DE19601793A1

DE19601793A1 - Lubricant coating for internal surface of cylinders in stroke piston machines

Info

Publication number: DE19601793A1
Application number: DE19601793A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl Ing Muennighoff; Horst Dipl Ing Lindner; Gerard Barbezat
Original assignee: Sulzer Metco AG; Audi AG
Current assignee: Oerlikon Metco AG; Audi AG
Priority date: 1996-01-19
Filing date: 1996-01-19
Publication date: 1997-07-24
Anticipated expiration: 2016-01-20
Also published as: DE19601793B4

Abstract

Light metal alloy surfaces are coated by thermal spraying with powder compounds containing Al, Fe and Si.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetallegierungen, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Zylindergehäusen von Hubkolbenmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for coating surfaces of Workpieces made of light metal alloys, especially the cylinder surfaces of cylinder housings of reciprocating piston machines, according to the preamble of Claim 1.

Ein derartiges Verfahren beschreibt beispielsweise die DE 44 13 306 C1 anhand einer Bremsscheibe aus einer Leichtmetallegierung, bei der im Flammspritzverfahren als Metallegierungspulver Aluminium-, Magnesium- oder Titanlegierungen und als Verstärkungspartikel aus keramischem Material Siliziumkarbid, Aluminiumoxid, Borkarbid, Magnesiumoxid und/oder Titandiborid und ggf. als Gleitstoffpartikel Bornitrid oder Graphit zugesetzt werden. Die so gebildete Verstärkungsschicht soll mindestens 1 mm Dicke aufweisen. Als Leichtmetallegierungen kommen insbesondere Magnesium- oder Aluminiumlegierungen in Frage.Such a method is described, for example, in DE 44 13 306 C1 using a brake disc made of a light metal alloy, in which Flame spraying process as metal alloy powder aluminum, magnesium or Titanium alloys and as reinforcement particles made of ceramic material Silicon carbide, aluminum oxide, boron carbide, magnesium oxide and / or titanium diboride and optionally boron nitride or graphite can be added as lubricant particles. The so The reinforcement layer formed should be at least 1 mm thick. As Light metal alloys come in particular magnesium or Aluminum alloys in question.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art auf zuzeigen, mit dem tribolobisch besonders günstige und fertigungstechnisch gut beherrschbare Beschichtungen geschaffen werden.The object of the invention is to provide a method of the generic type show, with the tribolobically particularly cheap and technically good controllable coatings can be created.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.This object is achieved with the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous developments of the invention are the other claims.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, auf das Werkstück einen pulverförmigen Verbundwerkstoff mit Al-Fe-Si thermisch aufzuspritzen, wobei der Verbundwerkstoff bei einem Werkstück aus einer Aluminiumlegierung in eine Matrix aus einer Aluminiumlegierung eingebunden sein kann. Durch das thermische Aufspritzen, bevorzugt durch Plasmaspritzen, und die schnelle Erstarrung der Schmelze werden intermetallische AlFe-Verbindungen in im Matrixwerkstoff übereutektisch gelöste AlFeSi-Verbindungen (ohne Primärkristallausscheidungen) homogen eingebunden und bilden eine ho mogene Beschichtung, deren Wärmedehnungsverhalten und E-Modul dem Grundwerkstoff ähnlich ist (gute Thermoschockbeständigkeit), bei einer Härte von bis zu 600 HV. Die Beschichtung weist ferner eine hohe Zähigkeit, eine gute Zerspanbarkeit (Honbarkeit) und eine tribologisch vorteilhafte Topographie auf.According to the invention it is proposed to put a powder on the workpiece Thermally spray composite material with Al-Fe-Si, the Composite material for a workpiece made of an aluminum alloy in a Matrix made of an aluminum alloy can be integrated. By the thermal spraying, preferably by plasma spraying, and the rapid Solidification of the melt intermetallic AlFe compounds in Matrix material hypereutectically dissolved AlFeSi compounds (without Primary crystal deposits) homogeneously integrated and form a ho homogeneous coating, its thermal expansion behavior and modulus of elasticity Base material is similar (good thermal shock resistance), with a hardness up to 600 HV. The coating also has high toughness, a good machinability (honability) and a tribologically advantageous topography on.

Der pulverförmig aufgebrachte und beim thermischen Spritzen teilweise schmelzende Verbundwerkstoff wird bevorzugt gebildet durch AlSiFe-Ver bindungen, die in der angegebenen Zusammensetzung in übersättigter Form in einer Matrix aus einer Leichtmetallegierung, bevorzugt einer Aluminiumle gierung (Aluminium mit üblichen Zusätzen und/oder Verunreinigungen), ein geschlossen sind und beim Aufspritzen teilweise in Lösung gehen. Dabei ist das Verhältnis der AlFe-Verbindungen nach Partikelgröße und chemischer Zusammensetzung zur Bildung in der Beschichtung eingebetteter interme tallischer AlFe-Verbindungen entsprechend abgestimmt.The powder applied and partially during thermal spraying melting composite material is preferably formed by AlSiFe-Ver bonds in the specified composition in supersaturated form in a matrix made of a light metal alloy, preferably an aluminum alloy alloy (aluminum with usual additives and / or impurities) are closed and partially dissolve when sprayed on. It is the ratio of AlFe compounds by particle size and chemical Composition for forming interme embedded in the coating AlFe connections matched accordingly.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, der aufgebrachten Be schichtung Festschmierstoffe, insbesondere hexagonales Bornitrid, zuzugeben, um insbesondere bei Anwendung der Erfindung an Zylinderlaufflächen für Hubkolben-Brennkraftmaschinen eine weitere Steigerung der tribologischen Eigenschaften zu erzielen.In a development of the invention it is proposed that the applied Be add solid lubricants, especially hexagonal boron nitride, in particular when using the invention on cylinder running surfaces for Reciprocating internal combustion engines further increase the tribological To achieve properties.

Eine besonders bevorzugte chemische Zusammensetzung der Beschichtung enthält 3 bis 20% Eisen, insbesondere 5 bis 8%, 13 bis 25% Silizium, ins besondere 14 bis 18% und 3 bis 40% hexagonales Bornitrid, insbesondere 12 bis 18%. Damit sind Zylinderlaufflächen erzielbar, die neben der erforderlichen Härte und Verschleißfestigkeit sowie sehr günstigen Gleiteigenschaften fertigungstechnisch gut bearbeitbar bzw. honbar sind. A particularly preferred chemical composition of the coating contains 3 to 20% iron, in particular 5 to 8%, 13 to 25% silicon, ins particularly 14 to 18% and 3 to 40% hexagonal boron nitride, in particular 12 up to 18%. This makes it possible to achieve cylinder running surfaces in addition to the required Hardness and wear resistance as well as very good sliding properties are technically easy to process or honable.

Bei bevorzugter Anwendung des Plasmaspritzens zum Aufbringen der Be schichtung wird ein Argon-Wasserstoff-Plasma verwendet, mit dem unter anderem unerwünschte Oxidbildungen in Grenzen gehalten werden.With preferred use of plasma spraying to apply the Be An argon-hydrogen plasma is used for the stratification other undesirable oxide formation can be kept within limits.

Die Beschichtung kann vorzugsweise eine Schichtdicke von 30 bis 500 µm, insbesondere 50 bis 200 µm und durch Variation des Eisengehaltes eine Vic kershärte von 250 bis 600 HV aufweisen. Eine derartige Beschichtung hat sich für Zylinderlaufflächen als besonders vorteilhaft und verschleißbeständig erwiesen.The coating can preferably have a layer thickness of 30 to 500 μm, in particular 50 to 200 microns and a Vic by varying the iron content have core hardness of 250 to 600 HV. Such a coating has for cylinder running surfaces as particularly advantageous and wear-resistant proven.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzel heiten näher beschrieben.An embodiment of the invention is in the following with further details described in more detail.

AusführungsbeispielEmbodiment

Bei einem Zylinderkurbelgehäuse für eine Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit 17% Silizium wurde nach dem Bohren der Zylinder auf ein definiertes Rohmaß durch Plasmaspritzen in einem Argon-Wasserstoff-Plasma und unter Schutzgas (Stickstoff) eine Laufflächenbeschichtung aufgebracht.With a cylinder crankcase for a reciprocating piston internal combustion engine a hypereutectic aluminum-silicon alloy with 17% silicon after drilling the cylinders to a defined size Plasma spraying in an argon-hydrogen plasma and under protective gas (Nitrogen) applied a tread coating.

Dabei wurde ein Verbundwerkstoff in Pulverform mit einer Partikelgröße von 60 µm und folgender chemischer Zusammensetzung verwendet:
Fe 10%
Si 15%
BN (hexagonal) 15%
Rest Aluminium und übliche Beimengungen.A composite material in powder form with a particle size of 60 µm and the following chemical composition was used:
Fe 10%
Si 15%
BN (hexagonal) 15%
Rest of aluminum and usual additions.

Dieser Verbundwerkstoff ist gebildet aus Al-Fe-Si-Verbindungen, die übersättigt in der Aluminiummatrix unter teilweiser Bildung von intermetallischen AlFe-Verbindungen eingeschlossen sind.This composite material is formed from Al-Fe-Si compounds that are oversaturated in the aluminum matrix with partial formation of intermetallic AlFe connections are included.

Beim Plasmaspritzen dieses Verbundwerkstoffes unter Schutzgas wird aufgrund der teilweisen Schmelzung und der schnellen Erstarrung auf dem Grundwerkstoff (Zylinderkurbelgehäuse) eine homogene Beschichtung ohne Ausscheidung von Si-Kristallen gebildet, wobei Si und Fe in übersättigter Lö sung mit dem Matrixwerkstoff vorliegen.When plasma spraying this composite material under protective gas is due to partial melting and rapid solidification on the Base material (cylinder crankcase) a homogeneous coating without Precipitation of Si crystals formed, with Si and Fe in supersaturated Lö solution with the matrix material.

Diese intermetallische AlFe-Verbindungen enthaltende Beschichtung kann je nach deren Fe-Gehalt eine Vickershärte von bis zu 600 HV aufweisen, bei einer gezielten Porösität, die sich unter anderem durch die gewählte Pulver- Partikelgröße bestimmt.This coating containing intermetallic AlFe compounds can each have a Vickers hardness of up to 600 HV according to their Fe content, with a targeted porosity, which is characterized, among other things, by the selected powder Particle size determined.

Nach dem Aufbringen der Beschichtung wurde die Zylinderlauffläche mit Diamanthonleisten zur Herstellung der geforderten geometrischen Genauigkeit und Oberflächenbeschaffenheit gehont.After the coating was applied, the cylinder tread became with Diamond honing stones for the production of the required geometrical accuracy and surface texture honed.

Die so gebildeten Laufflächen weisen eine hohe Härte sowie Zähigkeit auf, bei hervorragenden tribologischen Eigenschaften. Sie sind gut zerspanbar bzw. honbar, so daß eine geringe Mikrorauhigkeit bei einer gezielten Porösität vorliegt. Ferner weisen die Laufflächen gute Dämpfungseigenschaften auf. Aufgrund des volumenmäßig geringen Fe-Gehaltes ist ein Recycling des Zylindergehäuses problemlos möglich. Zudem ist der vorgeschlagene Verbundwerkstoff kostengünstiger, gut beherrschbar in seiner Spritzbarkeit (Prozeßsicher) und ermöglicht eine hohe Pulverausbeute.The treads thus formed have a high hardness and toughness excellent tribological properties. They are easy to machine or honable, so that a low micro-roughness with a targeted porosity is present. Furthermore, the treads have good damping properties. Due to the low Fe content, recycling of the Cylinder housing possible without any problems. In addition, the proposed one Composite material cheaper, easy to control in its sprayability (Process reliable) and enables a high powder yield.

Die Erfindung ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Als thermisches Spritzverfahren kann auch Flammspritzen, Laserspritzen, etc. eingesetzt sein. Anstelle von Zylinderlaufflächen können auch andere aus Leichtmetall hergestellte Bauteile, z. B. Tassenstößel der Ventilsteuerung, Ölpumpengehäuse, etc. beschichtet werden. Anstelle einer Aluminiumlegierung als Substrat kann auch eine Magnesiumlegierung verwendet sein.The invention is not limited to the exemplary embodiment described. Flame spraying, laser spraying, etc. can also be used as a thermal spraying method. be used. Instead of cylinder treads, others can also Components made of light metal, e.g. B. tappet of the valve control, Oil pump housing, etc. are coated. Instead of an aluminum alloy A magnesium alloy can also be used as the substrate.

Claims

1. Verfahren zur Beschichtung von Oberflächen von Werkstücken aus Leichtmetallegierungen, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Zylin dergehäusen von Hubkolbenmaschinen, durch thermisches Aufspritzen von Hartstoffen, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Aufspritzen eines pulverförmigen Verbundwerkstoffes mit Al, Fe und Si gebildet ist.1. A method for coating surfaces of workpieces made of light metal alloys, in particular the cylinder surfaces of Zylin dergehäusen of reciprocating engines, by thermal spraying of hard materials, characterized in that the coating is formed by spraying a powdery composite material with Al, Fe and Si.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbund werkstoff gebildet wird aus Al-Fe-Si-Verbindungen, die in einer übersättigten Matrix aus einer Leichtmetallegierung, insbesondere einer Aluminiumlegierung, eingeschlossen sind.2. The method according to claim 1, characterized in that the composite is formed from Al-Fe-Si compounds that are in a supersaturated Light metal alloy matrix, especially one Aluminum alloy are included.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Al-Fe nach Partikelgröße und chemischer Zusammensetzung zur Bildung eingebetteter intermetallischer AlFe-Verbindungen abgestimmt ist.3. The method according to claims 1 and 2, characterized in that the Ratio Al-Fe according to particle size and chemical composition to Formation of embedded intermetallic AlFe compounds is coordinated.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver unter Schutzgas (Stickstoff) und mit einer Partikelgröße zwischen 5 µm und 80 µm verdüst wird.4. Process according to claims 1-3, characterized in that the Powder under protective gas (nitrogen) and with a particle size between 5 µm and 80 µm is atomized.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der aufgespritzte Verbundwerkstoff 3 bis 20%, insbesondere 5 bis 15% Fe und 13 bis 25%, insbesondere 14 bis 18%, Si enthält.5. The method according to claims 1-4, characterized in that the sprayed composite material 3 to 20%, in particular 5 to 15% Fe and 13 to 25%, in particular 14 to 18%, contains Si.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch ge kennzeichnet, daß dem Verbundwerkstoff Festschmierstoffe zugegeben werden. 6. The method according to one or more of claims 1-5, characterized ge indicates that solid lubricants have been added to the composite will.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Fest schmierstoff hexagonales Bornitrid zugegeben wird.7. The method according to claim 6, characterized in that as a festival lubricant hexagonal boron nitride is added.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß dem aufgespritzten Verbundwerkstoff 3 bis 40%, insbesondere 12 bis 18% BN (hexagonal) zugegeben wird.8. The method according to claims 1-7, characterized in that the sprayed-on composite material 3 to 40%, in particular 12 to 18% BN (hexagonal) is added.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung durch Plasmaspritzen hergestellt wird.9. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the coating by plasma spraying will be produced.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Argon- Wasserstoff-Plasma verwendet wird.10. The method according to claim 9, characterized in that an argon Hydrogen plasma is used.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schichtdicke von 30 bis 500 µm, insbe sondere von 50 bis 200 µm, aufgebracht wird.11. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that a layer thickness of 30 to 500 microns, esp special from 50 to 200 microns, is applied.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Härte der Schicht durch Variation des Fe-Gehaltes auf 250 bis 600 HV eingestellt wird.12. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the hardness of the layer by varying the Fe content is set to 250 to 600 HV.