DE19708402C1 - Verschleißfeste Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents
Verschleißfeste Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zu deren HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste, Hartstoff
teilchen enthaltende Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer
Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zur Her
stellung einer solchen Schicht.
In der Automobilindustrie werden leichte Werkstoffe als Basis
material für Motorblöcke eingesetzt, um das Kraftfahrzeugge
samtgewicht zu verringern und damit die Kraftstoffausnutzung zu
verbessern. Die Verwendung derartiger Materialien, z. B. Alumi
nium oder Magnesium sowie deren jeweilige Legierungen für Auto
mobilkomponenten, wie Zylinderblöcke, Kolbenringe und Zylinder
köpfe, erfordert, daß die Flächen, die einem hohen Verschleiß
ausgesetzt sind, mit einer verschleißfesten Schicht versehen
werden.
Aus der DE 42 44 502 C1 und der DE 44 34 576 A1 sind gegossene Zylin
derblöcke aus einer untereutektischen Aluminium-Silicium-
Legierung für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die Zylinder
laufbuchsen aus einer Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an
Siliciumcarbid- bzw. Siliciumpartikeln mit einer Korngröße zwi
schen 20 und 60 µm bzw. 15 bis 80 µm aufweisen.
Eine solche Zylinderlaufbuchse weist eine Wandstärke von mehre
ren Millimetern auf. Da sich das Aluminium abnutzt, entstehen
zwischen den harten Silicium- bzw. Siliciumcarbidpartikeln Ver
tiefungen, die Öltaschen bilden. Das Öl in den Öltaschen wird
mitverbrannt und führt zu einer Verschlechterung der Abgaswerte
der Verbrennungskraftmaschine. Darüberhinaus lassen die tribo
logischen Eigenschaften der bekannten Zylinderlaufflächen zu
wünschen übrig. Auch kann ein Festfressen der Kolben auftreten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verschleißfeste Schicht für
Leichtmetall-Bauteile von Verbrennungskraftmaschinen bereitzu
stellen, die zu einer deutlichen Verbesserung der Umweltver
träglichkeit der Verbrennungskraftmaschine führt.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
In den Ansprüchen 2 bis
10 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen
Schicht angegeben. Der Anspruch 11 hat ein vorteilhaftes Ver
fahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht zum Gegen
stand. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Ansprüche
12 und 13 in vorteilhafter Weise weiter ausgebildet.
Erfindungsgemäß werden die Hartstoffpartikel der verschleißfe
sten Schicht durch extrem feine Teilchen mit einer mittleren
Teilchengröße von weniger als 100 Nanometer, insbesondere weni
ger als 30 Nanometer gebildet. Wie festgestellt werden konnte,
besitzen derart feine Teilchen in einer solchen Schicht völlig
neue tribologische Eigenschaften. D. h., sie besitzen beispiels
weise eine wesentlich größere Härte, Festigkeit und Duktilität
als Teilchen des gleichen Hartstoffs, jedoch mit einer um eine
oder mehrere Größenordnungen größeren Korngröße im µm-Bereich.
Dies dürfte daran liegen, daß derart kleine Teilchen eine nahe
zu ideale Kristallstruktur aufweisen. D. h., sie besitzen keine
Kristallfehlstellen oder gar Korngrenzen. Aufgrund ihrer Größe,
Kristallstruktur und den daraus resultierenden neuen tribologi
schen Eigenschaften werden diese Partikel im vorliegenden Zu
sammenhang als nanokristalline Partikel bezeichnet.
Die erfindungsgemäße Schicht kann ausschließlich aus solchen
nanokristallinen Partikeln bestehen. Im allgemeinen sind die
nanokristallinen Partikel jedoch in eine Metallmatrix eingebet
tet oder zumindest durch ein Bindemittel miteinander verbunden.
Das Metall der Metallmatrix oder das Bindemittel kann seiner
seits ein Leichtmetall sein. Die Konzentration der nanokri
stallinen Partikel in der Schicht beträgt vorzugsweise minde
stens 5, insbesondere mindestens 10 Vol.-%. Im allgemeinen
liegt die Konzentration bei 20 bis 50 Vol.-%. Die Konzentration
kann zur freien Oberfläche der Schicht hin zunehmen.
Durch die enorme Härte, Festigkeit und Duktilität der nanokri
stallinen Partikel kann die erfindungsgemäße Schicht, also bei
spielsweise die Zylinderlaufbuchse extrem dünn ausgebildet wer
den. Dadurch kann das Bauvolumen und das Gewicht der Verbren
nungskraftmaschine wesentlich verringert und damit der Kraft
stoffverbrauch gesenkt werden. Die extrem kleinen monokri
stallinen Partikel führen zu einer entsprechend geringen Rau
higkeit der Zylinderlauffläche. Dadurch werden entsprechend
flache Öltaschen gebildet und damit neben einer Reduzierung des
Ölverbrauchs die Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine we
sentlich verbessert.
Durch den geringerer, Kraftstoff- und Ölverbrauch sowie durch
die wesentlich verbesserten Abgaswerte leistet die erfindungs
gemäße Schicht einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der
Umweltverträglichkeit von Verbrennungskraftmaschinen.
Das Festfressen der Kolben einer Verbrennungskraftmaschine ist
insbesondere auf das Herausbrechen von Teilen aus der Zylinder
lauffläche oder den Kolbenringer zurückzuführen. Da die mono
kristallinen Partikel der erfindungsgemäßen Schicht extrem
klein sind, hat das Herausbrechen einzelner Partikel auf die
Gleiteigenschaften keinen Einfluß, so daß auch ein Festfressen
der Kolben sicher verhindert ist.
Gegenüber größerer Teilchen neigen nanokristalline Partikel
durch Van-der-Waals-Kräfte zu einer Teilchenagglomeration und
zur Belegung der freien Oberfläche mit Fremdatomen, insbesonde
re Sauerstoff. Um dies zu verhindern, wird die Verarbeitung der
nanokristallinen Partikel vorzugsweise im Vakuum vorgenommen.
Auf die Verarbeitung im Vakuum kann jedoch verzichtet werden,
wenn Sekundärpulverteilchen mit einer Teilchengröße von einigen
µm, die aus nanokristallinen Teilchen erzeugt werden und auf
ihrer äußeren Oberfläche gasdicht gegenüber dem Umgebungsmedium
versiegelt sind, verwendet werden, die unter den üblichen Be
dingungen des thermischen Spritzens zu haftfesten, tragenden
Schichten mit tribologischen Eigenschaften führen.
Um ein ungewolltes Kornwachstum auszuschließen, wird die Wärme
einwirkung beim thermischen Spritzen möglichst gering gehalten
und als Spritzpulver eine Mischung verwendet, in der jedes
nanokristalline Hartstoffkorn möglichst weitgehend von Körnern
eines anderen Stoffes, insbesondere des Metalls, in das die
nanokristallinen Hartstoffpartikel der Schicht eingebettet
sind, umgeben ist. Die Metallkörner für die Matrix können ih
rerseits eine mittlere Teilchengröße von weniger als 100, vor
zugsweise weniger als 30 Nanometer, aufweisen. Durch die Me
tallkörner wird das Zusammenwachsen von nanokristallinen Hart
stoffteilchen in der Spritzschicht unterbunden.
Das Leichtmetall, aus dem das Bauteil der Verbrennungskraftma
schine besteht, welches mit der erfindungsgemäßen verschleißfe
sten Schicht versehen wird, kann, insbesondere Aluminium, eine
Aluminiumlegierung, Magnesium oder eine Magnesiumlegierung
sein.
Die erfindungsgemäße Schicht wird insbesondere für die Zylin
derlaufbuchsen des Zylinderblocks einer Verbrennungskraftma
schine verwendet. Ein solcher Zylinderblock wird vorzugsweise
aus einer untereutektischen Aluminium-Siliciumlegierung gegos
sen.
Die nanokristallinen Hartstoffpartikel können beispielsweise
aus Silicium, Germanium, Bor oder Kohlenstoff in Diamantform
bestehen. Sie können ferner durch ein Metall der Gruppe IVb des
Periodensystems, also z. B. Titan, Zirkonium oder Hafnium, der
Gruppe Vb, also z. B. Vanadin, Niob oder Tantal, oder der Gruppe
VIb, also z. B. Chrom, Molybdän oder Wolfram, gebildet sein.
Weiterhin können die nanokristallinen Partikel aus einem Oxid,
Nitrid, Borid, Carbid oder Silicid von Silicium, Germanium, Bor
oder Kohlenstoff gebildet sein, oder aus einem Oxid, Nitrid,
Borid, Carbid oder Silicid der erwähnten Metalle der Gruppen
IVb, Vb und VIb des Periodensystems. Weiterhin können die nano
kristallinen Hartstoffpartikel beispielsweise aus dem Oxid, Ni
trid, Borid, Carbid oder Silicid von Magnesium, Aluminium, Yt
trium, Mangan oder Kupfer oder einem Metall der Gruppe VIIIb,
beispielsweise Eisen, Cobalt, Nickel oder Palladium sein. Die
nanokristallinen Partikel können ferner aus Gemischen oder
Mischkristallen der erwähnten Elemente, Metalle und Verbindun
gen bestehen.
Die erfindungsgemäße Schicht wird insbesondere durch thermi
sches Spritzen der nanokristallinen Partikel, gegebenenfalls
zusammen mit den die Metallmatrix oder das Bindemetall bilden
den Partikeln hergestellt. Zum thermischen Spritzen wird vor
zugsweise das Hochgeschwindigkeits-Plasma-Spritzen angewendet.
Die erfindungsgemäße Schicht kann jedoch auch durch ein physi
kalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD), also z. B. durch
Sputtern oder Vakuumbedampfung, aufgebracht werden.
Die erfindungsgemäße Schicht wird vorzugsweise als Zylinder
laufbuchse in Kolbenmaschinen mit einem gegossenen Zylinder
block aus untereutektischer Aluminium-Silicium-Legierung ver
wendet. Sie kann jedoch auch zum Beschichten der Kolbenringe
von Verbrennungsmaschinen sowie anderer Bauteile von Verbren
nungsmaschinen verwendet werden, die einer hohen Verschleißbe
anspruchung ausgesetzt sind, z. B. den Ventilsitzen des Zylin
derkopfes.
Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinder
blocks nach dem erfindungsgemäßen Verfahren anhand der Zeich
nung beispielsweise beschrieben, deren einzige Figur schema
tisch eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zeigt.
Danach sind an einer Halteeinrichtung 1 vier zylindrische Kerne
2 bis 5 befestigt, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der
herzustellenden Zylinderlaufbuchse entspricht. Auf die Kerne 2
bis 5 ist durch thermisches Spritzen jeweils eine Schicht 6
aufgebracht, die aus einer Metallmatrix besteht, in die die
nanokristallinen Partikel eingelagert sind.
Die Kerne 2 bis 5 mit der Beschichtung 6 sind in einer Gießform
zum Gießen des Zylinderblocks angeordnet. Nach dem Gießen in
der Gießform 7 z. B. mit einer untereutektischen Aluminium-
Silicium-Legierung wird nach Erstarren und Abkühlen der Gußle
gierung die Halteeinrichtung 1 mit den Kernen 2 bis 5 aus der
Gießform 7 gezogen, wodurch die in den Zylinderblock eingegos
senen Schichten 6 die Laufbuchsen bilden.
Claims (13)
1. Verschleißfeste, Hartstoffteilchen enthaltende Schicht für
Leichtmetallbauteile einer Verbrennungskraftmaschine, da
durch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen durch nano
kristalline Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von
weniger als 100 Nanometer gebildet sind.
2. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
nanokristallinen Partikel eine mittlere Teilchengröße von
höchstens 30 Nanometer aufweisen.
3. Schicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die nanokristallinen Partikel der Schicht in eine Metallma
trix eingebettet sind.
4. Schicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt der nanokristallinen Partikel in der Schicht wenig
stens 5 Vol.-% beträgt.
5. Schicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der
Gehalt der nanokristallinen Partikel in der Schicht von dem
Bauteil zur freien Oberfläche der Schicht zunimmt.
6. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Leichtmetall-Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Magnesium
oder eine Magnesiumlegierung ist.
7. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
nanokristallinen Partikel aus Silicium, Germanium, Kohlen
stoff oder Bor oder einem Metall der Gruppe IVb, Vb oder
VIb oder einem Oxid, Nitrid, Borid, Carbid oder Silicid
dieser Elemente oder dieser Metalle oder von Magnesium, Aluminium, Yttrium,
Mangan oder Kupfer oder einem Metall der Gruppe VIIIb sowie einem Gemisch oder
Mischkristallen davon besteht.
8. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf der Lauffläche
einer Zylinderlaufbuchse eines Zylinderblocks aufgetragen ist.
9. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Schicht versehene
Bauteil der Kolbenring ist.
10. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf den
Oberflächen der in einem Zylinderkopf ausgebildeten Brennräumen aufgetragen ist.
11. Verfahren zur Herstellung der Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch thermisches Spritzen der nanokristalli
nen Partikel gebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nanokristallinen
Partikel mit beim thermischen Spritzen schmelzenden Metallpartikeln bedeckt sind.
13. Verfahren zur Herstellung der Lauffläche einer Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, daß eine die nanokristalline Partikel enthaltende Schicht auf
zylindrische Kerne aufgebracht wird, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der
Zylinderlaufbuchse entspricht, wobei die mit der Schicht versehenen Kerne in der
Gießform für den Zylinderblock angeordnet und nach dem Gießen aus der Gießform
entfernt werden.
Priority Applications (1)
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| DE1997108402 DE19708402C1 (de) | 1997-03-01 | 1997-03-01 | Verschleißfeste Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zu deren Herstellung |
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| DE1997108402 DE19708402C1 (de) | 1997-03-01 | 1997-03-01 | Verschleißfeste Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zu deren Herstellung |
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