Grundmatrix 20 Al-Ti-Phasen. Besonders bevorzugt wird die Ausbildung hochschmelzender Al-Ti-Phasen, wie beispielsweise Al3Ti, deren Schmelzpunkt bei ca. 1.340°C liegt. In dieser sehr robusten Grundmatrix 20 sind Siliziumpartikel 22 eingelagert, wobei das Legierungselement Titan weiterhin bei deren Abscheidung aus der Schmelze eine Kornverfeinerung bewirkt. Das in Fig. 2 gezeigte Schliffbild zeigt diese Grundmatrix 20 mit eingelagerten Siliziumpartikeln 22, wobei die Siliziumpartikel 22 trotz des hohen Siliziumanteils von ca. 60 Gew. % feinst dispersiert in einer Größe von nur ca. 20 µm insbesondere von 1 bis 5 um vorliegen. Der Si-Anteil kann stark angehoben werden, ohne dass die sich aus der Schmelze bildenden Si-Primärkristalle zu groß und stangen-/lamellenartiger werden.
Je nach Anteil Titan (Ti) und/oder Silizium (Si) lässt sich in breiten Grenzen die Macrohärte - beispielsweise bis über 550 HV bei AlSi50Ti30 - steuern, wobei dennoch eine verstärkte Neigung zur Rissbildung vermieden wird. Gegebenenfalls vorteilhaft wirkt sich Beigabe kleiner Mengen Nicken (Ni) im Bereich 1 bis 15 Gew. % und/oder Kupfer (Cu) im Bereich 1 bis 10 Gew. % aus.
Als sehr vorteilhaft hat es sich weiterhin herausgestellt, dem Legierungspulver einen Hochtemperaturschmierstoff wie beispielsweise Bornitrit (BN) beizugeben, wodurch der Einsatz in Hochleistungsmotoren und Gas-/Wasserstoffmotoren begünstigt wird. Dabei wird das Beschichtungspulver mit einem sehr feinen Bornitrit-Staub so aufbereitet, dass die Legierungspulverkörner vollständig von BN umhüllt werden. Zweckmäßig kann es gemäß eines weiteren Ausführungsbeispieles auch sein, einen zweiten Pulverturm bzw. eine zweite Pulverdüse zur gleichzeitigen Beförderung des Basislegierungspulvers und des BN vorzusehen und beide erst kurz vor/bei Aufbringung zu mischen.
Beim Erstarren der Schmelze nach dem Beschichten bilden sich in der Schicht kleine, als Schmiertaschen wirkende, aus Bornnitrit bestehende Inseln, welche bei betriebsbedingtem Verschleiß immer wieder freigelegt werden. Über die Lebensdauer der beschichteten Fläche wird so eine ständige Schmierwirkung erreicht. Ein Anteil von 5 bis 10 gew.-% ist in der Regel ausreichend, wobei ggf. bis zu 20 gew.-% BN beigemischt werden können. Auf gleiche Art und Weise können andere Hochtemperaturschmierstoffe - wie beispielsweise Graphit, B2O3 und/oder Co/Cr2O3 - dem Pulverwerkstoff zugegeben werden.
Eine weitere Verschleißbeständigkeit der Gefügematrix kann weiterhin durch Zugabe von Hartstoffpartikeln erreicht werden. Beispielsweise lässt sich SiC und/oder B4C als Verschleißschutzträger gewichtsanteilig bis zu 30 %, insbesondere 5 bis 20 %, einlagern. In Verbindung mit einem Kraftstoff wie Gas oder Wasserstoff bzw. bei Hochleistungsmotoren übernimmt B4C durch seine Oxidation zu B2O3 auch die Rolle eines Festschmierstoffes.
Die Beschichtung erfolgt - wie in Fig. 3 dargestellt - mittels einer Beschichtungslanze 32, welche eine Zuführung 37 für das Legierungspulver sowie einen Lichtleiter 33 zur Einkopplung eines Laserstrahles umfasst. Als Laser wird ein Diodenlaser oder ein Festkörperlaser wie Nd:YAG-Laser mit einer Leistung von ca. 3kW verwendet. Das Legierungspulver wird durch die Zuführung 37 einer Düse 38 zugeführt, aus der ein Pulverstrahl 36 austritt; der aus dem Lichtleiter 33 austretende Laserstrahl wird mittels einer mehrere optische Elemente - schematisch und beispielhaft mit 34a, 34b angedeutet - fokussiert. Die Beschichtungslanze 32 ist relativ zum Bauteil 30 drehbar und/oder verschieblich, so dass eine gezielte bereichsweise Beschichtung des Bauteiles 30 möglich ist; ggf. ist der Fokus des Laserstrahls 35 und/oder die Düse 38 verstellbar,.
Das aus der Düse 38 austretende Legierungspulver wird in Richtung des zu beschichtenden Bauteiles versprüht, wobei es zumindest teilweise durch die Hitze des Laserstrahles aufgeschmolzen wird. Der Pulverstrahl 36 wird dabei in die Nähe des Laserstrahles 35 oder durch diesen hindurch geführt. Der Pulverstrahl tritt derart aus der Düse 38 aus, dass beim Auftreffen auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche 31a des Bauteiles 30 der erforderliche Bereich mit der gewünschten Menge Legierungspulver beaufschlagt wird. Der Fokus 35a des Laserstrahles 35 wird dabei so eingestellt, dass er genau auf der Bauteiloberfläche liegt; falls die Erhitzung hier zu stark ist, kann es auch vorteilhaft sein, die Beschichtungslanze 32 derart zu führen, dass die Bauteiloberfläche oberhalb oder unterhalb des Fokus 35a zu liegen kommt. Die Energiedichte im Brennfleck des Laserstahles beträgt dabei ca. 104 W/cm2.
Es erfolgt ein kombiniertes Auf-/Einbringen des Legierungspulvers im zu beschichtenden Bereich - dem Ventilsitzbereich. Vorliegend erfolgt ein Einlegieren im 1/10 mm-Bereich verbunden mit einem Aufbringen einer einige Millimeter, ca. 2-3 mm, dicken Schicht; die mit Figur 2 gezeigte und beschriebene Verschleißschutzschicht ist auf diese Weise fest im Grundmaterial verankert.
Während des Beschichtungsvorganges wird das Bauteil - der Zylinderkopf - zweckmäßigerweise gekühlt. Dabei wird ein Kompromiss zwischen einer schnellen Wärmeabfuhr zur Verhinderung eines zu weiten Aufschmelzens des Grundwerkstoffes, zwischen einem idealen Gradientenverlauf zur Ausbildung des gewünschten Gefüges und zwischen einem langsamen Abkühlen und geringen Temperaturdifferenzen zur Vermeidung von Rissen gefunden.
Um die Bildung unerwünschter Oxide zu vermeiden, erfolgt der gesamte Beschichtungsvorgang unter Schutzgasatmosphäre wie beispielsweise unter Argon oder Stickstoff. Der Pulverwerkstoff wird mit Schutzgas verdüst, wobei das Schutzgas in der Zuführung 37 mitgeführt oder in einer separaten Leitung zum Bereich der Düse 38 geleitet wird.
Alternativ zur beschriebenen Aufbringung des Legierungspulvers kann das Legierungspulver auch beispielsweise in Form einer Paste auf den zu beschichtenden Bereich aufgebracht werden. Die Beschichtungslanze umfasst dann lediglich die Lasereinrichtung und gegebenenfalls eine Schutzgaszuführungseinrichtung, wodurch sie baulich stark vereinfacht ist.
Der zu Beschichtung vorgesehene Zylinderkopfrohling wird insgesamt mit einem gewissen Aufmaß gefertigt, so dass nachfolgend eventuell bei der Beschichtung auftretender Wärmeverzug in der Endbearbeitung ausgeglichen werden kann. Die Vorbearbeitung der zu beschichtenden Ventilsitzbereiche erfolgt mit einem gewissen Untermaß, da dort eine Schicht aufgebracht wird. Während der Beschichtung des Ventilsitzbereiches 31a, 31b, 31c, 31d verfährt die Beschichtungslanze 32 mit einer Lineargeschwindigkeit von bis zu 3 m/min und wird dabei entsprechend gedreht. Es werden mehrere aneinanderliegende Raupen - je nach breite ein bis zwei - mit einem Überlappungsgrad von ca. 30-50% aufgetragen. Abschließend wird der beschichtete Bereich spanend endbearbeitet.

Claims (11)

  1. Legierungungspulver zur Beschichtung eines insbesondere aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Bauteiles, insbesondere des Ventilsitzbereiches eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass als wesentliche Bestandteile Aluminium (Al), Silizium (Si) und Titan (Ti) enthalten sind.
  2. Legierungspulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem Basiselement Aluminium (Al) 10-70 gew.-%, insbesondere 20-50 gew.-% Silizium (Si) sowie 5-50 gew.-%, insbesondere 10-40 gew.-% Titan (Ti) enthalten sind.
  3. Legierungspulver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bis zu 25 gew.-%, insbesondere 1-15 gew.-% Nickel (Ni) und/oder bis zu 20 gew.-%, insbesondere 1-10 gew.-% Kupfer (Cu) enthalten sind.
  4. Legierungspulver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochtemperaturschmierstoff enthalten ist.
  5. Legierungspulver nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Bornitrit (BN), Graphit, B2O3 und/oder Co/Cr2O2 gewichtsanteilig mit zusammen bis zu 20 %, insbesondere mit 5-10 % enthalten sind.
  6. Legierungspulver nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Hartstoffpartikel enthalten sind.
  7. Legierungspulver nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass SiC und/oder B4C gewichtsanteilig mit zusammen bis zu 30 %, insbesondere 5-20 % enthalten sind.
  8. Verfahren zur Beschichtung eines insbesondere aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Bauteiles, insbesondere des Ventilsitzbereiches (31a, 31b, 31c, 31d) eines Zylinderkopfes (30) einer Brennkraftmaschine unter Verwendung eines Legierungspulvers nach einem der vorhergehenden Ansprüche mittels eines Hochenergiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls (35), wobei das Legierungspulver (36) zumindest teilweise von der festen in die schmelzflüssige Phase umgewandelt und in einem Schmelzbad auf die Bauteiloberfläche auf-/eingebracht wird, worauf sich beim folgenden Erstarrungsprozess in der Gefügegrundmatrix eine hochschmelzende intermetallische Al-Ti Phase (20) mit eingelagerten Si-Partikeln (22) ausbildet.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Legierungspulver mittels einer geeigneten eine Düse (38) umfassenden Pulverfördereinrichtung, welche mit dem Laserstrahl (35) zusammenwirkt, auf die Bauteiloberfläche aufgebracht wird, indem das Pulver im Laserstrahl (35) oder zumindest in dessen Nähe wenigstens teilweise aufgeschmolzen wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (30) während des Beschichtens gekühlt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung unter Schutzgasatmosphäre erfolgt.
EP02019625A 2001-10-19 2002-09-03 Beschichtungsverfahren Expired - Lifetime EP1304396B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10151716 2001-10-19
DE10151716A DE10151716A1 (de) 2001-10-19 2001-10-19 Legierungspulver zur Beschichtung insbesondere des Ventilsitzbereiches eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine sowie Beschichtungsverfahren

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1304396A1 true EP1304396A1 (de) 2003-04-23
EP1304396B1 EP1304396B1 (de) 2005-04-06

Family

ID=7703089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP02019625A Expired - Lifetime EP1304396B1 (de) 2001-10-19 2002-09-03 Beschichtungsverfahren

Country Status (2)

Country Link
EP (1) EP1304396B1 (de)
DE (2) DE10151716A1 (de)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103302285A (zh) * 2013-06-18 2013-09-18 江苏和昊激光科技有限公司 专用于冲头表面激光熔覆的镍基金属陶瓷合金粉末
CN104018892A (zh) * 2014-05-28 2014-09-03 中广核核电运营有限公司 汽轮机高压汽阀阀盖密封面凹坑的修复方法
CN106367752A (zh) * 2013-06-28 2017-02-01 蒋红娟 镀层厚度易控制的铜合金表面的激光熔覆工艺
CN106757013A (zh) * 2017-01-20 2017-05-31 青岛滨海学院 一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层及其制备方法
CN109763125A (zh) * 2019-01-18 2019-05-17 青岛滨海学院 一种耐高温磨损的高熵合金涂层及其制备工艺、应用
CN110373668A (zh) * 2019-07-31 2019-10-25 江西科技学院 一种铝合金复合材料及其制备方法
WO2020254371A1 (fr) * 2019-06-19 2020-12-24 Renault S.A.S Dispositif de depot d'un revetement pour la fabrication d'un siege de soupape
CN112522546A (zh) * 2020-10-26 2021-03-19 中北大学 一种利用slm技术制备b4c增强铝基复合材料的方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
NL2001869C2 (nl) * 2008-08-01 2010-02-02 Stichting Materials Innovation Cilinderkop met klepzitting alsmede werkwijze voor het vervaardigen daarvan.
DE102017218580A1 (de) 2017-10-18 2019-04-18 Christian Maier GmbH & Co. KG Verfahren zum Aufbringen einer Schicht auf ein Bauteil und Bauteil hergestellt nach dem Verfahren

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04235246A (ja) * 1990-12-28 1992-08-24 Nippon Cement Co Ltd セラミックスのメタライズ用合金及びメタライズ方法
JPH0565572A (ja) * 1991-09-10 1993-03-19 Honda Motor Co Ltd 高温耐酸化性構造部材
US5833772A (en) * 1992-11-18 1998-11-10 Elkem Asa Silicon alloy, method for producing the alloy and method for production of consolidated products from silicon

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5545487A (en) * 1994-02-12 1996-08-13 Hitachi Powdered Metals Co., Ltd. Wear-resistant sintered aluminum alloy and method for producing the same
DE4443147A1 (de) * 1994-12-05 1996-06-27 Dechema Korrosionsbeständiger Werkstoff für Hochtemperaturanwendungen in sulfidierenden Prozeßgasen
DE19802298C2 (de) * 1998-01-22 2000-11-23 Daimler Chrysler Ag Verfahren zur Erzielung funktioneller Metall-, Keramik- oder Keramik/Metall-Schichten auf der Innenwand von Hohlkörpern
DE19941562A1 (de) * 1999-02-19 2000-08-31 Volkswagen Ag Verfahren und Anordnung zum Herstellen verschleißfester Oberflächen
DE10009133A1 (de) * 2000-02-26 2001-08-30 Volkswagen Ag Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04235246A (ja) * 1990-12-28 1992-08-24 Nippon Cement Co Ltd セラミックスのメタライズ用合金及びメタライズ方法
JPH0565572A (ja) * 1991-09-10 1993-03-19 Honda Motor Co Ltd 高温耐酸化性構造部材
US5833772A (en) * 1992-11-18 1998-11-10 Elkem Asa Silicon alloy, method for producing the alloy and method for production of consolidated products from silicon

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 016, no. 584 (C - 1013) 24 December 1992 (1992-12-24) *
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 017, no. 382 (C - 1085) 19 July 1993 (1993-07-19) *

Cited By (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103302285A (zh) * 2013-06-18 2013-09-18 江苏和昊激光科技有限公司 专用于冲头表面激光熔覆的镍基金属陶瓷合金粉末
CN103302285B (zh) * 2013-06-18 2015-05-20 江苏和昊激光科技有限公司 专用于冲头表面激光熔覆的镍基金属陶瓷合金粉末
CN106367752A (zh) * 2013-06-28 2017-02-01 蒋红娟 镀层厚度易控制的铜合金表面的激光熔覆工艺
CN104018892A (zh) * 2014-05-28 2014-09-03 中广核核电运营有限公司 汽轮机高压汽阀阀盖密封面凹坑的修复方法
CN104018892B (zh) * 2014-05-28 2015-10-28 中广核核电运营有限公司 汽轮机高压汽阀阀盖密封面凹坑的修复方法
CN106757013A (zh) * 2017-01-20 2017-05-31 青岛滨海学院 一种钛合金激光表面硅化物增强多元高温合金化层及其制备方法
CN109763125A (zh) * 2019-01-18 2019-05-17 青岛滨海学院 一种耐高温磨损的高熵合金涂层及其制备工艺、应用
WO2020254371A1 (fr) * 2019-06-19 2020-12-24 Renault S.A.S Dispositif de depot d'un revetement pour la fabrication d'un siege de soupape
FR3097561A1 (fr) * 2019-06-19 2020-12-25 Renault S.A.S Dispositif de dépôt d'un revêtement pour la fabrication d'un siège de soupape
CN110373668A (zh) * 2019-07-31 2019-10-25 江西科技学院 一种铝合金复合材料及其制备方法
CN112522546A (zh) * 2020-10-26 2021-03-19 中北大学 一种利用slm技术制备b4c增强铝基复合材料的方法
CN112522546B (zh) * 2020-10-26 2022-02-08 中北大学 一种利用slm技术制备b4c增强铝基复合材料的方法

Also Published As

Publication number Publication date
DE10151716A1 (de) 2003-05-08
DE50202698D1 (de) 2005-05-12
EP1304396B1 (de) 2005-04-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1322794B1 (de) Thermisch aufgetragene beschichtung für kolbenringe aus mechanisch legierten pulvern
DE69229821T2 (de) Aufschweisslegierungen auf Chrom-Basis
DE102007019510B3 (de) Zu einer Gleitpaarung gehörendes Maschinenteil sowie Verfahren zu dessen Herstellung
DE3813802C2 (de)
EP0622476B1 (de) Metallsubstrate mit laserinduzierter MMC-Beschichtung
DE2926879A1 (de) Verfahren zum beschichten der oberflaeche von metallsubstraten mit verschleissfesten materialien
DE3506302C2 (de)
EP1124660B1 (de) Zylinderkurbelgehäuse, verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen dafür und verfahren zur herstellung des zylinderkurbelgehäuses mit diesen zylinderlaufbuchsen
DE3922378A1 (de) Verfahren zum herstellung verschleissfester oberflaechen an bauteilen aus einer aluminium-silicium-legierung
DE102016114549B4 (de) Abriebfeste kupfer-basierte legierung, plattierschicht, und ventilsystemelement und gleitelement für eine verbrennungsmaschine
DE1521369B2 (de) Pulverfoermige, selbstfliessende flammspritzmasse
DE102012211440A1 (de) Kolben
DE102005008569A1 (de) Reibelement und Verfahren zu dessen Herstellung
DE102012013020B3 (de) Verfahren zum Beschichten eines Substrats mit einem Spritzwerkstoff und damit erzeugbare Funktionsschicht
EP1304396B1 (de) Beschichtungsverfahren
EP0837152B1 (de) Verfahren zum Beschichten eines aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Bauteils einer Brennkraftmaschine mit Silicium
EP1565646A1 (de) Ventilsitz und verfahren zur herstellung eines ventilsitzes
DE102006055994A1 (de) Verfahren zum Aufbringen einer Beschichtung auf ein Bauteil sowie Bauteil
DE102017218592B4 (de) Verfahren zur Herstellung eines Gleitlagers sowie ein mit dem Verfahren hergestelltes Gleitlager
DE10124250C2 (de) Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht
DE102010049840B4 (de) Bauteil mit einer Verschleißschutzschicht
DE102011120989B3 (de) Spritzwerkstoff für thermische Spritzbeschichtungen,dessen Verwendung und mit dem Spritzwerkstoffthermisch beschichteter Grauguss-Grundkörper
DE10059903B4 (de) Kolben mit Verschleißschutzschicht
EP1173689B1 (de) Oberflächenlegiertes zylindrisches, teilzylindrisches oder hohlzylindrisches bauteil
DE10163970B4 (de) Verschleißarme Werkstückfläche und Verfahren zu ihrer Herstellung

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

AK Designated contracting states

Designated state(s): AT BE BG CH CY CZ DE DK EE ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE SK TR

AX Request for extension of the european patent

Extension state: AL LT LV MK RO SI

17P Request for examination filed

Effective date: 20030506

AKX Designation fees paid

Designated state(s): DE FR GB IT

17Q First examination report despatched

Effective date: 20040326

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

RTI1 Title (correction)

Free format text: COATING PROCESS

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): DE FR GB IT

REG Reference to a national code

Ref country code: GB

Ref legal event code: FG4D

Free format text: NOT ENGLISH

GBT Gb: translation of ep patent filed (gb section 77(6)(a)/1977)

Effective date: 20050406

REF Corresponds to:

Ref document number: 50202698

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20050512

Kind code of ref document: P

ET Fr: translation filed
PLBE No opposition filed within time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009261

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: NO OPPOSITION FILED WITHIN TIME LIMIT

26N No opposition filed

Effective date: 20060110

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Payment date: 20140919

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: GB

Payment date: 20140926

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20140924

Year of fee payment: 13

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20140929

Year of fee payment: 13

REG Reference to a national code

Ref country code: DE

Ref legal event code: R119

Ref document number: 50202698

Country of ref document: DE

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20150903

GBPC Gb: european patent ceased through non-payment of renewal fee

Effective date: 20150903

REG Reference to a national code

Ref country code: FR

Ref legal event code: ST

Effective date: 20160531

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: DE

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20160401

Ref country code: GB

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20150903

PG25 Lapsed in a contracting state [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Free format text: LAPSE BECAUSE OF NON-PAYMENT OF DUE FEES

Effective date: 20150930