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EP1022351B2 - Durch Plasmaspritzen aufgebrachte Schicht für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Durch Plasmaspritzen aufgebrachte Schicht für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken und Verfahren zu deren Herstellung Download PDF

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Publication number
EP1022351B2
EP1022351B2 EP99811122A EP99811122A EP1022351B2 EP 1022351 B2 EP1022351 B2 EP 1022351B2 EP 99811122 A EP99811122 A EP 99811122A EP 99811122 A EP99811122 A EP 99811122A EP 1022351 B2 EP1022351 B2 EP 1022351B2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
accordance
powder
weight percent
layer
particle size
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
EP99811122A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1022351B1 (de
EP1022351A1 (de
Inventor
Gérard BARBEZAT
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Oerlikon Metco AG
Original Assignee
Sulzer Metco AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=25683486&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1022351(B2) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Application filed by Sulzer Metco AG filed Critical Sulzer Metco AG
Priority to EP04011394A priority Critical patent/EP1507020B1/de
Publication of EP1022351A1 publication Critical patent/EP1022351A1/de
Publication of EP1022351B1 publication Critical patent/EP1022351B1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1022351B2 publication Critical patent/EP1022351B2/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/14—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying for coating elongate material
    • C23C4/16—Wires; Tubes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
    • B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
    • B05B7/00—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas
    • B05B7/14—Spraying apparatus for discharge of liquids or other fluent materials from two or more sources, e.g. of liquid and air, of powder and gas designed for spraying particulate materials
    • B05B7/1404—Arrangements for supplying particulate material
    • B05B7/1431—Arrangements for supplying particulate material comprising means for supplying an additional liquid
    • B05B7/1436—Arrangements for supplying particulate material comprising means for supplying an additional liquid to a container where the particulate material and the additional liquid are brought together
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/08—Metallic material containing only metal elements
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
    • C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
    • C23C4/11—Oxides

Definitions

  • the invention relates to an applied by plasma spraying iron-containing layer for cylinder surfaces of engine blocks according to claim 1 and a method for producing such layers according to claim 6 or 7.
  • the coating of bores by means of the plasma spraying process has long been known. Different metallic materials can be applied.
  • the layers are finished by diamond honing to the final size and provided with the desired topography.
  • the workability of the layers and the tribological properties are decisively influenced by the microstructure and the physical properties of the corresponding layers.
  • the object of the present invention is to improve the machinability and the tribological properties of plasma-deposited iron-containing layers for cylinder liners of engine blocks.
  • the invention is based on the surprising finding that in a particularly controlled reaction of the powder used with oxygen in plasma spraying, a microstructure can be produced which has excellent properties in terms of machinability and tribology.
  • machinability e.g. the machinability
  • tribology e.g. the friction coefficients and the tendency to scuffing ("scuffing", i.e. the onset of adhesive wear) are drastically reduced.
  • the content of Fe 2 O 3 is less than 0.2% by weight.
  • the amount of oxides formed can be further influenced by mixing the air with nitrogen or oxygen. Replacing the air with pure oxygen reduces the bound level of oxygen in the layer by a factor of about two.
  • a gas amount of 40 to 200 NLPM of oxygen is added.
  • the velocity of the gas flow in the cylinder bore or sleeve during coating is 7 to 12 m / s.
  • Fe Difference to 100% by weight
  • the volume of FeO and Fe 3 O 4 can be influenced by selecting the particle size distribution.
  • the particle size of the powder is in the range of 5 to 25 microns, 10 to 45 microns or 15 to 60 microns. It can by means of an optical or electronic microscope, in particular a scanning electron microscope SEM, or determined by the laser diffraction method MICROTRAC.
  • the oxide ceramic consists of TiO 2 or Al 2 O 3 TiO 2 and / or Al 2 O 3 ZrO 2 alloy systems.
  • the proportion of oxide ceramics in the powder used is preferably 5 to 50% by weight.
  • the choice of the optimum size of the powder particles is made taking into account the tribological properties of the layers produced and the mechanical behavior of the system layer substrate.
  • the powder may also contain small amounts (0.01-0.2 wt%) of S and P.
  • the particle size of the powder was between 5 to 25 microns, and the preparation was carried out by gas atomization.
  • the velocity of the gas flow during coating of the can was 10 m / s, the amount of air for the layer cooling and powder reaction 500 NLPM (corresponding to 100 NLPM oxygen). This amount of air was supplied through a PlasmatronMech, eg a Plasmatron according to EP-B1-0 645 946 ,
  • the results of the investigations carried out show that the oxygen content in the produced layer is 3% by weight.
  • the oxygen is bound according to investigations by means of X-ray fine structure analysis under the stoichiometric formulas FeO and Fe 3 O 4 . These studies also determined that the formation of Fe 2 O 3 is below the detection limit.
  • Example 1 When using a powder of the same chemical composition as in Example 1, but with a particle size of 10 to 45 microns, and otherwise under the same boundary conditions as in Example 1, the proportion of bound oxygen in the layers produced at 2% by weight. The residual results of analysis of the layer thus applied were the same as in Example 1.
  • the particle size of the powder was between 10 to 45 microns, and the preparation was carried out by gas atomization.
  • Example 2 To the powder according to Example 2, an amount of 30% by weight of an alloyed ceramic powder consisting of 60% by weight of Al 2 O 3 and 40% by weight of TiO 2 was added.
  • the layers produced by means of this powder mixture are mechanically reinforced by the incorporation of the ceramic particles (particle size 5 to 22 ⁇ m).
  • Example 4 Analogously to Example 4, 30% by weight of an alloyed ceramic powder consisting of 80% by weight of Al 2 O 3 and 20% by weight of ZrO 2 was added. The layers produced by means of this powder mixture are mechanically reinforced by the incorporation of the ceramic particles (particle size 5 to 22 ⁇ m). The same effect as in Example 4 was achieved.
  • Fig. 1 shows a diagram showing the reduction of the friction coefficient as a function of the particle size of the powder and the mechanical behavior, namely the adhesion of the layer on AlSi substrates, depending on the particle size of the powder.
  • the coefficient of friction decreases with increasing size of the particles of the coating powder.
  • the adhesion of the layer to AISi substrates decreases as the size of the particles of the coating powder increases.
  • a good compromise with regard to the particle size to be chosen may be in the range of 25-30 ⁇ m, so that a bonding strength of the layer in the range of 45-50 MPa which is sufficient in most precipitates is to be expected, the coefficient of friction, in comparison with layers according to the State of the art, by about 22-25% less. If, however, a very high adhesive strength of the layer is sought in the first place and the reduction of the friction coefficient is rather of minor importance, one will select a coating powder with a particle size of less than 25 microns. On the other hand, if a very low coefficient of friction is sought in the first place and a slightly lower adhesive strength can be accepted, one will choose a coating powder with a particle size of more than 35 microns.
  • Fig. 2 shows a diagram showing the reduction of the friction coefficient as a function of the amount of bound oxygen in the layer and the mechanical behavior, namely the adhesion of the layer on AlSi substrates, depending on the amount of bound oxygen in the layer.
  • the friction coefficient decreases with increasing amount of bound oxygen in the layer.
  • the adhesion of the layer to AlSi substrates decreases as the amount of bound oxygen in the layer increases.
  • a good compromise with respect to the desired amount of bound oxygen in the layer can be in the range of 2-2.5% by weight, so that in most cases sufficient adhesive strength of the layer in the range of 40-50 MPa is to be expected Coefficient of friction, compared with layers according to the prior art, is about 20-25% less. But if, as already related to Fig. 1 is explained, primarily a very high adhesion of the layer is desired and the reduction of the coefficient of friction is rather of minor importance, one will strive for a coating with a proportion of bound oxygen of less than 2 wt .-%. On the other hand, if a very low coefficient of friction is desired in the first place and a slightly lower adhesive strength can be accepted, one will choose a layer with a bound oxygen content of more than 2.5% by weight.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine durch Plasmaspritzen aufgebrachte eisenhaltige Schicht für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung solcher Schichten nach dem Anspruch 6 oder 7.
  • Als klassischer Werkstoff für die Zylinderlaufflächen von Aluminium- oder Magnesium-Motorblöcken wird immer noch Gusseisen mit Lamellen- oder Vermikulargraphit, in Form von eingepressten oder eingegossenen Büchsen, verwendet.
  • Durch solche Büchsen wird jedoch zum einen die Grösse und das Gewicht des Motorblocks nachteilig beeinflusst. Zum anderen entsteht eine ungünstige Verbindung zwischen den Gusseisenbüchsen und dem aus Leichtmetall bestehenden Motorblock. Als Altemative werden auch galvanische Schichten eingesetzt. Deren Aufbringen ist jedoch kostenintensiv und zudem sind sie gegenüber Schwefel- und Ameisensäure korrosionsanfällig.
  • Weiter ist das Beschichten von Bohrungen mit Hilfe des Plasmaspritzverfahrens seit langem bekannt. Dabei können verschiedene metallische Werkstoffe aufgebracht werden. Nach dem Beschichten mittels des Plasmaspritzverfahrens werden die Schichten durch Diamanthonen auf das Endmass bearbeitet und mit der gewünschten Topographie versehen. Die Bearbeitbarkeit der Schichten und die tribologischen Eigenschaften werden durch das Mikrogefüge und die physikalischen Eigenschaften der entsprechenden Schichten massgebend beeinflusst.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Zerspanbarkeit und die tribologischen Eigenschaften von durch Plasmaspritzen aufgebrachten eisenhaltigen Schichten für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 umschriebene Schicht bzw. durch das im Kennzeichen des Anspruchs 6 oder 7 umschriebene Verfahren gelöst.
  • Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, dass bei einer besonders kontrollierten Reaktion des eingesetzten Pulvers mit Sauerstoff beim Plasmaspritzen ein Mikrogefüge erzeugt werden kann, welches bezüglich Bearbeitbarkeit und Tribologie hervorragende Eigenschaften aufweist. Insbesondere werden die Reibungskoeffizienten und die Neigung zum Scuffing ("Fressen", d. h. dem Beginn des adhäsiven Verschleisses) drastisch verringert.
  • Die erfindungsgemässen durch Plasmaspritzen eines Beschichtungspulvers aufgebrachten eisenhaltigen Schichten für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken sind dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgrössen verteilung des Pulvers im Bereich von 5-25 µm liegt, oder dass die Partikelgrößenverteilung des Pulvers im Bereich von 10-45 µm liegt oder dass die Partikelgrössenverteilung des Pulvers im Bereich von 15-60 µm liegt und dass der Gehalt an gebundenem Sauerstoff 1 bis 4 Gewichts-% beträgt und der gebundene Sauerstoff mit Eisen FeO und Fe3O4-Kristalle bildet. Für die Beschichtung kommen insbesondere in Frage:
    • die Zylinderbohrungen von Motorblöcken aus Aluminium- oder Magnesium- Legierungen oder aus Gusseisen; oder
    • die innere Zylinderwand von in Aluminium- oder Magnesium-Motorblöcke eingesetzten Gusseisenbüchsen.
  • Bevorzugte Ausführungen der durch Plasmaspritzen aufgebrachten Schichten sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 umschrieben.
  • Vorzugsweise beträgt der Gehalt an Fe2O3 weniger als 0,2 Gewichts-%. Die Menge der gebildeten Oxyde kann durch Mischen der Luft mit Stickstoff oder Sauerstoff weiter beeinflusst werden. Beim Ersetzen der Luft durch reinen Sauerstoff wird der gebundene Anteil an Sauerstoff in der Schicht um einen Faktor von etwa zwei reduziert.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Schichten ist dadurch gekennzeichnet, dass während des Plasmaspritzens eine Luftmenge von 200 bis 1000 NLPM (Normal-Liter pro Minute, d.h. bei 1 bar [= 105 Pa] und 20°C) oder eine Gasmenge mit 40 bis 200 NLPM Sauerstoff zugegeben wird. Zweckmässigerweise beträgt die Geschwindigkeit der Gasströmung in der Zylinderbohrung oder der Büchse während des Beschichtens 7 bis 12 m/s.
  • Bevorzugte Verfahren werden in den Ansprüchen 8 bis 20 beansprucht.
  • Zweckmässigerweise wird für die Beschichtung ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt:
    C = 0,4 bis 1,5 Gewichts-%
    Cr = 0,2 bis 2,5 Gewichts-%
    Mn = 0,2 bis 3 Gewichts-%
    S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
    P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%.
    Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%
  • Alternativ kann für die Beschichtung ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt werden:
    C = 0,1 bis 0,8 Gewichts-%
    Cr = 11 bis 18 Gewichts-%
    Mn = 0,1 bis 1,5 Gewichts-%
    Mo = 0,1 bis 5 Gewichts-%
    S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
    P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%.
    Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%
  • Das Volumen von FeO und Fe3O4 kann durch Auswahl der Partikelgrössenverteilung beeinflusst werden. Zweckmässigerweise liegt die Partikelgrösse des Pulvers im Bereich von 5 bis 25 µm, 10 bis 45 µm oder von 15 bis 60 µm. Sie kann mittels eines optischen oder elektronischen Mikroskops, insbesondere eines Rasterelektronenmikroskop REM, oder nach der Laserbeugungsmethode MICROTRAC bestimmt werden.
  • Zweckmässigerweise wird ein durch Gasverdüsung mit Argon oder Stickstoff erhaltenes Pulver eingesetzt.
  • Beste Resultate werden erhalten, wenn ein durch Zugabe einer tribologischen Oxydkeramik modifiziertes Pulver eingesetzt wird. Zweckmässigerweise besteht die Oxydkeramik aus TiO2 oder Al2O3TiO2- und/oder Al2O3ZrO2-Legierungssystemen. Der Anteil an Oxydkeramik im eingesetzten Pulver beträgt vorzugsweise 5 bis 50 Gewichts-%.
  • Die Wahl der optimalen Grösse der Pulverpartikel wird unter Berücksichtigung der tribologischen Eigenschaften der erzeugten Schichten und des mechanischen Verhaltens des Systemschichtsubstrates getroffen.
  • In folgenden werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Schicht anhand von Beispielen näher erläutert. In den beiliegenden Zeichnungen zeigen:
    • Fig. 1
    ein Diagramm, aus dem die Verminderung des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Partikelgrösse des Pulvers und das mechanische Verhalten (Haftfestigkeit) der Schicht auf AlSi-Substraten in Abhängigkeit von der Partikelgrösse des Pulvers hervorgeht; und
    Fig. 2
    ein Diagramm, aus dem die Verminderung des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Menge des gebundenen Sauerstoffs im Pulver und das mechanische Verhalten (Haftfestigkeit) der Schicht auf AlSi-Substraten in Abhängigkeit von der Menge des gebundenen Sauerstoffs im Pulver hervorgeht.
    Beispiel 1
  • Ein Pulver der nachstehenden Zusammensetzung wurde mit Hilfe eines Plasmatrons unter folgenden spezifischen Bedingungen auf die Lauffläche einer Zylinderbüchse aufgebracht:
    Pulver:
    C = 1,1 Gewichts-%
    Cr = 1,5 Gewichts-%
    Mn = 1,5 Gewichts-%
    Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%.
    Gegebenenfalls kann das Pulver auch geringe Mengen (0.01 - 0.2 Gew.-%) von S und P enthalten.
  • Die Partikelgrösse des Pulvers betrug zwischen 5 bis 25 µm, und die Herstellung erfolgte durch Gasverdüsen.
  • Die Geschwindigkeit der Gasströmung während des Beschichtens der Büchse betrug 10 m/s, die Luftmenge für die Schichtkühlung und Pulverreaktion 500 NLPM (entsprechend 100 NLPM Sauerstoff). Diese Luftmenge wurde durch einen Plasmatronkörper zugeführt, z.B. ein Plasmatron gemäss EP-B1-0 645 946 .
  • Die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass der Sauerstoffgehalt in der erzeugten Schicht bei 3 Gewichts-% liegt. Der Sauerstoff ist gemäss Untersuchungen mittels Röntgenfeinstrukturanalyse unter den stöchiometrischen Formeln FeO und Fe3O4 gebunden. Durch diese Untersuchungen wurde auch festgestellt, dass die Bildung von Fe2O3 unterhalb der Nachweisgrenze liegt.
  • Die nach der anschliessenden Bearbeitung der erzeugten Schichten durch Diamanthonen durchgeführten Motorversuche haben gezeigt, dass die Reibungskoeffizienten zwischen Kolbenring und Zylinderwandung im Vergleich zu klassischen Gusseisenbüchsen mit Lamellengraphit deutlich reduziert sind.
    • Beispiel 2
  • Bei Verwendung eines Pulvers gleicher chemischer Zusammensetzung wie in Beispiel 1, jedoch mit einer Partikelgrösse von 10 bis 45 µm, und im übrigen unter denselben Randbedingungen wie im Beispiel 1, liegt der Anteil an gebundenem Sauerstoff in den erzeugten Schichten bei 2 Gewichts-%. Die restlichen Ergebnisse einer Analyse der so aufgebrachten Schicht waren gleich wie im Beispiel 1.
  • Die durchgeführten Untersuchungen zeigen im Motortest ähnlich günstige Ergebnisse, wobei die Reduktion der Reibungskoeffizienten im Zusammenhang mit dem Anteil an gebundenem Sauerstoff steht.
    • Beispiel 3
  • Für Motoren, die durch Verbrennung von schwefelhaltigen Kraftstoffen oder von Methanol, bei Temperaturen unter dem Taupunkt bei den herrschenden Bedingungen, korrosionsgefährdet sind, wurde die Beschichtung unter den Bedingungen gemäss Beispiel 1 mit folgendem Pulver vorgenommen:
    Pulver:
    C = 0,4 Gewichts-%
    Cr = 13 Gewichts-%
    Mn = 1,5 Gewichts-%
    Mo = 2 Gewichts-%
    Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%
    Gegebenenfalls kann das Pulver auch geringe Mengen (0.01 - 0.2 Gew.-%) von S und P enthalten.
  • Die Partikelgrösse des Pulvers betrug zwischen 10 bis 45 µm, und die Herstellung erfolgte durch Gasverdüsen.
  • Die Versuche, die mit einem mit einer derartigen Zylinderlauffläche versehenen Verbrennungsmotor durchgeführt wurden, haben im wesentlichen zu denselben Ergebnissen wie in Beispielen 1 und 2 erwähnt geführt.
    • Beispiel 4
  • Dem Pulver gemäss Beispiel 2 wurde eine Menge von 30 Gewichts-% eines legierten Keramikpulvers, bestehend aus 60 Gewichts-% Al2O3 und 40 Gewichts-% TiO2, zugegeben. Die mittels dieser Pulvermischung erzeugten Schichten sind durch die Einlagerung der Keramikpartikel (Partikelgrösse 5 bis 22 µm) mechanisch verstärkt.
    • Beispiel 5
  • Analog zu Beispiel 4 wurden 30 Gewichts-% eines legierten Keramikpulvers, bestehend aus 80 Gewichts-% Al2O3 und 20 Gewichts-% ZrO2, zugegeben. Die mittels dieser Pulvermischung erzeugten Schichten sind durch die Einlagerung der Keramikpartikel (Partikelgrösse 5 bis 22 µm) mechanisch verstärkt. Dabei wurde derselbe Effekt wie in Beispiel 4 erzielt.
  • Fig. 1 zeigt ein Diagramm, aus dem die Verminderung des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Partikelgrösse des Pulvers und das mechanische Verhalten, namentlich die Haftfestigkeit der Schicht auf AlSi-Substraten, in Abhängigkeit von der Partikelgrösse des Pulvers hervorgeht. Aus dem Diagramm ist einerseits klar ersichtlich, dass sich der Reibungskoeffizient mit zunehmender Grösse der Partikel des Beschichtungspulvers vermindert. Andererseits wird deutlich, dass die Haftfestigkeit der Schicht auf AISi-Substraten abnimmt, wenn die Grösse der Partikel des Beschichtungspulvers zunimmt. Ein guter Kompromiss bezüglich der zu wählenden Partikelgrösse kann im Bereich von 25-30 µm liegen, sodass mit einer in den meisten Fällenden ausreichenden Haftfestigkeit der Schicht im Bereich von 45-50 MPa zu rechnen ist, wobei der Reibungskoeffizient, im Vergleich mit Schichten gemäss dem Stand der Technik, um ca. 22-25% geringer ist. Wenn aber in erster Linie eine ausgesprochen hohe Haftfestigkeit der Schicht angestrebt wird und die Verminderung des Reibungskoeffizienten eher von untergeordneter Bedeutung ist, wird man ein Beschichtungspulver mit einer Partikelgrösse von weniger als 25 µm wählen. Andererseits, wenn in erster Linie ein ausgesprochen geringer Reibungskoeffizient angestrebt wird und eine etwas geringere Haftfestigkeit in Kauf genommen werden kann, wird man ein Beschichtungspulver mit einer Partikelgrösse von mehr als 35 µm wählen.
  • Fig. 2 zeigt ein Diagramm, aus dem die Verminderung des Reibungskoeffizienten in Abhängigkeit von der Menge des gebundenen Sauerstoffs in der Schicht und das mechanische Verhalten, namentlich die Haftfestigkeit der Schicht auf AlSi-Substraten, in Abhängigkeit von der Menge des gebundenen Sauerstoffs in der Schicht hervorgeht. Aus dem Diagramm ist einerseits klar ersichtlich, dass sich der Reibungskoeffizient mit zunehmender Menge des gebundenen Sauerstoffs in der Schicht vermindert. Andererseits wird deutlich, dass die Haftfestigkeit der Schicht auf AlSi-Substraten abnimmt, wenn die Menge des gebundenen Sauerstoffs in der Schicht zunimmt. Ein guter Kompromiss bezüglich der anzustrebenden Menge an gebundenem Sauerstoff in der Schicht kann im Bereich von 2-2.5 Gew.-% liegen, sodass mit einer in den meisten Fällen ausreichenden Haftfestigkeit der Schicht im Bereich von 40-50 MPa zu rechnen ist, wobei der Reibungskoeffizient, im Vergleich mit Schichten gemäss dem Stand der Technik, um ca. 20-25% geringer ist. Wenn aber, wie bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert, in erster Linie eine ausgesprochen hohe Haftfestigkeit der Schicht angestrebt wird und die Verminderung des Reibungskoeffizienten eher von untergeordneter Bedeutung ist, wird man eine Beschichtung mit einem Anteil an gebundenem Sauerstoff von weniger als 2 Gew.-% anstreben. Andererseits, wenn in erster Linie ein ausgesprochen geringer Reibungskoeffizient angestrebt wird und eine etwas geringere Haftfestigkeit in Kauf genommen werden kann, wird man eine Schicht mit einem Anteil an gebundenem Sauerstoff von mehr als 2.5 Gew.-% wählen.

Claims (24)

  1. Durch Plasmaspritzen eines Beschichtungspulvers aufgebrachte eisenhaltige Schicht für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgrössenverteilung des Pulvers im Bereich von 5 bis 25 µm liegt, oder dass die Partikelgrössenverteilung des Pulvers im Bereich von 10 bis 45 µm liegt, oder dass die Partikelgrössenverteilung des Pulvers im Bereich von 15 bis 60 µm liegt, und der Gehalt an gebundenem Sauerstoff 1 bis 4 Gewichts-% beträgt und der gebundene Sauerstoff mit Eisen FeO- und Fe3O4-Kristall bildet.
  2. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Fe2O3 weniger als 0,2 Gewichts-% beträgt.
  3. Schicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat für die aufzutragende Schicht der aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung oder aus Gusseisen bestehende Motorblock selbst ist.
  4. Schicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat für die aufzutragende Schicht eine in einen Motorblock aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung eingesetzte Büchse aus Gusseisen ist.
  5. Schicht nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen mit Lamellen- oder Vermikulargraphit versetzt ist.
  6. Verfahren zur Herstellung einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten eisenhaltigen Schicht für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei der Gehalt an gebundenem Sauerstoff 1 bis 4 Gewichts-% beträgt und der gebundene Sauerstoff mit Eisen FeO- und Fe3O4-Kristalle bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial in Pulverform zugeführt und während des Plasmaspritzens eine Luftmenge von 200 bis 1000 NLPM zugegeben wird.
  7. Verfahren zur Herstellung einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten eisenhaltigen Schicht für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei der Gehalt an gebundenem Sauerstoff 1 bis 4 Gewichts-% beträgt und der gebundene Sauerstoff mit Eisen FeO- und Fe3O4-Kristalle bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungsmaterial in Pulverform zugeführt und während des Plasmaspritzens eine Gasmenge mit 40 bis 200 NLPM Sauerstoff zugegeben wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Fe2O3 weniger als 0,2 Gewichts-% beträgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat für die aufzutragende Schicht der aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung oder aus Gusseisen bestehende Motorblock selbst ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat für die aufzutragende Schicht eine in einen Motorblock aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung eingesetzte Büchse aus Gusseisen ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen mit Lamellen- oder Vermikulargraphit versetzt ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass während des Plasmaspritzens reiner Sauerstoff zugegeben wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit der Gasströmung innerhalb der zu beschichtenden Zylinderbohrung bzw. Büchse während des Beschichtens 7 bis 12 m/s beträgt.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt wird:
    C = 0,4 bis 1,5 Gewichts-%
    Cr = 0,2 bis 2,5 Gewichts-%
    Mn = 0,2 bis 3 Gewichts-%
    Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Beschichtung ein gasverdüstes Pulver folgender chemischer Zusammensetzung eingesetzt wird:
    C = 0,1 bis 0,8 Gewichts-%
    Cr = 11 bis 18 Gewichts-%
    Mn = 0,1 bis 1,5 Gewichts-%
    Mo = 0,1 bis 5 Gewichts-%
    Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%
  16. Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Pulver zusätzlich enthält:
    S = 0,01 bis 0,2 Gewichts-%
    P = 0,01 bis 0,1 Gewichts-%
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen von FeO und Fe3O4 durch Auswahl der Partikeigrössenverteilung beeinflusst wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgrösse des Pulvers im Bereich von 5 bis 25µm liegt.
  19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgrösse des Pulvers im Bereich von 10 bis 45µm liegt.
  20. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelgrösse des Pulvers im Bereich von 15 bis 60µm liegt.
  21. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Gasverdüsung mit Argon oder Stickstoff erhaltenes Pulver eingesetzt wird.
  22. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass ein durch Zugabe einer tribologischen Oxydkeramik modifiziertes Pulver eingesetzt wird.
  23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oxydkeramik, welche aus TiO2 oder aus Al2O3TiO2- und /oder Al2O3ZrO2- Legierungssystemen besteht, eingesetzt wird.
  24. Verfahren nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Oxydkeramik im eingesetzten Pulver 5 bis 50 Gewichts-% beträgt.
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