EP3325685B1

EP3325685B1 - Verfahren zur beschichtung einer zylinderlaufbahn eines zylinderkurbelgehäuses, zylinderkurbelgehäuse mit einer beschichteten zylinderlaufbahn sowie motor

Info

Publication number: EP3325685B1
Application number: EP16730300.7A
Authority: EP
Inventors: Klaus Stefan Klimek; Stefan Richter; Jürg WIPF
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-07-23
Filing date: 2016-06-08
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2036-06-08
Also published as: CN107810290A; CN107810290B; EP3325685A1; DE102015213896A1; WO2017012769A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses, ein Zylinderkurbelgehäuse sowie einen Motor.
Zum Beschichten von Werkstücken werden heutzutage häufig thermische Spritzverfahren eingesetzt wie beispielsweise Plasmaspritzen; Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), Lichtbogenspritzen und Lichtbogendrahtspritzen. Mit diesen Verfahren werden Schichten auf einem Werkstück erzeugt, wobei das Werkstück beispielsweise metallisch ist und die Beschichtung metallisch, keramisch oder auch eine Mischung aus beiden sein kann. Oft umfasst die Beschichtung mehrere einzelne Schichten, die übereinander angeordnet sind und in der Regel unterschiedliche Funktionalitäten haben. So sind z.B. thermische Schutzschichten (TBC) bekannt, Korrosionsschutzschichten, Erosionsschutzschichten oder auch Gleitschichten, welche das Aneinandergleiten von Gegenlaufkörpern vereinfachen. Ein Anwendungsbeispiel ist hier das Beschichten von Zylinderlaufflächen in Verbrennungsmotoren mit Schichten die gute Schmier- und Reibeigenschaften haben, wodurch die Laufeigenschaften des Kolbens im Zylinder verbessert werden.
Im Fahrzeugbau und insbesondere bei der Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen (ZKG) wird mehr und mehr auf Leichtbau gesetzt. Dazu werden Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse eingesetzt, die im Bereich der Zylinderlaufbahn eine Beschichtung aufweisen. Der Effekt der Beschichtung ist neben einer Robustheitssteigerung der Laufbahn eine deutlich reduzierte Reibung im Bereich der Kolbengruppe und damit verbunden eine Senkung des CO₂-Ausstoßes, sowie positive Effekte gegenüber korrosiven Medien. Gängige thermische Beschichtungsverfahren sind das Pulver-Plasmaspritzen, Drahtspritzverfahren wie Plasma-Transfer-Wire-Arc (PTWA) und Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS) oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
DE 24 32 125 A1 beschreibt einen selbstverschweißenden und selbstverwachsenden Flammspritz-Verbundwerkstoff, der Aluminium und Molybdän und zumindest eines der Metalle Nickel, Kupfer und Eisen sowie als Bindemittel einen Lack enthält. Durch die Eigenschaft der Selbstverschweißung und Selbstverwachsung soll eine Oberflächenvorbereitung außer sorgfältiger Reinigung nicht erforderlich sein.
Aus DE 694 23 373 T2 ist ein thermisches Verbundspritzpulver zum thermischen Spritzen von Zylinderinnenwänden bekannt, das Aluminium und ein Metall auf Eisenbasis, nämlich Gusseisen oder eine Eisen-Molybdänlegierung, sowie ein organisches Bindemittel umfasst.
US 2, 588,422 A offenbart die Herstellung eines Aluminiumzylinderblocks, wobei die Bohrungen zunächst mit Molybdän mit einem Drahtspritzverfahren beschichtet werden und nachfolgend mit einem Hartmetall, wie etwa Stahl.
Vor einer thermischen Beschichtung von Zylinderbohrungen in Kurbelgehäusen aus Aluminium und auch aus Grauguss, wie beispielsweise aus DE 103 08 563 B3 , DE 28 41 552 A1 und DE 196 37 737 A1 bekannt, wird ein Aufrauprozess zur Verklammerung der Beschichtung in der Oberfläche benötigt. Der Aufrauprozess wird durch strahlende Prozesse mittels Korund oder Wasser (Mitteldruck-/Hochdruck-Wasserstrahlen), Laserstrahlaufrauen oder Aufrauen mit einer geometrisch definierten Schneide durchgeführt. Die beschriebenen Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass das Strahlmedium aufwändig aufbereitet werden muss, und ferner die Prozesse durch zusätzliche und umfangreiche Analyseverfahren überwacht und große Mengen an Stäuben, Spänen und Schlämmen entfernt und entsorgt werden müssen. Weiterhin müssen hohe Investitionen zur Installation dieser Aufrauprozesse getätigt werden.
Weiterhin nachteilig ist die beim mechanischen Aufrauen eingesetzte Emulsionsspülung der Schneiden häufig nicht effektiv genug, so dass immer wieder Späne im Aufrauprofil verbleiben und im Beschichtungsprozess den Schichtaufbau und die Schichtqualität negativ beeinflussen. Gleiches gilt für im Wasser- beziehungsweise Laserstrahlaufrauverfahren hergestellte Oberflächen die starke Vertiefungen und wulst-/spritzerartige Überhöhungen zeigen. Zudem müssen hohe Investitionen zur Installation dieser Aufrauprozesse getätigt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Beschichtung eines metallischen Werkstücks, nämlich einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses bereitzustellen, bei dem eine Vorbehandlung und insbesondere eine Aufrauung der Oberfläche entbehrlich sind.
Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des ersten unabhängigen Anspruchs gelöst.
Somit betrifft ein erster Aspekt der Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung einer aus Grauguss oder einer Aluminium-haltigen Leichtmetalllegierung bestehenden Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses umfassend in einem Schritt (a) das Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials, wobei das Basismaterial Eisen oder eine Eisenlegierung ist, und eines pulverförmigen Haftvermittlers. Der Haftvermittler umfasst eine Mischung aus 20 bis 80 Gew.-% Molybdän; 20 bis 80 Gew.-% einer Aluminium-haltigen Legierung, die ausgewählt ist aus einer Nickel-Aluminiumlegierung NiAl, insbesondere Ni(95%)AI(5%), einer Kupfer-Aluminiumlegierung CuAl, insbesondere Cu(90%)AI(10%), einer Kobalt-Aluminiumlegierung, einer Magnesium-Kobalt-Aluminiumlegierung einer Silizium-Aluminiumlegierung, einer Silber-Aluminiumlegierung und einer Aluminium-Bronze; und optional 0,2 bis 5 Gew.-% Bor, wobei sich das Molybdän, die Aluminium-haltige Legierung und Bor zu 100 Gew.-% addieren. Besonders bevorzugt wird dabei der Einsatz von Ni(95%)AI(5%) als Aluminium-haltige Legierung für den Haftvermittler. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren das Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers auf die Zylinderlaufbahn des Zylinderkurbelgehäuses mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens in einem Schritt (b), wobei entweder eine Schicht aus einer Pulvermischung aus dem Haftvermittler und dem Basismaterial auf der der Zylinderlaufbahn angeordnet wird oder eine erste Schicht umfassend den Haftvermittler auf der Zylinderlaufbahn angeordnet und anschließend eine zweite Schicht umfassend das Basismaterial auf der ersten Schicht angeordnet wird.
Thermische Beschichtungsverfahren sind das Pulver-Plasmaspritzen, Drahtspritzverfahren wie Plasma-Transfer-Wire-Arc (PTWA) und Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS) oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen.
Überraschend wurde festgestellt, dass eine Mischung aus Molybdän und einer Aluminium-haltigen Legierung für Beschichtungen zur Verschleißreduzierung derart als Haftvermittler wirkt, dass keine Vorbehandlung der Zylinderlaufbahn nötig ist. Auch ist die Oberflächengüte für das erfindungsgemäße Beschichten irrelevant und somit ist keine Mindestoberflächenrauigkeit erforderlich. Daher kann durch das erfindungsgemäße Verfahren die Prozessierung von beschichteten Zylinderkurbelgehäusen stark vereinfacht werden.
Die genannten Haftvermittler sorgen teilweise, wie im Fall von NiAl, durch exotherme Reaktion der Komponenten untereinander, insbesondere in Verbindung mit Molybdän zu einer sehr guten Haftung, wobei sich insbesondere Ni(95%)AI(5%) als geeignet erwiesen hat.
Während des Beschichtens erfolgt jedoch nach keiner Ausführungsform der Erfindung eine Selbstverwachsung oder Selbstverschweißung der Schicht mit dem Zylinderkurbelgehäuse, es werden daher keine intermetallischen Bindungen erzeugt.
Insbesondere ist ein Prozessschritt zur Vorbehandlung, der einer Beschichtung des Werkstücks vorgeschaltet ist, nicht notwendig und kann eingespart werden. Diese Einsparung führt zu wirtschaftlichen, insbesondere finanziellen Vorteilen, da die Prozesszeit insgesamt reduziert wird. Handelt es sich bei der Vorbehandlung um eine Aufrauung des Materials, so entfällt zudem eine aufwendige Entsorgung der beim Aufrauprozess verwendeten Materialien. Bei Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zusätzlich eine Qualitätssteigerung des Werkstücks erzielt, da Fehler auf der Werkstückoberfläche, die durch die Vorbehandlung, insbesondere das Aufrauen der Oberfläche, entstehen können, gänzlich vermieden werden. Somit können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch feingespindelte Oberflächen ohne Qualitätseinbußen beschichtet werden.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Beschichtung dient als Schutzschicht für eine Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses. Vorzugsweise wird durch die Schutzschicht die Reibfestigkeit erhöht. Die Eigenschaften der Schutzschicht werden dabei maßgeblich durch das Basismaterial bestimmt.
Erfindungsgemäß wird der Haftvermittler entweder gemeinsam mit dem Basismaterial auf der metallischen Werkstückoberfläche (Zylinderlaufbahn) angeordnet und liegt dann gemeinsam mit dem Basismaterial in einer Mischschicht auf der Werkstückoberfläche vor, so dass sich ein in die Schutzschicht integrierter Haftgrund bildet. Alternativ oder zusätzlich sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, den Haftvermittler in einer gesonderten Schicht ohne Basismaterial, als Haftgrund auf der Werkstückoberfläche anzuordnen und anschließend auf den Haftgrund eine Schutzschicht anzuordnen, welche vorzugsweise nur das Basismaterial, aber zumindest nicht den Haftvermittler, aufweist.
Der Haftvermittler und das Basispulver liegen als physikalisches Gemisch vor, bilden also keine chemischen Verbindungen bzw. Legierungen aus.
Die Trennung von Haftvermittler und Basismaterial in zwei Schichten bietet mehrere Vorteile. Zum einen kann die Wirkung des Haftvermittlers erhöht werden und somit die Haftzugwerte der Beschichtung auf der Werkstückoberfläche verbessert werden, zum anderen kommt der Haftvermittler bei einem getrennten Aufbringen der einzelnen Schichten nicht mit der Umgebung des Werkstücks in Kontakt. Eine Wechselwirkung des Haftvermittlers mit der Umgebung des Werkstücks kann somit vermieden werden.
Vorzugsweise findet die Beschichtung aller genannten Schichten mit demselben thermischen Beschichtungsverfahren statt. Somit sind die Nachteile eines zusätzlichen Beschichtungsschritts vernachlässigbar, insbesondere dann, wenn besondere Vorkehrungen getroffen werden, wie beispielsweise die Verwendung eines Plasmabrenners mit Doppelpulverförderer zur Pulverbereitstellung, um den Mehraufwand eines zusätzlichen Beschichtungsschritts möglichst gering zu halten. So kann bei der Bereitstellung von beispielsweise einem Fass Haftvermittler und einem Fass Basismaterial ein Wechsel zwischen beiden Pulvern problemlos erfolgen, wobei vorteilhafterweise eine Reinigung oder ein Wechsel eines Zuführschlauches o.ä. nicht erforderlich ist.
Es zeigte sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren mit besonderem Vorteil bei Werkstücken verwendet wird, die eine Leichtmetalloberfläche, nämlich eine Aluminium-haltige Legierung wie beispielsweise AlSi₁₇, AlSi₉, und weitere, oder eine Graugussoberfläche aufweisen, wobei eine Graugussoberfläche besonders bevorzugt ist, da entsprechende Zylinderlaufbahnen sich als besonders haltbar erweisen.
Bei der Aluminium-haltigen Legierung des Haftvermittlers handelt es sich um eine Nickel-Aluminiumlegierung (Nickelbasislegierungen), eine Kupfer-Aluminiumlegierung -nicht erfindungsgemäß mit Eisen, eine Kobalt-Aluminiumlegierung, eine Silizium-Aluminiumlegierung, eine Magnesium-Kobalt-Aluminiumlegierung, eine Silber-Aluminiumlegierung, oder eine Aluminium-Bronze.
Besonders gute Ergebnisse, insbesondere gute Haftzugwerte der Beschichtung des Basismaterials, werden erfindungsgemäß erzielt, indem Molybdän im Bereich von 20 bis 80 Gew.-% und die Aluminium-haltige Legierung im Bereich von 20 bis 80 Gew.-% bezogen auf den Haftvermittler vorliegt. Diese Angaben beziehen sich bevorzugt auf das bereitgestellte pulverförmige Material. Vorzugsweise weist der Haftvermittler neben Molybdän und Aluminium der Aluminium-haltigen Legierung keine weiteren Komponenten auf, sodass sich die prozentualen Anteile von Molybdän und der Aluminium-haltigen Legierung vorzugsweise zu 100 % addieren. Ferner ist bevorzugt, dass 0,2-5 % Bor dem Haftvermittlers zur Unterstützung der Haftwirkung zugesetzt werden. Erfindungsgemäß addieren sich das Molybdän, die Aluminium-haltige Legierung und Bor zu 100 Gew.-%.
Ebenfalls gute Ergebnisse werden mit einer Silizium-Aluminiumlegierung erzielt, vorzugsweise liegt dabei der Silizium-Anteil bei 8 bis 25 Gew.-% bezogen auf den Haftvermittler.
Das Verfahren ist mit allen bekannten Beschichtungen durchführbar, die geeignet sind, einen Verschleiß der Werkstückoberfläche durch Temperatur und/oder Reibungsbeanspruchung zu reduzieren. Erfindungsgemäß umfasst das Basismaterial Eisen oder eine Eisenlegierung, z.B. Stahl, vorzugsweise ein niedrig legierter Stahl bzw. ein eisenbasierter Stahl, insbesondere 100Cr6, mit 0,05 bis 1.5 Gew.-% Kohlenstoff; 0,05 bis 3.5 Gew.-% Mangan; 0.05 bis 3,0 Gew.-% Chrom; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,001 bis 0,4 Gew.-% Schwefel und/oder einen Chromstahl mit einer Eisenbasis und 0,05 bis 0.8 Gew.-% Kohlenstoff; 0 - 3 Gew.-% Molybdän; 0,05 bis 1.8 Gew.-% Mangan; 11.5 bis 18 Gew-% Chrom ; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,002 bis 0,2 Gew.-% Schwefel. Diese sind als Schutzschicht insbesondere für Zylinderbauteile besonders gut geeignet und wechselwirken mit den genannten Haftvermittlern derart, dass eine Haftung insbesondere auf Grauguss aber auch auf Leichtmetalloberflächen deutlich verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Haftvermittler und das Basismaterial bezogen auf das Gewicht in einem Verhältnis von ungefähr 10 : 90, 20 : 80, 30 : 70, 40 : 60 oder 50 : 50 in der Pulvermischung aus Haftvermittler und Basismaterial vorliegen.
Damit ist sichergestellt, dass die wünschenswerten Eigenschaften des Basismaterials, insbesondere die Verbesserung der Verschleißeigenschaften der Werkstückoberfläche durch die Anwesenheit des Haftvermittlers nicht beeinträchtigt werden. Besonders gute Eigenschaften einer Schutzschicht, in der das Basismaterial und der Haftvermittler gemischt vorliegen, werden erzielt, wenn der Haftvermittler zu 20(±5) % und das Basismaterial zu 80(±5) % in der Pulvermischung vorliegen. Eine mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in dieser Ausgestaltung aufgetragene Beschichtung zeigt ein optimales Verhältnis aus Reibfestigkeit und Haftung.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens umfasst das Verfahren, wenn in Schritt (b) eine Pulvermischung aus Basismaterial und Haftvermittler auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird, einen weiteren Schritt (c), in welchem eine Schicht aus dem Basismaterial mittels des thermischen Beschichtungsverfahrens auf die in Schritt (b) erzeugte Beschichtung aufgebracht wird. In dieser bevorzugten Ausgestaltung ist sichergestellt, dass die beschichtete Werkstückoberfläche mit einer Schicht, die das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler umfasst, gegen die Umgebung abschließt. Somit können Wechselwirkungen zwischen den Materialien des Haftvermittlers und der Umgebung, wie beispielsweise einem Laufmittel, ausgeschlossen werden. Ferner werden die Eigenschaften des Basismaterials an der Oberfläche des Werkstücks uneingeschränkt genutzt.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass das thermische Beschichtungsverfahren Plasmaspritzen ist. Beim Plasmaspritzen sind üblicherweise in einem Plasmabrenner eine Anode und bis zu drei Kathoden durch einen schmalen Spalt getrennt. Durch eine Gleichspannung wird ein Lichtbogen zwischen Anode und Kathode erzeugt. Das durch den Plasmabrenner strömende Gas oder Gasgemisch wird durch den Lichtbogen geleitet und hierbei ionisiert. Die Dissoziation, beziehungsweise anschließende Ionisation, erzeugt ein hochaufgeheiztes (bis 30000 K), elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen. In diesem erzeugten Plasmajet wird Pulver (übliche Kornverteilung: 5-200 µm, bei bestimmten Geräten ist auch eine Körnung von bis hinunter zu 100 nm möglich) eingedüst, das durch die hohe Plasmatemperatur aufgeschmolzen wird. Der Plasmastrom reißt die Pulverteilchen mit und schleudert sie auf das zu beschichtende Werkstück. Die Gasmoleküle kehren bereits nach kürzester Zeit wieder in einen stabilen Zustand zurück und so sinkt die Plasmatemperatur bereits nach kurzer Wegstrecke wieder ab. Die Plasmaspritzbeschichtung erfolgt in normaler Atmosphäre, inerter Atmosphäre (unter Schutzgas wie Argon), in Vakuum oder auch unter Wasser, wobei die Beschichtung unter normaler (Druckluft) Atmosphäre bevorzugt ist, da hierdurch die Verfahrenskosten gegenüber den anderen Varianten geringer sind. Für die Schichtqualität sind die Geschwindigkeit, Temperatur als auch die Zusammensetzung des Plasmagases von Bedeutung. Verwendete Gase können Argon, Stickstoff, Wasserstoff oder Helium sein.
Das Plasmaspritzen erzeugt für Zylinderlaufbahnen optimal aufgebaute Schichten mit einer nicht kommunizierenden Mikroporosität, die nach dem Fertigungsprozess als Ölrückhaltevolumen auf der glatt gehonten Zylinderlauffläche dient. Auf eine konventionelle Honriefenstruktur als Ölrückhaltevolumen kann verzichtet werden. Das Plasmaspritzen findet aufgrund seiner universellen Anwendbarkeit ein großes industrielles Einsatzgebiet und hat durch seine Vorteile wie flexible Werkstoffauswahl (Verfahren erlaubt eine breite Palette an Spritzwerkstoffen, die leicht herstellbar und mischbar sind), hohe Partikelaufprallgeschwindigkeiten, gute Haftfestigkeiten der aufgebrachten Schichten sowie, bedingt durch die kompakte Brennerbauweise, der Möglichkeit, eine Innenbeschichtung auch bei kleinen Durchmessern durchzuführen, unter allen thermischen Spritzverfahren die größte Bedeutung erlangt.
Das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen ist ebenfalls am Markt etabliert, ist allerdings für die Zylinderlaufbahnbeschichtung ungeeignet, da hier sehr dichte Schichten aufgebracht werden, die kaum Porositäten aufweisen und häufig im Motorlauf zum Versagen führen. Weiterhin sind Brenner für Innenbeschichtungen noch nicht realisiert.
Drahtspritzverfahren sind für Zylinderlaufbahnbeschichtungen eine Alternative, allerdings werden hier Schichten erzeugt, die gegenüber den Plasmaspritzschichten eine deutlich geringere Porosität aufweisen und so nach dem Honen nur wenige große Poren an der Laufbahnoberfläche aufweisen, die in den meisten Fällen als Ölrückhaltevolumen unzureichend sind. Ein weiterer Nachteil ist die starke Oxidbildung, insbesondere bei den Eindrahtverfahren (PTWA beziehungsweise RSW), wenn die Schichten ohne Schutzgas gespritzt werden und so zu verstärkter Anfälligkeit gegenüber Korrosion führen können. Diese Oxidbildung führt nicht zu einer durchgehenden Oxidschicht.
Mit besonderem Vorteil umfasst das Verfahren keine Vorbehandlung der Oberfläche des Werkstücks insbesondere keine Aufrauung der Oberfläche des Werkstücks. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt die Möglichkeit des Vorbehandelns nicht aus, allerdings ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Vorbehandlung der Werkstückoberfläche, insbesondere durch Aufrauung der Werkstückoberfläche, unterbleiben kann. Ein Unterlassen der Vorbehandlung der Oberfläche des Werkstücks, insbesondere ein Unterlassen des Aufrauens der Oberfläche führt neben einer hohen Prozesskosteneinsparung zu einer Verbesserung der Qualität der beschichteten Oberfläche. Ferner können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch feingespindelte Oberflächen beschichtet werden, wenn eine Vorbehandlung, insbesondere eine Aufrauhung, durch welche die feingespindelte Oberfläche verändert, insbesondere zerstört, werden würde, unterbleibt.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist verschiedene Schritte auf, die aus nachstehender Aufzählung ausgewählt werden können, wobei die oben genannten erfindungswesentlichen Schritte zwingend sind:

Gießen eines Zylinderkurbelgehäuses.
Zylindrisches Schneiden der beim Gießen resultierenden konischen Gussgeometrie der Zylinderlaufbahn .
Feinspindeln der Oberfläche der Zylinderlaufbahn.
Waschen und Vakuumtrocknen des Zylinderkurbelgehäuses bei Raumtemperatur.
(a) Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials und eines pulverförmigen Haftvermittlers.
(b.1) Unmittelbares Beschichten mit dem Haftvermittler und anschließend mit dem Basismaterial, wobei das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise fest angeordnet ist und während des Beschichtungsprozesses der Plasmabrenner rotiert und sich entlang der Zylinderlaufbahn in das Zylinderkurbelgehäuse und wieder heraus bewegt, vorzugsweise erfolgt dieser Vorgang einmal um den Haftvermittler aufzutragen und anschließend ein- bis fünfmal, vorzugsweise dreimal um die gewünschte Schichtdicke des Basismaterials aufzutragen, oder wobei die Beschichtung mittels Drahtspritzen erfolgt,
oder
(b.2) Beschichten mit einem Gemisch aus Haftvermittler und Basismaterial vorzugsweise mittels Plasmapulverspritzen, wobei das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise fest angeordnet ist und während des Beschichtungsprozesses der Plasmabrenner rotiert und sich entlang der Zylinderlaufbahn in das Zylinderkurbelgehäuse und wieder heraus bewegt, vorzugsweise viermal, wobei dies in Abhängigkeit der gewünschten Schichtdicke variiert werden kann.
Beschichten mit dem Basismaterial mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens auf die vorab erzeugte Beschichtung.
Fasen an beiden Enden der Zylinderlaufbahn schneiden.
Honen auf Maß.

Der Prozess der thermischen Beschichtung erfolgt vorzugsweise ohne aktive Klimatisierung. Das Zylinderkurbelgehäuse erwärmt sich im Prozess, d.h. während des Beschichtens beispielsweise durch geschmolzenes Plasmapulver und kühlt selbstständig wieder ab. Nach dem Beschichten ist das Zylinderkurbelgehäuse ca. 100°C bis maximal 140°C warm.
Vorzugsweise steht das Zylinderkurbelgehäuse für das Beschichten aufrecht und wird auf der Ölwannenseite aufgenommen. Bei der mechanischen Bearbeitung, unter anderem Feinspindeln und Fasenschneiden, wird das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise am Topdeck aufgenommen. Für die anderen Bearbeitungsschritte kann das Zylinderkurbelgehäuse vorzugsweise auch auf der Getriebeseite aufgenommen werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Zylinderkurbelgehäuse mit einer Zylinderlaufbahn, die eine gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellte Beschichtung aufweist.
Die Beschichtung des erfindungsgemäßen Bauteils weist entweder eine auf einer Oberfläche der Zylinderlaufbahn angeordnete Mischschicht auf, welche das Basismaterial und den Haftvermittler aus Molybdän und Aluminium-haltiger Legierung umfasst. Alternativ umfasst die Beschichtung eine erste Schicht aus dem Haftvermittler und eine zweite Schicht, welche das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler umfasst.
Die Beschichtung verbessert einerseits die Reibfestigkeit der beschichteten Oberfläche stark und weist gleichzeitig eine hohe Beständigkeit auf, da die Beschichtung eine sehr gute Haftung auf der Werkstückoberfläche zeigt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Haftzugwerte von 50 bis >70 MPa erzielt. Damit werden die Haftzugwerte eines herkömmlichen Prozesses, bei dem die Haftung der Beschichtung durch vorheriges Aufrauen der Oberfläche und ohne Haftvermittler erzielt wird, von 20 bis >70 MPa erreicht und im unteren Bereich sogar überschritten.
Die erste und die zweite Schicht sind erfindungsgemäß mit einem thermischen Beschichtungsverfahren auf der Werkstückoberfläche aufgebracht.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Motor, welcher ein erfindungsgemäßes Zylinderkurbelgehäuse aufweist.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Figur 1: eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten Werkstücks gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 2: eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten Werkstücks gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 3: eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten Werkstücks gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 4: eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten Werkstücks gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung,
Figur 5: eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten Werkstücks gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung, und
Figur 6: eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts eines beschichteten Werkstücks gemäß einer sechsten Ausgestaltung der Erfindung.

Die Figuren 1 bis 6 zeigen Lichtmikroskop-Aufnahmen von Querschnitten (Längsschliffe) eines beschichteten Werkstücks 1 (Zylinderlaufbahn) eines Bauteils 10 (Zylinderkurbelgehäuse) in unterschiedlichen Ausführungsformen. Dabei ist ein Teil des Werkstücks 1 gezeigt, auf dessen metallischer Oberfläche eine Beschichtung 2 angeordnet ist. Die Beschichtung 2 kann beispielsweise mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden.
Das in Figur 1 gezeigte Werkstück 1 umfasst eine metallische Oberfläche aus einer Leichtmetalllegierung, genauer einer Aluminium-haltigen Legierung, nämlich AlSi₁₇. Auf dieser Oberfläche wurde in einem Verfahrensschritt die Beschichtung 2 aufgetragen. Die in Figur 2 gezeigte Beschichtung 2 umfasst einen niedrig legierten Stahl als Basismaterial und einen Haftvermittler der in der Schicht integriert ist. Die in Figur 1 gezeigte Beschichtung 2 wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugt, indem eine Pulvermischung aus Basismaterial und Haftvermittler mittels Plasmaspritzens auf die metallische Oberfläche aufgebracht wurde. Dabei schmolzen die Partikel der Pulvermischung auf und verbanden sich auf der Oberfläche zu einer einheitlichen Mischschicht 3. Da Basismaterial und Haftvermittler bereits vor bzw. bei dem Prozess des Plasmaspritzens innig vermischt vorlagen, weist das in Figur 1 gezeigte Werkstück 1 eine einschichtige Beschichtung 2 auf, in der der Haftvermittler im Basismaterial im Weitesten homogen verteilt vorliegt und somit einen integrierten Haftgrund bildet.
In Figur 2 ist ein Werkstück 1 gezeigt, welches die gleiche Beschichtung 2 wie das in Figur 1 gezeigte Werkstück 1 aufweist. Die Oberfläche des Werkstücks 1 ist allerdings aus Grauguss.
Die Figuren 3 und 4 zeigen je eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts (Längsschliff) eines beschichteten Werkstücks 1 gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung. Die Figuren 3 und 4 zeigen jeweils ein Werkstück 1 mit einer zweischichtigen Beschichtung 2. Die Beschichtung 2 umfasst hier eine Mischschicht 3, die eine Mischung aus dem Basismaterial und dem Haftvermittler umfasst. Die Mischschicht 3 entspricht im Wesentlichen der Mischschicht 3 der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführung, ist aber im Unterschied zu dieser Schichtdicken zwischen 20 und 55 µm deutlich dünner ausgeführt. Auf die Mischschicht 3 aus Basismaterial und Haftvermittler ist eine Basismaterialschicht 4 angeordnet, die im Wesentlichen aus dem Basismaterial besteht. Diese ist um ein Vielfaches dicker als die Mischschicht 3. Bevorzugte Schichtdicken liegen bei Pulverplasmaspritzschichten im Bereich von 120 bis 180 µm, insbesondere im Bereich von 140 bis 160 µm und maximal bei 300 µm, und bei Drahtspritzschichten bevorzugt im Bereich von 150 bis 300 µm, insbesondere im Bereich von 170 bis 250 µm, bis maximal 500 µm. Die Mischschicht 3 hat die Funktion, die Haftung der Beschichtung 2 zu erhöhen, während die Basismaterialschicht 4 die Eigenschaften des Werkstücks nach außen, wie beispielsweise die Reibfestigkeit, bestimmt. Die Figuren 3 und 4 unterscheiden sich in dem Material des beschichteten Werkstücks. Während die Beschichtung 2 in Figur 3 auf einer Leichtmetalllegierung, beispielsweise einer Aluminium-haltigen Legierung wie AlSi₁₇, angeordnet ist, handelt es sich bei dem Material des Werkstücks 1 der in Figur 4 gezeigten Ausführung um einen Grauguss.
Die in den Figuren 3 und 4 gezeigten Beschichtungen 2 können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aufgebracht werden. Dazu wird zunächst eine Pulvermischung aus Haftvermittler und Basismaterial bereitgestellt und mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, wie Plasmaspritzen, auf der Oberfläche des Werkstücks 1 angeordnet, so dass eine homogene Mischschicht 3 entsteht. Anschließend wird ein Pulver, welches das Basismaterial aber nicht den Haftvermittler enthält bereitgestellt und ebenfalls mit einem, vorzugsweise dem gleichen, thermischen Verfahren auf die Mischschicht 3 aufgetragen. Zu einer einfachen Realisierung kann die Vorrichtung, die das thermische Beschichtungsverfahren ausführt mit einem Doppelpulverförderer ausgestattet sein, so dass die selbe Vorrichtung für beide Beschichtungsschritte verwendet werden kann.
Die Figuren 5 und 6 zeigen ebenfalls je eine Lichtmikroskop-Aufnahme eines Querschnitts (Längsschliff) eines beschichteten Werkstücks 1 gemäß weiterer Ausgestaltungen der Erfindung. Die Figuren 5 und 6 zeigen die gleiche Beschichtung 2, unterscheiden sich jedoch in dem Material des Werkstücks 1, die in Figur 5 eine Leichtmetalllegierung (insbesondere AlSi₁₇) und im Werkstück 1 der Figur 6 einen Grauguss umfasst. Die Beschichtung 2 der in den Figuren 5 und 6 gezeigten Ausführungsform ist ebenfalls als zweischichtiges System ausgebildet, wobei die erste an der Werkstückoberfläche angeordnete Schicht ein Haftgrund 5 ist auf dem eine Basismaterialschicht 6 abgeschieden ist, die das Basismaterial enthält. In dieser Ausführungsform weist der Haftgrund 5 den Haftvermittler auf und enthält kein Basismaterial.
Das Basismaterial der gezeigten Ausführungsformen ist ein niedriglegierter Stahl, wie beispielsweise (vorzugsweise eisenbasierter Stahl mit 0,05 bis 1.5 Gew.-% Kohlenstoff; 0,05 bis 3.5 Gew.-% Mangan; 0.05 bis 3,0 Gew.-% Chrom; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,001 bis 0,4 Gew.-% Schwefel und/oder einen Chromstahl mit einer Eisenbasis und 0,05 bis 0.8 Gew.-% Kohlenstoff; 0 - 3 Gew.-% Molybdän; 0,05 bis 1.8 Gew.-% Mangan; 11.5 bis 18 Gew-% Chrom ; 0,01 bis 1 Gew.-% Silizium und/oder 0,002 bis 0,2 Gew.-% Schwefel. Das Verhältnis aus Haftvermittler und Basismaterial weist in den Mischschichten 3 der Figuren 1 bis 4 vorzugsweise ein Verhältnis von 20 Gew.-% Haftvermittler zu 80 Gew.-% Basismaterial auf. Prinzipiell ist der Haftvermittler in einem Bereich von 10 bis 80 Gew.-% und das Basismaterial entsprechend im Bereich von 20 bis 90 Gew.-% in der Mischschicht 3 enthalten.
Der Haftvermittler ist in allen gezeigten Ausführungsformen eine Mischung aus Molybdän und einer Ni5Al-Legierung (95% Nickel % und 5% Aluminium) oder eine Mischung aus Molybdän NiAI-Legierung und dem Basismaterial wie oben beschrieben. Alternativ kann Nickel in der Aluminium-haltigen Legierung durch Kobalt, Kupfer oder Silber ersetzt werden. Dabei ist Molybdän zu 20 bis 80 Gew.-% und die Aluminium-haltige Legierung in einem Bereich von 20 bis 80 Gew.-% im Haftvermittler enthalten.
Alternativ oder zusätzlich sind derartige Schichten auch mittels Drahtspritzverfahren wie LDS, PTWA und RSW darstellbar, indem der Haftvermittler in einem Fülldraht positioniert wird oder indem Drahtspritzschichten auf einen durch ein Plasmaspritzverfahren aufgebrachten Haftgrund gespritzt werden können.

Bezugszeichenliste

10: Bauteil (Zylinderkurbelgehäuse)

1: Werkstück (Zylinderlaufbahn)
2: Beschichtung
3: Mischschicht aus Basismaterial und Haftvermittler
4: Basismaterialschicht
5: Haftgrund / erste Schicht
6: Basismaterialschicht / zweite Schicht

Claims

Verfahren zur Beschichtung einer aus Grauguss oder einer Aluminium-haltigen Leichtmetalllegierung bestehenden Zylinderlaufbahn (1) eines Zylinderkurbelgehäuses (10), umfassend die Schritte
(a) Bereitstellen eines pulverförmigen Basismaterials, wobei das Basismaterial Eisen oder eine Eisenlegierung ist, und
Bereitstellen eines pulverförmigen Haftvermittlers, wobei der Haftvermittler eine Mischung umfasst aus:
20 bis 80 Gew.-% Molybdän (Mo),

20 bis 80 Gew.-% einer Aluminium-haltigen Legierung , die ausgewählt ist aus einer Nickel-Aluminiumlegierung, einer Kupfer-Aluminiumlegierung, einer Kobalt-Aluminiumlegierung, einer Magnesium-Kobalt-Aluminiumlegierung einer Silizium-Aluminiumlegierung, einer Silber-Aluminiumlegierung und einer Aluminium-Bronze, und optional 0,2 bis 5 Gew.-% Bor,

jeweils bezogen auf den Haftvermittler, wobei sich das Molybdän, die Aluminium-haltige Legierung und Bor zu 100 Gew.-% addieren, und

(b) Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers auf die Zylinderlaufbahn (1) des Zylinderkurbelgehäuses (10) mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens, entweder
- durch Aufbringen einer Schicht (3) aus einer Pulvermischung aus dem Haftvermittler und dem Basismaterial, oder

- Aufbringen einer ersten Schicht (5) umfassend den Haftvermittler und anschließend Aufbringen einer zweiten Schicht (6), umfassend das Basismaterial, auf die erste Schicht (5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Basismaterial Stahl umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler und das Basismaterial in einem Gewichtsverhältnis von 10/90, 20/80, 30/70, 40/60 oder 50/50 in der Pulvermischung vorliegen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Schritt (b) das Aufbringen einer Schicht (3) aus einer Pulvermischung aus dem Haftvermittler und dem Basismaterial umfasst und das Verfahren einen weiteren Schritt (c) umfasst, in welchem eine Schicht (4) des Basismaterials mittels thermischen Beschichtungsverfahrens auf die in Schritt (b) erzeugte Beschichtung, aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler Ni(95%)Al(5%) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Beschichtungsverfahren Plasmaspritzen ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Beschichtungsverfahren Drahtspritzen ist, wobei nach Schritt (b) das Aufbringen des Basismaterials und des Haftvermittlers durch Aufbringen einer ersten Schicht (5) umfassend den Haftvermittler und anschließend Aufbringen einer zweiten Schicht (6), umfassend das Basismaterial, auf die erste Schicht (5) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren keine Aufrauung der Zylinderlaufbahn (1) des Zylinderkurbelgehäuses (10) umfasst.
Zylinderkurbelgehäuse (10) mit einer Zylinderlaufbahn (1), die eine mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufgebrachte Beschichtung (2) aufweist.
Motor umfassend ein Zylinderkurbelgehäuse (10) nach Anspruch 9.