DE10041974A1 - Beschichtungsverfahren für Zylinderköpfe - Google Patents
Beschichtungsverfahren für ZylinderköpfeInfo
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Abstract
Die Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Beschichtung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren, insbesondere von Ventilsitzen, durch Auftragen von Pulverpartikeln zu einer Funktionsschicht oder lokalen Verstärkung auf thermisch und/oder mechanisch belastete Bereiche, wobei als Pulverpartikel eine Pulvermischung aus mindestens drei Pulverkomponenten verwendet wird und eine erste Pulverkomponente aus einer Basislegierung besteht, eine zweite Pulverkomponente gute Festschmierstoffeigenschaften und eine dritte Pulverkomponente gute Wärmeleiteigenschaften aufweist, wobei die einzelnen Pulverkomponenten nicht miteinander auflegiert werden.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Beschichtung von Zylinderköpfen für
Verbrennungsmotoren, insbesondere von Ventilsitzen, durch Auftragen von Pulverpartikeln
zu einer Funktionsschicht oder lokalen Verstärkung auf thermisch und/oder mechanisch
belastete Bereiche.
Zylinderköpfe werden lokal, wie dies beispielsweise an den Ventilsitzen der Fall ist, zum
Teil über ihre thermische und mechanische Belastbarkeit beansprucht. Die Folge ist
lokales Versagen, beispielsweise durch Risse oder starken tribologischen Verschleiß.
Vor allem im Einsatzgebiet von Zylinderköpfen aus Leichtmetall werden für stark
beanspruchte Bereiche eingepresste Ventilsitzringe aus belastbarem Material
formschlüssig eingebracht. Diese müssen aber exakt auf ihre Endkontur bearbeitet sein.
Da auch die Paßflächen im Zylinderkopf und nicht nur die Funktionsflächen der
Ventilsitzringe bearbeitet werden müssen, bedeutet diese Vorgehensweise einen hohen
Zerspannungsaufwand. Hinzu kommt, daß durch den Fügeprozeß ein weiterer aufwendiger
Verfahrensschritt durchgeführt werden muß, der unter Umständen die
Materialeigenschaften des Zylinderkopfes negativ beeinflußt.
Zur Reduzierung der aufwendigen Verfahrensschritte ist in US 4,661,371 ein Verfahren
offenbart, bei dem auf die speziell vorbereitete Kontaktfläche zwischen Ventil und
Ventilsitz eine Schutzschicht aufgebracht wird. Das Aufbringen der Schutzschicht
geschieht hierbei, indem eine Pulvermischung aus Keramikpartikeln und Metallpartikeln
aufgespritzt wird, wobei der Anteil an Keramikpartikeln in der Schicht von der
Ventilsitzoberfläche nach außen hin zu einer deckenden Keramikschicht zunimmt.
Nachteilig wirkt sich bei diesem Verfahren aus, daß durch die über die Dicke variable
Zusammensetzung der Schicht und die damit zusammenhängende Prozeßführung die
Schichtdicke nur in Grenzen frei wählbar ist. Außerdem ist die Belastbarkeit der äußeren
rein keramischen Schicht durch die Sprödigkeit des Materials stark begrenzt. Hinzu
kommt, daß die keramischen Teile häufig abplatzen und es aufgrund der mangelhaften
Wärmeleitung zu einem Wärmestau im Bauteil und im Ventil kommt. Außerdem kommt es
durch die keramische Außenschicht bei gegeneinander bewegten Teilen zu einer
ungenügenden Schmierwirkung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Beschichtung
anzugeben, mit dem thermisch und mechanisch belastbare Bereiche von Zylinderköpfen
für Verbrennungsmotoren, insbesondere Ventilsitze, mit geringem Aufwand und mit hoher
Variabilität in der Schichtdicke an die Belastungen angepaßt werden können. Außerdem
soll die Schicht derart aufgebaut sein, daß sich kein Wärmestau bildet und die externe
Schmierung minimiert werden kann.
Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe für ein Beschichtungsverfahren der eingangs
beschriebenen Art dadurch gelöst, daß als Pulverpartikel eine Pulvermischung aus
mindestens drei Pulverkomponenten verwendet wird, mit einer ersten Pulverkomponente
aus einer Basislegierung, einer zweiten Pulverkomponente mit guten
Festschmierstoffeigenschaften und einer dritten Pulverkomponente mit guten
Wärmeleiteigenschaften, wobei die einzelnen Pulverkomponenten nicht miteinander
auflegiert werden.
Die einzelnen Pulverkomponenten schmelzen beim Auftragen nicht miteinander auf, so
daß keine Legierung mit einer Zusammensetzung der drei Komponenten erstellt wird.
Vielmehr werden durch die drei einzeln in die Schicht eingebrachten Komponenten,
welche in der Verbundschicht nebeneinander, räumlich getrennt, in verschiedenen Phasen
vorkommen, die Anforderungen an die Schicht, wie Belastbarkeit, Schmierwirkung und
Wärmeleitfähigkeit auf die einzelnen Materialien der unterschiedlichen Komponenten
aufgeteilt und eine Art Funktionentrennung durchgeführt.
So werden durch die Basislegierung der ersten Pulverkomponente Eigenschaften in die
Funktionsschichten oder lokalen Verstärkungen eingebracht, die eine hohe Festigkeit und
Kriechfestigkeit, sowie gute tribologische Werte schon bei sehr geringen Schichtdicken
bedingen. Die Funktionsschichten dienen hierbei als Schutzschicht auf thermisch stark
belasteten Bereichen, in denen das Material den auftretenden Temperaturen stand halten
muss, ohne seine Struktur zu verlieren. Hierzu gehört auch, dass der tribologische
Verschleiß auf ein akzeptables Maß reduziert wird. Auf mechanisch belasteten Bereichen
dient die aufgebrachte Schicht als lokale Verstärkung, so dass auf einfache Art und Weise
gezielt der zu verstärkende Bereich modifiziert werden kann, um Belastungsspitzen
abzufangen.
Die zweite Komponente überträgt ebenfalls ihre Eigenschaft auf die Verbundschicht, so
dass diese, obwohl sie nicht vollständig eine Festschmierstoffschicht ist, gute
Schmiereigenschaften aufweist. Durch eine geringe Materialabgabe wirkt diese Phase
schmierend und abdichtend auf bewegliche aber zeitweise in Kontakt stehende Bauteile,
wie dies beispielsweise das Ventil und der Ventilsitz sind. Die in die Verbundschicht
eingelagerten Phasen der dritten Komponente führen dazu, dass die gesamte Schicht eine
gute Wärmeabführung auf die Zylinderköpfe gewährleistet.
Somit ist kein Material notwendig, welches die gesamten Eigenschaften in sich vereint,
vielmehr können die einzelnen Komponenten gezielt über die Anforderungen ausgewählt
werden.
Die Zusammensetzung der Schicht ist durch zeitlich paralleles Auftragen der drei
Komponenten variabel einstellbar. Dies bedeutet, dass zum einen in einem
Volumenelement über die Dicke der Schicht das Verhältnis der verschiedenen Phasen
konstant gewählt werden kann, womit über die Dicke sowohl bei dünnen als auch bei
dicken Schichten die gewünschten Eigenschaften gewährleistet bleiben. Unter gewissen
Umständen ist es aber andererseits auch möglich, eine Graduierung der
Schichtzusammensetzung einzustellen.
Als Basislegierung werden vorzugsweise Eisen-, Nickel- oder Kobaltbasislegierungen
verwendet, die ein vergütetes Gefüge, metallische Phasen und Zusätze zum
Verschleißschutz aufweisen. Hierdurch werden die Eigenschaften der Schicht verstärkt,
welche die Anforderungen nach Festigkeit, Belastbarkeit und tribologischem Verschleiß
erfordern.
Insbesondere bevorzugt handelt es sich bei der Basislegierung um eine
Nickelbasislegierung aus Nickel, Chrom, Bor und Silizium, welche besonders bevorzugt aus
12 bis 18 Gew.-% Chrom, 2 bis 4 Gew.-% Bor, 3 bis 5 Gew.-% Silizium, maximal 4 Gew.-% Eisen
und dem Rest Nickel besteht.
In einer anderen insbesondere bevorzugten Ausführungsform ist die Basislegierung eine
Eisenbasislegierung aus Eisen, Molybdän, Nickel und Kohlenstoff oder aus Eisen, Chrom,
Molybdän und Kohlenstoff. Insbesondere bevorzugt handelt es sich dabei entweder um
eine Eisenbasislegierung, die aus 2 bis 4 Gew.-% Nickel, 1 bis 4 Gew.-% Chrom, 0,8 bis 3,7 Gew.-%
Kohlenstoff, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän und dem Rest Eisen besteht, oder um eine
Eisenbasislegierung, welche aus 2 bis 4 Gew.-% Nickel, 1 bis 4 Gew.-% Chrom, 0,8 bis 3,7 Gew.-%
Kohlenstoff, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 0,4 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 2 Gew.-%
Silizium und dem Rest Eisen besteht.
In einer weiteren insbesondere bevorzugten Ausführungsform besteht die
Eisenbasislegierung aus 4 bis 12 Gew.-% Chrom, 0,7 bis 2,3 Gew.-% Kohlenstoff, 2 bis 15 Gew.-%
Molybdän und dem Rest Eisen oder aus 4 bis 12 Gew.-% Chrom, 0,7 bis 2,3 Gew.-%
Kohlenstoff, 2 bis 15 Gew.-% Molybdän, 1,5 bis 4 Gew.-% Vanadium, 0,3 bis 1,5 Gew.-%
Mangan, 1 bis 2,5 Gew.-% Silizium, 5 bis 7 Gew.-% Wolfram und dem Rest Eisen. Möglich ist
auch eine Eisenbasislegierung aus 9 bis 15 Gew.-% Chrom, 30 bis 45 Gew.-% Nickel, 5 bis 9 Gew.-%
Molybdän, 2 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Gew.-% Vanadium, 1 bis 2 Gew.-%
Mangan, 1 bis 2 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 2 Gew.-% Wolfram und dem Rest Eisen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsfom besteht die Kobaltbasislegierung aus 7 bis
15 Gew.-% Chrom, 20 bis 30 Gew.-% Molybdän, 1 bis 4 Gew.-% Silizium und dem Rest Kobalt
oder aus 25 bis 32 Gew.-% Chrom, 2 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 1 bis 4 Gew.-% Nickel, 10 bis
15 Gew.-% Wolfram und dem Rest Kobalt
Bei diesen bevorzugten Ausführungsformen der Basislegierung hat sich gezeigt, dass die
Funktionsschicht besonders gute Eigenschaften aufweist. Dies im Hinblick auf die
Festigkeit und tribologischen Eigenschaften, die durch die Nickel-, Eisen- oder
Kobaltbasislegierungen erzeugt werden, aber auch dahingehend, dass die zweite und dritte
Komponente in dieser Basis ihre Eigenschaften gut auf die gesamte Schicht übertragen
können.
Bei der zweiten Phase handelt es sich vorzugsweise um Molybdän oder um ein Sulfid eines
Refraktärmetalls. Insbesondere handelt es sich bei letzterem um Molybdändisulfid,
Tantaldisulfid oder Wolframdisulfid. Diese Materialien zeichnen sich durch ihre
Festschmierstoffeigenschaft aus, womit als zweite Komponente ein Pulver aus diesen
Materialien neben den anderen Komponenten in die Schicht eingebracht wird.
Der Anteil der zweiten Komponente an der Pulvermischung und somit in der
Funktionsschicht kann auf die Anforderungen, welche die Schicht erfüllen muss,
angepasst werden, bevorzugt liegt der Anteil aber zwischen 5 und 40 Gew.-%.
Für die dritte Komponente, welche in der Verbundschicht für die Ableitung der Wärme
verantwortlich ist, wird bevorzugt Kupfer, Aluminium oder Silber verwendet. Diese
Materialien beeinflussen die Eigenschaften der anderen beiden Komponenten nicht und
sorgen für eine Ableitung der Wärme durch die Schicht auf das Substrat, so dass kein
Wärmestau entsteht und die thermische Belastung in der Schicht minimiert wird.
Der Anteil der dritten Komponenten in der Pulvermischung liegt bevorzugt zwischen 1 und
20 Gew.-%. Durch die Variation kann gezielt Einfluß auf den Wärmeabfluß genommen
werden.
Es hat sich gezeigt, daß die über das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren
aufgebrachten Funktionsschichten bzw. Verstärkungen schon auf unvorbehandelten
Zylinderköpfen gute Hafteigenschaften besitzen. Um diese zu erhöhen und um definierte
Ausgangsparameter bezüglich der aufzubringenden Schichtdicke zu schaffen, ist es
allerdings von Vorteil, wenn die zu beschichtenden Bereiche vor der Beschichtung mit
Korund und/oder anderen oxidischen bzw. metallischen Strahlmitteln abgestrahlt werden.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden die zu beschichtenden Bereiche
vor der eigentlichen Beschichtung mit den Pulverpartikeln abgestrahlt. Hierzu müssen die
Beschichtungsparameter aber so gewählt werden, daß die Pulverpartikel nicht an der
Oberfläche haften. Ein derartiger Abstrahlprozeß vereinfacht das gesamte Verfahren, da
alle Schritte mit nur einer Beschichtungsform durchgeführt werden und nur die
Beschichtungsparameter verändert werden müssen. Hierdurch können kleinere
Ungenauigkeiten, die in der Herstellung der Zylinderköpfe begründet sind, ausgeglichen
werden. Außerdem wird die Oberfläche aktiviert, so daß die Anbindung der Schicht an das
Substrat weiter verbessert wird. Das Abstrahlen kann auch dazu verwendet werden, am
Ventilsitz definiert eine Nut zu schaffen, in die dickere Schichten mittels dem
erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren aufgebracht werden können.
Durch die von der Dicke unabhängige Zusammensetzung der Funktionsschicht bzw. der
Verstärkung sind Schichten möglich, die selbst bei geringsten Dicken schon der
thermischen und mechanischen Belastung standhalten. Sollte es notwendig sein,
unterschiedliche Toleranzen in einem Zylinderkopf auszugleichen, können aber problemlos
Schichten mit größerer Dicke aufgebracht werden, da die Eigenschaften der Schicht
unabhängig von der Dicke ist. So liegt die Dicke der Funktionsschicht bzw. der
Verstärkung bevorzugt zwischen 0,05 mm und 6 mm.
Für das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren können unterschiedliche
Beschichtungsformen gewählt werden. In einer bevorzugten Form wird die
Funktionsschicht bzw. Verstärkung mittels dem HVOF-Verfahren (Hochgeschwindig
keitsflammspritzen) aufgebracht. Hierbei müssen die Prozessparameter so gewählt
werden, daß die Pulverpartikel beim Auftreffen auf das Substrat nicht vollständig
aufschmelzen. Bei einer derartigen Beschichtungsform liegt die Größe der zu spritzenden
Pulverpartikel zwischen 20 und 65 µm.
In einer weiteren bevorzugten Ausbildung des Verfahrens werden die Pulverpartikel durch
das Gaskompaktieren aufgebracht. Hierbei werden die Pulverpartikel in einem Gasstrom
beschleunigt und mit hoher Geschwindigkeit auf das Substrat aufgebracht. Die beim
Aufprall frei werdende kinetische Energie wird in Verformungs- und Wärmeenergie
umgewandelt, wodurch die Partikel an der Oberfläche anhaften. Der Vorteil dieses
Verfahrens liegt darin, daß keine komplexen Beschichtungsparameter gewählt werden
müssen, um ein Aufschmelzen der einzelnen Pulverkomponenten trotz ihrer
unterschiedlichen Schmelztemperaturen zu verhindern. Eine Variation der
Teilchengeschwindigkeit im Luftstrom beeinflußt die frei werdende Energie und somit die
Schichteigenschaften. So können auf einfache Art und Weise Funktionsschichten bzw.
Verstärkungen aufgespritzt werden, bei denen die unterschiedlichen Phasen aufgrund der
geringen Temperatureinwirkung nicht koagulieren. Hierdurch bleibt eine homogene
Verteilung der Phasen gewährleistet, wodurch die Schicht über die gesamte Dicke und
laterale Ausbreitung ihre Eigenschaften beibehält.
Die Größe der Pulverpartikel beim Gaskompaktieren liegt bevorzugt zwischen 3 und 45 µm.
Besonders gute Ergebnisse zeigen sich bei Schichten, für die Pulverpartikel verwendet
wurden, bei denen die Größe zwischen 5 und 25 µm gewählt wurde.
Verwendet wird das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren bevorzugt für
Zylinderköpfe aus Aluminiumlegierungen oder Magnesiumlegierungen. Aber auch
stählerne Zylinderköpfe können hierdurch noch weiter belastet werden, da die
Eigenschaften der Schutzschichten in thermischer und tribologischer Hinsicht die des
Stahls übertreffen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus denen sich weitere Einzelheiten, Merkmale
und Vorzüge ergeben.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren
an einem Zylinderkopf.
Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen montierten Zylinderkopf, bei dem die Ventilsitze
beschichtet wurden.
Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen montierten Zylinderkopf, bei dem die Stegbereiche
zwischen den Ventilsitzen beschichtet wurden.
Fig. 4 den Aufbau der mittels dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren
aufgespritzten Schicht im Querschnitt.
Fig. 1 zeigt die schematische Darstellung des erfindungsgemäßen
Beschichtungsprozeßes. Zu den in der Heißgasatmosphäre eines Motors besonders
beanspruchten Bereichen gehören die Zylinderköpfe 10 und hier insbesondere die
Ventilsitze 30. Die Ventilsitze 30 sind die Randbereiche, an denen die durch die
Ventilöffnungen 20 in den Verbrennungsraum ragenden Ventile (hier nicht eingezeichnet)
im geschlossenen Zustand auf dem Zylinderkopf 10 aufsitzen. Da die Ventile während
eines Verbrennungszykluses zweimal geöffnet und geschlossen werden, sind die
Ventilsitze 30 äußersten Belastungen ausgesetzt, weswegen hohe tribologische
Anforderungen und eine hohe thermo-mechanische Belastbarkeit an das Material gestellt
werden. Da der Bereich Ventil/Ventilsitz während den Verdichtungs- und
Verbrennungsphasen hohen Drücken ausgesetzt ist und der Zylinder abzudichten ist, darf
die Funktionsschicht auch nach längerer Zeit keine Risse oder Fehlstellen aufweisen. Sie
muß also gut haftend, abriebfest sein und gute Gleiteigenschaften aufweisen. Außerdem
muß die entstehende Wärme gut abgeführt werden, um die thermischen Belastungen zu
minimieren.
Um die Haftung zu verbessern, wird der zu beschichtende Bereich mit Korund abgestrahlt,
wodurch die Oberfläche aktiviert wird. Natürlich können auch andere Strahlmittel, wie
Drahtkorn oder Stahlgußkies verwendet werden. Möglich ist auch eine Aktivierung mit der
Pulvermischung. Hierzu müssen die Beschichtungsparameter aber derart gewählt werden,
daß die Pulverpartikel nicht auf der Oberfläche haften. Ein möglicher
Beschichtungsparameter hierbei ist die Partikelgeschwindigkeit im Gaskompaktieren, da
es unter einer kritischen Geschwindigkeit zu keiner Abscheidung kommt.
Der Bereich der Ventilsitze wird nun mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lokal veredelt.
Dabei wird die Pulvermischung mittels einer Pistole 50 auf die entsprechenden Bereiche
gespritzt (hier als Strahl 40 angedeutet).
Als Beschichtungsform hierfür findet die Gaskompaktierung Anwendung. Hierbei werden
die Pulverpartikel in einem Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit bei geringer Temperatur
auf das Substrat aufgebracht. Die Pulvermischung enthält 70 Gew.-% der ersten
Pulverkomponente, bestehend aus 17 Gew.-% Chrom, 3,5 Gew.-% Bor, 4 Gew.-% Silizium, 4 Gew.-%
Eisen und dem Rest Nickel. Die Pulvermischung enthält weiterhin 20 Gew.-% der
zweiten Pulverkomponente, welche reines Molybdänpulver ist. Als dritte
Pulverkomponente ist der Pulvermischung 10 Gew.-% Kupfer in Pulverform beigemischt. Die
einzelnen Pulverkomponenten liegen dabei als einzelne Partikel nebeneinander vor. Die
Größe der Pulverpartikel in der Pulvermischung liegt zwischen 10 und 30 µm.
Die Pulvermischung wird homogen gemischt in den Pulverförderer (hier nicht
eingezeichnet) gefüllt, der gasdicht verschlossen wird. Das Pulver wird dem vorgeheizten
Prozeßgas (Luft mit bis zu 500°C) mit einer Förderrate von 30 bis 120 g/min zugeführt
und auf mittlere Partikelgeschwindigkeit von 600 bis 1200 m/s beschleunigt. Prozeßgas
und Pulverpartikel werden dabei über Zuleitungen 50a in die Pistole 50 befördert. Die
Relativgeschwindigkeit der verwendeten Düse 51 bezogen auf den zu beschichtenden
Bereich der Ventilsitze beträgt 5 bis 30 mm/s. Bei diesen Einstellungen wird die
gewünschte Dicke von 1 mm durch mehrmaliges Beschichten des Bereiches erzielt. Bei
diesem Verfahren werden die einzelnen Werkstoffphasen in den verschiedenen
Partikelkomponenten trotz der unterschiedlichen Schmelztemperaturen nicht
aufgeschmolzen, womit keine Auflegierung stattfindet. Die verschiedenen Phasen werden
nicht durch die Temperatureinwirkung koaguliert, womit die homogene Verteilung der
verschiedenen Phasen der Pulverkomponenten über die Schicht erhalten bleibt. Wird zur
Beschichtung das HVOF-Verfahren verwendet, so ist aus diesem Grund bei der Auswahl
der Beschichtungsparameter darauf zu achten, daß die Pulverpartikel beim
Beschichtungsprozeß nicht vollständig aufschmelzen.
Das beschriebene Verfahren ist natürlich auch auf Pulvermischungen und somit
Funktionsschichten anwendbar, bei denen die ersten Komponenten, d. h. eine Phase in der
Schicht eine Eisenbasislegierung oder eine Kobaltbasislegierung mit der oben
angegebenen Zusammensetzung ist. Für die zweite und dritte Pulverkomponente gilt bei
diesen Basislegierungen selbiges.
Nach dem Beschichten ist nur eine geringe Maßbearbeitung der aufgebrachten
Funktionsschicht notwendig, da größere Toleranzen schon mit dem genauen
Beschichtungsprozeß ausgeglichen werden.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch einen Zylinderkopf 10 mit einer derart aufgebrachten
Schicht 31 auf den Ventilsitzen 30. Das Ventil 60 schließt die Ventilöffnung 20 während
des Verdichtungs- und Verbrennungstaktes ab. Es sitzt dabei an den Ventilsitzen 30 auf
der auf den Zylinderkopf 10 aufgespritzten Schicht 31 auf. Je nach Dicke der
aufgebrachten Schicht 31 ist der Zylinderkopf 20 vorzubereiten oder nicht. Dünne
Schichten können direkt ohne weiteres aufgespritzt werden, für dickere Schichten ist es
vorteilhaft den Zylinderkopf 10 an den Bereichen der Ventilsitze 30 mit einer Nut so
auszugestalten, daß die Schicht 31 hierin aufgebracht werden kann, ohne daß der
Ventilsitz 30 überhöht wird. Die Schicht 31 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel nur auf
den Ventilsitz 30 aufgebracht. Es können durchaus Gründe vorliegen, die es notwendig
machen, das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren auch auf die Ventile oder die
Stegbereiche zwischen den Ventilsitzen auszudehnen.
In Fig. 3 ist ein Schnitt durch einen Zylinderkopf 10 dargestellt, bei dem die Stegbereiche
zwischen den Ventilsitzen zusätzlich mit einer Schicht 31 beschichtet wurden. Hierdurch
kommt eine Überlappung der einzelnen Beschichtungsflächen zustande. Dies führt zu
einer Verminderung der Rißanfälligkeit der Ventilstege und des Brennraumbereiches am
Zylinderkopf und gestattet eine höhere thermische und mechanische Belastung des
Zylinderkopfes in diesem Bereich.
In Fig. 4 ist der Querschnitt der aufgebrachten Schicht 31 (ohne Substrat) vergrößert
dargestellt. Das Verhältnis der drei Komponenten 31a, 31b, 31c in der Schicht entspricht
demjenigen in der Pulvermischung. Der Anteil an der Nickelbasislegierung 31a beträgt
somit 70 Gew.-% an der Schicht. Der Anteil an Molybdän 31b beträgt 20 Gew.-% und der
Anteil an Kupfer 31c 10 Gew.-%. Dabei liegen die einzelnen Komponenten 31a, 31b, 31c
homogen verteilt, räumlich getrennt als einzelne Phasen vor. Durch die Wahl der
Beschichtungsparameter schmelzen die einzelnen Pulverpartikel bei der Beschichtung
nicht auf, so dass es zu keiner Auflegierung der einzelnen Komponenten 31a, 31b, 31c
kommt. Somit liegen die Phasen der eingebrachten Materialien nebeneinander in der
Schicht.
Claims (24)
1. Verfahren zur Beschichtung von Zylinderköpfen für Verbrennungsmotoren,
insbesondere von Ventilsitzen, durch Auftragen von Pulverpartikeln zu einer
Funktionsschicht oder lokalen Verstärkung auf thermisch und/oder mechanisch
belastete Bereiche, dadurch gekennzeichnet, daß als Pulverpartikel eine
Pulvermischung aus mindestens drei Pulverkomponenten verwendet wird, mit einer
ersten Pulverkomponente aus einer Basislegierung, einer zweiten Pulverkomponente
mit guten Festschmierstoffeigenschaften und einer dritten Pulverkomponente mit
guten Wärmeleiteigenschaften, wobei die einzelnen Pulverkomponenten nicht
miteinander auflegiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Eisen-, Nickel- oder
Kobaltbasislegierungen mit vergütetem Gefüge, metallischen Phasen und Zusätzen
zum Verschleißschutz verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Basislegierung
eine Nickelbasislegierung aus Nickel, Chrom, Bor und Silizium verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nickelbasislegierung
bestehend aus 12 bis 18 Gew.-% Chrom, 2 bis 4 Gew.-% Bor, 3 bis 5 Gew.-% Silizium, max.
4 Gew.-% Eisen, Rest Nickel verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Basislegierung
eine Eisenbasislegierung aus Eisen, Molybdän, Nickel und Kohlenstoff oder aus Eisen,
Chrom, Molybdän und Kohlenstoff verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eisenbasislegierung
bestehend aus 2 bis 4 Gew.-% Nickel, 1 bis 4 Gew.-% Chrom, 0,8 bis 3,7 Gew.-%
Kohlenstoff, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, Rest Eisen verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eisenbasislegierung
bestehend aus 2 bis 4 Gew.-% Nickel, 1 bis 4 Gew.-% Chrom, 0,8 bis 3,7 Gew.-%
Kohlenstoff, 3 bis 12 Gew.-% Molybdän, 0,4 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 2 Gew.-%
Silizium, Rest Eisen verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eisenbasislegierung,
bestehend aus 4 bis 12 Gew.-% Chrom, 0,7 bis 2,3 Gew.-% Kohlenstoff, 2 bis 15 Gew.-%
Molybdän und dem Rest Eisen verwendet wird.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eisenbasislegierung,
bestehend aus 4 bis 12 Gew.-% Chrom, 0,7 bis 2,3 Gew.-% Kohlenstoff, 2 bis 15 Gew.-%
Molybdän, 1,5 bis 4 Gew.-% Vanadium, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Mangan, 1 bis 2,5 Gew.-%
Silizium, 5 bis 7 Gew.-% Wolfram und dem Rest Eisen verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Eisenbasislegierung,
bestehend aus 9 bis 15 Gew.-% Chrom, 30 bis 45 Gew.-% Nickel, 5 bis 9 Gew.-% Molybdän,
2 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 2 Gew.-% Vanadium, 1 bis 2 Gew.-% Mangan, 1 bis 2 Gew.-%
Silizium, 0,5 bis 2 Gew.-% Wolfram und dem Rest Eisen verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Kobaltbasislegierung, bestehend aus 7 bis 15 Gew.-% Chrom, 20 bis 30 Gew.-%
Molybdän, 1 bis 4 Gew.-% Silizium und dem Rest Kobalt verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Kobaltbasislegierung, bestehend aus 25 bis 32 Gew.-% Chrom, 2 bis 2,5 Gew.-%
Kohlenstoff, 1 bis 4 Gew.-% Nickel, 10 bis 15 Gew.-% Wolfram und dem Rest Kobalt
verwendet wird.
13. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als zweite Pulverkomponente Molybdän oder ein Sulfid eines
Refraktärmetalls verwendet wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Anteil der zweiten Pulverkomponente in der Pulvermischung 5
bis 40 Gew.-% eingestellt wird.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als dritte Pulverkomponente Kupfer, Aluminium und/oder Silber
verwendet wird.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Anteil der dritten Pulverkomponente in der Pulvermischung 1
bis 20 Gew.-% eingestellt wird.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Bereiche vor der Beschichtung mit Korund,
Stahlgußkies und/oder Drahtkorn abgestrahlt werden.
18. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Bereiche vor der Beschichtung
mit den Pulverpartikeln abgestrahlt werden und die Beschichtungsparameter derart
gewählt werden, daß die Pulverpartikel nicht an der Oberfläche anhaften.
19. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß als Dicke der Funktionsschicht oder lokalen Verstärkung 0,05 bis
6 mm gewählt wird.
20. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit dem HVOF-Verfahren durchgeführt wird und
die Prozeßparameter derart eingestellt werden, daß die Pulverpartikel nicht vollständig
aufschmelzen.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß Pulverpartikel mit einer
Größe von 20 bis 65 µm verwendet werden.
22. Verfahren nach einem oder mehreren der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung über das Gaskompaktieren
durchgeführt wird.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß Pulverpartikel mit einer
Größe von 3 bis 45 µm, insbesondere 5 bis 25 µm verwendet werden.
24. Verwendung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorausgehenden
Ansprüche auf aus einer Aluminiumlegierung, einer Magnesiumlegierung oder Stahl
bestehende Zylinderköpfe.
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Cited By (4)
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DE10300966A1 (de) * | 2003-01-14 | 2004-07-29 | Daimlerchrysler Ag | Gleitschichten und Verfahren zu deren Herstellung |
DE102004060538B3 (de) * | 2004-12-16 | 2006-03-16 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Bildung von Hartmetallschichten und Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit Ventilsitzringen aus Hartmetall |
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Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2432061A1 (de) * | 1973-07-06 | 1975-01-23 | Metco Inc | Flammspritzwerkstoffe |
DE2432125A1 (de) * | 1973-07-06 | 1975-01-23 | Metco Inc | Flammspritzwerkstoffe |
AT341852B (de) * | 1975-02-18 | 1978-03-10 | Metco Inc | Flammspritz-verbundpulver |
AT357839B (de) * | 1976-07-19 | 1980-08-11 | Eutectic Corp | Metallhaltiges flammspritzpulver |
WO1997016577A1 (de) * | 1995-10-31 | 1997-05-09 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Verfahren zum herstellen einer gleitfläche auf einer leichtmetallegierung |
WO1997016578A1 (de) * | 1995-10-31 | 1997-05-09 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Verfahren zum herstellen einer gleitfläche auf einem metallischen werkstück |
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2000
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Patent Citations (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE2432061A1 (de) * | 1973-07-06 | 1975-01-23 | Metco Inc | Flammspritzwerkstoffe |
DE2432125A1 (de) * | 1973-07-06 | 1975-01-23 | Metco Inc | Flammspritzwerkstoffe |
AT341852B (de) * | 1975-02-18 | 1978-03-10 | Metco Inc | Flammspritz-verbundpulver |
AT357839B (de) * | 1976-07-19 | 1980-08-11 | Eutectic Corp | Metallhaltiges flammspritzpulver |
WO1997016577A1 (de) * | 1995-10-31 | 1997-05-09 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Verfahren zum herstellen einer gleitfläche auf einer leichtmetallegierung |
WO1997016578A1 (de) * | 1995-10-31 | 1997-05-09 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Verfahren zum herstellen einer gleitfläche auf einem metallischen werkstück |
DE19847608A1 (de) * | 1998-10-15 | 2000-04-20 | Volkswagen Ag | Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE10300966A1 (de) * | 2003-01-14 | 2004-07-29 | Daimlerchrysler Ag | Gleitschichten und Verfahren zu deren Herstellung |
DE10300966B4 (de) * | 2003-01-14 | 2007-05-03 | Daimlerchrysler Ag | Gleitschicht, deren Verwendung und Verfahren zu deren Herstellung |
DE102004060538B3 (de) * | 2004-12-16 | 2006-03-16 | Daimlerchrysler Ag | Verfahren zur Bildung von Hartmetallschichten und Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit Ventilsitzringen aus Hartmetall |
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WO2020128391A1 (fr) * | 2018-12-21 | 2020-06-25 | Safran | Procede de fabrication d'un noyau |
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