EP2110465A2 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils sowie derartig hergestelltes Bauteil - Google Patents

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EP2110465A2 EP09157727A EP09157727A EP2110465A2 EP 2110465 A2 EP2110465 A2 EP 2110465A2 EP 09157727 A EP09157727 A EP 09157727A EP 09157727 A EP09157727 A EP 09157727A EP 2110465 A2 EP2110465 A2 EP 2110465A2
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aluminum coating
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Dr. Stephan Beer
Jürgen Niehues
Dr. Herbert Möding
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metallic component, in which a base body provided with an aluminum coating and the coated base body is encapsulated with an aluminum alloy, and a component having a base body, on the outer surface of an aluminum layer is formed, wherein the base body with a Aluminum alloy is cast.
  • the coatings of the einzug manenden base body serve a better adhesion of the body to the surrounding casting.
  • cylinder liners which form the running surfaces for the cylinder or pour slide bearings in the cylinder crankcase made of aluminum.
  • the cylinder liners are made, for example, from a high strength iron-based alloy, such as lamellar gray cast iron.
  • the application of the layers can be done for example by Alfinieren or thermal spraying.
  • This object is achieved by a method in which the aluminum coating is applied galvanically to the body, and by such a manufactured component. This ensures that the deposited on the body aluminum coating with the aluminum casting alloy enters into a strong metallurgical bond and a good bond of the aluminum coating is made to the body. This is achieved in addition to the stronger bond during plating by electroplating also characterized in that undercut structures can be evenly and completely coated, for example, body with Verklamm réelles Designen or Raugussbuchsen, which are difficult to access by spraying.
  • the aluminum coating may advantageously be an aluminum-based alloy coating. This allows the reduction of Melting point of the aluminum layer during subsequent Umge manen, so that the bond is improved again.
  • the aluminum coating with a thickness in the range from 5 to 100 ⁇ m, preferably from 10 to 60 ⁇ m and in particular from 20 to 40 ⁇ m.
  • a thickness in the range from 5 to 100 ⁇ m, preferably from 10 to 60 ⁇ m and in particular from 20 to 40 ⁇ m.
  • Such layer thicknesses have proven in experiments to be sufficient to improve the bond both to Umgusstechnikstoff and to the body.
  • the coated base body is recast with an aluminum-based alloy.
  • an AlSi9CU3 alloy can be used.
  • the base body can be cleaned before the galvanic application of the aluminum coating on the body. This can be done mechanically, in particular by blasting and / or chemically, in particular by applying a flux. As a result, the adhesion of the coating to the base body is additionally improved.
  • undercut structures can be evenly and completely coated, for example, base bodies with interlocking structures or bushings.
  • the base body is made of an iron-based alloy, in particular of lamellar gray cast iron (GGL).
  • GGL lamellar gray cast iron
  • a nickel coating is applied galvanically to the base body prior to the galvanic application of the aluminum coating.
  • the nickel coating with a thickness of> 5 microns, in particular in the range between 1 to 2 microns are applied to the body. It has been found that the bonding of nickel, for example, to gray cast iron is more resistant than the bond between aluminum and gray cast iron. In addition, the binding is also between the aluminum coating and the nickel layer more resistant and better, so that overall the strength of the connection to the socket is increased.
  • the surface of the base body has a clamping structure with a strong profiling or undercuts.
  • the component is a cylinder crankcase or a cylinder crankcase lower part, which is also referred to as a bearing traverse or Bedplate.
  • the inventive method can be used particularly advantageous.
  • the main body is a cylinder liner.
  • a micrograph of a component produced by the method according to the invention is shown in the figure.
  • the illustrated component 1 consists of a base body 2 in the form of a cast iron cylinder liner, which was first cleaned chemically by means of a flux. On the cleaned surface then a nickel layer 3 was applied galvanically. The thickness of this nickel layer 3 is about 5 microns. In turn, an aluminum layer 4 in a thickness of about 25 ⁇ m was applied to this nickel layer 3 galvanically in a galvanic bath. The thus prepared cylinder liner 2 was then encapsulated with an aluminum-silicon alloy 5 of AlSi9CU3 in the die-casting process for producing a cylinder crankcase 1.

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Abstract

Bekannt sind Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils, bei dem ein Grundkörper (2) mit einer Aluminiumbeschichtung (4) versehen und der beschichtete Grundkörper (2) mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird. Trotz der Aluminiumbeschichtung treten jedoch Probleme bei der Haftung der Anbindeschicht zum Grundkörper auf. Erfindungsgemäß wird nun vorgeschlagen, dass die Aluminiumbeschichtung (4) galvanisch auf den Grundkörper (2) aufgebracht wird. Dies verbessert die Anbindung der Buchse zur Aluminiumschicht, insbesondere bei Strukturen mit Hinterschnitten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils, bei dem ein Grundkörper mit einer Aluminiumbeschichtung versehen und der beschichtete Grundkörper mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, sowie ein Bauteil mit einem Grundkörper, auf dessen äußerer Oberfläche eine Aluminiumschicht ausgebildet ist, wobei der Grundkörper mit einer Aluminiumlegierung umgossen ist.
  • Derartige Bauteile und Verfahren sind bekannt. Die Beschichtungen der einzugießenden Grundkörper dienen dabei einer besseren Haftung des Grundkörpers am umgebenden Guss. Insbesondere beim Aluminiumguss ist es häufig notwendig, an hochbelasteten Flächen einzugießende Teile vorzusehen, um Oberflächen zu schaffen, durch deren Härte eine zu große Abnutzung durch die Bewegung entlang der Oberfläche vermieden wird. So ist es beispielsweise bekannt, Zylinderbuchsen, die die Laufflächen für die Zylinder bilden oder Gleitlager in Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium einzugießen. Die Zylinderlaufbuchsen sind beispielsweise aus einer hoch belastbaren Eisenbasislegierung, wie lamellarem Grauguss, hergestellt. Das Aufbringen der Schichten kann beispielsweise durch Alfinieren oder thermisches Spritzen erfolgen.
  • Um die Anbindung solcher Zylinderlaufbuchsen an den umgebenden Guss zu verbessern, wird in der JP 59-030465 vorgeschlagen, eine Gusseisenbuchse zunächst mit Nickel oder Kupfer zu beschichten und anschließend in ein Aluminiumkurbelgehäuse einzugießen. Hierbei soll eine Verschmelzung der Oberflächenbeschichtung mit der Aluminiumlegierung entstehen.
  • Aus der EP 1 124 660 B1 ist es bekannt, eine Zylinderlaufbuchse durch thermisches Spritzen mit einer Aluminium-Silizium-Legierung zu beschichten. Durch diese Beschichtung der Laufbuchse wird eine poröse Oberfläche geschaffen, welche beim Umgießen dazu führen soll, dass die Oxidhaut immer wieder aufreißt, so dass ein direkter Kontakt zwischen Schmelze und Oberfläche der Anbindeschicht stattfindet. Die Schmelze infiltriert daraufhin die Anbindeschicht und schmilzt diese an der Oberfläche auf, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung erreicht werden soll. Somit wird eine hohe Festigkeit zwischen der Anbindeschicht und dem Umgusswerkstoff erreicht.
  • Bei den bekannten Verfahren wird zwar die Bindung zwischen Anbindeschicht und dem Gusswerkstoff im Vergleich zu einer rein mechanischen Verklammerung verbessert, jedoch bleibt das Problem der Anbindung zwischen der Zylinderbuchse und der Anbindeschicht, da in diesem Bereich keine metallurgische Bindung erzeugt wird, sondern weiterhin lediglich eine mechanische Verklammerung besteht.
  • Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils sowie ein derartig hergestelltes Bauteil bereitzustellen, bei denen die Anbindung zwischen der Beschichtung und der Zylinderbuchse und damit die Haltbarkeit des Grundkörpers im Gussteil verbessert wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gelöst, bei dem die Aluminiumbeschichtung galvanisch auf den Grundkörper aufgebracht wird, sowie durch ein derartig hergestelltes Bauteil. Hierdurch wird erreicht, dass die auf dem Grundkörper abgeschiedene Aluminiumbeschichtung mit der Aluminium-Gusslegierung eine starke metallurgische Bindung eingeht und eine gute Bindung der Aluminiumbeschichtung zum Grundkörper hergestellt wird. Diese wird neben der stärkeren Bindung beim Beschichten durch Galvanisieren auch dadurch erreicht, dass auch Hinterschnittstrukturen gleichmäßig und vollständig beschichtet werden können, zum Beispiel Grundkörper mit Verklammerungsstrukturen oder Raugussbuchsen, welche in Spritzverfahren schwer zugänglich sind.
  • Die Aluminiumbeschichtung kann dabei vorteilhafterweise eine Aluminium-Basis-Legierungsbeschichtung sein. Dies ermöglicht die Verringerung des Schmelzpunktes der Aluminiumschicht beim anschließenden Umgießen, so dass die Bindung erneut verbessert wird.
  • Gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, die Aluminiumbeschichtung mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 100 µm, bevorzugt von 10 bis 60 µm und insbesondere von 20 bis 40 µm aufzubringen. Derartige Schichtdicken haben sich in Versuchen als ausreichend zur Verbesserung der Bindung sowohl zum Umgusswerkstoff als auch zum Grundkörper erwiesen.
  • In Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der beschichtete Grundkörper mit einer Aluminium-Basis-Legierung umgegossen wird. Hier kann insbesondere eine AlSi9CU3-Legierung verwendet werden.
  • Vorteilhafterweise kann der Grundkörper vor dem galvanischen Aufbringen der Aluminiumbeschichtung auf den Grundkörper gereinigt werden. Dies kann mechanisch, insbesondere durch Strahlen und/oder chemisch, insbesondere durch Auftragen eines Flussmittels erfolgen. Hierdurch wird die Haftung der Beschichtung am Grundkörper zusätzlich verbessert.
  • Ein weiterer signifikanter Vorteil der galvanischen Schichtabscheidung gegenüber Spritzverfahren liegt darin, dass Hinterschnittstrukturen gleichmäßig und vollständig beschichtet werden können, zum Beispiel Grundkörper mit Verklammerungsstrukturen oder Raugussbuchsen.
  • Vorzugsweise wird der Grundkörper aus einer Eisenbasislegierung, insbesondere aus lamellarem Grauguss (GGL), hergestellt. Dieser weist eine mechanisch hoch belastbare Oberfläche auf, die beispielsweise als Zylinderlauffläche in einem Verbrennungsmotor geeignet ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, auf den Grundkörper vor dem galvanischen Aufbringen der Aluminiumbeschichtung galvanisch eine Nickelbeschichtung aufzubringen. Insbesondere kann die Nickelbeschichtung mit einer Dicke > 5 µm insbesondere im Bereich zwischen 1 bis 2 µm auf den Grundkörper aufgebracht werden. Es hat sich herausgestellt, dass die Bindung von Nickel beispielsweise zum Grauguss beständiger ist als die Bindung zwischen Aluminium und Grauguss. Zusätzlich ist auch die Bindung zwischen der Aluminiumbeschichtung und der Nickelschicht beständiger und besser, so dass insgesamt die Festigkeit der Verbindung zur Buchse erhöht wird.
  • In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Bauteils weist die Oberfläche des Grundkörpers eine Verklammerungsstruktur mit starker Profilierung oder Hinterschnitten auf. Hierdurch wird eine zusätzliche formschlüssige Verklammerung zwischen Grundkörper und Beschichtung erreicht, die die Festigkeit und Haltbarkeit zusätzlich erhöht.
  • Vorzugsweise ist das Bauteil ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Zylinderkurbelgehäuseunterteil, welches auch als Lagertraverse oder Bedplate bezeichnet wird. Für diese Bauteile lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft einsetzen.
  • Insbesondere ist der Grundkörper eine Zylinderlaufbuchse. So wird es möglich, hoch belastbare Zylinderlaufflächen in Aluminiumkurbelgehäusen, die ein geringes Gewicht aufweisen, zu schaffen und die Buchse so zu befestigen, dass ein Lösen zuverlässig unterbunden wird.
  • Ein Schliffbild eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bauteils ist in der Figur dargestellt.
  • Das dargestellte Bauteil 1 besteht aus einem Grundkörper 2 in Form einer Grauguss-Zylinderbuchse, welche zunächst chemisch mittels eines Flussmittels gereinigt wurde. Auf die gereinigte Oberfläche wurde anschließend galvanisch eine Nickelschicht 3 aufgetragen. Die Dicke dieser Nickelschicht 3 beträgt etwa 5µm. Auf diese Nickelschicht 3 wurde anschließend wiederum galvanisch in einem Galvanikbad eine Aluminiumschicht 4 in einer Dicke von etwa 25µm aufgebracht. Die so vorbereitete Zylinderbuchse 2 wurde anschließend mit einer Aluminium-Silizium-Legierung 5 aus AlSi9CU3 im Druckgussverfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses 1 umgossen.
  • Es zeigte sich zwischen allen Schichten eine sehr gute Haftung. Fehlstellen durch Oxidbildung oder dergleichen sind durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens fast vollständig unterbunden worden.
  • Entsprechend wurde ein Bauteil geschaffen, welches auch für den Einsatz in Hochleistungsmotoren mit hohen thermischen und mechanischen Belastungen geeignet ist. Ein Lösen der Buchse im Umguss kann ausgeschlossen werden.

Claims (13)

  1. Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils (1), bei dem ein Grundkörper (2) mit einer Aluminiumbeschichtung (4) versehen und der beschichtete Grundkörper (2) mit einer Aluminiumlegierung umgossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbeschichtung (4) galvanisch auf den Grundkörper (2) aufgebracht wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbeschichtung (4) eine Aluminium-Basis-Legierungsbeschichtung ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumbeschichtung (4) mit einer Dicke im Bereich von 5 bis 100 µm, bevorzugt von 10 bis 60 µm und insbesondere von 20 bis 40 µm aufgebracht wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Grundkörper (2) mit einer Aluminium-Basis-Legierung (5) umgossen wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) vor dem galvanischen Aufbringen der Aluminiumbeschichtung (4) auf den Grundkörper (2) gereinigt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) mechanisch insbesondere durch Strahlen und/oder chemisch insbesondere durch Auftragen eines Flussmittels gereinigt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) aus einer Eisenbasislegierung insbesondere aus lamellarem Grauguss (GGL) hergestellt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Grundkörper (2) vor dem galvanischen Aufbringen der Aluminiumbeschichtung (4) galvanisch eine Nickelbeschichtung (3) aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbeschichtung (3) mit einer Dicke > 5 µm insbesondere im Bereich zwischen 1 bis 2 µm auf den Grundkörper (2) aufgebracht wird.
  10. Bauteil mit einem Grundkörper (2), auf dessen äußerer Oberfläche eine Aluminiumschicht (4) ausgebildet ist, wobei der Grundkörper (2) mit einer Aluminiumlegierung umgossen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt ist.
  11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des Grundkörpers (2) eine Verklammerungsstruktur mit starker Profilierung oder Hinterschnitten aufweist.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Zylinderkurbelgehäuseunterteil ist.
  13. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) eine Zylinderlaufbuchse ist.
EP09157727.0A 2008-04-17 2009-04-09 Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils sowie derartig hergestelltes Bauteil Active EP2110465B1 (de)

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