DE19708402C1 - Verschleißfeste Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine sowie Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste, Hartstoff­ teilchen enthaltende Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zur Her­ stellung einer solchen Schicht.

In der Automobilindustrie werden leichte Werkstoffe als Basis­ material für Motorblöcke eingesetzt, um das Kraftfahrzeugge­ samtgewicht zu verringern und damit die Kraftstoffausnutzung zu verbessern. Die Verwendung derartiger Materialien, z. B. Alumi­ nium oder Magnesium sowie deren jeweilige Legierungen für Auto­ mobilkomponenten, wie Zylinderblöcke, Kolbenringe und Zylinder­ köpfe, erfordert, daß die Flächen, die einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind, mit einer verschleißfesten Schicht versehen werden.

Aus der DE 42 44 502 C1 und der DE 44 34 576 A1 sind gegossene Zylin­ derblöcke aus einer untereutektischen Aluminium-Silicium- Legierung für Verbrennungskraftmaschinen bekannt, die Zylinder­ laufbuchsen aus einer Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an Siliciumcarbid- bzw. Siliciumpartikeln mit einer Korngröße zwi­ schen 20 und 60 µm bzw. 15 bis 80 µm aufweisen.

Eine solche Zylinderlaufbuchse weist eine Wandstärke von mehre­ ren Millimetern auf. Da sich das Aluminium abnutzt, entstehen zwischen den harten Silicium- bzw. Siliciumcarbidpartikeln Ver­ tiefungen, die Öltaschen bilden. Das Öl in den Öltaschen wird mitverbrannt und führt zu einer Verschlechterung der Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine. Darüberhinaus lassen die tribo­ logischen Eigenschaften der bekannten Zylinderlaufflächen zu wünschen übrig. Auch kann ein Festfressen der Kolben auftreten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verschleißfeste Schicht für Leichtmetall-Bauteile von Verbrennungskraftmaschinen bereitzu­ stellen, die zu einer deutlichen Verbesserung der Umweltver­ träglichkeit der Verbrennungskraftmaschine führt.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

In den Ansprüchen 2 bis 10 sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Schicht angegeben. Der Anspruch 11 hat ein vorteilhaftes Ver­ fahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schicht zum Gegen­ stand. Das erfindungsgemäße Verfahren wird durch die Ansprüche 12 und 13 in vorteilhafter Weise weiter ausgebildet.

Erfindungsgemäß werden die Hartstoffpartikel der verschleißfe­ sten Schicht durch extrem feine Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 100 Nanometer, insbesondere weni­ ger als 30 Nanometer gebildet. Wie festgestellt werden konnte, besitzen derart feine Teilchen in einer solchen Schicht völlig neue tribologische Eigenschaften. D. h., sie besitzen beispiels­ weise eine wesentlich größere Härte, Festigkeit und Duktilität als Teilchen des gleichen Hartstoffs, jedoch mit einer um eine oder mehrere Größenordnungen größeren Korngröße im µm-Bereich.

Dies dürfte daran liegen, daß derart kleine Teilchen eine nahe­ zu ideale Kristallstruktur aufweisen. D. h., sie besitzen keine Kristallfehlstellen oder gar Korngrenzen. Aufgrund ihrer Größe, Kristallstruktur und den daraus resultierenden neuen tribologi­ schen Eigenschaften werden diese Partikel im vorliegenden Zu­ sammenhang als nanokristalline Partikel bezeichnet.

Die erfindungsgemäße Schicht kann ausschließlich aus solchen nanokristallinen Partikeln bestehen. Im allgemeinen sind die nanokristallinen Partikel jedoch in eine Metallmatrix eingebet­ tet oder zumindest durch ein Bindemittel miteinander verbunden. Das Metall der Metallmatrix oder das Bindemittel kann seiner­ seits ein Leichtmetall sein. Die Konzentration der nanokri­ stallinen Partikel in der Schicht beträgt vorzugsweise minde­ stens 5, insbesondere mindestens 10 Vol.-%. Im allgemeinen liegt die Konzentration bei 20 bis 50 Vol.-%. Die Konzentration kann zur freien Oberfläche der Schicht hin zunehmen.

Durch die enorme Härte, Festigkeit und Duktilität der nanokri­ stallinen Partikel kann die erfindungsgemäße Schicht, also bei­ spielsweise die Zylinderlaufbuchse extrem dünn ausgebildet wer­ den. Dadurch kann das Bauvolumen und das Gewicht der Verbren­ nungskraftmaschine wesentlich verringert und damit der Kraft­ stoffverbrauch gesenkt werden. Die extrem kleinen monokri­ stallinen Partikel führen zu einer entsprechend geringen Rau­ higkeit der Zylinderlauffläche. Dadurch werden entsprechend flache Öltaschen gebildet und damit neben einer Reduzierung des Ölverbrauchs die Abgaswerte der Verbrennungskraftmaschine we­ sentlich verbessert.

Durch den geringerer, Kraftstoff- und Ölverbrauch sowie durch die wesentlich verbesserten Abgaswerte leistet die erfindungs­ gemäße Schicht einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Umweltverträglichkeit von Verbrennungskraftmaschinen.

Das Festfressen der Kolben einer Verbrennungskraftmaschine ist insbesondere auf das Herausbrechen von Teilen aus der Zylinder­ lauffläche oder den Kolbenringer zurückzuführen. Da die mono­ kristallinen Partikel der erfindungsgemäßen Schicht extrem klein sind, hat das Herausbrechen einzelner Partikel auf die Gleiteigenschaften keinen Einfluß, so daß auch ein Festfressen der Kolben sicher verhindert ist.

Gegenüber größerer Teilchen neigen nanokristalline Partikel durch Van-der-Waals-Kräfte zu einer Teilchenagglomeration und zur Belegung der freien Oberfläche mit Fremdatomen, insbesonde­ re Sauerstoff. Um dies zu verhindern, wird die Verarbeitung der nanokristallinen Partikel vorzugsweise im Vakuum vorgenommen.

Auf die Verarbeitung im Vakuum kann jedoch verzichtet werden, wenn Sekundärpulverteilchen mit einer Teilchengröße von einigen µm, die aus nanokristallinen Teilchen erzeugt werden und auf ihrer äußeren Oberfläche gasdicht gegenüber dem Umgebungsmedium versiegelt sind, verwendet werden, die unter den üblichen Be­ dingungen des thermischen Spritzens zu haftfesten, tragenden Schichten mit tribologischen Eigenschaften führen.

Um ein ungewolltes Kornwachstum auszuschließen, wird die Wärme­ einwirkung beim thermischen Spritzen möglichst gering gehalten und als Spritzpulver eine Mischung verwendet, in der jedes nanokristalline Hartstoffkorn möglichst weitgehend von Körnern eines anderen Stoffes, insbesondere des Metalls, in das die nanokristallinen Hartstoffpartikel der Schicht eingebettet sind, umgeben ist. Die Metallkörner für die Matrix können ih­ rerseits eine mittlere Teilchengröße von weniger als 100, vor­ zugsweise weniger als 30 Nanometer, aufweisen. Durch die Me­ tallkörner wird das Zusammenwachsen von nanokristallinen Hart­ stoffteilchen in der Spritzschicht unterbunden.

Das Leichtmetall, aus dem das Bauteil der Verbrennungskraftma­ schine besteht, welches mit der erfindungsgemäßen verschleißfe­ sten Schicht versehen wird, kann, insbesondere Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Magnesium oder eine Magnesiumlegierung sein.

Die erfindungsgemäße Schicht wird insbesondere für die Zylin­ derlaufbuchsen des Zylinderblocks einer Verbrennungskraftma­ schine verwendet. Ein solcher Zylinderblock wird vorzugsweise aus einer untereutektischen Aluminium-Siliciumlegierung gegos­ sen.

Die nanokristallinen Hartstoffpartikel können beispielsweise aus Silicium, Germanium, Bor oder Kohlenstoff in Diamantform bestehen. Sie können ferner durch ein Metall der Gruppe IVb des Periodensystems, also z. B. Titan, Zirkonium oder Hafnium, der Gruppe Vb, also z. B. Vanadin, Niob oder Tantal, oder der Gruppe VIb, also z. B. Chrom, Molybdän oder Wolfram, gebildet sein. Weiterhin können die nanokristallinen Partikel aus einem Oxid, Nitrid, Borid, Carbid oder Silicid von Silicium, Germanium, Bor oder Kohlenstoff gebildet sein, oder aus einem Oxid, Nitrid, Borid, Carbid oder Silicid der erwähnten Metalle der Gruppen IVb, Vb und VIb des Periodensystems. Weiterhin können die nano­ kristallinen Hartstoffpartikel beispielsweise aus dem Oxid, Ni­ trid, Borid, Carbid oder Silicid von Magnesium, Aluminium, Yt­ trium, Mangan oder Kupfer oder einem Metall der Gruppe VIIIb, beispielsweise Eisen, Cobalt, Nickel oder Palladium sein. Die nanokristallinen Partikel können ferner aus Gemischen oder Mischkristallen der erwähnten Elemente, Metalle und Verbindun­ gen bestehen.

Die erfindungsgemäße Schicht wird insbesondere durch thermi­ sches Spritzen der nanokristallinen Partikel, gegebenenfalls zusammen mit den die Metallmatrix oder das Bindemetall bilden­ den Partikeln hergestellt. Zum thermischen Spritzen wird vor­ zugsweise das Hochgeschwindigkeits-Plasma-Spritzen angewendet. Die erfindungsgemäße Schicht kann jedoch auch durch ein physi­ kalisches Dampfabscheidungsverfahren (PVD), also z. B. durch Sputtern oder Vakuumbedampfung, aufgebracht werden.

Die erfindungsgemäße Schicht wird vorzugsweise als Zylinder­ laufbuchse in Kolbenmaschinen mit einem gegossenen Zylinder­ block aus untereutektischer Aluminium-Silicium-Legierung ver­ wendet. Sie kann jedoch auch zum Beschichten der Kolbenringe von Verbrennungsmaschinen sowie anderer Bauteile von Verbren­ nungsmaschinen verwendet werden, die einer hohen Verschleißbe­ anspruchung ausgesetzt sind, z. B. den Ventilsitzen des Zylin­ derkopfes.

Nachstehend ist ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinder­ blocks nach dem erfindungsgemäßen Verfahren anhand der Zeich­ nung beispielsweise beschrieben, deren einzige Figur schema­ tisch eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zeigt.

Danach sind an einer Halteeinrichtung 1 vier zylindrische Kerne 2 bis 5 befestigt, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der herzustellenden Zylinderlaufbuchse entspricht. Auf die Kerne 2 bis 5 ist durch thermisches Spritzen jeweils eine Schicht 6 aufgebracht, die aus einer Metallmatrix besteht, in die die nanokristallinen Partikel eingelagert sind.

Die Kerne 2 bis 5 mit der Beschichtung 6 sind in einer Gießform zum Gießen des Zylinderblocks angeordnet. Nach dem Gießen in der Gießform 7 z. B. mit einer untereutektischen Aluminium- Silicium-Legierung wird nach Erstarren und Abkühlen der Gußle­ gierung die Halteeinrichtung 1 mit den Kernen 2 bis 5 aus der Gießform 7 gezogen, wodurch die in den Zylinderblock eingegos­ senen Schichten 6 die Laufbuchsen bilden.

Claims (13)

1. Verschleißfeste, Hartstoffteilchen enthaltende Schicht für Leichtmetallbauteile einer Verbrennungskraftmaschine, da­ durch gekennzeichnet, daß die Hartstoffteilchen durch nano­ kristalline Partikel mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 100 Nanometer gebildet sind.

2. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nanokristallinen Partikel eine mittlere Teilchengröße von höchstens 30 Nanometer aufweisen.

3. Schicht nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nanokristallinen Partikel der Schicht in eine Metallma­ trix eingebettet sind.

4. Schicht nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der nanokristallinen Partikel in der Schicht wenig­ stens 5 Vol.-% beträgt.

5. Schicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt der nanokristallinen Partikel in der Schicht von dem Bauteil zur freien Oberfläche der Schicht zunimmt.

6. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Leichtmetall-Aluminium, eine Aluminiumlegierung, Magnesium oder eine Magnesiumlegierung ist.

7. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die nanokristallinen Partikel aus Silicium, Germanium, Kohlen­ stoff oder Bor oder einem Metall der Gruppe IVb, Vb oder VIb oder einem Oxid, Nitrid, Borid, Carbid oder Silicid dieser Elemente oder dieser Metalle oder von Magnesium, Aluminium, Yttrium, Mangan oder Kupfer oder einem Metall der Gruppe VIIIb sowie einem Gemisch oder Mischkristallen davon besteht.

8. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf der Lauffläche einer Zylinderlaufbuchse eines Zylinderblocks aufgetragen ist.

9. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mit der Schicht versehene Bauteil der Kolbenring ist.

10. Schicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auf den Oberflächen der in einem Zylinderkopf ausgebildeten Brennräumen aufgetragen ist.

11. Verfahren zur Herstellung der Schicht nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht durch thermisches Spritzen der nanokristalli­ nen Partikel gebildet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die nanokristallinen Partikel mit beim thermischen Spritzen schmelzenden Metallpartikeln bedeckt sind.

13. Verfahren zur Herstellung der Lauffläche einer Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine die nanokristalline Partikel enthaltende Schicht auf zylindrische Kerne aufgebracht wird, deren Durchmesser dem Innendurchmesser der Zylinderlaufbuchse entspricht, wobei die mit der Schicht versehenen Kerne in der Gießform für den Zylinderblock angeordnet und nach dem Gießen aus der Gießform entfernt werden.