EP1967601A2 - Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung - Google Patents
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- 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
- C23C4/131—Wire arc spraying
Definitions
- the invention relates to a process for producing a coating by thermal spraying and a coating produced by the process. It also has an apparatus for carrying out the method of the subject.
- the known coating does not meet the corrosion requirements that are to be placed on an internal combustion engine. In addition, it has a tensile stress, which leads to local delamination and thus the failure of the coating in operation.
- the object of the invention is therefore to provide a coating, in particular for the cylinder bore of aluminum engine blocks, which is characterized in addition to a high wear resistance by a high corrosion resistance and firm adhesion.
- an iron alloy containing 5 to 25, preferably 10 to 18,% by weight of chromium and 0.5 to 5, preferably 0.8 to 3,% by weight is used by thermal spraying.
- boron carbide (B 4 C) is supplied together with the molten iron alloy during thermal spraying of the surface to be coated.
- the proportion of boron carbide, which is supplied during thermal spraying 0.5 to 8, preferably 1 to 5 wt.%, So that the proportion of iron alloy from 92 to 99.5 or 95 to 99 wt.%.
- the coating of the invention meets all corrosion requirements that are placed on an engine block made of aluminum or the like light metal, in particular against salt and sulfur corrosion, especially in fuels with increased sulfur content, eg. B. Venezuela fuel.
- the boron carbide is at least partially converted into iron boride (Fe x B x ) in the iron alloy molten during thermal spraying, thereby hardening the coating and substantially increasing its wear resistance.
- iron boride Fe x B x
- the boron carbide is preferably used with a particle size of 0.1 to 10 microns.
- the thermal spraying is preferably carried out by arc spraying, in particular by the arc wire spraying (LDS) method, which is also referred to as TWAS (Twin Wire Arc Spraying).
- LDS arc wire spraying
- TWAS Twin Wire Arc Spraying
- two wires which consist of the iron alloy used in the invention, fed to a spray head, such that a current transmission to the wires, wherein the two wires touch with its end, whereby an arc is formed by a permanent short circuit, the wires melting at the end.
- Behind the melt zone is a nozzle from which compressed air or an inert gas, such as nitrogen, exits. This gas stream atomizes the molten iron alloy and supplies it to the surface to be coated.
- a melting head is used, which has a feed into the gas stream upstream of the arc for the boron carbide.
- the thermal spraying according to the invention can also be carried out in other ways, for example by flame spraying.
- the iron alloy can be supplied as a powder during thermal spraying.
- a mixed powder of the iron alloy and the boron carbide for thermal spraying.
- an iron alloy wire containing the boron carbide may be used.
- Such a wire can be produced by melt metallurgy, powder metallurgy or by extrusion.
- a filler wire is conceivable, which consists of a tube made of the iron alloy, which is filled with boron carbide.
- the cylinder liners of an internal combustion engine are preferably pretreated with a high-pressure water jet before coating.
- the spray head is inserted into one of the cylinders, wherein it rotates during spraying around the cylinder longitudinal axis.
- the applied to the cylinder bore by thermal spraying layer for example, has a layer thickness of 0.2 to 0.6 mm.
- By honing and the like finish finally, for example, a 0.1 to 0.2 mm thick cylinder liner coating is obtained.
- FIGURE of which shows a side view of a lance for the LDS method with a longitudinally cut extrusion head.
- a spray head 2 is attached to a lance 1.
- a lance 1 As shown by the arrows 3 and 4, two wires 5, 6 introduced from the iron alloy according to the invention, which are transported to the spray head 2, from which they emerge so that they touch with their ends 7, 8 , The wires 5, 6 are energized with contacts, not shown, so that forms an arc and thus a melting zone 9 at their ends 7, 8 by a short circuit.
- the spray head 2 has a projection 10 which is provided with a nozzle 11 through which a gas stream emerges, which, as shown by the arrow 12, the lance 1 and supplied in the spray head 2, as dashed at 13 shown, flows to the nozzle 11.
- the projection 10 is supplied via a line 14 boron carbide powder from a reservoir 15, whereby the Boron carbide powder is blown through the gas stream 13 from the nozzle 11 into the molten zone 9 and thus supplied with the atomized molten iron alloy of the surface 16 to be coated.
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung durch thermisches Spritzen und eine nach dem Verfahren hergestellte Beschichtung. Sie hat ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zum Gegenstand.
- Um bei einem Aluminium-Motorblock für eine widerstandsfähige Oberfläche der Zylinderlaufbahn zu sorgen, ist es bekannt, die Zylinderlaufbahn mit einer Eisenbeschichtung durch Lichtbogendrahtspritzen mit einem Eisendraht zu versehen.
- Die bekannte Beschichtung erfüllt jedoch nicht die Korrosionsanforderungen, die an einen Verbrennungsmotor zu stellen sind. Zudem weist sie eine Zugspannung auf, die zu lokalen Enthaftungen und damit zum Versagen der Beschichtung im Betrieb führt.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Beschichtung, insbesondere für die Zylinderlaufbahn von Aluminium-Motorblöcken bereitzustellen, die sich neben einer hohen Verschleißbeständigkeit durch eine hohe Korrosionsfestigkeit und feste Haftung auszeichnet.
- Dies wird erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Verfahren erreicht.
- Nach der Erfindung wird durch thermisches Spritzen eine Eisenlegierung verwendet, die 5 bis 25, vorzugsweise 10 bis 18 Gew.% Chrom und 0,5 bis 5, vorzugsweise 0,8 bis 3 Gew.% Molybdän enthält. Gleichzeitig wird beim thermischen Spritzen der zu beschichtenden Oberfläche zusammen mit der geschmolzenen Eisenlegierung Borcarbid (B4C) zugeführt. Dabei beträgt der Anteil des Borcarbids, der beim thermischen Spritzen zugeführt wird, 0,5 bis 8, vorzugsweise 1 bis 5 Gew.%, sodass der Anteil der Eisenlegierung 92 bis 99,5 bzw. 95 bis 99 Gew.% ausmacht.
- Die erfindungsgemäße Beschichtung erfüllt alle Korrosionsanforderungen, die an einen Motorblock aus Aluminium oder dergleichen Leichtmetall gestellt werden, insbesondere auch gegen Salz- und Schwefelkorrosion, vor allem auch bei Kraftstoffen mit erhöhtem Schwefelanteil, z. B. Venezuela-Kraftstoff.
- Das Borcarbid wird in der beim thermischen Spritzen geschmolzenen Eisenlegierung zumindest teilweise in Eisenborid (FexBx) umgewandelt, wodurch die Beschichtung gehärtet und ihre Verschleißbeständigkeit wesentlich erhöht wird. Durch die Einlagerung von Borcarbid und das Eisenborid in der Beschichtung werden Druckspannungen aufgebaut und damit Enthaftungen verhindert.
- Als Eisenlegierung hat sich insbesondere eine Legierung folgender Zusammensetzung als vorteilhaft erwiesen:
- 0,1 bis 0,7 Gew.% C,
- 10 bis 18 Gew.% Cr,
- 0,8 bis 2 Gew.% Mo,
- max. 2 Gew.% Mn,
- max. 1 Gew.% Si, sowie
- Fe als Rest und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,3 Gew.%, insgesamt max. 1,0 Gew.%.
- Das Borcarbid wird vorzugsweise mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 10 µm eingesetzt.
- Das thermische Spritzen erfolgt vorzugsweise durch Lichtbogenspritzen, insbesondere durch das Lichtbogendrahtspritzen(LDS)-Verfahren, das auch als TWAS (Twin Wire Arc Spraying) bezeichnet wird.
- Dazu werden zwei Drähte, die aus der erfindungsgemäß verwendeten Eisenlegierung bestehen, einem Spritzkopf zugeführt, derart, dass eine Stromübertragung an die Drähte erfolgt, wobei sich die beiden Drähte mit ihrem Ende berühren, wodurch durch einen permanenten Kurzschluss ein Lichtbogen gebildet wird, der die Drähte an ihrem Ende schmelzen lässt. Hinter der Schmelzzone befindet sich eine Düse, aus der Druckluft oder ein inertes Gas, wie Stickstoff, austritt. Dieser Gasstrom zerstäubt die geschmolzene Eisenlegierung und führt sie der zu beschichtenden Oberfläche zu. Dabei wird erfindungsgemäß vorzugsweise ein Schmelzkopf verwendet, der für das Borcarbid eine Zuführung in den Gasstrom stromaufwärts des Lichtbogens aufweist.
- Das thermische Spritzen kann erfindungsgemäß jedoch auch in anderer Weise durchgeführt werden, beispielsweise durch Flammspritzen. Auch kann die Eisenlegierung beim thermischen Spritzen als Pulver zugeführt werden. Ferner ist es möglich, ein Pulvergemisch aus der Eisenlegierung und dem Borcarbid zum thermischen Spritzen zu verwenden. Desgleichen kann ein Draht aus der Eisenlegierung, der das Borcarbid enthält, verwendet werden. Ein solcher Draht kann schmelzmetallurgisch, pulvermetallurgisch oder durch Extrudieren hergestellt sein. Auch ist ein Fülldraht denkbar, der aus einem Röhrchen aus der Eisenlegierung besteht, das mit Borcarbid gefüllt ist.
- Die Zylinderlaufbahnen eines Verbrennungsmotors werden vor dem Beschichten vorzugsweise mit einem Hochdruckwasserstrahl vorbehandelt. Zur Beschichtung wird der Spritzkopf in einen der Zylinder eingeführt, wobei er während des Spritzens um die Zylinderlängsachse rotiert. Die auf die Zylinderlaufbahn durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht weist beispielsweise eine Schichtdicke von 0,2 bis 0,6 mm auf. Durch Honen und dergleichen Endbearbeitung wird schließlich beispielsweise eine 0,1 bis 0,2 mm dicke Zylinderlaufbahnbeschichtung erhalten.
- Nachstehend ist eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur eine Seitenansicht einer Lanze für das LDS-Verfahren mit längsgeschnittenem Spritzkopf zeigt.
- Danach ist an einer Lanze 1 ein Spritzkopf 2 befestigt. In die Lanze 1 werden, wie durch die Pfeile 3 und 4 dargestellt, zwei Drähte 5, 6 aus der erfindungsgemäßen Eisenlegierung eingeführt, die zu dem Spritzkopf 2 transportiert werden, aus dem sie so austreten, dass sie sich mit ihren Enden 7, 8 berühren. Die Drähte 5, 6 werden mit nicht dargestellten Kontakten mit Strom beaufschlagt, sodass sich an ihren Enden 7, 8 durch einen Kurzschluss ein Lichtbogen und damit eine Schmelzzone 9 bildet.
- Hinter der Schmelzzone 9 weist der Spritzkopf 2 einen Vorsprung 10 auf, der mit einer Düse 11 versehen ist, durch die ein Gasstrom austritt, der, wie durch den Pfeil 12 dargestellt, der Lanze 1 zugeführt und in dem Spritzkopf 2, wie mit 13 gestrichelt dargestellt, zu der Düse 11 strömt.
- Dem Vorsprung 10 wird über eine Leitung 14 Borcarbid-Pulver aus einem Vorratsbehälter 15 zugeführt, wodurch das Borcarbid-Pulver durch den Gasstrom 13 aus der Düse 11 in die Schmelzzone 9 geblasen und damit mit der zerstäubten geschmolzenen Eisenlegierung der zu beschichtenden Oberfläche 16 zugeführt wird.
Claims (13)
- Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung durch thermisches Spritzen mit einer Eisenlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen bei gleichzeitiger Zufuhr von 92 bis 99,5 Gew.% einer Eisenlegierung, die 5 bis 25 Gew.% Chrom und 0,5 bis 5 Gew.% Molybdän enthält, und 0,5 bis 8 Gew.% Borcarbid durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierung 10 bis 18 Gew.% Chrom und 0,8 bis 3 Gew.% Molybdän enthält.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierung folgende Zusammensetzung aufweist:0,1 bis 0,7 Gew.% Kohlenstoff,10 bis 18 Gew.% Chrom,0,8 bis 2 Gew.% Molybdän,max. 2 Gew.% Mangan,max. 1 Gew.% Silizium sowieEisen als Rest und unvermeidbare Verunreinigungen einzeln max. 0,3 Gew.%, insgesamt max. 1,0 Gew.%.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen mit 95 bis 99 Gew.% der Eisenlegierung und 1 bis 5 Gew.% Borcarbid erfolgt.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Borcarbid mit einer Teilchengröße von 0,1 bis 10 µm eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Eisenlegierung als Pulver oder Draht und das Borcarbid als Pulver zum thermischen Spritzen eingesetzt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Spritzen ein Draht aus der Eisenlegierung verwendet wird, der das Borcarbid enthält.
- Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen durch Lichtbogenspritzen erfolgt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht zum Lichtbogendrahtspritzen verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 6 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Lichtbogendrahtspritzen ein Draht aus der Eisenlegierung verwendet und das Borcarbid getrennt zugeführt wird.
- Beschichtung, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie Eisenborid enthält, das aus dem Borcarbid und der Eisenlegierung beim thermischen Spritzen gebildet wird.
- Beschichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie auf die Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors aus einem Leichtmetall aufgebracht ist.
- Vorrichtung zur Durchführung des Lichtbogendrahtspritzverfahrens nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Spritzkopf (2) mit einer Zuführung für zwei Spritzdrähte (5, 6) aus der Eisenlegierung zur Bildung eines Lichtbogens, wobei der Spritzkopf (2) eine Düse (11) aufweist, durch die ein Gas (12, 13) strömt, das die im Lichtbogen geschmolzene Eisenlegierung zerstäubt und der zu beschichtenden Oberfläche (16) zuführt, und eine Zuführung (14) für das Borcarbid-Pulver in den Gasstrom (13) stromaufwärts des Lichtbogens.
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