DE10041974A1 - Beschichtungsverfahren für Zylinderköpfe - Google Patents

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.