DE102011004503A1 - Chemically roughening a surface of an aluminum component provided with a coating by thermal spraying - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Aufrauung der Oberfläche eines Aluminium-Bauteils, welche durch thermisches Spritzen mit einer Beschichtung versehen wird.The invention relates to a method for roughening the surface of an aluminum component, which is provided by thermal spraying with a coating.
Es ist bekannt, die Oberfläche eines Aluminium-Bauteils, das durch thermisches Spritzen mit einer Metall- oder Keramikschicht versehen werden soll, durch physikalische Vorbehandlung, wie Sandstrahlen oder Hochdruckwasserstrahlen aufzurauen. Dabei kommt es aufgrund der Aufrauung zu einer proportionalen Vergrößerung der Oberfläche und damit der Haftung sowie der Haltekraft der Beschichtung im Verhältnis zu der zu beschichtenden Fläche.It is known to roughen the surface of an aluminum component to be thermally sprayed with a metal or ceramic layer by physical pre-treatment such as sand blasting or high pressure water jetting. Due to the roughening, there is a proportional enlargement of the surface and thus the adhesion as well as the holding force of the coating in relation to the surface to be coated.
Da gegenüber dem konventionellen Sandstrahlen beim Hochdruck Wasserstrahlen die proportionale Vergrößerung der Oberfläche zunimmt und zusätzlich Hinterschneidungen gebildet werden, ist eine Vorbehandlung mittels Hochdruckwasserstrahlen erforderlich, wenn eine hohe Haftung der Beschichtung verlangt wird. So ist die Haftung der Beschichtung der Zylinderlaufflächen eines Verbrennungsmotors, die durch thermisches Spritzen aufgetragen wird, gerade noch ausreichend, wenn eine Vorbehandlung mittels Hochdruckwasserstrahlens durchgeführt worden ist.Since, compared to conventional sand blasting in high-pressure water blasting, the proportional enlargement of the surface increases and, in addition, undercuts are formed, pretreatment by means of high-pressure water blasting is required when high adhesion of the coating is required. Thus, the adhesion of the coating of the cylinder treads of an internal combustion engine, which is applied by thermal spraying, just barely sufficient if a pretreatment has been carried out by means of high pressure water jet.
Da ein hoher Druck von 2000 bis 3000 bar erforderlich ist, ist das Hochdruckwasserstrahlen jedoch außerordentlich energieaufwändig und kostspielig. Zudem ist die Haftung legierungs- und gefügeabhängig und die Aufrauung schwierig einzustellen und damit oft nicht ausreichend.However, since a high pressure of 2000 to 3000 bar is required, the high pressure water jetting is extremely energy consuming and costly. In addition, the adhesion is dependent on alloy and bond and the roughening difficult to adjust and thus often insufficient.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufrauen der Oberfläche eines Aluminiumbauteils bereitzustellen, das kostengünstig durchführbar und auf die Aluminiumlegierung des Bauteils und dessen Gefüge einstellbar ist, und zu einer sicheren Haftung der durch thermisches Spritzen aufgetragenen Beschichtung führt.The object of the invention is to provide a method for roughening the surface of an aluminum component, which is inexpensive feasible and adjustable to the aluminum alloy of the component and its structure, and leads to a secure adhesion of the applied by thermal spraying coating.
Dies wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 13 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens wiedergegeben. Der Anspruch 14 bezieht sich auf ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstelltes Aluminiumbauteil das erfindungsgemäß aufgeraut und beschichtet worden ist.This is achieved according to the invention with the method characterized in claim 1. In claims 2 to 13 advantageous embodiments of the method according to the invention are shown. The claim 14 refers to a produced by the novel process aluminum component which has been roughened and coated according to the invention.
Das Aluminiumbauteil besteht vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere einer siliziumhaltigen Aluminiumlegierung mit einem untereutektischen Siliziumgehalt, also einem Siliziumgehalt von höchstens 12 Gew.-%. Zum thermischen Spritzen der aufgerauten Oberfläche des Aluminiumbauteils wird vorzugsweise das Plasmaspritzen oder das Lichtbogenspritzen, insbesondere das Lichtbogendrahtspritzen durchgeführt. Die Beschichtung, mit der das Aluminiumbauteil durch thermisches Spritzen versehen wird, besteht vorzugsweise aus Metall oder Keramik. Das Metall kann eine Eisenlegierung, beispielsweise Eisen-Molybdän-Legierung, Bronze oder dergleichen sein, während die Keramikbeschichtung beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), Borcarbid oder dergleichen bestehen kann und vorzugsweise durch Plasmaspritzen aufgetragen wird.The aluminum component preferably consists of an aluminum alloy, in particular a silicon-containing aluminum alloy having a hypoeutectic silicon content, that is to say a silicon content of at most 12% by weight. For thermal spraying of the roughened surface of the aluminum component, plasma spraying or arc spraying, in particular arc wire spraying, is preferably carried out. The coating with which the aluminum component is provided by thermal spraying is preferably made of metal or ceramic. The metal may be an iron alloy, for example, iron-molybdenum alloy, bronze, or the like, while the ceramic coating may be, for example, alumina (Al 2 O 3 ), boron carbide, or the like, and preferably applied by plasma spraying.
Nach der Erfindung wird das Aluminiumbauteil vorzugsweise nach einer Reinigung in ein Bad getaucht oder geflutet. Dabei kann es mit einer wässrigen Lösung eines Alkalihydroxids, beispielsweise Natriumhydroxid, vorgebeizt werden. Nach dem Vorbeizen mit dem Alkalihydroxid wird die Oberfläche des Bauteils mit einer Säure, vorzugsweise mit Salpetersäure definiert oxidiert und stabilisiert.According to the invention, the aluminum component is preferably dipped or flooded after cleaning in a bath. In this case, it can be pre-mixed with an aqueous solution of an alkali metal hydroxide, for example sodium hydroxide. After being pre-soaked with the alkali hydroxide, the surface of the component is oxidized and stabilized with an acid, preferably with nitric acid.
Um die Oxidschicht an der Oberfläche des Aluminiumbauteils zu entfernen, wird das Bauteil vorzugsweise einer Behandlung mit einer wässrigen Halogenwasserstoffsäurelösung, insbesondere einer Flusssäurelösung HF) unterworfen. Durch die Behandlung mit der Halogenwasserstoffsäure bzw. Flusssäure wird zugleich ein Lochfraß in die Oberfläche des Aluminiumbauteils eingeleitet.In order to remove the oxide layer on the surface of the aluminum component, the component is preferably subjected to a treatment with an aqueous hydrohalic acid solution, in particular a hydrofluoric acid solution HF). The treatment with the hydrohalic acid or hydrofluoric acid at the same time a pitting is introduced into the surface of the aluminum component.
Um den Lochfraß an den Stellen an der Oberfläche des Aluminiumbauteils, die von der Halogenwasserstoffsäure bzw. Flusssäure in die Tiefe des Bauteils fortzusetzen, können im Wesentlichen zwei Verfahren durchgeführt werden.In order to continue the pitting at the locations on the surface of the aluminum member continuing from the hydrohalic acid or hydrofluoric acid into the depth of the component, essentially two methods can be carried out.
Nach dem einen Verfahren wird das Aluminiumbauteil einem Oxidationsmittel ausgesetzt. Das Oxidationsmittel, das an den von der Halogenwasserstoffsäure bzw. Flusssäure angegriffenen Stellen der Oberfläche des Bauteils angreift, kann ein Peroxomonopersulfat, beispielsweise Kaliumperoxomonopersulfat, ein Persulfat, beispielsweise Kaliumpersulfat, Wasserstoffperoxid (H2O2) und/oder Salpetersäure (HNO3) sein.According to one method, the aluminum component is exposed to an oxidizing agent. The oxidizing agent which acts on the surfaces of the component attacked by the hydrohalic acid or hydrofluoric acid may be a peroxomonopersulfate, for example potassium peroxomonopersulfate, a persulfate, for example potassium persulfate, hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) and / or nitric acid (HNO 3 ).
Dabei wird vorzugsweise die Oberfläche des Bauteils mit der wässrigen Halogenwasserstoffsäure- bzw. Flusssäurelösung geflutet, die das Oxidationsmittel enthält, chemisch aufgeraut und der gewünschte Lochfraßanteil erzeugt.In this case, preferably the surface of the component is flooded with the aqueous hydrohalic acid or hydrofluoric acid solution which contains the oxidizing agent, chemically roughened and generates the desired pitting fraction.
Nach einem weiteren Verfahren wird die mit der Halogenwasserstoffsäure- bzw. Flusssäurelösung behandelte, vorzugsweise geflutete Oberfläche des Bauteils einer Behandlung mit einer wässrigen Lösung eines Metallsalzes unterworfen, welches ein Metall enthält, das in der Spannungsreihe ein Normalpotential aufweist, das weniger negativ ist als das Normalpotential von Aluminium, also beispielsweise einem Nickelsalz, wie Nickelchlorid und eine Halogenwasserstoffsäure bzw. Flusssäure.According to another method, the preferably flooded surface of the component treated with the hydrohalic acid or hydrofluoric acid solution is subjected to a treatment with an aqueous solution of a metal salt which contains a metal which has a normal potential in the voltage series which is less negative than the normal potential of aluminum, so for example a nickel salt such as nickel chloride and a hydrohalic acid or hydrofluoric acid.
Durch das Behandeln insbesondere Fluten der Oberfläche des Aluminiumbauteils mit dem Nickelsalz Säuregemisch erfolgt an den Stellen der Oberfläche des Aluminiumbauteils, die mit der Halogenwasserstoffsäure- bzw. Flusssäure angegriffen worden sind, ein Ionenaustausch, d. h. Aluminium geht aus dem Bauteil punktuell also lochfraß erzeugend in Lösung, wobei ein locker anhaftender Film aus dem edleren Metall, also beispielsweise Nickel gebildet wird. Dieser Film wird anschließend mit einer oxidierenden Säure, beispielsweise Salpetersäure entfernt.By treating, in particular, flooding of the surface of the aluminum component with the nickel salt of the acid mixture, ion exchange takes place at the points of the surface of the aluminum component which have been attacked by the hydrohalic acid or hydrofluoric acid. H. Aluminum comes from the component punctiform so hole-producing generating in solution, with a loosely adhering film of the nobler metal, so for example nickel is formed. This film is then removed with an oxidizing acid, for example nitric acid.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Oberfläche des Bauteils so angegriffen, dass eine mikroskopische Aufrauung und eine lochfraßähnliche Oberfläche, unter Erzeugung von Hinterschneidungen, gebildet wird. Diese Oberfläche ist um den Faktor 10 bis 100 spezifisch größer und eine durch Hochdruckwasserstrahlen aufgeraute Oberfläche.According to the method of the invention, the surface of the component is attacked so as to form a microscopic roughening and a pitting-like surface to form undercuts. This surface is specifically larger by a factor of 10 to 100 and a surface roughened by high pressure water jets.
So beträgt die mittlere Rauheit (Ra), einschließlich der durch Lochfraß gebildeten Löcher, der Oberfläche des Aluminiumbauteils, das erfindungsgemäß aufgeraut worden ist, vorzugsweise 1 bis 50 μm, insbesondere 0,5 bis 20 μm. Die durch Lochfraß gebildeten Löcher weisen eine Tiefe von vorzugsweise 10 bis 100 μm, insbesondere 20 bis 50 μm auf.Thus, the average roughness (Ra), including the holes formed by pitting, of the surface of the aluminum component which has been roughened according to the invention is preferably 1 to 50 μm, in particular 0.5 to 20 μm. The holes formed by pitting have a depth of preferably 10 to 100 .mu.m, in particular 20 to 50 microns.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere zum Aufrauen der Zylinderlaufflächen eines Verbrennungsmotor-Kurbelgehäuses geeignet, welche mit einer Metall- oder Keramikbeschichtung durch Plasma- oder Drahtlichtbogenspritzen beschichtet werden.The inventive method is particularly suitable for roughening the cylinder surfaces of an internal combustion engine crankcase, which are coated with a metal or ceramic coating by plasma or wire arc spraying.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung:The following examples serve to further explain the invention:
Beispiel 1example 1
Die Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors wird in einem handelsüblichen Ultraschallbad chemisch gereinigt. Danach wird die Zylinderlaufbahn mit einer Lösung, die 10 bis 50 g/l Kaliumperoxomonopersulfat oder 10 bis 30 Gew.-% H2O2 oder 5 bis 50 g/l Kaliumpersulfat oder 15 bis 35 Gew.-% HNO3 und 0,1 bis 20 g/l HF enthält, chemisch 20 bis 120 Sekunden legierungs- und gefügeabhängig aufgeraut. Nach dem Spülen in Heißwasser und erfolgter Trocknung wird die Zylinderlaufbahn durch thermisches Spritzen beschichtet.The cylinder bore of an internal combustion engine is chemically cleaned in a commercially available ultrasonic bath. Thereafter, the cylinder liner with a solution containing 10 to 50 g / l Kaliumperoxomonopersulfat or 10 to 30 wt .-% H 2 O 2 or 5 to 50 g / l of potassium persulphate or 15 to 35 wt .-% HNO 3 and 0.1 contains up to 20 g / l HF, chemically roughened for 20 to 120 seconds depending on the alloy and the bond. After rinsing in hot water and drying, the cylinder bore is coated by thermal spraying.
Beispiel 2Example 2
Die Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors wird in einem handelsüblichen Ultraschallbad chemisch gereinigt. Danach wird die Zylinderlaufbahn in einer alkalischen Lösung aus 10 bis 30 g/l NaOH 10 bis 120 Sekunden vorgebeizt und danach mit einer 30 bis 36 Gew.-%igen HNO3-Lösung 10 bis 60 Sekunden behandelt. Anschließend wird die Zylinderlaufbahn mit einer 0,1 bis 1 Gew.-%igen HF-Lösung 10 bis 30 Sekunden aktiviert und danach mit einer Lösung aus 20 bis 200 g/l Nickelchlorid × 6H2O, 1 bis 20 g/l HF und 10 bis 30 g/l Borsäure (als Puffer) legierungs- und gefügeabhängig 10 bis 120 Sekunden aufgeraut. Die Zylinderlaufbahn wird anschließend mit einer 30 bis 36 Gew.-%igen HNO3-Lösung 10 bis 30 Sekunden behandelt, mit Heißwasser gespült und nach erfolgter Trocknung durch thermisches Spritzen beschichtet. Je nach Legierung kann der Aufrauprozess wiederholt werden.The cylinder bore of an internal combustion engine is chemically cleaned in a commercially available ultrasonic bath. Thereafter, the cylinder liner is pre-pickled in an alkaline solution of 10 to 30 g / l NaOH for 10 to 120 seconds and then treated with a 30 to 36 wt .-% HNO 3 solution for 10 to 60 seconds. Subsequently, the cylinder liner is activated with a 0.1 to 1 wt .-% HF solution for 10 to 30 seconds and then with a solution of 20 to 200 g / l nickel chloride × 6H 2 O, 1 to 20 g / l HF and 10 to 30 g / l boric acid (as buffer) roughened for 10 to 120 seconds depending on alloy and composition. The cylinder liner is then treated with a 30 to 36 wt .-% HNO 3 solution for 10 to 30 seconds, rinsed with hot water and coated after drying by thermal spraying. Depending on the alloy, the roughening process can be repeated.
Die Behandlung der Oberfläche des Aluminiumbauteils, also beispielsweise der Zylinderlauffläche mit der Lösung, die nach dem Beispiel 1 Kaliumperoxomonopersulfat, H2O2, Kaliumpersulfat oder HNO3 und zudem HF enthält, kann durch Fluten der Oberfläche bzw. Zylinderlauffläche erfolgen, ebenso die Behandlung der Oberfläche bzw. Zylinderlauffläche nach dem Beispiel 2 mit der alkalischen Lösung, der Salpetersäure, der Flusssäure und der Lösung, die das Nickelchlorid und die Borsäure enthält.The treatment of the surface of the aluminum component, so for example the cylinder surface with the solution containing according to Example 1 Kaliumperoxomonopersulfat, H 2 O 2 , potassium persulfate or HNO 3 and also HF can be done by flooding the surface or cylinder surface, as well as the treatment of Surface or cylinder surface according to Example 2 with the alkaline solution, nitric acid, hydrofluoric acid and the solution containing the nickel chloride and boric acid.
In der beigefügten Zeichnung zeigen:In the attached drawing show:
In
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