DE2439929C3

DE2439929C3 - A method for achieving an improved bond between an electrodeposited cermet and a cast metal and application of the method

Info

Publication number: DE2439929C3
Application number: DE19742439929
Authority: DE
Inventors: Leonard G. Allen Park Mich. Cordone (V.St.A.)
Original assignee: Ford-Werke AG, 5000 Köln
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1976-09-09

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung einer verbesserten Bindung zwischen einem elektrolylisch abgeschiedenen Cermet und einem Formgußmetall. The invention relates to a method for achieving an improved bond between an electrolytic deposited cermet and a cast metal.

Galvanisch abgeschiedene Schichten sind dicht, weshalb es schwierig ist, an dieser Schicht ein weiteres unterschiedliches Metall anzuhaften. Dies stellt bisher kein ernsthaftes Problem dar, da elektrolytisch abgeichiedene Metalle kaum als funktioneile Teile verwendet wurden, sondern vielmehr als äußere Zierüberzüge. Es wurde jedoch gefunden, daß in einem Rotorgehäuse für einen Rotorinnenverbrennungsmotor eine elektrolylisch abgeschiedene Schicht von beträchtlicher Dicke bestimmte günstige Eigenschaften erzielen kann, deren wesentlichste die Abriebbeständigkeit ist.Electrodeposited layers are dense, which is why it is difficult to get another one on this layer different metal to adhere to. So far, this is not a serious problem, since electrolytically deposited Metals were hardly used as functional parts, but rather as external decorative coatings. However, it has been found that in a rotor housing for an internal combustion engine, an electrolytic deposited layer of considerable thickness can achieve certain beneficial properties, their most important is the abrasion resistance.

Bekanntlich neigt ein elektrolytischer Überzug dazu, tich von einem aus einem unterschiedlichen Metall bestehenden Substrat während starker Beanspruchung abzulösen, wie sie in einem Rotormotor auftritt. Die typische Bindung, die zwischen einem dünnen elektrolytischen Zierüberzug und den Substraten vorliegt, ist nicht gegeben, wenn dickere funktionell Überzüge betrachtet werden. Die Umgebung eines derartigen Motors unterliegt Spannungen sowie Wärmeermüdung, die eine starke Haftung zwischen dem elektrolytisch abgeschiedenen Überzug und dem tragenden Gußmaterial erfordern. Weiterhin hat ein typisches Rotorgchaiise eine komplizierte Figur, beispielsweise ein Epitruchoid. so daß keine Möglichken besteht, eine Kombination von Wärme und Druck anzuwenden, um eine übliche metallurgische Bindung zu erzielen. Auch ist das Gußmetall, wie z. B. geschmolzenes Aluminium, nicht fähig, einen Cermet, beispielsweise aus Nickel und Siliciumcarbid, zu benetzen, das unter anderen Umständen eine metallurgische Bindung durch Wärme allein liefern würde.As is well known, an electrolytic coating tends to peel off a substrate made of a different metal during heavy use such as occurs in a rotor motor. The typical bond that exists between a thin decorative electrolytic coating and the substrates is not present when thicker functional coatings are considered. The environment of such a motor is subject to stress and thermal fatigue which require strong adhesion between the electrodeposited coating and the structural cast material. Furthermore, a typical rotor chassis has a complicated shape, such as an epitruchoid. so that no Möglichken is to use a combination of heat and pressure, in order to achieve a conventional metallurgical bond. The cast metal, such as. Fused aluminum unable to wet a cermet such as nickel and silicon carbide which under other circumstances would provide a metallurgical bond by heat alone.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in einer verbesserten Bindung zwischen unterschiedlichen Materialien, die besonders zur Bildung eines Verbundmaterials für ein Kotorgehause eines Kotorinnenverbrennungsmotors verwendbar sind.The object of the invention is an improved bond between different Materials that are particularly used to form a composite material for a Kotor housing of a Kotor internal combustion engine are usable.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Erzielung einer verbesserten Bindung zwischen einem elektrolytisch abgeschiedenen Cermet und einem Formgußmetall ist dadurch gekennzeichnet, daß das Cermet auf einem Kern mit einer auf der dem Kern abgewandten Seite gesteuerten Oberflächenrauheit galvanisch abgeschieden, darauf elektrolytisch eine Schicht auf Kupferbasis aufgetragen und anschließend dieser Schichtkörper mit geschmolzenem Metall umgössen wird, so daß die Wärme des geschmolzenen Metalls zur Bildung einer Legierung zwischen der Schicht auf Kupferbasis und dem Metall wirksam ist, worauf der Kern entfernt wird.The inventive method for achieving an improved bond between an electrolytic deposited cermet and a cast metal is characterized in that the cermet on a The core is electrodeposited with a surface roughness controlled on the side facing away from the core, a copper-based layer is electrolytically applied to it and then this layered body with it molten metal is poured around, so that the heat of the molten metal to form a Alloy is effective between the copper-based layer and the metal, whereupon the core is removed.

Vorteilhaft ist das Cermet aus einem Metall zusammen mit Titancarbid, Wolframcarbid und Aluminiumoxid gebildet, und als Formgußmetall werden Aluminium. Aluminiumlegierungen, Eisen oder Magnesium verwendet. In einer weiteren günstigen Ausbildungsform ist das Cermet aus Nickel mit einheitlich dispergierten Teilchen von Siliciumcarbid gebildet.The cermet made of a metal together with titanium carbide, tungsten carbide and aluminum oxide is advantageous and aluminum are used as the cast metal. Aluminum alloys, iron or magnesium used. In another favorable embodiment, the nickel cermet is uniform with dispersed particles of silicon carbide formed.

Vorteilhaft wird die Rauhigkeit der Grenzfläche des Nickel-Siliciumcarbids zur Einpassung mit der Schicht auf Kupferbasis durch Vorsprünge von nicht weniger als 0,075 cm in einer Häufigkeit von nicht weniger als 5/cm² erzeugt. Günstig ist eine Dicke der Cermetschicht von 0,025 bis 0,1 cm und eine Dicke der Schicht auf Kupferbasis von 0,0012 bis 0,005 cm.Advantageously, the roughness of the interface of the nickel-silicon carbide for fitting with the copper-based layer is generated by protrusions of not less than 0.075 cm at a frequency of not less than 5 / cm ² . A thickness of the cermet layer of 0.025 to 0.1 cm and a thickness of the copper-based layer of 0.0012 to 0.005 cm is favorable.

Gemäß der Erfindung ergibt sich ein verbessertes Verfahren zur Vereinigung eines elektrolytisch abgeschiedenen Cermets mit einem geschmolzenen Gußmaterial, wie Aluminium.In accordance with the invention there is an improved method of combining an electrodeposited Cermets with a molten casting material such as aluminum.

Das Cermet wird auf einem Kern so abgeschieden, daß eine glatte innere Oberfläche (quadratischer Mittei-Rauheitswert 4 bis 12 nach SAE-Standard) und eine gesteuerte rauhe äußere Oberfläche, welche mindestens 250fach so rauh wie die innere Oberfläche ist, auftritt. Elektrolytisch wird auf dem Cermet Kupfer abgeschieden und nimmt den rauhen Charakter der äußeren Cermetoberfläche an. Der Aufbau aus den elektrolytischen Abscheidungen wird dann in eine Formgußmaschine gebracht, in der geschmolzenes Metall, beispielsweise Aluminium, darübergegossen wird, um einen Verbundaufbau, der besonders brauchbar als Rotorgehäuse für einen Rotorinnenverbrennungsmotor ist, zu bilden.The cermet is deposited on a core in such a way that a smooth inner surface (more square Average roughness value 4 to 12 according to SAE standard) and a controlled rough outer surface, which at least 250 times as rough as the inner surface. Electrolytically, copper becomes on the cermet deposited and takes on the rough character of the outer cermet surface. The structure from the Electrolytic deposits are then placed in a die casting machine in which molten Metal, such as aluminum, is poured over it to provide a composite structure that is particularly useful is to be formed as a rotor housing for an internal combustion engine.

Unter Rauheit ist die quadratische Miltel-Rauheit nach SAE-Standard angegeben, zu deren Ermittlung die Quadrate der Höhen und Tiefen von der Nominal-Oberfläche aus errechnet, der Durchschnitt ermittelt und hieraus die Quadratwurzel gezogen wird. Die Dimension der Rauheit ist eine Länge (Höhe).The square Miltel roughness according to the SAE standard is specified under roughness Squares of heights and depths are calculated from the nominal surface, the average is determined and from this the square root is taken. The dimension of the roughness is a length (height).

Gemäß der Erfindung wird also zunächst die Oberflächenrauheit eines elektrolytisch abgeschiedenenAccording to the invention, the surface roughness of an electrodeposited

Cermets gesteuert und dann elektrolytisch Metall auf fcupferbasis zur Annahme eines Spiegelbildes der rauhen Cermetoberfläche abgeschieden, so daß entsprechend der Warme des geschmolzenen Metalls hierbei eine wechselseitig lösliche metallurgische Bindung bewirkt wird.Cermets controlled and then electrolytically metal on Copper base deposited to assume a mirror image of the rough cermet surface, so that accordingly the heat of the molten metal creates a mutually soluble metallurgical bond is effected.

Die elektrolytisch abgeschiedene Schicht auf Kupferbasi: ist somit zwischen dem elektrolytisch abgeschiedenen Cermetmaterial. beispielsweise aus Nickcl-Siliciumcarbid, und dem geschmolzenen Gußmaterial, beispielsweise aus Aluminium oder Legierungen auf Aluminiumbasis, zwischengeschaltet.The electrodeposited layer based on copper: is thus between the electrodeposited cermet material. for example made of nickel silicon carbide, and the molten casting material, for example made of aluminum or aluminum-based alloys, interposed.

Gemäß der Erfindung wird die Steuerung der bestimmten Rauheit der äußeren Oberfläche des elektrolytisch abgeschiedenen Überzuges ausgenützt. um eine überlegene Verankerung ar. dem Aiuminiumformguß über dem Überzug sicherzustellen. Es ergibt sich dadurch eine verbesserte Haftung und andererseits eine längere Lebensdauer der Auskleidung.According to the invention, the control of the certain roughness of the outer surface of the exploited electrolytically deposited coating. to ar a superior anchoring. the aluminum mold casting to ensure over the plating. This results in improved adhesion and on the other hand a longer life of the lining.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen weiter erläutert.The invention is further explained with reference to the drawings.

In den Zeichnungen stelltIn the drawings represents

F i g 1 ein Schema der bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung abgewandten Stufen undFIG. 1 is a diagram of the one preferred Embodiment of the invention averted stages and

F i g. 2 einen Schnitt durch ein Verbundmaierial, das die Bestandteile gemäß der Erfindung umfaßt und die Verfestigungsstruktur erläutert,dar.F i g. 2 a section through a composite maierial that comprises the components according to the invention and illustrates the solidification structure.

Gemäß Fig. 1 wird in der Stufe I ein Kern 10 aus einem Kernmaterial hergestellt, welcher zur maschinellen Bearbeitung zu einer sehr exakten komplizierten Figur fähig ist, beispielsweise einer Epitrochoid-Oberfläche Π. Die Epitrochoid-Oberfläche ist für die innenwand eines Rotorgehäuses für einen Rotorinnenverbrennungsmotor erforderlich. Die Epitrochoid-Oberfläche 11 ist ein Spiegelbild der erwünschten Epitrochoid-Oberfläche am Rotorgehäuse des Motors. Ein geeignetes Material für diesen Zweck ist ein chromhaltiger Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 3 bis 25%. Durch den Chromgehalt wird es möglich, da* Material zu passivieren, wodurch die Nicht-Haftung zwischen dem Kern und dem darüber abzuscheidenden Material erleichtert wird. Außerdem kann der Kern in einer Richtung von einem Ende zu dem anderen verjüngt sein, um das Abstreifen anschließend an die Stufe 4 zu erleichtern. Die Oberfläche 11 muß eine Oberflächenrauheit entsprechend eiivem quadratischen Mittel-Rauheitswert von 4 bis 12 (SAE-Standard) besitzen, der durch maschinelle Bearbeitung und Polieren erzielt wird.According to FIG. 1, a core 10 is made in stage I made of a core material which can be machined to a very precise complicated Figure is capable of, for example, an epitrochoid surface Π. The epitrochoid surface is for that inner wall of a rotor housing for a rotor internal combustion engine required. The epitrochoid surface 11 is a mirror image of the desired epitrochoid surface on the rotor housing of the motor. A suitable material for this purpose is a chromium-containing steel with a chromium content in the range from 3 to 25%. The chromium content makes it possible to passivate the material, which prevents it from sticking between the core and the material to be deposited over it is facilitated. In addition, the core can be in be tapered in one direction from one end to the other in order to follow the stripping to the Level 4 to facilitate. The surface 11 must have a surface roughness corresponding to a square Average roughness value from 4 to 12 (SAE standard) which is achieved through machining and polishing.

In der Stufe 2 wird der Kern in einen Elektrolyt zum Zweck der elektrolytischen Abscheidung eines Cermetüberzuges, der aus Nicke! mit Carbidteilchen besteht, gebracht. Das Cermet kann auch aus einem Grundmaterial gebildet werden, das entweder aus einer Eisen- oder einer Kupferlegierung gewählt wird und Siliciumcarbid, Wolframcarbid, Oxide von Aluminium oder Eisen oder Diamant enthält. Der erhaltene elektrolytische Überzug bildet eine Muffe 12 um den Kern. Die Zusammensetzung des Elektrolyten für die Abscheidung des Cermets auf Nickelbasis ist nicht kritisch, jedoch erwiesen sich folgende Anteile der Bestandteile als besonders günstig: NiSO4 · H2O von 150 bis 300 g/l, NiCb · 6 H2O von bis 70 g/l und H3BO4 von 20 bis 40 g/l. Siliciumcarbid wird seiner Härte wegen bevorzugt. Die harten Teilchen werden in den Elektrolyten in einer Menge von 100 bis 150 g/l und mit einer Teilchengröße bis zu 10 μηι eingeführt: die Teilchen werden in dem Elektrolyten durch Ruhrwirkung dispergien gehalten. Der pH-Wert des Elektrolyten wird entsprechend den anderen Verfahrensvariablen gewählt und kann zwischen 1 und 7 in üblicher Weise liegen. Die Temperatur des Elektrolyten kann etwa 70^JC betragen. Die Stromdichte wird aufeinanderfolgend gestuft von 5 bis 11 A/dm- /u Beginn der Abscheidung und dann auf 50 bis 1Ί0 A/dm² für den restlichen Teil der Stufe 2 erhöht.In stage 2, the core is immersed in an electrolyte for the purpose of the electrolytic deposition of a cermet coating, which consists of Nicke! with carbide particles. The cermet can also be formed from a base material selected from either an iron or a copper alloy and including silicon carbide, tungsten carbide, oxides of aluminum or iron, or diamond. The resulting electrolytic coating forms a sleeve 12 around the core. The composition of the electrolyte for the deposition of the nickel-based cermet is not critical, but the following proportions of the components have proven to be particularly favorable: NiSO4 · H2O from 150 to 300 g / l, NiCb · 6 H2O from up to 70 g / l and H3BO4 from 20 to 40 g / l. Silicon carbide is preferred because of its hardness. The hard particles are introduced into the electrolyte in an amount of 100 to 150 g / l and with a particle size of up to 10 μm: the particles are kept dispersed in the electrolyte by agitation. The pH of the electrolyte is chosen according to the other process variables and can be between 1 and 7 in the usual way. The temperature of the electrolyte may be about 70 ^J C. The current density is successively graded from 5 to 11 A / dm- / u at the beginning of the deposition and then increased to 50 to 10 A / dm ² for the remainder of the stage 2.

Der abgeschiedene Überzug 12 hat eine Dicke von 0.025 bis 0.1cm. vorzugsweise 0,063 cm. und weist praktisch keine Porosität auf.The deposited coating 12 has a thickness of 0.025 to 0.1 cm. preferably 0.063 cm. and shows practically no porosity.

Hierdurch ist eine gute Wärmeübertragung gewährleistet. Die äußere Oberfläche 12.i hat eine so gesteuerte Rauheit, daß sie mindestens. 250mal rauher als die Kernoberfläche 11 und damit auch die innere Seite 126 ist. Insbesondere kann die Rauheit durch Vorsprünge einer Höhe von mindestens 0.075 cm charakterisiert werden.die in einer Anzahl von 5 bis 100/cm^: vorhanden sind.This ensures good heat transfer. The outer surface 12.i has a roughness controlled so that it is at least. 250 times rougher than the core surface 11 and thus also the inner side 126. In particular, the roughness can by projections of a height of at least 0.075 cm werden.die characterized in a number of 5 to 100 / ^cm: are present.

Ein eventueller Guß von Aluminium direkt über diesen Überzug 12 bringt bestimmte Probleme mit sich. Die Oberflächenspannung des Aluminiums ist beträchtlich hoch und muß erniedrigt werden, um wirksam den nicht porösen Überzug 12 zu benetzen oder metallurgisch daran anzuhaften. Erfindungsgemäß wird dabei eine Zwischenmetallage auf Kupferbasis 13 über dem Überzug 12 elektrolytisch abgeschieden, welche nicht nur als zufriedenstellendes Benetzungsmittel für das Aluminium dient, da dieses Metall wechselseitig bei den Gußtemperaturen in Aluminium löslich ist. sondern auch in begrenztem Maß eine Legierung mit dem Cermetmaterial bewirkt. Di; 2'wischenmetallage muß esne Schmelztemperatur unterhalb derjenigen des Gußmaterials haben, jedoch wechselseitig in dem Gußmatenal löslich sein, leicht zu elektroplattieren sein und einen Koeffizienten der thermischen Ausdehnung geringfügig niedriger als das Gußmetall haben.Any casting of aluminum directly over this coating 12 presents certain problems. The surface tension of the aluminum is considerably high and must be reduced in order to be effective to wet or metallurgically adhere to non-porous coating 12. According to the invention thereby a copper-based intermetallic layer 13 is electrodeposited over coating 12, which is not only serves as a satisfactory wetting agent for the aluminum, since this metal reciprocates with the Casting temperatures is soluble in aluminum. but also to a limited extent an alloy with the Cermet material causes. Di; 2 'between the metal layer must have a melting temperature below that of the Cast material have, but be mutually soluble in the cast material, be easy to be electroplated and have a coefficient of thermal expansion slightly lower than the cast metal.

In der Stufe 3 werden Kern ui"d Muffenüberziig 12 in einen weiteren Elektrolyten gebracht, um vorzugsweise einen Überzug 13 aus elementarem Kupfer zu erhallen. Der Elektrolyt kann aus a) Kupfersulfat in einer Konzentration von etwa 780 g/3,78 I. b) konzentrierter Schwefelsäure in einer Konzentration von etwa 200 g/3.78 I aufgebaut sein. Der Elektrolyt wird bei einer Temperatur von 21 bis 24⁰C gehalten, und es wird mit einer Stromdichte von 4 bis 6,5 A/dm², vorzugsweise 5 A/dm², gearbeitet. Die Schicht oder der Überzug 13 ist, da auf Kupferbasis aufgebaut, in dem Aluminium löslich, welches anschließend darübergegossen wird. Der Überzug 13 nimmt an beiden Seiten 13a und 13/? die gesteuerte rauhe Oberflächenkontur der Seile 12a an. Der Kupferüberzug wird in einer Dicke von 0,0012 bis 0,005 cm, vorzugsweise 0,0012 cm. abgeschieden.In stage 3, the core and the sleeve coating 12 are placed in a further electrolyte in order to obtain a coating 13 of elemental copper. The electrolyte can be composed of a) copper sulfate in a concentration of about 780 g / 3.78 I. b) concentrated sulfuric acid in a concentration of about 200 g / 3.78 I. The electrolyte is kept at a temperature of 21 to 24 ⁰ C, and it is with a current density of 4 to 6.5 A / dm ² , preferably 5 A / dm ^2. The layer or the coating 13 is, since it is based on copper, soluble in the aluminum which is then poured over it. The coating 13 takes on the controlled rough surface contour of the cables 12a on both sides 13a and 13a Copper plating is deposited to a thickness of 0.0012 to 0.005 cm, preferably 0.0012 cm.

In der Stufe 4 werden die beiden elektrolytischen Überzüge und der Kein als Aufbau in eine Formgußmaschine 14 mit einem Hohlraum 15, der komplementär hinsichtlich der Form zum äußeren Überzug 13 ist, gebracht. Eine Legierung auf Aluminiumbasis wird in den Formhohlraum über den Aufbau zur Bildung eines Gußstückes 16 gebracht, welches metallurgisch mit dem Überzug 13 verbunden ist. Die Wärme des Gußmateriais dringt in den Überzug 13 ein, so daß eine Legierung zwischen dem Kupfer und dem Nickel-Siliciumcarbid-Überzug bewirkt wird. Die Legierung auf Aluminiumbasis kann eine bestimmte Menge an Silicium (4 bis 16%, vorzugsweise 10%, Si und 3% Kupfer) enthalten.In step 4, the two electrolytic coatings and the none are built up in a die casting machine 14 with a cavity 15 which is complementary in shape to the outer coating 13, brought. An aluminum based alloy is poured into the mold cavity over the structure to form a Cast 16 brought, which is metallurgically connected to the coating 13. The warmth of the cast material penetrates into coating 13, creating an alloy between the copper and the nickel-silicon carbide coating is effected. The aluminum-based alloy can contain a certain amount of silicon (4 to 16%, preferably 10%, Si and 3% copper).

In der F i g. 2 ist ein Schema der Verfestigungsstruktur des erhaltenen Verbundkörpers gezeigt. DasIn FIG. Fig. 2 is a diagram of the solidification structure of the composite body obtained. The

Gußaluminium 16 ist metallurgisch mit dem Kupferüberzug 13 durch mechanische Verankerung der sich berührenden rauhen Grenzflächen und durch die Legierungszone 17 gebunden, in der wesentliche Mengen an Aluminium und Kupfer gegenseitig gelöst wurden. Der Kupferüberzug hat rauhe Seiten 13a undCast aluminum 16 is metallurgically bonded to the copper coating 13 by mechanical anchoring of the rougher interfaces in contact and by the alloy zone 17 in which substantial amounts of aluminum and copper have been mutually dissolved. The copper coating has rough sides 13a and 13a

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136 durch Abbildung der rauhen Oberfläche 12.7 des Cermets 12. Die innere Oberfläche 126 des Cermets hat eine äußere glatte abliebbeständige Oberfläche auf Grund der Abscheidung an der polierten Kernoberfläche. 136 by mapping the rough surface 12.7 of the cermet 12. The inner surface 126 of the cermet has an outer smooth flake-resistant surface due to the deposition on the polished core surface.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

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Claims

Patent Claims:

1. Method of achieving an improved bond / w isch an electrodeposited Cermet and a cast metal, thereby marked that the cermet on a The core is electrodeposited with a surface roughness controlled on the side facing away from the core, then electrolytically applied a layer based on copper and then this Laminated body is cast around with molten metal, so that the heat of the molten metal to form an alloy between the copper-based layer and the meta !! is effective, whereupon «5 the core is removed.

2. The method according to claim 1, characterized in that that the cermet is made of a metal together with titanium carbide. Tungsten carbide and aluminum oxide are formed and as molded cast metal Aluminum. Aluminum alloys, iron or magnesium is used.

3. The method according to claim 1, characterized in that that the cermet is formed from nickel with uniformly dispersed particles of silicon carbide will.

4. The method according to claim 3, characterized in that the roughness of the interface of the nickel-silicon carbide for fitting with the copper-based layer by protrusions of not less than 0.075 cm at a frequency of not less than 5 / cm ^; is produced.

5. The method according to claim 2 to 4, characterized in that the thickness of the cermet layer from 0.025 to 0.1 cm and that of the copper-based layer from 0.0012 to 0.005 cm.

b. Application of the method according to Claims 1 to 5 for the production of rotor housings in trochoid form for internal rotor combustion engines.

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