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DE19733204B4 - Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium Legierung, Spritzpulver zu deren Herstellung sowie deren Verwendung - Google Patents

Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium Legierung, Spritzpulver zu deren Herstellung sowie deren Verwendung Download PDF

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DE19733204B4
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Abstract

Verschleißfeste übereutektische Aluminium/Silizium-Beschichtung mit einem Kupfergehalt von unter 0,25 Gew.-% und mit einem Silizium-Primärausscheidungen enthaltenden heterogenen Schichtgefüge, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine durch thermisches atmosphärisches Plasmaspritzen hergestellte Beschichtung ist, das Schichtgefüg weniger als 0,1 Gew.-% Kupfer und ferner Aluminiummischkristall, intermetallische Phasen wie Mg2Si und Oxide enthält, die eine mittlere Größe von weniger als 5 μm aufweisen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium Legierung, ein Spritzpulver zu deren Herstellung sowie die Verwendung dieser Beschichtung.
  • Im Automobilbau werden zur Zeit nach und nach die meisten der heute noch dominierenden Graugußkurbelgehäuse von Hubkolbenmaschinen – ihr Anteil lag 1994 in Deutschland noch bei beherrschenden 96%, europaweit bei 82% – durch solche aus Leichtmetallen verdrängt, um das Kraftfahrzeuggesamtgewicht zu verringern und damit die Kraftstoffausnützung zu verbessern. Zur Herstellung von Kurbelgehäusen aus Leichtmetall wird sich aus wirtschaftlichen und technischen Gründen zunächst das Druckgießen von niedrig legiertem Aluminium wie AlSi10 qualifizieren. Solche Legierungen zeigen im Gegensatz zum im Motorenbau etablierten aber erheblich aufwendigeren atmosphärischen Guß von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen wie Alusil (AlSil7) ein unbefriedigendes Reibungs- und Verschleißverhalten im Kontakt mit Aluminium-Kolben und Kolbenringen und sind daher als Reibpartner ungeeignet.
  • Daher kann für künftige Motoren auf das Eingießen von tribologisch geeigneten Buchsen aus Grauguß oder übereutektischem Aluminium-Silizium nicht verzichtet werden. Zur Herstellung dieser Buchsen werden z.B. nach DE 44 38 550 A1 Rohlinge im bekannten Ospray-Verfahren hergestellt und nachträglich mechanisch kompaktiert. Die halbfertige Buchse wird vor dem Gießen erst in die Gießform eingelegt und dann mit flüssigem Aluminium umgossen. Die typische Windstärke solcher Büchsen liegt bei 2 bis 3 mm. Anschließend wird das Innere der Laufbüchse grob- und feingedreht, gehont und freigelegt. Die verwendeten Legierungen beinhalten Kupfer, damit insbesondere intermetallische Phasen wie Al2Cu gebildet werden, die für die kurzspanende Bearbeitung der Schichtoberfläche erforderlich sind. Der Einsatz dieser Kupferhaltigen Legierungen erweist sich in Verbindung mit bestimmten Kraftstoffen besonders problematisch.
  • Die nach der DE 43 28 619 C2 und EP 0 411 577 B1 sprühkompaktierten Blöcke werden zwar mit Kupfer-freien Aluminium/Silizium Legierungen hergestellt, fanden jedoch bis heute keinen Einsatz als Zylinderlaufbuchse, denn die Oberfläche der Zylinderlaufbuchsen lassen sich nicht kurzspanend bearbeiten und stellen damit eine wirtschaftlich nicht vertretbare Alternative dar.
  • Darüberhinaus ist diese Buchsenlösung mit konstruktiven, fertigungstechnischen und nicht zuletzt wirtschaftlichen Nachteilen wie begrenzte Haftung der AlSi10-Schmelze an der Buchsenoberfläche, aufwendige Handhabung und hoher Preis gebunden. Dazu beeinflußt die Buchsenwandstärke den minimalen Zylinderabstand. Die Stegbreite soll, insbesondere bei zukünftigen Motoren kleiner Bauart, so gering wie möglich sein, weil sie die Mindestaußenabmessungen des Motors mitbestimmt.
  • Das thermische Spritzen bietet weitere Möglichkeiten, verschleißfeste Beschichtungen auf die Zylinderlaufwand der Kurbelgehäusen aufzubringen. Das Grundprinzip des thermischen Spritzens besteht darin, daß ein schmelzbarer bzw. teilschmelzbarer Werkstoff in einem Hochgeschwindigkeit-Heißgasstrahl zu kleinen Spritztröpfchen aufgeschmolzen und in Richtung der zu beschichtetende Fläche beschleunigt wird (DIN 32530). Beim Aufprallen erstarren die Spritztröpfchen auf der relativ kalt gebliebenen Metalloberfläche und bilden Lage für Lage eine Schicht. Vorteil dieser Beschichtungstechnik gegenüber der Elektroabscheidung, chemischen oder physikalischen Gasphasenab scheidung ist die hohe Auftragsrate, die es ermöglichen, eine Zylinderbohrung in wenigen Minuten wirtschaftlich zu beschichten. Die Verfahren des thermischen Spritzens unterscheiden sich nach der Erzeugungsart und den Eigenschaften des Hochgeschwindigkeit-Heißgasstrahles.
  • Beim Hochgeschwindigkeit-Flammspritzen (HVOF) wird eine Acetylen-Sauerstoff-Flamme erzeugt, in der die Spritzteilchen auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und beim Aufprall an der zu beschichtenden Oberfläche deformiert werden. Das HVOF-Verfahren wurde zur Beschichtung von Zylinderbohrungen mit einer Aluminium-Bronze-Legierung ( US 5,080,056 ) oder einem Eisen-Aluminium-Verbundwerkstoff ( EP 0 607 779 A1 ) bereits verwendet, produziert jedoch überschüssige Wärme, die häufig nur durch zusätzliche, aufwendige Kühlung des Kurbelgehäuses abgeführt werden kann ( US 5,271,967 ). Beim Plasmaspritzen werden Gase wie Argon, Helium, Stickstoff und/oder Wasserstoff durch einen elektrischen Lichtbogen in einem Plasmazustand überführt, in dem das pulverförmige ( EP 0 585 203 A1 und US 4,661,682 ) oder drahtförmige ( US 5,442,153 ) Spritzgut seitlich eingebracht wird, um dort umgelenkt, im Vergleich zum HVOF mäßig beschleunigt und aufgeschmlozen zu werden. Hier werden die Spritzteilchen auf eine höhere Temperatur als beim HVOF erhitzt, so daß sie sich beim Aufprallen auf das Substrat in einem geschmolzenen Zustand befinden, der für eine innige, stoffschlüssige Verbindung der Schicht zum Substrat sorgt. Das Pulver-Plasmaspritzen wurde zur Beschichtung von Zylinderbohrungen mit einer Schicht auf Eisen-Basis bereits angewandt ( US 3,991,240 ). Das Draht-Plasmaspritzen wurde zur Beschichtung von Zylinderbohrungen mit einem AISI 1045-Stahl verwendet ( DE 195 08 687 ). Die Anstrengungen für den Ersatz der Zylinderlaufbuchsen aus Grauguß durch solche aus übereutektischem Aluminium/Silizium deuten jedoch darauf hin, daß eine Zylinderlauffläche auf Eisen-Basis den technischen und tribologischen Anforderungen an modernen Hubkolbenmaschinen nicht genügen kann.
  • Die DE 196 01 793 A1 beschreibt eine Beschichtung, die durch ein Plasmaspritzverfahren aus einem pulverförmigen Verbundwerkstoff aus Aluminium, Eisen, Silizium, optional Bor und üblichen Beimengungen erhältlich ist. Der Verbundwerkstoff wird aus Aluminium-Eisen-Silizium-Verbindungen gebildet, die übersättigt in der Alumniummatrix unter teilweiser Bildung von intermetallischen Aluminium-Eisen-Verbindungen eingeschlossen sind. Es entstehen keine Primärausscheidungen, insbesondere keine Silizium-Kristalle, wobei Silizium und Eisen in übersättigter Lösung in dem Matrixwerkstoff vorliegen.
  • Ein atmosphärisches Plasmaspritzverfahren ist in der DE 195 39 640 C1 beschrieben, bei dem eine Nickel-Chrom-Schutzschicht in mehreren aufeinanderfolgenden, atmosphärischen Plasmaspritzvorgängen mit zwischenliegenden Abkühlphasen gebildet wird. Diese so gebildete Schutzschicht enthält weder Aluminiummischkristalle noch definierte Oxide einer bestimmten Korngröße oder Silizium-Primärausscheidungen. In der DE 197 11 756 A1 wird ein Plasmaspritzverfahren mit übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen mit Siliziumkristallen beschrieben, wobei der Anteil an Silizium in der Leichtmetallmatrix 12 % betragen kann.
    •
  • Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine thermisch gespritzte, verschleißbeständige Schicht insbesondere für den Motorbau im Hinblick auf Verschleißbeständigkeit und Schmierölverbrauch zu bereitzustellen, die einerseits gute triologische Eigenschaften aufweist, andererseits ohne großen Aufwand zuverlässig und auf einfache Weise mit dem Substrat verbunden werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch eine verschleißfeste übereutektische Aluminium/Silizium-Beschichtung mit einem Kupfergehalt von unter 0,25 Gew.-% und mit einem Silizium-Primärausscheidungen enthaltenden heterogenen Schichtgefüge gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß die Beschichtung eine durch thermisches atmosphärisches Plasmaspritzen hergestellte Beschichtung ist, das Schichtgefüge weniger als 0,1 Gew.-% Kupfer enthält und das Schichtgefüge ferner Aluminiummischkristall, intermetallische Phasen wie Mg2Si und Oxide enthält, die eine mittlere Größe von weniger als 5 um aufweisen. Weiterhin ist die Beschichtung dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 23 bis 40 Gew.-% hergestellt wird, daß das Schichtgefüge der Beschichtung Aluminiummischkristall in Form von primären Aluminiummischkristalldendriten aufweist, deren Dendritenarme von eutektischem Silizium umhüllt sind. Dabei können zusätzlich Partikel aus mindestens einem beliebigen Fremdmaterial eingebettet sein. Außerdem wird ein Spritzpulver bzw. ein Spritzwerkstoff zur Herstellung der Beschichtung bereitgestellt.
  • Durch die Verwendung von speziellen im wesentlichen kupferfreien Aluminium/Silizium-Spritzpulvern für die Aufbringung der erfindungsgemäßen Beschichtung mittels atmosphärischem, thermischem Spritzverfahren entsteht während der lagenartigen Schichtbildung der Beschichtung ein heterogenes Schichtgefüge aus Aluminium-Mischkristall, Silizium-Ausscheidungen bzw. -Partikeln, intermetallischen Phasen wie Mg2Si und extrem fein verteilten Oxiden, wobei die Bildung und die Verteilung der Oxide ausschließlich auf die Nichtgleichgewichtseigenschaften der atmosphärischen, thermischen Spritzverfahren zurückzuführen ist. Überraschenderweise läßt sich die Schichtoberfläche einer erfindungsgemäßen Beschichtung trotz der Abwesentheit von Kupfer wirtschaftlich kurzspanend bearbeiten, was sich vermutlich auf die auf der Schichtoberfläche und vorzugsweise auch innerhalb der Beschichtung fein verteilten Oxide zurückführen läßt. Außerdem weit die Beschichtung eine verbesserte Verschleißfestigkeit auf.
  • Zur Herstellung der kurzspanend bearbeitbaren und im wesentlichen Kupfer-freien Aluminium/Silizium-Schichten mittels atmosphärischem thermischem Spritzen wird aufgrund der guten Aufschmelzung der Spritzpartikel, der Bildung von fein verteilten Oxiden, deren guter Haftung auf dem Substrat und der mäßigen Wärmeübertragung ins Bauteil das atmosphärische Plasmaspritzen bevorzugt. Darüber hinaus bietet dieses Verfahren die Möglich keit, Maßbeschichtungen durchzuführen, so daß bei der Oberflächenbearbeitung der Schicht auf das Vordrehen verzichtet werden kann.
  • Aus wirtschaftlichen und technischen Gründen ist eine Beschichtung zweckmäßig, die eine gute, insbesondere kurzspanende Bearbeitbarkeit ihrer Oberfläche gewährleistet. Damit diese verschleißbeständige, kurzspanend bearbeitbare Beschichtung zur Beschichtung von Kurbelgehäusen verwendet werden kann, steht neben der Verringerung von Verbrennungsrückständen durch Senkung des Schmierölverbrauchs das Interesse diese für alle unterschiedlichen Kraftstoffe weltweit einsetzen zu können, weshalb die Beschichtung, insbesondere bei der Verwendung für die Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen Kupfer-frei ist.
  • Ferner ist es auch von Vorteil, daß mit der erfindungsgemäßen (verschleißfesten Aluminium-Silizium-) Beschichtung nach einem Druckgußvorgang bspw. eine Zylinderlauffläche in einem druckgußgegossenen Motorblock aus Leichtmetall wie Aluminium oder Magnesium mittels eines thermischen Spritzverfahrens beschichtet werden kann, wodurch auf die bisherige übliche aber aufwendige Laufbuchsenlösung verzichtet werden kann. Auch kann die Dicke der eigentlichen, tribologischen Laufschicht auf dem tribologisch nicht lauffähigen, aber gut zu gießenden und zu bearbeitenden Kurbelgehäuse erheblich reduziert werden. Sie beträgt bspw. mit 0,1 bis 0,2 mm weniger als 1/10 der heute üblichen Büchsenwandstärke und bietet daher die Möglichkeit, deutlich kompaktere Motoren zu bauen.
  • Zweckmäßigerweise wird zur Herstellung der Beschichtung das Plasmaspritzen verwendet. Mit diesem Nichtgleichgewichtsverfahren lassen sich auch Gefügestrukturen bilden, die sonst metallurgisch nicht darstellbar sind. Wegen der hohen Energiedichte und der großen Parametervielzahl des Verfahrens können z. B. nahezu definiert Oxide in dem Schichtgefüge gebildet werden, die zum einen eine kurzspanende Bearbeitung der Schichtoberfläche und zum anderen einen wesentlichen Beitrag zur Verschleiß beständigkeit der Schichten tragen. Durch die Verwendung von agglomerierten Spritzpulvern lassen sich zudem beliebige Fremdmaterialien der Schicht beifügen, auch solche mit sich deutlich von der Aluminium-Legierung unterscheidenden Schmelzpunkten wie Hartmetall- oder Keramikpartikel aber auch Trockenschmierstoffen.
  • Günstigerweise kann die erfindungsgemäßen Beschichtung ohne Veränderung der heute installierten Fertigungseinrichtungen in die Serie integriert werden, wodurch die kostspielige Fertigung und Handhabung der Zylinderlaufbuchsen entfallen und erhebliche Mengen an Material eingespart werden können.
  • Die Beschichtung kann bei hohen Auftragsraten in besonders kurzen Taktzeiten erfolgen, wobei die Beschichtung sehr formgenau auf die Zylinderlaufwand des Kurbelgehäuses aufgebracht und eine feine Oberflächengüte dabei eingestellt wird. Durch diese Maßnahmen entfallen aufwendige Nachbearbeitungsschritte, wie bspw. Vordrehen, und möglicherweise kann sogar auch das Feindrehen entfallen, wodurch die Fertigungskosten deutlich reduziert werden.
  • Weitere sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung anhand von (Legierungs-) Beispielen und anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen nähers erläutert. Dabei zeigt
  • 1 ein Schliffaufnahme der sphärischen Spritzpartikel aus der Legierung A und
  • 2 Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer plasmagespritzten Schicht
  • Um die in den Figuren dargestellten Beschichtungen herzustellen, wurden Spritzpulver aus kupferfreien Aluminium/Silizium-Legierungen bzw. Aluminium/Silizium-Verbundwerkstoffen entwikkelt. Neben der Optimierung der Zusammensetzung wurde bei den Spritzpulvern Wert auf die Form der einzelnen Spritzpulverpartikel, die Pulverkornverteilung und das Fließverhalten der Spritzpulver gelegt.
  • Als Spritzpulver wurden beispielhaft zwei im wesentlichen kupferfreie Aluminium/Silizium-Legierungssysteme gewählt, wobei eine Legierung A (siehe 1) für das Zusammenwirken insbesondere mit Eisen-beschichteten Kolben und eine Legierung B (siehe 2) vorzugsweise für unbeschichtete Kolben eingesetzt wird.
    •
  • Beispiele für mögliche Legierungen werden in den nachfolgenden Beispielen angegeben, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozent bedeuten:
  • Beispiel 1
  • Legierung A:
    • Silizium 23,0 bis 40,0, vorzugsweise etwa 25%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Zirkonium maximal 0,6%
    • Eisen maximal 0,25%
    • Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
  • Beispiel 2
  • Die Legierung B unterscheidet sich von der Legierung A lediglich durch den etwas höheren Gehalt an Eisen und Nickel:
    Silizium 23,0 bis 40,0%, vorzugsweise etwa 25%
    Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4
    Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    Zirkonium maximal 0,6%
    Mangan, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01%
    Rest Aluminium.
  • Beispiel 3
  • Legierung C:
    • Silizium 0 bis 11,8, vorzugsweise etwa 9%
    • Magnesium um 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2
    • Zirkonium maximal 0,6%
    • Eisen maximal 0,25%
    • Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01
    • Rest Aluminium.
  • Beispiel 4
  • Legierung D:
    • Silizium 0 bis 11,8%, vorzugsweise etwa 9%
    • Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    • Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Zirkonium maximal 0, 6
    • Mangan und Zink maximal jeweils 0,01
    • Rest Aluminium.
  • Beispiel 5
  • Legierung E:
    • Silizium 11,8 bis 40%, vorzugsweise etwa 17%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Zirkonium maximal 0,6%
    • Eisen maximal 0,25
    • Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01
    • Rest Aluminium.
  • Beispiel 6
  • Legierung F:
    • Silizium 11,8 bis 40%, vorzugsweise etwa 17%
    • Nickel 1,0 bis 5,0%, vorzugsweise etwa 4%
    • Eisen 1,0 bis 1,4%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Magnesium 0,8 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%
    • Zirkonium maximal 0,6%
    • Mangan, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01%
    • Rest Aluminium.
  • Das atmosphärische Plasmaspritzverfahren wird nun nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Zunächst wird das zu beschichtende Werkstück, beispielsweise ein Kurbelgehäuse, von Öl-, Fett- und Schmutzpartikeln befreit, wobei es zunächst sandgestrahlt, dann mit Isopropanol entfettet und anschließend mit Preßluft saubergeblasen wird. Der atmosphärische Plasmaspritzvorgang erfolgt mit einer in Beispiel 2 genannten Legierung B, bestehend aus 25 Gew.-% Si, 4 Gew.-% Ni, 1,2 Gew.-% Fe, 1,2 Gew.-% Mg sowie maximal 0,6 Ge.-% Zr und maximal jeweils 0,01 Gew.-% Mn, Cu und Zn, sowie ad 100 Gew.-% Al, wobei das Plasma einen Argon-Primärgasstrom zwischen 40 l/min und 60 l/min, vorzugsweise 50 l/min und einen Wasserstoffsekundärgasstrom zwischen 3 l/min und 15 l/min beinhaltet. Bei einem typischen Spritzabstand von 48 mm beträgt die Spritzrate 30 g/min. Zwischen den Beschichtungszyklen kann zusätzlich eine Kühlung mit einem Druck von 4,4 bar und 270 l/min Stickstoff stattfinden, wobei zusätzlich Spritzpartikel entfernt werden, die nur locker anhaften. Hierdurch wird erreicht, daß eine fest auf dem Werkstück haftende dichte Schicht aufgebaut wird.
  • In 1 ist eine Schliffaufnahme der sphärischen Spritzpartikel aus der Legierung A dargestellt, aus der die Aluminium-Mischkristallstruktur und die Si-Primärauscheidungen deutlich ersichtlich sind. Der Schliff wurde geätzt, um den Aluminium-Mischkristall anzugreifen und somit die Gefügestruktur zu verdeutlichen. Neben den Silizium-Primärausscheidungen besteht das Gefüge aus primären Aluminiummischkristalldendriten, bei denen die Dendritenarme von eutektischem Silizium umhüllt sind. Die Größe der Dendritenarme schwankt sehr, so daß sie nur bedingt aufgelöst werden können. Die Schwankungen in der Feinheit der vorliegendes Gefüge kommt zum einen von den Schwankungen in Temperatur und Geschwindigkeit einzelner Schmelztropfen und zum anderen von der unterschiedlichen Keimbildung bei der Erstarrung verschiedener Schmelztropfen. Ein solches feines Gefüge kennzeichnet thermisch gespritzte Schichten gegenüber Gefügestrukturen, die über pulvermetallische Routen erlangt werden und ist für die gute Verschleißbeständigkeit dieser Schichten verantwortlich.
  • In 2 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme einer plasmagespritzten Schicht abgebildet, die mit dem Spritzpulver der Legierung A hergestellt wurde. Die mit dem Spritzpulver der Legierung A hergestellte Schicht wurde gehont und mechanisch freigelegt. Bei der Schichtherstellung wurden enge Maßtoleran zen eingehalten, so daß auf das Vor- und Feindrehen verzichtet werden konnte. Neben der homogenen Verteilung der Silizium-Primärausscheidungen sind ebenfalls intermetallische Phasen und Poren zu erkennen, die im Betrieb geringe Mengen an Öl zurückhalten und die die Bildung eines dünnen Ölfilms an der Oberfläche der Zylinderlauffläche mitbestimmen.
  • Um den Anteil an groben Si-Partikel in der Schicht zu erhöhen, wurden Aluminium/Silizium-Verbundpulver entwickelt. Die agglomerierten Verbundpulver bestehen aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, metallischen Partikeln einer Aluminium-Silizium-Legierung, die miteinander anhand von anorganischen oder organischen Bindern gebunden sind, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50% und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95% beträgt. Die Silizium-Partikel haben eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 μm, vorzugsweise etwa 5μm. Die metallischen Partikel haben eine mittlere Partikelgröße von 0,1 bis 50,0 μm, vorzugsweise etwa 5μm und bestehen aus beiden alternativ einsetztbaren untereutektischen Legierungen C oder D, oder aus beiden alternativ einsetztbaren übereutektischen Legierungen E oder F. Durch die Verwendung von übereutektischen Legierungspartikeln wird der Anteil an Aluminium-Mischkristall im Schichtgefüge beibehalten, während die Bildung des Aluminium-Mischkristalls im Schichtgefüge durch die Verwendung von untereutektischen Aluminium/Silizium-Partikeln unterdrückt wird.
  • Die erfindungsgemäße Beschichtung bspw. einer Zylinderlauffläche einer Zylinderbohrung setzt voraus, daß das Gießen des Leichmetallblocks auf die übliche Weise im Druckgußverfahren erfolgt, aber ohne die in die Gußform eingelegten Zylinderlaufbuchsen. Das Innere der Zylinderlaufbohrung des Kurbelgehäuses wird dann in einem Arbeitsgang grob vorgedreht, um die erforderlichen Form- und Lagetoleranzen zu gewährleisten. Anschließend wird die Aluminium-Silizium Schicht aufgebracht. Der Beschichtungsvorgang kann entweder in der Form durchgeführt werden, daß in die Bohrung ein geeigneter, kommerziell erhältlicher, um der Mittelachse der Zylinderbohrung rotierender Innen brenner eingeführt und axial bewegt wird, oder ein nichtdrehender Brenner in die Zylinderbohrung des rotierenden Kurbelgehäuses eingeführt und entlang der Mittelachse der Zylinderbohrung geführt wird, um die Schicht im nahezu rechten Winkel auf die Zylinderlaufwand aufzuspritzen. Letzteres ist verfahrenstechnisch einfacher und sicherer, denn die Zuführung der notwendigen Medien wie elektrischer Energie, Kühlwasser, Primär- und Sekundärgas und Spritzpulver durch ein rotierendes Aggregat ist problematisch.

Claims (14)

  1. Verschleißfeste übereutektische Aluminium/Silizium-Beschichtung mit einem Kupfergehalt von unter 0,25 Gew.-% und mit einem Silizium-Primärausscheidungen enthaltenden heterogenen Schichtgefüge, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung eine durch thermisches atmosphärisches Plasmaspritzen hergestellte Beschichtung ist, das Schichtgefüg weniger als 0,1 Gew.-% Kupfer und ferner Aluminiummischkristall, intermetallische Phasen wie Mg2Si und Oxide enthält, die eine mittlere Größe von weniger als 5 μm aufweisen.
  2. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung mit einem Siliziumgehalt von 23 bis 40 Gew.-% hergestellt wird, und daß das Schichtgefüge der Beschichtung Aluminiummischkristall in Form von primären Aluminiummischkristalldendriten aufweist, deren Dendritenarme von eutektischem Silizium umhüllt sind.
  3. Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Partikel aus mindestens einem beliebigen Fremdmaterial eingebettet sind.
  4. Beschichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Matrix darstellende heterogene Schichtgefüge aus einer untereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung und Siliziumpartikeln hergestellt wird.
  5. Beschichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumpartikel eine Größe von weniger als 10 μm aufweisen.
  6. Spritzpulver zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzpulver die folgende Zusammensetzung Silizium: 23,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 25 Gew.-%, Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%, Zirkonium: maximal 0, 6 Gew.-%, Eisen maximal 0,25 Gew.-%, Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01 Gew.-%, Rest Aluminium aufweist.
  7. Spritzpulver zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Spritzpulver die folgende Zusammensetzung Silizium: 23,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 25 Gew.-%, Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%; Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Zirkonium: maximal 0, 6 Gew.-%; Mangan, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01 Gew.-%; Rest Aluminium aufweist.
  8. Spritzpulver zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsspritzwerkstoff ein agglomeriertes Verbundpulver eingesetzt wird, das aus feinen Silizium-Partikeln und feinen, Legierungspartikeln, die miteinander durch anorganische oder organische Binder gebunden sind, besteht, wobei der Anteil an Silizium-Partikeln 5 bis 50 % und der Anteil an Legierungspartikeln 50 bis 95 % beträgt.
  9. Spritzpulver nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Silizium-Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10,0 μm, vorzugsweise 5 μm und die metallischen Partikel eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 50,0 μm, vorzugsweise 5 μm aufweisen.
  10. Spritzpulver zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Partikel aus einer übereutektischen Legierung der folgenden Zusammensetzung Silizium: 11,8 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 17 Gew.-%, Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Zirkonium: maximal 0,6 Gew.-%; Eisen: maximal 0,25 Gew.-%; Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01 Gew.-%; Rest Aluminium aufweist.
  11. Spritzpulver zur Herstellung einer Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es Partikel aus einer übereutektischen Legierung der folgenden Zusammensetzung Silizium: 11,8 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 17 Gew.-%, Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%; Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Zirkonium: maximal 0, 6 Gew.-%; Mangan, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01 Gew.-%; Rest Aluminium aufweist.
  12. Spritzpulver nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es Partikel aus einer untereutektischen Legierung der folgenden Zusammensetzung Silizium: 0 bis 11,8 Gew.-%, vorzugsweise etwa 9 Gew.-%, Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Zirkonium: maximal 0,6 Gew.-%; Eisen: maximal 0,25 Gew.-%; Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01 Gew.-%; Rest Aluminium aufweist.
  13. Spritzpulver nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es Partikel aus einer untereutektischen Legierung der folgenden Zusammensetzung Silizium: 0 bis 11,8 Gew.-%, vorzugsweise etwa 9 Gew.-%, Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%; Zirkonium: maximal 0, 6 Gew.-%; Mangan, Nickel, Kupfer und Zink maximal jeweils 0,01 Gew.-%; Rest Aluminium aufweist.
  14. Verwendung einer Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Beschichtung einer Zylinderlauffläche bzw. Zylinderlaufwand von Hubkolbenmaschinen, vorzugsweise mit Kurbelgehäusen auf Grauguß-, Eisen-, Aluminium- oder Magnesium-Basis.
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