EP2110465B1 - Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils sowie derartig hergestelltes Bauteil - Google Patents

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EP2110465B1
EP2110465B1 EP09157727.0A EP09157727A EP2110465B1 EP 2110465 B1 EP2110465 B1 EP 2110465B1 EP 09157727 A EP09157727 A EP 09157727A EP 2110465 B1 EP2110465 B1 EP 2110465B1
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aluminum
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cast
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Dr. Stephan Beer
Jürgen Niehues
Dr. Herbert Möding
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KS Huayu Alutech GmbH
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    • C25D3/44—Aluminium

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a metallic component, in which a base body is provided with an aluminum coating and the coated base body is cast with an aluminum alloy, and a component with a base body, on the outer surface of which an aluminum layer is formed, the base body having a Cast aluminum alloy.
  • the coatings of the base body to be cast in serve a better adhesion of the base body to the surrounding casting.
  • cast cylinder liners which form the running surfaces for the cylinders, or to slide bearings in aluminum cylinder crankcases.
  • the cylinder liners are made, for example, from a heavy-duty iron-based alloy, such as lamellar gray cast iron.
  • the layers can be applied, for example, by finishing or thermal spraying.
  • the JP 59-030465 proposed to first coat a cast iron bushing with nickel or copper and then pour it into an aluminum crankcase. This should result in a fusion of the surface coating with the aluminum alloy.
  • an adhesion-promoting layer on a cast body which can be, for example, a cylinder liner made of gray cast iron.
  • the adhesion promoter layer consists of galvanically applied light metal, which is metallurgically bonded to the cast body by means of diffusion annealing.
  • a cylinder liner which is thermally coated from the outside by spraying.
  • at least two axially superimposed different layers are applied.
  • a layer with good heat conductivity is applied in the upper area, while the lower section is provided with a layer with poor heat conductivity. This is intended to improve the connection to the base body when the socket is cast around.
  • the bond between the bonding layer and the cast material is improved compared to a purely mechanical clamping, but the problem of the bond between the cylinder liner and the bonding layer remains, since in this area no metallurgical bond is produced, but only a mechanical one Parenthesis exists.
  • This object is achieved according to the invention by a method in which the aluminum coating is applied galvanically to the base body, the surface of which has a clamping structure with undercuts, and that a nickel coating is applied to the base body before the aluminum coating is applied galvanically, and by a coating produced in this way Component in which the surface of the base body has a clamping structure with undercuts and a galvanically applied nickel coating. This ensures that the aluminum coating deposited on the base body forms a strong metallurgical bond with the cast aluminum alloy and that the aluminum coating is bonded well to the base body.
  • undercut structures can also be coated uniformly and completely, for example base bodies with clamping structures or rough cast bushings which are difficult to access in spraying processes. It has been found that the bond between nickel and gray cast iron, for example, is more stable than the bond between aluminum and gray cast iron. In addition, the bond between the aluminum coating and the nickel layer is also more stable and better, so that overall the strength of the connection to the socket is increased.
  • the aluminum coating can advantageously be an aluminum-based alloy coating. This enables the melting point of the aluminum layer to be reduced during the subsequent encapsulation, so that the bond is improved again.
  • the aluminum coating is applied 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. In experiments, such layer thicknesses have been found to be sufficient to improve the bond both to the casting material and to the base body.
  • the coated base body is cast around with an aluminum-based alloy.
  • an AlSi9CU3 alloy can be used here.
  • the base body can advantageously be cleaned prior to the galvanic application of the aluminum coating to the base body. This can be done mechanically, in particular by blasting and / or chemically, in particular by applying a flux. This additionally improves the adhesion of the coating to the base body.
  • undercut structures can be coated evenly and completely, for example base bodies with clamping structures or rough cast bushings.
  • the base body is preferably produced from an iron-based alloy, in particular from lamellar gray cast iron (GGL).
  • GGL lamellar gray cast iron
  • the nickel coating is preferably applied to the base body with a thickness> 5 ⁇ m, in particular in the range between 1 and 2 ⁇ m. It has been found that the bond between nickel and gray cast iron, for example, is more stable than the bond between aluminum and gray cast iron. In addition, the bond between the aluminum coating and the nickel layer is also more stable and better, so that overall the strength of the connection to the socket is increased.
  • the component is preferably a cylinder crankcase or a cylinder crankcase lower part, which is also referred to as a bearing crossmember or bedplate.
  • the method according to the invention can be used particularly advantageously for these components.
  • the base body is a cylinder liner. This makes it possible to use heavy-duty cylinder liners in aluminum crankcases have low weight, to create and to fix the socket so that loosening is reliably prevented.
  • a micrograph of a component produced by the method according to the invention is shown in the figure.
  • the component 1 shown consists of a base body 2 in the form of a cast iron cylinder liner, which was first chemically cleaned using a flux. A nickel layer 3 was then applied galvanically to the cleaned surface. The thickness of this nickel layer 3 is approximately 5 ⁇ m. An aluminum layer 4 with a thickness of approximately 25 ⁇ m was then applied galvanically to this nickel layer 3 in a galvanic bath. The cylinder liner 2 prepared in this way was then cast with an aluminum-silicon alloy 5 made of AlSi9CU3 in a die-casting process to produce a cylinder crankcase 1.
  • a component was created that is also suitable for use in high-performance motors with high thermal and mechanical loads. A loosening of the socket in the casting can be excluded.

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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.
  • Des Weiteren Ist aus der EP 1 688 517 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Haftvermittlungsschicht auf einen Umgusskörper bekannt, der beispielswelse eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss sein kann. Die Haftvermittlerschicht besteht dabei aus galvanisch aufgebrachtem Leichtmetall, welches mittels Diffusionsglühen metallurgisch an den Umgusskörper angebunden wird.
  • Aus der US 2007/0012175 A1 ist eine Zylinderlaufbuchse bekannt, die von außen thermisch durch Spritzen beschichtet wird. Hierbei werden mindestens zwei axial übereinanderliegende unterschiedliche Schichten aufgebracht. Im oberen Bereich wird eine gut Wärme leitende Schicht aufgebracht, während der untere Abschnitt mit einer schlecht Wärme leitenden Schicht versehen wird. Hierdurch soll die Anbindung an den Grundkörper beim Umgießen der Buchse verbessert werden.
  • Schließlich ist aus der US 4,925,536 ein Verfahren zur Metallbeschichtung von Metallwerkstoffen, insbesondere niedriglegierten hochfesten Stählen, bekannt, bei dem aus nichtwässrigen Elektrolyten galvanisch Haftvermittlungsschichten aus Eisen, Eisen und Nickel, Nickel, Cobalt, Kupfer oder Legierungen der vorstehend genannten Metalle auf diese Metallwerkstoffe abgeschieden und darauf dann anschließend galvanisch Aluminium abgeschieden wird.
  • Auch ist es aus der EP 0 919 715 A2 bekannt, vor dem Umgießen einer Zylinderlaufbuchse mit Aluminium, die Buchse an ihrer Außenseite mit Hinterschnitten zu versehen.
  • 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, dessen Oberfläche eine Verklammerungsstruktur mit Hinterschnitten aufweist, und dass auf den Grundkörper vor dem galvanischen Aufbringen der Aluminiumbeschichtung galvanisch eine Nickelbeschichtung aufgebracht wird, sowie durch ein derartig hergestelltes Bauteil, bei dem die Oberfläche des Grundkörpers eine Verklammerungsstruktur mit Hinterschnitten und eine galvanisch aufgebrachte Nickelbeschichtung aufweist. 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. 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.
  • 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.
  • Vorzugsweise wird die Nickelbeschichtung mit einer Dicke > 5 µm insbesondere im Bereich zwischen 1 bis 2 µm auf den Grundkörper aufgebracht. 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.
  • 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 (12)

  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, dessen Oberfläche eine Verklammerungsstruktur mit Hinterschnitten aufweist, und dass auf den Grundkörper (2) vor dem galvanischen Aufbringen der Aluminiumbeschichtung (4) galvanisch eine Nickelbeschichtung (3) 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 die Nickelbeschichtung (3) mit einer Dicke > 5 µm aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nickelbeschichtung mit einer Dicke 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 die Oberfläche des Grundkörpers (2) eine Verklammerungsstruktur mit Hinterschnitten und eine galvanisch aufgebrachte Nickelbeschichtung (3) aufweist und das Bauteil (1) nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 hergestellt ist.
  11. Bauteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (1) ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Zylinderkurbelgehäuseunterteil ist.
  12. Bauteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) eine Zylinderlaufbuchse ist.
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