EP3325685A1 - Verfahren zur beschichtung einer zylinderlaufbahn eines zylinderkurbelgehäuses, zylinderkurbelgehäuse mit einer beschichteten zylinderlaufbahn sowie motor - Google Patents

Verfahren zur beschichtung einer zylinderlaufbahn eines zylinderkurbelgehäuses, zylinderkurbelgehäuse mit einer beschichteten zylinderlaufbahn sowie motor

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EP3325685A1
EP3325685A1 EP16730300.7A EP16730300A EP3325685A1 EP 3325685 A1 EP3325685 A1 EP 3325685A1 EP 16730300 A EP16730300 A EP 16730300A EP 3325685 A1 EP3325685 A1 EP 3325685A1
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EP
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layer
coating
base material
cylinder
adhesion promoter
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EP16730300.7A
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Klaus Stefan Klimek
Stefan Richter
Jürg WIPF
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Volkswagen AG
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Publication date
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    • 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
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    • C23C28/02—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material
    • C23C28/021—Coating for obtaining at least two superposed coatings either by methods not provided for in a single one of groups C23C2/00 - C23C26/00 or by combinations of methods provided for in subclasses C23C and C25C or C25D only coatings only including layers of metallic material including at least one metal alloy layer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/06—Metallic material
    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders
    • F02F1/20—Other cylinders characterised by constructional features providing for lubrication

Definitions

  • the invention relates to a method for coating a cylinder bore of a
  • Cylinder crankcase a cylinder crankcase and a motor.
  • thermal spraying processes are frequently used, such as plasma spraying; High velocity flame spraying (HVOF), arc spraying and arc wire spraying.
  • HVOF High velocity flame spraying
  • arc spraying arc wire spraying
  • the coating comprises several individual layers, which are arranged one above the other and usually have different functionalities.
  • Thermal protection layers TBC
  • corrosion protection layers erosion protection layers or sliding layers, which facilitate the sliding of mating bodies together.
  • An application example here is the coating of cylinder surfaces in internal combustion engines with layers having good lubricating and friction properties, whereby the running characteristics of the piston in the cylinder are improved.
  • Coating processes include powder plasma spraying, wire spraying processes such as plasma transfer wire arc (PTWA) and arc wire spraying (LDS) or
  • the invention is based on the object of providing a method for coating a metallic workpiece, in particular a cylinder bore of a cylinder crankcase, in which a pretreatment and in particular roughening of the surface are dispensable.
  • a first aspect of the invention relates to a method for coating a
  • Cylinder track of a cylinder crankcase comprising in step (a) providing a powdery base material and a powdery adhesion promoter, wherein the adhesion promoter comprises a mixture of molybdenum and an aluminum-containing alloy, such as NiAl, in particular Ni (95%) Al (5%), or CuAl, in particular Cu (90%) Al (10%). Particularly preferred is the use of Ni (95%) Al (5%) as an aluminum-containing alloy for the adhesion promoter.
  • the method according to the invention comprises
  • Cylinder crankcase by means of a thermal coating process in a step (b), wherein either a layer of a powder mixture of adhesion promoter and
  • Base material is arranged on the cylinder liner or a first layer comprising the bonding agent arranged on the cylinder barrel and then a second layer comprising the base material is disposed on the first layer.
  • Thermal coating processes include powder plasma spraying, wire spraying processes such as plasma transfer wire arc (PTWA) and arc wire spraying (LDS) or
  • a process step for pretreatment, which precedes a coating of the workpiece is not necessary and can be saved. This saving leads to economic, especially financial advantages, since the process time is reduced overall.
  • the pretreatment is a roughening of the material, there is no need for expensive disposal of the materials used during the roughening process.
  • an increase in quality of the workpiece is achieved in addition, since errors on the workpiece surface, which can be caused by the pretreatment, in particular the roughening of the surface, be completely avoided.
  • the method according to the invention also finely spindled surfaces can be coated without sacrificing quality.
  • the coating produced by the method according to the invention serves as a protective layer for a cylinder bore of a cylinder crankcase.
  • a protective layer for a cylinder bore of a cylinder crankcase Preferably, by the
  • the adhesion promoter is either arranged together with the base material on the metallic workpiece surface (cylinder bore) and is then present together with the base material in a mixed layer on the workpiece surface, so that an adhesive base formed in the protective layer is formed. Alternatively or in addition, this looks
  • Base material to be arranged as a primer on the workpiece surface and then to be placed on the primer a protective layer, which preferably only the base material, but at least not the adhesion promoter has.
  • the bonding agent and the base powder lie as a physical mixture, so do not form any chemical compounds or alloys.
  • the separation of primer and base material in two layers offers several advantages.
  • the effect of the adhesion promoter can be increased and thus the adhesion of the coating on the workpiece surface can be improved, on the other hand, the adhesion promoter does not come with a separate application of the individual layers with the
  • the coating of all said layers takes place with the same thermal coating process.
  • Double powder conveyor for powder delivery to minimize the overhead of an additional coating step. So can in the provision of
  • a barrel primer and a barrel base material a change between the two powders can be done easily, advantageously a cleaning or a change of a feed tube or similar. is not required.
  • Alloy such as AISi 17 , AISi 9 , and others, or more particularly one
  • the aluminum-containing alloy of the coupling agent is preferably a nickel-aluminum alloy (nickel-base alloys), a copper-aluminum alloy optionally containing iron, a cobalt-aluminum alloy, a silicon-aluminum alloy, a magnesium-cobalt-aluminum alloy, a silver-aluminum alloy , Cobalt-chromium-based hard alloys or aluminum bronze.
  • Base material is achieved when molybdenum in the range of 20 to 80 wt .-% and / or the aluminum-containing alloy in the range of 20 to 80 wt .-% based on the adhesion promoter is present. These details are preferably based on the provided powdery material.
  • the adhesion promoter in addition to molybdenum and aluminum of the aluminum-containing alloy has no further components, so that the percentage of
  • Molybdenum and the aluminum-containing alloy preferably add to 100%.
  • the adhesion promoter has 0-60% of the base material to be coated on the adhesion promoter, which then adds up to 100% with molybdenum and the aluminum-containing alloy. It is further preferred that 0.2-5% of boron be added to the coupling agent to aid adhesion.
  • the silicon content is from 8 to 25 wt .-% based on the adhesion promoter.
  • hard alloys preferably cobalt-chromium-based, wherein the alloy preferably from 26 to 29 wt .-% chromium, 4.5 to 6 wt .-% molybdenum, 0.2 to 0.35 wt .-% carbon, 2 to 3 wt .-% nickel and up to 67 wt .-% cobalt and other components in a small extent, for example, iron, silicon and / or manganese.
  • the inventive method can be carried out with all known coatings which are suitable for wear of the workpiece surface by temperature and / or
  • the base material comprises iron or an iron alloy, steel, preferably a low-alloy steel or an iron-based steel, in particular 100Cr6, with 0.05 to 1.5 wt .-% carbon; 0.05 to 3.5% by weight of manganese; 0.05 to 3.0% by weight of chromium; 0.01 to 1% by weight of silicon and / or 0.001 to 0.4% by weight of sulfur and / or a chromium steel having an iron base and 0.05 to 0.8% by weight of carbon; 0-3% by weight of molybdenum; 0.05 to 1 .8% by weight of manganese; 1: 1 to 5 wt% chromium; 0.01 to 1% by weight of silicon and / or 0.002 to 0.2% by weight of sulfur).
  • titanium dioxide is preferred. These are particularly well suited as a protective layer, in particular for cylinder components, and interact with the adhesion promoters mentioned in such a way that adhesion, in particular to cast iron but also to light metal surfaces, is markedly improved.
  • adhesion promoter and the base material by weight in a ratio of about 10: 90, 20: 80, 30: 70, 40: 60 or 50: 50 in the powder mixture of primer and base material available.
  • a coating applied with the method according to the invention in this embodiment shows an optimum ratio of friction resistance and adhesion.
  • the method comprises a further step (c), in which the base material by means of the thermal
  • Coating method is applied to the coating produced in step (b).
  • This embodiment is particularly advantageous if in step (b) a powder mixture of base material and adhesion promoter is applied to the workpiece surface. In this preferred embodiment, it is ensured that the coated workpiece surface with a layer comprising the base material, but not the adhesion promoter, against the
  • the thermal coating method is plasma spraying.
  • Plasma spray coating is carried out in normal atmosphere, inert atmosphere (under inert gas such as argon), in vacuum or under water, the coating under normal (compressed air) atmosphere is preferred because this process costs are lower compared to the other variants.
  • inert atmosphere under inert gas such as argon
  • the coating under normal (compressed air) atmosphere is preferred because this process costs are lower compared to the other variants.
  • the speed, temperature and composition of the plasma gas are important. Gases used may be argon, nitrogen, hydrogen or helium.
  • the plasma spraying generates optimally constructed layers for cylinder liners with a non-communicating microporosity, which after the manufacturing process as
  • Oil retention volume on the smooth honed cylinder surface is used.
  • Plasma spraying is widely used industrially because of its universal applicability and has high advantages due to its advantages such as flexible material selection (process allows a wide range of sprayable materials which are easy to prepare and mix)
  • Wire spraying methods are an alternative for cylinder liner coatings, but here layers are produced which have a significantly lower porosity compared to the plasma spraying layers and thus have only a few large pores on the raceway surface after honing, which in most cases are insufficient as oil retention volumes.
  • Another disadvantage is the strong oxide formation, especially in the single-wire method (PTWA or RSW), if the layers are injected without protective gas and so can lead to increased susceptibility to corrosion. This oxide formation does not lead to a continuous oxide layer.
  • the method comprises no pretreatment of the surface of the workpiece, in particular no roughening of the surface of the workpiece.
  • the inventive method does not exclude the possibility of pretreatment, but the inventive method allows the pretreatment of
  • Workpiece surface in particular by roughening the workpiece surface, can be omitted. Failure to pre-treat the surface of the workpiece, particularly omitting the roughening of the surface leads, in addition to a high process cost savings, to an improvement in the quality of the coated surface. Furthermore, finely spindled surfaces can also be coated with the method according to the invention if a pretreatment, in particular a roughening, by means of which the finely spindled
  • the method according to the invention has various steps which can be selected from the list below, wherein the above-mentioned steps essential to the invention are mandatory:
  • Fine spindles of the surface of the cylinder liner Fine spindles of the surface of the cylinder liner.
  • this process is carried out once to apply the adhesion promoter and then applied one to five times, preferably three times to the desired layer thickness of the base material, or wherein the coating is effected by means of wire spraying,
  • Layer thickness can be varied.
  • the process of thermal coating is preferably carried out without active air conditioning.
  • the cylinder crankcase heats up during the process, i. during coating, for example, by molten plasma powder and cools down again automatically. After coating, the cylinder crankcase is approx. 100 ° C to a maximum of 140 ° C warm
  • the cylinder crankcase is upright for coating and received on the sump side.
  • the cylinder crankcase is preferably on the top deck
  • the cylinder crankcase may preferably also be received on the transmission side.
  • Another aspect of the invention relates to a cylinder crankcase with a cylinder bore having a coating.
  • the coating of the component according to the invention has a first layer which is arranged on a surface of the cylinder bore and which has a first layer
  • a second layer which comprises the base material but not the adhesion promoter, is arranged on the first layer.
  • the second layer is optional if the first layer comprises both the base material and the adhesion promoter.
  • the component according to the invention has a coating, which on the one hand the
  • Adhesive tensile values of 50 to> 70 MPa are achieved with the method according to the invention.
  • the adhesion values of a conventional process in which the adhesion of the coating by prior roughening of the surface and without Adhesive is achieved reached from 20 to> 70 MPa and even exceeded in the lower range.
  • the first and second layers are preferably applied to the workpiece surface by a thermal coating process.
  • the workpiece is applied by the method according to the invention in one of the previously described embodiments.
  • the cylinder crankcase according to the invention can be produced by the method described above.
  • Another aspect of the invention relates to a motor which is an inventive
  • Cylinder crankcase has.
  • Figure 1 is a photomicrograph of a cross-section of a coated
  • Figure 2 is a photomicrograph of a cross-section of a coated
  • Figure 3 is a photomicrograph of a cross-section of a coated
  • Figure 4 is a photomicrograph of a cross-section of a coated
  • Figure 5 is a photomicrograph of a cross section of a coated
  • Figure 6 is a photomicrograph of a cross section of a coated
  • Figures 1 to 6 show light microscope images of cross sections (longitudinal sections) of a coated workpiece 1 (cylinder bore) of a component 10 (cylinder crankcase) in different embodiments.
  • a part of the workpiece 1 is shown, on the metallic surface of which a coating 2 is arranged.
  • the coating 2 can be applied, for example, with the method according to the invention.
  • the workpiece 1 shown in Figure 1 comprises a metallic surface of a
  • the coating 2 shown in Figure 2 comprises a low alloy steel as a base material and a bonding agent which is integrated in the layer.
  • the coating 2 shown in FIG. 1 was produced by the method according to the invention by applying a powder mixture of base material and adhesion promoter to the metallic surface by means of plasma spraying. In the process, the particles of the powder mixture melted and bonded to form a uniform mixed layer 3 on the surface. Since base material and adhesion promoter were already intimately mixed before or during the process of plasma spraying, the workpiece 1 shown in FIG. 1 has a single-layer coating 2, in which the primer in the base material is homogeneously distributed in the farthest and thus forms an integrated primer.
  • FIG. 2 shows a workpiece 1 which has the same coating 2 as the workpiece 1 shown in FIG. However, the surface of the workpiece 1 is made of gray cast iron.
  • FIGS. 3 and 4 each show a light microscope photograph of a cross section (longitudinal section) of a coated workpiece 1 according to a further embodiment of the invention.
  • Figures 3 and 4 each show a workpiece 1 with a two-layer coating 2.
  • the coating 2 here comprises a mixed layer 3, which comprises a mixture of the base material and the adhesion promoter.
  • the mixed layer 3 essentially corresponds to the mixed layer 3 of the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, but is different from it
  • a base material layer 4 is arranged, which in the Essentially consists of the base material. This is many times thicker than the mixed layer 3.
  • Preferred layer thicknesses are in Pulverplasmaspritz slaughteren in the range of 120 to 180 ⁇ , in particular in the range of 140 to 160 ⁇ and a maximum of 300 ⁇ , and in wire spraying preferably in the range of 150 to 300 ⁇ , in particular in the range of 170 to 250 ⁇ , up to a maximum of 500 ⁇ .
  • the mixed layer 3 has the function of increasing the adhesion of the coating 2, while the base material layer 4 determines the properties of the workpiece to the outside, such as the friction resistance.
  • FIGS. 3 and 4 differ in the material of the coated workpiece. While the
  • Coating 2 in FIG. 3 is arranged on a light metal alloy, for example an aluminum-containing alloy such as AISi 17 , the material of the workpiece 1 of the embodiment shown in FIG. 4 is a gray cast iron.
  • a light metal alloy for example an aluminum-containing alloy such as AISi 17
  • the material of the workpiece 1 of the embodiment shown in FIG. 4 is a gray cast iron.
  • the coatings 2 shown in FIGS. 3 and 4 can be applied by the method according to the invention.
  • a powder mixture of adhesion promoter and base material is first provided and arranged on the surface of the workpiece 1 by means of a thermal coating method, such as plasma spraying, so that a homogeneous mixed layer 3 is formed.
  • a powder which contains the base material but not the adhesion promoter is provided and likewise applied to the mixed layer 3 by a, preferably the same, thermal process.
  • the device which carries out the thermal coating method can be used with a
  • Double powder conveyor be equipped, making the same device for both
  • Coating steps can be used.
  • FIGS. 5 and 6 likewise each show a light microscope photograph of a cross section (longitudinal section) of a coated workpiece 1 according to further embodiments of FIGS.
  • Figures 5 and 6 show the same coating 2, but differ in the material of the workpiece 1, which in Figure 5, a light metal alloy (in particular AISii 7 ) and in the workpiece 1 of Figure 6 comprises a gray cast iron.
  • the coating 2 of the embodiment shown in Figures 5 and 6 is also a two-layered system
  • the primer 5 comprises the primer and contains no
  • the base material of the illustrated embodiments is a low-alloy steel such as (preferably iron-based steel having 0.05 to 1.5 wt% carbon; 0.05 to 3.5% by weight of manganese; 0.05 to 3.0% by weight of chromium; 0.01 to 1% by weight of silicon and / or 0.001 to 0.4% by weight of sulfur and / or a chromium steel having an iron base and 0.05 to 0.8% by weight of carbon; 0-3% by weight of molybdenum; 0.05 to 1 .8% by weight of manganese; 1 1.5 to 18% by weight of chromium; 0.01 to 1% by weight of silicon and / or 0.002 to 0.2% by weight of sulfur.
  • a low-alloy steel such as (preferably iron-based steel having 0.05 to 1.5 wt% carbon; 0.05 to 3.5% by weight of manganese; 0.05 to 3.0% by weight of chromium; 0.01 to 1% by weight of silicon and / or 0.001 to 0.4% by weight of sulfur and / or
  • the ratio of adhesion promoter and base material in the mixed layers 3 of FIGS. 1 to 4 preferably has a ratio of 20% by weight of adhesion promoter to 80% by weight of base material.
  • the adhesion promoter is present in a range from 10 to 80% by weight and the base material in the range from 20 to 90% by weight in the mixed layer 3.
  • the coupling agent in all embodiments shown is a mixture of molybdenum and a Ni5AI alloy (95% nickel and 5% aluminum) or a mixture of molybdenum NiAl alloy and the base material as described above.
  • nickel in the aluminum-containing alloy may be replaced by cobalt, copper or silver.
  • such layers can also be produced by means of wire-spraying methods such as LDS, PTWA and RSW by positioning the adhesion promoter in a flux-cored wire or by spraying wire-spraying layers onto a primer applied by a plasma spraying process.
  • wire-spraying methods such as LDS, PTWA and RSW

Abstract

Verfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses, Zylinderkurbelgehäuse mit einer beschichteten Zylinderlaufbahn sowie Motor Die Erfindung betrifft Verfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses. Es ist vorgesehen, dass das Verfahren die Schritte umfasst a: Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials und eines pulverförmigen Haftvermittlers, wobei der Haftvermittler eine Mischung aus Molybdän (Mo) und einer Aluminium-haltigen Legierung (A(X)Al) umfasst, und b: Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers auf eine Zylinderlaufbahn (1) eines Zylinderkurbelgehäuses (10) mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, entweder - durch Aufbringen einer Schicht (3) aus einer Pulvermischung aus Haftvermittler und Basismaterial, oder - Aufbringen einer ersten Schicht (5) umfassend den Haftvermittler auf der Werkstückoberfläche und anschließend Aufbringen einer zweiten Schicht (6), umfassend das Basismaterial, auf die erste Schicht (5). Ferner betrifft die Erfindung ein Zylinderkurbelgehäuse (10) mit einer Zylinderlaufbahn (1), die eine Beschichtung (2) aufweist, wobei vorgesehen ist, dass die Beschichtung (2) - eine auf einer Oberfläche des Werkstücks (1) angeordnete Schicht (3, 5), umfassend ein Basismaterial und/oder einen Haftvermittler aus Molybdän (Mo) und einer Aluminiumhaltigen Legierung (A(X)Al), und - wenn die erste Schicht sowohl das Basismaterial als auch den Haftvermittler umfasst, eine auf der Schicht (5) angeordnete weitere Schicht (6), welche das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler umfasst, aufweist.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses,
Zylinderkurbelgehäuse mit einer beschichteten Zylinderlaufbahn sowie Motor
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn eines
Zylinderkurbelgehäuses, ein Zylinderkurbelgehäuse sowie einen Motor.
Zum Beschichten von Werkstücken werden heutzutage häufig thermische Spritzverfahren eingesetzt wie beispielsweise Plasmaspritzen; Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Lichtbogenspritzen und Lichtbogendrahtspritzen. Mit diesen Verfahren werden Schichten auf einem Werkstück erzeugt, wobei das Werkstück beispielsweise metallisch ist und die
Beschichtung metallisch, keramisch oder auch eine Mischung aus beiden sein kann. Oft umfasst die Beschichtung mehrere einzelne Schichten, die übereinander angeordnet sind und in der Regel unterschiedliche Funktionalitäten haben. So sind z.B. thermische Schutzschichten (TBC) bekannt, Korrosionsschutzschichten, Erosionsschutzschichten oder auch Gleitschichten, welche das Aneinandergleiten von Gegenlaufkorpern vereinfachen. Ein Anwendungsbeispiel ist hier das Beschichten von Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren mit Schichten die gute Schmier- und Reibeigenschaften haben, wodurch die Laufeigenschaften des Kolbens im Zylinder verbessert werden.
Im Fahrzeugbau und insbesondere bei der Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen (ZKG) wird mehr und mehr auf Leichtbau gesetzt. Dazu werden Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse eingesetzt, die im Bereich der Zylinderlaufbahn eine Beschichtung aufweisen. Der Effekt der Beschichtung ist neben einer Robustheitssteigerung der Laufbahn eine deutlich reduzierte Reibung im Bereich der Kolbengruppe und damit verbunden eine Senkung des C02-Ausstoßes, sowie positive Effekte gegenüber korrosiven Medien. Gängige thermische
Besch ichtungsverfahren sind das Pulver-Plasmaspritzen, Drahtspritzverfahren wie Plasma- Transfer-Wire-Arc (PTWA) und Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS) oder
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
Vor einer thermischen Beschichtung von Zylinderbohrungen in Kurbelgehäusen aus Aluminium und auch aus Grauguss wird ein Aufrauprozess zur Verklammerung der Beschichtung in der Oberfläche benötigt. Der Aufrauprozess wird durch strahlende Prozesse mittels Korund oder Wasser (Mitteldruck-/Hochdruck-Wasserstrahlen), Laserstrahlaufrauen oder Aufrauen mit einer geometrisch definierten Schneide durchgeführt. Die beschriebenen Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass das Strahlmedium aufwändig aufbereitet werden muss, und ferner die Prozesse durch zusätzliche und umfangreiche Analyseverfahren überwacht und große Mengen an Stäuben, Spänen und Schlämmen entfernt und entsorgt werden müssen. Weiterhin müssen hohe Investitionen zur Installation dieser Aufrauprozesse getätigt werden.
Weiterhin nachteilig ist die beim mechanischen Aufrauen eingesetzte Emulsionsspülung der Schneiden häufig nicht effektiv genug, so dass immer wieder Späne im Aufrauprofil verbleiben und im Beschichtungsprozess den Schichtaufbau und die Schichtqualität negativ beeinflussen. Gleiches gilt für im Wasser- beziehungsweise Laserstrahlaufrauverfahren hergestellte
Oberflächen die starke Vertiefungen und wulst-/spritzerartige Überhöhungen zeigen. Zudem müssen hohe Investitionen zur Installation dieser Aufrauprozesse getätigt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Werkstücks, insbesondere einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, bei dem eine Vorbehandlung und insbesondere eine Aufrauung der Oberfläche entbehrlich sind.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des ersten unabhängigen
Anspruchs gelöst.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung einer
Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses umfassend in einem Schritt (a) das Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials und eines pulverförmigen Haftvermittlers, wobei der Haftvermittler eine Mischung aus Molybdän und einer Aluminium-haltigen Legierung, wie beispielsweise NiAl, insbesondere Ni(95%)AI(5%), oder CuAI, insbesondere Cu(90%)AI(10%), umfasst. Besonders bevorzugt wird dabei der Einsatz von Ni(95%)AI(5%) als Aluminium-haltige Legierung für den Haftvermittler. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das
Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers auf die Zylinderlaufbahn des
Zylinderkurbelgehäuses mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens in einem Schritt (b), wobei entweder eine Schicht aus einer Pulvermischung aus Haftvermittler und
Basismaterial auf der der Zylinderlaufbahn angeordnet wird oder eine erste Schicht umfassend den Haftvermittler auf der Zylinderlaufbahn angeordnet und anschließend eine zweite Schicht umfassend das Basismaterial auf der ersten Schicht angeordnet wird. Thermische Besch ichtungsverfahren sind das Pulver-Plasmaspritzen, Drahtspritzverfahren wie Plasma-Transfer-Wire-Arc (PTWA) und Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS) oder
Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
Überraschend wurde festgestellt, dass eine Mischung aus Molybdän und einer Aluminium- haltigen Legierung für Beschichtungen zur Verschleißreduzierung derart als Haftvermittler wirkt, dass keine Vorbehandlung der Zylinderlaufbahn nötig ist. Auch ist die Oberflächengüte für das erfindungsgemäße Beschichten irrelevant und somit ist keine Mindestoberflächenrauigkeit erforderlich. Daher kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Prozessierung von beschichteten Zylinderkurbelgehäusen stark vereinfacht werden.
Die genannten Haftvermittler sorgen teilweise, wie im Fall von NiAl, durch exotherme Reaktion der Komponenten untereinander, insbesondere in Verbindung mit Molybdän zu einer sehr guten Haftung, wobei sich insbesondere Ni(95%)AI(5%) als geeignet erwiesen hat.
Während des Beschichtens erfolgt jedoch nach keiner Ausführungsform der Erfindung eine Selbstverwachsung oder Selbstverschweißung der Schicht mit dem Zylinderkurbelgehäuse, es werden daher keine intermetallischen Bindungen erzeugt.
Insbesondere ist ein Prozessschritt zur Vorbehandlung, der einer Beschichtung des Werkstücks vorgeschaltet ist, nicht notwendig und kann eingespart werden. Diese Einsparung führt zu wirtschaftlichen, insbesondere finanziellen Vorteilen, da die Prozesszeit insgesamt reduziert wird. Handelt es sich bei der Vorbehandlung um eine Aufrauung des Materials, so entfällt zudem eine aufwendige Entsorgung der beim Aufrauprozess verwendeten Materialien. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich eine Qualitätssteigerung des Werkstücks erzielt, da Fehler auf der Werkstückoberfläche, die durch die Vorbehandlung, insbesondere das Aufrauen der Oberfläche, entstehen können, gänzlich vermieden werden. Somit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch feingespindelte Oberflächen ohne Qualitätseinbußen beschichtet werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Beschichtung dient als Schutzschicht für eine Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses. Vorzugsweise wird durch die
Schutzschicht die Reibfestigkeit erhöht. Die Eigenschaften der Schutzschicht werden dabei maßgeblich durch das Basismaterial bestimmt. Erfindungsgemäß wird der Haftvermittler entweder gemeinsam mit dem Basismaterial auf der metallischen Werkstückoberfläche (Zylinderlaufbahn) angeordnet und liegt dann gemeinsam mit dem Basismaterial in einer Mischschicht auf der Werkstückoberfläche vor, so dass sich ein in die Schutzschicht integrierter Haftgrund bildet. Alternativ oder zusätzlich sieht das
erfindungsgemäße Verfahren vor, den Haftvermittler in einer gesonderten Schicht ohne
Basismaterial, als Haftgrund auf der Werkstückoberfläche anzuordnen und anschließend auf den Haftgrund eine Schutzschicht anzuordnen, welche vorzugsweise nur das Basismaterial, aber zumindest nicht den Haftvermittler, aufweist.
Der Haftvermittler und das Basispulver liegen als physikalisches Gemisch, bilden also keine chemischen Verbindungen bzw. Legierungen aus.
Die Trennung von Haftvermittler und Basismaterial in zwei Schichten bietet mehrere Vorteile. Zum einen kann die Wirkung des Haftvermittlers erhöht werden und somit die Haftzugwerte der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche verbessert werden, zum anderen kommt der Haftvermittler bei einem getrennten Aufbringen der einzelnen Schichten nicht mit der
Umgebung des Werkstücks in Kontakt. Eine Wechselwirkung des Haftvermittlers mit der Umgebung des Werkstücks kann somit vermieden werden.
Vorzugsweise findet die Beschichtung aller genannten Schichten mit demselben thermischen Beschichtungsverfahren statt. Somit sind die Nachteile eines zusätzlichen
Beschichtungsschritts vernachlässigbar, insbesondere dann, wenn besondere Vorkehrungen getroffen werden, wie beispielsweise die Verwendung eines Plasmabrenners mit
Doppelpulverförderer zur Pulverbereitstellung, um den Mehraufwand eines zusätzlichen Beschichtungsschritts möglichst gering zu halten. So kann bei der Bereitstellung von
beispielsweise einem Fass Haftgrund und einem Fass Basismaterial ein Wechsel zwischen beiden Pulvern problemlos erfolgen, wobei vorteilhafterweise eine Reinigung oder ein Wechsel eines Zuführschlauches o.ä. nicht erforderlich ist.
Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil bei Werkstücken verwendet wird, die eine Leichtmetalloberfläche, insbesondere eine Aluminium-haltige
Legierung wie beispielsweise AISi17, AISi9, und weitere, oder insbesondere eine
Graugussoberfläche aufweisen, wobei eine Graugussoberfläche besonders bevorzugt ist, da entsprechende Zylinderlaufbahnen sich als besonders haltbar erweisen. Bei der Aluminium-haltigen Legierung des Haftvermittlers handelt es sich vorzugsweise um eine Nickel-Aluminiumlegierung (Nickelbasislegierungen), eine Kupfer-Aluminiumlegierung gegebenenfalls mit Eisen, eine Kobalt-Aluminiumlegierung, eine Silizium-Aluminiumlegierung, eine Magnesium-Kobalt-Aluminiumlegierung, eine Silber-Aluminiumlegierung, Hartlegierungen auf Kobalt-Chrom-Basis oder eine Aluminium-Bronze.
Besonders gute Ergebnisse, insbesondere gute Haftzugwerte der Beschichtung des
Basismaterials, werden erzielt, wenn Molybdän im Bereich von 20 bis 80 Gew.-% und/oder die Aluminium-haltige Legierung im Bereich von 20 bis 80 Gew.-% bezogen auf den Haftvermittler vorliegt. Diese Angaben beziehen sich bevorzugt auf das bereitgestellte pulverförmige Material. Vorzugsweise weist der Haftvermittler neben Molybdän und Aluminium der Aluminium-haltigen Legierung keine weiteren Komponenten auf, sodass sich die prozentualen Anteile von
Molybdän und der Aluminium-haltigen Legierung vorzugsweise zu 100 % addieren. Alternativ weist der Haftvermittler 0-60 % des auf den Haftvermittler zu beschichtenden Basismaterials auf, die sich dann mit Molybdän und der Aluminium-haltigen Legierung zu 100 % addieren. Ferner ist bevorzugt, dass 0,2-5 % Bor dem Haftvermittlers zur Unterstützung der Haftwirkung zugesetzt werden.
Ebenfalls gute Ergebnisse werden mit einer Silizium-Aluminiumlegierung erzielt, vorzugsweise liegt dabei der Silizium-Anteil bei 8 bis 25 Gew.-% bezogen auf den Haftvermittler.
Eine weitere Möglichkeit gute Hafteigenschaften zu erreichen besteht in der Verwendung von Hartlegierungen auf vorzugsweise Kobalt-Chrom-Basis, wobei die Legierung vorzugsweise aus 26 bis 29 Gew.-% Chrom, 4,5 bis 6 Gew.-% Molybdän, 0,2 bis 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, 2 bis 3 Gew.-% Nickel und bis zu 67 Gew.-% Kobalt und weiteren Bestandteilen in geringem Umfang besteht, beispielsweise Eisen, Silizium und/oder Mangan.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist mit allen bekannten Beschichtungen durchführbar, die geeignet sind, einen Verschleiß der Werkstückoberfläche durch Temperatur und/oder
Reibungsbeanspruchung zu reduzieren. Mit besonderem Vorteil umfasst das Basismaterial Eisen oder eine Eisenlegierung, Stahl, vorzugsweise ein niedrig legierter Stahl bzw. ein eisenbasierter Stahl, insbesondere 100Cr6, mit 0,05 bis 1.5 Gew.-% Kohlenstoff; 0,05 bis 3.5 Gew.-% Mangan; 0.05 bis 3,0 Gew.-% Chrom; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,001 bis 0,4 Gew.-% Schwefel und/oder einen Chromstahl mit einer Eisenbasis und 0,05 bis 0.8 Gew.-% Kohlenstoff; 0 - 3 Gew.-% Molybdän; 0,05 bis 1 .8 Gew.-% Mangan; 1 1 .5 bis 18 Gew-% Chrom ; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,002 bis 0,2 Gew.-% Schwefel). Auch die Verwendung von Titandioxid wird bevorzugt. Diese sind als Schutzschicht insbesondere für Zylinderbauteile besonders gut geeignet und wechselwirken mit den genannten Haftvermittlern derart, dass eine Haftung insbesondere auf Grauguss aber auch auf Leichtmetalloberflächen deutlich verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Haftvermittler und das Basismaterial bezogen auf das Gewicht in einem Verhältnis von ungefähr 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70, 40 : 60 oder 50 : 50 in der Pulvermischung aus Haftvermittler und Basismaterial vorliegen.
Damit ist sichergestellt, dass die wünschenswerten Eigenschaften des Basismaterials, insbesondere die Verbesserung der Verschleißeigenschaften der Werkstückoberfläche durch die Anwesenheit des Haftvermittlers nicht beeinträchtigt werden. Besonders gute Eigenschaften einer Schutzschicht, in der das Basismaterial und der Haftvermittler gemischt vorliegen, werden erzielt, wenn der Haftvermittler zu 20(±5) % und das Basismaterial zu 80(±5) % in der
Pulvermischung vorliegen. Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in dieser Ausgestaltung aufgetragene Beschichtung zeigt ein optimales Verhältnis aus Reibfestigkeit und Haftung.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verfahren einen weiteren Schritt (c), in welchem das Basismaterial mittels des thermischen
Beschichtungsverfahrens auf die in Schritt (b) erzeugte Beschichtung aufgebracht wird. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann von Vorteil, wenn in Schritt (b) eine Pulvermischung aus Basismaterial und Haftvermittler auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird. In dieser bevorzugten Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die beschichtete Werkstückoberfläche mit einer Schicht, die das Basismaterial, aber nicht den Haftvermittler, umfasst, gegen die
Umgebung abschließt. Somit können Wechselwirkungen zwischen den Materialien des Haftvermittlers und der Umgebung, wie beispielsweise einem Laufmittel; ausgeschlossen werden. Ferner werden die Eigenschaften des Basismaterials an der Oberfläche des
Werkstücks uneingeschränkt genutzt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das thermische Beschichtungsverfahren Plasmaspritzen ist. Beim Plasmaspritzen sind
üblicherweise in einem Plasmabrenner eine Anode und bis zu drei Kathoden durch einen schmalen Spalt getrennt. Durch eine Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen Anode und Kathode erzeugt. Das durch den Plasmabrenner strömende Gas oder Gasgemisch wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert. Die Dissoziation, beziehungsweise anschließende Ionisation, erzeugt ein hochaufgeheiztes (bis 30000 K), elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmajet wird Pulver (übliche Kornverteilung: 5- 200 μηη, bei bestimmten Geräten ist auch eine Körnung von bis hinunter zu 100 nm möglich) eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Werkstück. Die
Gasmoleküle kehren bereits nach kürzester Zeit wieder in einen stabilen Zustand zurück und so sinkt die Plasmatemperatur bereits nach kurzer Wegstrecke wieder ab. Die
Plasmaspritzbeschichtung erfolgt in normaler Atmosphäre, inerter Atmosphäre (unter Schutzgas wie Argon), in Vakuum oder auch unter Wasser, wobei die Beschichtung unter normaler (Druckluft) Atmosphäre bevorzugt ist, da hierdurch die Verfahrenskosten gegenüber den anderen Varianten geringer sind. Für die Schichtqualität sind die Geschwindigkeit, Temperatur als auch die Zusammensetzung des Plasmagases von Bedeutung. Verwendete Gase können Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder Helium sein.
Das Plasmaspritzen erzeugt für Zylinderlaufbahnen optimal aufgebaute Schichten mit einer nicht kommunizierenden Mikroporosität, die nach dem Fertigungsprozess als
Ölrückhaltevolumen auf der glatt gehonten Zylinderlauffläche dient. Auf eine konventionelle Honriefenstruktur als Ölrückhaltevolumen kann verzichtet werden. Das Plasmaspritzen findet aufgrund seiner universellen Anwendbarkeit ein großes industrielles Einsatzgebiet und hat durch seine Vorteile wie flexible Werkstoffauswahl (Verfahren erlaubt eine breite Palette an Spritzwerkstoffen, die leicht herstellbar und mischbar sind), hohe
Partikelaufprallgeschwindigkeiten, gute Haftfestigkeiten der aufgebrachten Schichten sowie, bedingt durch die kompakte Brennerbauweise, der Möglichkeit, eine Innenbeschichtung auch bei kleinen Durchmessern durchzuführen, unter allen thermischen Spritzverfahren die größte Bedeutung erlangt.
Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ist ebenfalls am Markt etabliert, ist allerdings für die Zylinderlaufbahnbeschichtung ungeeignet, da hier sehr dichte Schichten aufgebracht werden, die kaum Porositäten aufweisen und häufig im Motorlauf zum Versagen führen. Weiterhin sind Brenner für Innenbeschichtungen noch nicht realisiert.
Drahtspritzverfahren sind für Zylinderlaufbahnbeschichtungen eine Alternative, allerdings werden hier Schichten erzeugt, die gegenüber den Plasmaspritzschichten eine deutlich geringere Porosität aufweisen und so nach dem Honen nur wenige große Poren an der Laufbahnoberfläche aufweisen, die in den meisten Fällen als Ölrückhaltevolumen unzureichend sind. Ein weiterer Nachteil ist die starke Oxidbildung, insbesondere bei den Eindrahtverfahren (PTWA beziehungsweise RSW), wenn die Schichten ohne Schutzgas gespritzt werden und so zu verstärkter Anfälligkeit gegenüber Korrosion führen können. Diese Oxidbildung führt nicht zu einer durchgehenden Oxidschicht.
Mit besonderem Vorteil umfasst das Verfahren keine Vorbehandlung der Oberfläche des Werkstücks insbesondere keine Aufrauung der Oberfläche des Werkstücks. Das
erfindungsgemäße Verfahren schließt die Möglichkeit des Vorbehandelns nicht aus, allerdings ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Vorbehandlung der
Werkstückoberfläche, insbesondere durch Aufrauung der Werkstückoberfläche, unterbleiben kann. Ein Unterlassen der Vorbehandlung der Oberfläche des Werkstücks, insbesondere ein Unterlassen des Aufrauens der Oberfläche führt neben einer hohen Prozesskosteneinsparung zu einer Verbesserung der Qualität der beschichteten Oberfläche. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch feingespindelte Oberflächen beschichtet werden, wenn eine Vorbehandlung, insbesondere eine Aufrauhung, durch welche die feingespindelte
Oberfläche verändert, insbesondere zerstört, werden würde, unterbleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist verschiedene Schritte auf, die aus nachstehender Aufzählung ausgewählt werden können, wobei die oben genannten erfindungswesentlichen Schritte zwingend sind:
Gießen eines Zylinderkurbelgehäuse.
Die beim Gießen resultierende konische Gussgeometrie der Zylinderlaufbahn zylindrisch schneiden.
Feinspindeln der Oberfläche der Zylinderlaufbahn.
Waschen und Vakuumtrocknen des Zylinderkurbelgehäuses bei Raumtemperatur, (a) Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials und eines pulverförmigen
Haftvermittlers
(b.1 ) Unmittelbares Beschichten mit dem Haftvermittler und anschließend mit dem Basismaterial, wobei das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise fest angeordnet ist und während des Beschichtungsprozesses der Plasmabrenner rotiert und sich entlang der Zylinderlaufbahn in das Zylinderkurbelgehäuse und wieder heraus bewegt,
vorzugsweise erfolgt dieser Vorgang einmal um den Haftvermittler aufzutragen und anschließend ein- bis fünfmal, vorzugsweise dreimal um die gewünschte Schichtdicke des Basismaterials aufzutragen, oder wobei die Beschichtung mittels Drahtspritzen erfolgt,
oder (b.2) Beschichten mit einem Gemisch aus Haftvermittler und Basismaterial vorzugsweise mittels Plasmapulverspritzen, wobei das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise fest angeordnet ist und während des Beschichtungsprozesses der Plasmabrenner rotiert und sich entlang der Zylinderlaufbahn in das Zylinderkurbelgehäuse und wieder heraus bewegt, vorzugsweise viermal, wobei dies in Abhängigkeit der gewünschten
Schichtdicke variiert werden kann.
Beschichten mit dem Basismaterial mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens auf die vorab erzeugte Beschichtung.
Fasen an beiden Enden der Zylinderlaufbahn schneiden.
Honen auf Maß.
Der Prozess der thermischen Beschichtung erfolgt vorzugsweise ohne aktive Klimatisierung. Das Zylinderkurbelgehäuse erwärmt sich im Prozess, d.h. während des Beschichtens beispielsweise durch geschmolzenes Plasmapulver und kühlt selbstständig wieder ab. Nach dem Beschichten ist das Zylinderkurbelgehäuse ca. 100°C bis maximal 140°C warm
Vorzugsweise steht Zylinderkurbelgehäuse für das Beschichten aufrecht und wird auf der Ölwannenseite aufgenommen. Bei der mechanischen Bearbeitung, unter anderem Feinspindeln und Fasen schneiden wird das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise am Topdeck
aufgenommen. Für die anderen Bearbeitungsschritte kann das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise auch auf der Getriebeseite aufgenommen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderlaufbahn, die eine Beschichtung aufweist. Die Beschichtung des erfindungsgemäßen Bauteils weist eine auf einer Oberfläche der Zylinderlaufbahn angeordnete erste Schicht auf, welche ein
Basismaterial und/oder einen Haftvermittler aus Molybdän und einer Aluminium-haltigen Legierung umfasst. Auf der ersten Schicht ist eine zweite Schicht, welche das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler umfasst, angeordnet. Erfindungsgemäß ist die zweite Schicht optional, wenn die erste Schicht sowohl das Basismaterial als auch den Haftvermittler aufweist. Das erfindungsgemäße Bauteil weist eine Beschichtung auf, welche einerseits die
Reibfestigkeit der beschichteten Oberfläche stark verbessert und gleichzeitig eine hohe
Beständigkeit aufweist, da die Beschichtung eine sehr gute Haftung auf der
Werkstückoberfläche zeigt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Haftzugwerte von 50 bis >70 MPa erzielt. Damit werden die Haftzugwerte eines herkömmlichen Prozesses, bei dem die Haftung der Beschichtung durch vorheriges Aufrauen der Oberfläche und ohne Haftvermittler erzielt wird, von 20 bis >70 MPa erreicht und im unteren Bereich sogar überschritten.
Die erste und die zweite Schicht sind bevorzugt mit einem thermischen Beschichtungsverfahren auf der Werkstückoberfläche aufgebracht. Vorzugsweise wird das Werkstück mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in einer der zuvor beschriebenen Ausgestaltungen aufgebracht.
Das erfindungsgemäße Zylinderkurbelgehäuse kann mit dem vorab beschriebenen Verfahren hergestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Motor, welcher ein erfindungsgemäßes
Zylinderkurbelgehäuse aufweist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen
Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten
Werkstücks gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 2 eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten
Werkstücks gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 3 eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten
Werkstücks gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 4 eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten
Werkstücks gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung, Figur 5 eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten
Werkstücks gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung, und
Figur 6 eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten
Werkstücks gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung.
Die Figuren 1 bis 6 zeigen Lichtmikroskop-Aufnahmen von Querschnitten (Längsschliffe) eines beschichteten Werkstücks 1 (Zylinderlaufbahn) eines Bauteils 10 (Zylinderkurbelgehäuse) in unterschiedlichen Ausführungsformen. Dabei ist ein Teil des Werkstücks 1 gezeigt, auf dessen metallischer Oberfläche eine Beschichtung 2 angeordnet ist. Die Beschichtung 2 kann beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden.
Das in Figur 1 gezeigte Werkstück 1 umfasst eine metallische Oberfläche aus einer
Leichtmetalllegierung, genauer einer Aluminium-haltigen Legierung, nämlich AISi17. Auf dieser Oberfläche wurde in einem Verfahrensschritt die Beschichtung 2 aufgetragen. Die in Figur 2 gezeigte Beschichtung 2 umfasst einen niedrig legierten Stahl als Basismaterial und einen Haftvermittler der in der Schicht integriert ist. Die in Figur 1 gezeigte Beschichtung 2 wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt, indem eine Pulvermischung aus Basismaterial und Haftvermittler mittels Plasmaspritzens auf die metallische Oberfläche aufgebracht wurde. Dabei schmolzen die Partikel der Pulvermischung auf und verbanden sich auf der Oberfläche zu einer einheitlichen Mischschicht 3. Da Basismaterial und Haftvermittler bereits vor bzw. bei dem Prozess des Plasmaspritzens innig vermischt vorlagen, weist das in Figur 1 gezeigte Werkstück 1 eine einschichtige Beschichtung 2 auf, in der der Haftvermittler im Basismaterial im Weitesten homogen verteilt vorliegt und somit einen integrierten Haftgrund bildet.
In Figur 2 ist ein Werkstück 1 gezeigt, welches die gleiche Beschichtung 2 wie das in Figur 1 gezeigte Werkstück 1 aufweist. Die Oberfläche des Werkstücks 1 ist allerdings aus Grauguss.
Die Figuren 3 und 4 zeigen je eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts (Längsschliff) eines beschichteten Werkstücks 1 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils ein Werkstück 1 mit einer zweischichtigen Beschichtung 2. Die Beschichtung 2 umfasst hier eine Mischschicht 3, die eine Mischung aus dem Basismaterial und dem Haftvermittler umfasst. Die Mischschicht 3 entspricht im Wesentlichen der Mischschicht 3 der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführung, ist aber im Unterschied zu dieser
Schichtdicken zwischen 20 und 55 μηη deutlich dünner ausgeführt. Auf die Mischschicht 3 aus Basismaterial und Haftvermittler ist eine Basismaterialschicht 4 angeordnet, die im Wesentlichen aus dem Basismaterial besteht. Diese ist um ein Vielfaches dicker als die Mischschicht 3. Bevorzugte Schichtdicken liegen bei Pulverplasmaspritzschichten im Bereich von 120 bis 180 μηη, insbesondere im Bereich von 140 bis 160 μηη und maximal bei 300 μηη, und bei Drahtspritzschichten bevorzugt im Bereich von 150 bis 300 μηη, insbesondere im Bereich von 170 bis 250 μηη, bis maximal 500 μηη. Die Mischschicht 3 hat die Funktion, die Haftung der Beschichtung 2 zu erhöhen, während die Basismaterialschicht 4 die Eigenschaften des Werkstücks nach außen, wie beispielsweise die Reibfestigkeit, bestimmt. Die Figuren 3 und 4 unterscheiden sich in dem Material des beschichteten Werkstücks. Während die
Beschichtung 2 in Figur 3 auf einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise einer Aluminium- haltigen Legierung wie AISi17, angeordnet ist, handelt es sich bei dem Material des Werkstücks 1 der in Figur 4 gezeigten Ausführung um einen Grauguss.
Die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Beschichtungen 2 können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden. Dazu wird zunächst eine Pulvermischung aus Haftvermittler und Basismaterial bereitgestellt und mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, wie Plasmaspritzen, auf der Oberfläche des Werkstücks 1 angeordnet, so dass eine homogene Mischschicht 3 entsteht. Anschließend wird ein Pulver, welches das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler enthält bereitgestellt und ebenfalls mit einem, vorzugsweise dem gleichen, thermischen Verfahren auf die Mischschicht 3 aufgetragen. Zu einer einfachen Realisierung kann die Vorrichtung, die das thermische Beschichtungsverfahren ausführt mit einem
Doppel pulverförderer ausgestattet sein, so dass die selbe Vorrichtung für beide
Beschichtungsschritte verwendet werden kann.
Die Figuren 5 und 6 zeigen ebenfalls je eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts (Längsschliff) eines beschichteten Werkstücks 1 gemäß weiterer Ausgestaltungen der
Erfindung. Die Figuren 5 und 6 zeigen die gleiche Beschichtung 2, unterscheiden sich jedoch in dem Material des Werkstücks 1 , die in Figur 5 eine Leichtmetalllegierung (insbesondere AISii7) und im Werkstück 1 der Figur 6 einen Grauguss umfasst. Die Beschichtung 2 der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist ebenfalls als zweischichtiges System
ausgebildet, wobei die erste an der Werkstückoberfläche angeordnete Schicht ein Haftgrund 5 ist auf dem eine Basismaterialschicht 6 abgeschieden ist, die das Basismaterial enthält. In dieser Ausführungsform weist der Haftgrund 5 den Haftvermittler auf und enthält kein
Basismaterial.
Das Basismaterial der gezeigten Ausführungsformen ist ein niedriglegierter Stahl, wie beispielsweise (vorzugsweise eisenbasierter Stahl mit 0,05 bis 1 .5 Gew.-% Kohlenstoff; 0,05 bis 3.5 Gew.-% Mangan; 0.05 bis 3,0 Gew.-% Chrom; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,001 bis 0,4 Gew.-% Schwefel und/oder einen Chromstahl mit einer Eisenbasis und 0,05 bis 0.8 Gew.-% Kohlenstoff; 0 - 3 Gew.-% Molybdän; 0,05 bis 1 .8 Gew.-% Mangan; 1 1.5 bis 18 Gew-% Chrom ; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,002 bis 0,2 Gew.-% Schwefel. Das Verhältnis aus Haftvermittler und Basismaterial weist in den Mischschichten 3 der Figuren 1 bis 4 vorzugsweise ein Verhältnis von 20 Gew.-% Haftvermittler zu 80 Gew.-% Basismaterial auf. Prinzipiell ist der Haftvermittler in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-% und das Basismaterial entsprechend im Bereich von 20 bis 90 Gew.-% in der Mischschicht 3 enthalten.
Der Haftvermittler ist in allen gezeigten Ausführungsformen eine Mischung aus Molybdän und einer Ni5AI-Legierung (95% Nickel % und 5% Aluminium) oder eine Mischung aus Molybdän NiAI-Legierung und dem Basismaterial wie oben beschrieben. Alternativ kann Nickel in der Aluminium-haltigen Legierung durch Kobalt, Kupfer oder Silber ersetzt werden. Dabei ist Molybdän zu 20 bis 80 Gew.-% und die Aluminium-haltige Legierung in einem Bereich von 20 bis 80 Gew.-% im Haftvermittler enthalten.
Alternativ oder zusätzlich sind derartige Schichten auch mittels Drahtspritzverfahren wie LDS, PTWA und RSW darstellbar, indem der Haftvermittler in einem Fülldraht positioniert wird oder indem Drahtspritzschichten auf einen durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebrachten Haftgrund gespritzt werden können.
Bezugszeichenliste
Bauteil (Zylinderkurbelgehäuse) Werkstück (Zylinderlaufbahn)
Beschichtung
Mischschicht aus Basismaterial und Haftvermittler Basismaterialschicht
Haftgrund / erste Schicht
Basismaterialschicht / zweite Schicht

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Beschichtung der Zylinderlaufbahn (1 ) eines Zylinderkurbelgehäuses (10), umfassend die Schritte
a: Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials und eines pulverförmigen
Haftvermittlers, wobei der Haftvermittler eine Mischung aus Molybdän (Mo) und einer
Aluminium-haltigen Legierung (A(X)AI) umfasst, und
b: Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers auf die Zylinderlaufbahn (1 ) des
Zylinderkurbelgehäuse (10) mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens , entweder
durch Aufbringen einer Schicht (3) aus einer Pulvermischung aus Haftvermittler und Basismaterial, oder
Aufbringen einer ersten Schicht (5) umfassend den Haftvermittler und anschließend Aufbringen einer zweiten Schicht (6), umfassend das Basismaterial, auf die erste Schicht (5).
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-haltige
Legierung neben Aluminium Nickel (Ni), Kupfer (Cu), Kobalt (Co), Silber (Ag) und/oder Bor (B) enthält.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mo im Bereich von 20 bis 80 Gew.-% und/oder die Aluminiumhaltige Legierung im Bereich von 20 bis 80 Gew.-% bezogen auf den Haftvermittler vorliegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial Eisen oder eine Eisenlegierung, insbesondere Stahl, umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler und das Basismaterial in einem Gewichtsverhältnis von 10/90, 20/80, 30/70, 40/60 oder 50/50 in der Pulvermischung vorliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren einen weiteren Schritt (c) umfasst, in welchem eine Schicht (4) des Basismaterials mittels thermischen Beschichtungsverfahrens auf die in Schritt (b) erzeugte Beschichtung, aufgebracht wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler Ni(95%)AI(5%) aufweist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zu beschichtende Zylinderlaufbahn (1 ) aus Grauguss besteht.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Beschichtungsverfahren Plasmaspritzen ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Beschichtungsverfahren Drahtspritzen ist, wobei nach Schritt b) das Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers durch Aufbringen einer ersten Schicht (5) umfassend den Haftvermittler und anschließend Aufbringen einer zweiten Schicht (6), umfassend das Basismaterial, auf die erste Schicht (5) erfolgt.
1 1. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren keine Vorbehandlung der Oberfläche der Zylinderlaufbahn (1 ), insbesondere keine Aufrauung der Zylinderlaufbahn (1 ) des Zylinderkurbelgehäuses (10), umfasst.
12. Zylinderkurbelgehäuse (10) mit einer Zylinderlaufbahn (1 ), die eine Beschichtung (2)
aufweist, wobei die Beschichtung (2)
- eine auf einer Oberfläche der Zylinderlaufbahn (1 ) angeordnete Schicht (3, 5), umfassend ein Basismaterial und/oder einen Haftvermittler aus Molybdän (Mo) und einer Aluminium- haltigen Legierung (A(X)AI), und
- wenn die erste Schicht sowohl das Basismaterial als auch den Haftvermittler umfasst, eine auf der Schicht (5) angeordnete weitere Schicht (6), welche das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler umfasst,
aufweist.
13. Zylinderkurbelgehäuse (10) mit einer Zylinderlaufbahn (1 ), die eine Beschichtung (2)
aufweist hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1.
14. Motor ein Zylinderkurbelgehäuse (10) nach Anspruch 12 oder 13.
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