DE3937765A1 - Producing wear-resistant coating on light metal parts - using iron dispersion coating contg. silicon carbide - Google Patents

Producing wear-resistant coating on light metal parts - using iron dispersion coating contg. silicon carbide

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Abstract

Light metal components are provided with a wear-resistant coating in an electrolytic process using an electrolyte which produces a coating of silicon carbide particles dispersed in an iron support layer. The electrolyte compsn. is pref. 450-500 g/l FeSO47H2O; 30-40 g/l H3BO4; 0-0.1 g/l H2PO2; 10-45 SiC powder. The Fe powder is continually added to the dispersion bath contg. the electrolyte with a magnet keeping the Fe away from the component to be coated. The SiC particles are held in suspension by a stirrer. The electrolyte is selectively cleaned by passing through a container (14) containing steel sheets (15). Unwanted ions, are cemented out of the solution by Fe from the sheets. The electrolyte is fed from the dispersion bath (1) to the coating bath (6) via electromagnet (11). USE/ADVANTAGE - Esp. for coating parts in a combustion engine. The silicon carbide coating is more cheaply produced than prior art coating employing an Ni dispersion layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Leichtmetall-Bauteil einer Brennkraftmaschine, mit einer siliziumcarbidhaltigen Verschleiß-Schutzschicht.The invention relates to a component, in particular a Light metal component of an internal combustion engine, with one Wear protection layer containing silicon carbide.

Es ist bekannt, beispielsweise Leichtmetall-Bauteile einer Brennkraftmaschine, deren Oberflächen einer hohen Verschleißbelastung ausgesetzt sind, mit einer Ver­ schleiß-Schutzschicht zu versehen. Beispielshalber genannt seien hier die Zylinderlaufbahnen von Kurbel­ gehäusen, die Gleitflächen von Kolben oder Stößeln, oder auch die Oberflächen von Ventilfedertellern oder dgl. bestens bewährt hat sich an Aluminium-Bauteilen dabei die Nickeldispersionsbeschichtung, wobei in einer als Trägermaterial fungierenden Nickelschicht Silizium­ carbid-Partikel eingebunden sind.It is known, for example light metal components an internal combustion engine with a high surface area Exposed to wear, with a ver wear protective layer. For the sake of example the cylinder liners of crank are mentioned here housing, the sliding surfaces of pistons or tappets, or also the surfaces of valve spring retainers or the like. Aluminum components have proven their worth the nickel dispersion coating, being in a as Carrier material acting nickel layer silicon carbide particles are included.

Trotz der bewährten Eigenschaften beispielsweise hin­ sichtlich Leichtbau und Standfestigkeit haben derartige Bauteile in der Großserienfertigung von Brennkraftma­ schinen noch keinen weit verbreiteten Einsatz gefunden. Ursächlich hierfür sind nicht zuletzt die relativ hohen Kosten, die eine derartige Nickeldispersionsschicht verursacht.Despite the proven properties, for example visibly lightweight construction and stability have such Components in the large-scale production of internal combustion engines have not yet found widespread use. The reason for this is not least the relatively high The cost of such a nickel dispersion layer caused.

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine demgegenüber kostengünstigere siliziumcarbidhaltige Verschleiß-Schutzschicht aufzuzeigen.The invention has therefore set itself the task in contrast, cheaper silicon carbide Show wear protective layer.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß das Trägermaterial für die dispergierten Siliziumcarbid- Partikel Eisen ist.To solve this problem it is provided that Carrier material for the dispersed silicon carbide Particle is iron.

Eine Lösung der weiteren Aufgabe, ein für ein derartiges Bauteil geeignetes Beschichtungsverfahren aufzuzeigen, ist im zweiten Patentanspruch angegeben, während die Ansprüche 9 und 10 vorteilhafte Vorrichtungen zur Durch­ führung des Beschichtungsverfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8 beschreiben.A solution to the further task, one for such a To show the component suitable coating process, is specified in the second claim, while the Claims 9 and 10 advantageous devices for through management of the coating process according to one of the Describe claims 2 to 8.

Erfindungsgemäß erhalten insbesondere auch verschleiß­ beanspruchte Leichtmetall-Bauteile, die bislang mit einer Nickeldispersionsschicht versehen wurden, nunmehr eine sogenannte Eisendispersionsbeschichtung. Das Kostenverhältnis zwischen Nickel und Eisen beträgt bei einem Bauteil gleicher Größe und derzeitigen Rohstoff­ preisen ca. 50 : 1. Hinsichtlich des Reibkoeffizienten sowie der Härte sind Nickel und Eisen voll kompatibel. Vorteilhafterweise kann bei einer Eisendispersions­ schicht ein Gleitpartner mit einer Chromoberfläche zum Einsatz kommen, während dies bei einer üblichen Nickel­ dispersionsschicht nicht möglich ist. Ein weiterer Vorteil ist schließlich darin zu sehen, daß im Falle einer Nickeldispersionsbeschichtung bei Ausbesserungs­ arbeiten zunächst die noch vorhandene Restschicht vollständig entfernt werden muß, während eine Eisen­ dispersionsbeschichtung einfach auf die noch vorhandene Restschicht aufgebracht werden kann. Zwar unterliegen eisendispersionsbeschichtete Bauteile im Gegensatz zu nickeldispersionsbeschichteten Bauteilen dem Rostbefall, jedoch kommt dieser Nachteil bei geeigneten Anwendungs­ fällen überhaupt nicht zum Tragen. According to the invention, in particular, also receive wear stressed light metal components that so far have been provided with a nickel dispersion layer, now a so-called iron dispersion coating. The Cost ratio between nickel and iron is at a component of the same size and current raw material praise about 50: 1. Regarding the coefficient of friction as well as the hardness, nickel and iron are fully compatible. Advantageously, with an iron dispersion layer a sliding partner with a chrome surface Come into use while doing this with a common nickel dispersion layer is not possible. Another The advantage is to be seen in the fact that in the case a nickel dispersion coating during repairs first work the remaining layer must be removed completely while an iron dispersion coating simply on the still existing Residual layer can be applied. Although subject to iron dispersion coated components in contrast to components coated with nickel dispersion to prevent rust, however, this disadvantage comes with proper application do not apply at all.  

Eine erfindungsgemäße Eisendispersionsbeschichtung kann im wesentlichen mit den auch bei der Nickeldispersions­ beschichtung verwendeten Anlagen erfolgen. Eine bevor­ zugte Elektrolytzusammensetzung für ein derartiges elektrolytisches Beschichtungsverfahren ist im zweiten und weiter im dritten Patentanspruch angegeben. Zur Kompensation der bei der Abscheidung aus dem Eisenbad in der Schutzschicht entstehenden Zugspannungen kommt bevorzugt Phosphor zum Einsatz, wenngleich festgestellt wurde, daß auch das Siliziumcarbid-Pulver selbst einen nicht unwesentlichen Beitrag zum Abbau der Zugspannungen leistet. (Anmerkung: Bei der Nickeldispersionsbeschich­ tung kommt hierfür üblicherweise der in Saccharin befindliche Schwefel zum Einsatz).An iron dispersion coating according to the invention can essentially with the same with nickel dispersions Coating systems used. One before drawn electrolyte composition for such electrolytic coating process is in the second and further specified in the third claim. To Compensation for the deposition from the iron bath in tensile stresses arising from the protective layer preferred to use phosphorus, although found was that the silicon carbide powder itself not insignificant contribution to the reduction of tensile stresses accomplishes. (Note: With the nickel dispersion coating tion usually comes for this in saccharin sulfur present).

Da Eisen nur in der dreiwertigen Stufe stabil bleibt, die Abscheidung hingegen aus der zweiwertigen Stufe erfolgen muß, muß beim Eisen diese Stufe künstlich gehalten werden. Andererseits wird insbesondere zur Erzielung einer hochwertigen, maßhaltigen Verschleiß- Schutzschicht die Verwendung unlöslicher Anoden ange­ strebt, welche jedoch wiederum die Bildung der dreiwer­ tigen Form des Eisens fördert. Um diese sicher zu reduzieren, wird dem Dispersionsbad kontinuierlich Eisen zugeführt. Insbesondere ist hierbei an die Zufuhr von Eisenpulver gedacht, welches jedoch vom Beschichtungs­ bereich ferngehalten werden muß, um den Einbau von Eisenpartikeln zu verhindern. Durch den Einbau des elektrisch leitfähigen Eisenpulvers würde nämlich die Beschichtung durch Dendridenbildung unbrauchbar. Hierzu kommt vorzugsweise ein Magnet und insbesondere ein Elektromagnet zum Einsatz, da letzterer auf einfache Weise von angelagertem Eisenpulver befreit werden kann. Insgesamt gewährleistet die Zugabe von Eisenpulver unter den geschilderten Randbedingungen ein sicheres Nach­ setzen des Eisens durch chemisches Auflösen im Elektro­ lyten, es wäre jedoch ebensogut möglich, dem Disper­ sionsbad Eisen in Form von Schrotteilen zuzuführen.Since iron only remains stable in the trivalent stage, the separation, however, from the bivalent stage For iron, this step must be artificial being held. On the other hand, in particular Achievement of a high quality, dimensionally stable wear Protective layer using insoluble anodes strives, which in turn, however, the formation of the three promotes the form of iron. To be sure about this reduce, the dispersion bath will continuously iron fed. In particular, the supply of Iron powder thought, but that of the coating area must be kept away from the installation of To prevent iron particles. By installing the electrically conductive iron powder would namely Coating unusable due to dendride formation. For this preferably comes a magnet and in particular Electromagnet used because the latter on simple Can be freed of accumulated iron powder. Overall, the addition of iron powder ensures under a safe follow-up to the described boundary conditions setting of the iron by chemical dissolution in the electro  lyten, but it would be just as possible, the Disper ion bath in the form of shot parts.

Um die Siliziumcarbid-Partikel im Dispersionsbad in Schwebe zu halten, kommt vorzugsweise ein mechanisches Rührwerk zum Einsatz, da die bei der Nickeldispersions­ beschichtung übliche Einblasung von Luft aufgrund der Tendenz des Eisens, von der zweiwertigen Stufe in die dreiwertige Stufe überzugehen, nicht verwendet werden kann. Desweiteren empfiehlt es sich, den Elektrolyten in Intervallen einer chemischen Selektivreinigung zu unterwerfen. Hierzu können - wie Anspruch 10 beschreibt - in einem Bad Stahlbleche eingehängt werden, bei denen ein Aufoxydieren des Eisens sicher verhindert wird und gleichzeitig störende Ionen, wie Cu und Zn durch Zemen­ tation entfernt werden können. Ein Vorteil dieses Verfahrens liegt auch darin, daß an die Reinheit des Eisenpulvers keine hohen Anforderungen zu stellen sind.To the silicon carbide particles in the dispersion bath in Maintaining a balance is preferably a mechanical one Agitator used because the nickel dispersion coating usual air blowing due to the Tendency of iron, from the bivalent level to the to go beyond the trivalent level can. Furthermore, it is recommended to put the electrolyte in Intervals of chemical selective cleaning too subject. This can - as described in claim 10 - steel sheets are hung in a bathroom, in which oxidation of the iron is reliably prevented and at the same time interfering ions, such as Cu and Zn due to zemen tion can be removed. An advantage of this The method also lies in the fact that the purity of the Iron powder does not have to meet high requirements.

Da es entbehrlich erscheint, ein anstelle mit einer Nickeldispersionsschicht mit einer Eisendispersions­ schicht versehenes Bauteil zu skizzieren, wird im folgenden eine in einer Prinzipskizze dargestellte, bevorzugte Vorrichtung zur Durchführung einer erfin­ dungsgemäßen Beschichtung kurz beschrieben. Fig. 1 zeigt dabei ein Dispersionsbad und stellt den Elektrolyten­ kreislauf zum Beschichtungsbereich dar, Fig. 2 zeigt einen Regenerationsbehälter für den Elektrolyten.Since it appears to be unnecessary to sketch a component provided with an iron dispersion layer instead of a nickel dispersion layer, a preferred device for carrying out a coating according to the invention is briefly described below in a schematic diagram. Fig. 1 shows a dispersion bath and represents the electrolyte circuit to the coating area, Fig. 2 shows a regeneration tank for the electrolyte.

Ein Elektrolyt oben genannter Zusammensetzung liegt als Dispersionsbad 1 in einem Behälter 2 vor. In das Dis­ persionsbad 1 ragt ein Rührwerk 3 hinein, das die im Elektrolyten vorliegenden Siliziumcarbid-Partikel in Schwebe hält. Auf einem auf dem Behälter 2 aufliegenden Gestell 4 ist das zu beschichtende Bauteil 5 in Form eines Kurbelgehäuses, dessen Zylinderlaufbahn 6 mit einer Eisendispersionsschicht versehen werden soll, aufgelegt. In die Zylinderlaufbahn 6 ragt eine Anode 7 hinein, die vom Elektrolyten umspült wird. Hierzu ist eine vom Behälter 2 abzweigende Zufuhrleitung 8 vorge­ sehen. In der Zufuhrleitung 8 findet sich eine Umwälz­ pumpe 9, eine Ultrafiltrations-Vorrichtung 10 sowie ein Elektromagnet 11. Aus dem Dispersionsbad 1 gelangt der Elektrolyt somit über die drei letztgenannten Bauele­ mente zur Anode 7 und in die Zylinderlaufbahn 6, von wo aus eine direkte Rückfuhr in das Dispersionsbad 1 erfolgt. Oberhalb des Behälters 2 ist desweiteren eine Zufuhrvorrichtung 12 für Eisenpulver vorgesehen. Im Dispersionsbad 1 bzw. im Elektrolyten vorliegendes, chemisch ungebundenes Eisen wird dabei vor der Anode 7 am Elektromagneten 11 abgeschieden, um den Einbau von Eisenpulver in die Schicht zu verhindern.An electrolyte of the above composition is present as a dispersion bath 1 in a container 2 . Into the dispersion bath 1 a stirrer 3 protrudes, which keeps the silicon carbide particles present in the electrolyte in suspension. The component 5 to be coated in the form of a crankcase, the cylinder race 6 of which is to be provided with an iron dispersion layer, is placed on a frame 4 resting on the container 2 . An anode 7 protrudes into the cylinder race 6 and the electrolyte flows around it. For this purpose, a feed line 8 branching from the container 2 is provided. In the feed line 8 there is a circulation pump 9 , an ultrafiltration device 10 and an electromagnet 11 . From the dispersion bath 1 , the electrolyte thus passes through the last three components to the anode 7 and into the cylinder race 6 , from where there is a direct return to the dispersion bath 1 . A feed device 12 for iron powder is also provided above the container 2 . Chemically unbound iron present in the dispersion bath 1 or in the electrolyte is deposited on the electromagnet 11 in front of the anode 7 in order to prevent the incorporation of iron powder into the layer.

Bevorzugt über eine Abzweigung 13 im Bereich der Ultra­ filtrations-Vorrichtung 10 wird intervallweise der Elektrolyt einem Regenerationsbehälter 14 zugeführt. Dort tauchen mehrere Stahlbleche 15 in den Elektrolyten ein, wobei eine chemische Selektivreinigung erfolgt. Während störende Ionen durch Zementation entfernt werden können, wird ein Aufoxydieren des Eisens sicher verhin­ dert.Preferably, the electrolyte is fed to a regeneration tank 14 at intervals via a branch 13 in the area of the ultrafiltration device 10 . There, several steel sheets 15 are immersed in the electrolyte, chemical selective cleaning taking place. While disruptive ions can be removed by cementation, the iron is prevented from oxidizing.

Anstelle der beschriebenen Vorrichtung kann auch eine andere Ausbildung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens zum Einsatz kommen, wobei dieses Verfahren lediglich eine bevorzugte Weise darstellt, wie kosten­ günstig eine siliziumcarbidhaltige Verschleiß-Schutz­ schicht insbesondere auf ein Leichtmetall-Bauteil einer Brennkraftmaschine aufgebracht werden kann.Instead of the device described, a other training to carry out the described Procedure are used, this procedure is just a preferred way of how cost favorable wear protection containing silicon carbide layer in particular on a light metal component Internal combustion engine can be applied.

Claims (10)

1. Bauteil, insbesondere Leichtmetall-Bauteil einer Brennkraftmaschine, mit einer siliziumcarbidhal­ tigen Verschleiß-Schutzschicht, deren Trägermate­ rial für die dispergierten Siliziumcarbid-Partikel Eisen ist.1. component, in particular a light metal component Internal combustion engine, with a silicon carbide term wear protection layer, the carrier mat rial for the dispersed silicon carbide particles Iron is. 2. Elektrolytisches Beschichtungsverfahren für ein Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt im wesentlichen Eisensulfat, Borsäure und Silizium­ carbid enthält.2. Electrolytic coating process for one Component according to claim 1, characterized in that the electrolyte in essential iron sulfate, boric acid and silicon contains carbide. 3. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch folgende Elektrolytzusammen­ setzung:
450-500 g/l FeSO4×7 H2O,
30- 40 g/l H3BO4,
0,0-0,1 g/l H2PO2,
10-45 g/l SiC-Pulver.3. The method according to claim 2, characterized by the following electrolyte composition:
450-500 g / l FeSO 4 × 7 H 2 O,
30-40 g / l H 3 BO 4 ,
0.0-0.1 g / l H 2 PO 2 ,
10-45 g / l SiC powder. 4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß einem im wesentlichen den Elektrolyten enthaltenden Dispersionsbad kontinuierlich Eisen zugeführt wird. 4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that one essentially the dispersion bath containing electrolytes iron is continuously supplied.   5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverförmig zugeführte Eisen mittels eines Magneten vom zu beschichtenden Bauteil ferngehalten wird.5. The method according to claim 4, characterized in that the powder fed iron by means of a magnet from to coating component is kept away. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine unlösliche Anode zum Einsatz kommt.6. The method according to any one of claims 2 to 5, characterized in that an insoluble anode is used. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumcarbid- Partikel im Dispersionsbad mittels eines mechani­ schen Rührwerkes in Schwebe gehalten werden.7. The method according to any one of claims 2 to 6, characterized in that the silicon carbide Particles in the dispersion bath using a mechani the agitator are kept in suspension. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektrolyt durch Kontakt mit Stahl eine chemische Selektivreinigung erfährt.8. The method according to any one of claims 2 to 7, characterized in that the electrolyte by Contact with steel for chemical selective cleaning experiences. 9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Zuführleitung (8), in der der Elektrolyt zum Beschichtungsbereich (Zylinderlaufbahn 6) des abseits des Dispersions­ bades (1) liegenden Bauteiles (5) gelangt, ein Elektromagnet (11) angeordnet ist.9. Device for performing the method according to one of claims 3 to 8, characterized in that in a feed line ( 8 ), in which the electrolyte reaches the coating area (cylinder race 6 ) of the component ( 5 ) lying away from the dispersion bath ( 1 ) , an electromagnet ( 11 ) is arranged. 10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2 bis 8, gekennzeichnet durch einen, dem Dispersionsbad (1) parallelgeschalteten Regenerationsbehälter (14) für den Elektrolyten, mit zumindest einem in den Elektrolyten eintauchenden Stahlblech (15).10. Device for performing the method according to one of claims 2 to 8, characterized by a, the dispersion bath ( 1 ) connected in parallel regeneration tank ( 14 ) for the electrolyte, with at least one immersed in the electrolyte steel sheet ( 15 ).
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