DE19708402C1 - Wear resistant layer containing nanocrystalline hard material particles - Google Patents
Wear resistant layer containing nanocrystalline hard material particlesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine verschleißfeste, Hartstoff teilchen enthaltende Schicht für Leichtmetall-Bauteile einer Verbrennungskraftmaschine und ein Verfahren zur Her stellung einer solchen Schicht.The invention relates to a wear-resistant, hard material Particle-containing layer for light metal components Internal combustion engine and a method of manufacture position of such a layer.
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.In the automotive industry, light materials are the basis Material used for engine blocks to the Fahrzeugge to reduce total weight and thus fuel economy improve. The use of such materials, e.g. B. Alumi nium or magnesium and their respective alloys for cars mobile components such as cylinder blocks, piston rings and cylinders heads, requires surfaces that are subject to high wear are exposed to a wear-resistant layer will.
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.From DE 42 44 502 C1 and DE 44 34 576 A1 are cast cylin blocks from a hypoeutectic aluminum-silicon Alloy known for internal combustion engines, the cylinders Aluminum alloy liners containing Silicon carbide or silicon particles with a grain size between 20 and 60 µm or 15 to 80 µm.
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.Such a cylinder liner has a wall thickness of several millimeters. As the aluminum wears out, it is created between the hard silicon or silicon carbide particles Ver depressions that form oil pockets. The oil in the oil pockets will co-burns and leads to a deterioration of the exhaust gas values the internal combustion engine. In addition, the tribo logical properties of the known cylinder surfaces wish left. The pistons may also seize.
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.The object of the invention is to provide a wear-resistant layer Light metal components of internal combustion engines ready make a significant improvement in environmental ver inertia of the internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is performed in a generic device with the characteristic features of claim 1 solved.
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.In claims 2 to 10 are advantageous embodiments of the invention Layer specified. Claim 11 has an advantageous Ver go to the manufacture of the layer according to the invention to the contrary was standing. The method according to the invention is defined by the claims 12 and 13 further developed in an advantageous manner.
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.According to the hard particles of wear Most layer by extremely fine particles with a medium Particle size of less than 100 nanometers, especially less formed less than 30 nanometers. As could be seen have such fine particles in such a layer completely new tribological properties. That is, they have, for example have a much greater hardness, strength and ductility as particles of the same hard material, but with one by one or several orders of magnitude larger grain size in the µm range.
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.This should be because such small particles are close to have ideal crystal structure. That is, they don't have any Crystal defects or even grain boundaries. Because of their size, Crystal structure and the resulting new tribologi These particles become properties in the present context referred to as nanocrystalline particles.
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.The layer according to the invention can consist exclusively of such nanocrystalline particles exist. Generally they are however, nanocrystalline particles are embedded in a metal matrix tet or at least connected to each other by a binder. The metal of the metal matrix or the binder can be his be a light metal. The concentration of nanokri stallinen particles in the layer is preferably at least at least 5, in particular at least 10% by volume. In general the concentration is 20 to 50 vol .-%. The concentration can increase towards the free surface of the layer.
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.Due to the enormous hardness, strength and ductility of the nanokri The layer according to the invention, ie at for example, the cylinder liner is made extremely thin the. This can reduce the volume and weight of the burns engine significantly reduced and thus the power material consumption can be reduced. The extremely small monokri stalline particles lead to a correspondingly low roughness ability of the cylinder tread. This will be appropriate flat oil pockets formed and thus in addition to a reduction in Oil consumption the exhaust gas values of the internal combustion engine considerably improved.
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.By the lower, fuel and oil consumption as well as by the invention significantly improves the exhaust gas values appropriate layer to make a significant contribution to the improvement of Environmental compatibility of internal combustion engines.
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.The piston of an internal combustion engine is seized especially on the breaking out of parts from the cylinder tread or the piston ring. Since the mono extreme crystalline particles of the layer according to the invention are small, has the breaking out of individual particles on the Sliding properties have no influence, so that even seizing the piston is safely prevented.
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.Compared to larger particles, nanocrystalline particles tend by van der Waals forces to a particle agglomeration and to cover the free surface with foreign atoms, in particular re oxygen. To prevent this, the processing of the nanocrystalline particles preferably made in a vacuum.
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.However, processing in a vacuum can be dispensed with, if secondary powder particles with a particle size of some µm, which are produced from nanocrystalline particles and on its outer surface gas-tight to the surrounding medium sealed, used under the usual loading conditions of thermal spraying to firm, load-bearing Lead layers with tribological properties.
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.To prevent unwanted grain growth, the heat exposure to thermal spraying is kept as low as possible and used as a wettable powder mixture in which each nanocrystalline hard material grain as far as possible from grains of another substance, in particular the metal in which the nanocrystalline hard material particles of the layer embedded are surrounded. The metal grains for the matrix can ih on the other hand, an average particle size of less than 100 preferably less than 30 nanometers. By the me The coalescence of nanocrystalline hard becomes tall grains particles in the spray layer prevented.
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.The light metal from which the component of the internal combustion engine Machine exists, which wear with the invention Most layer is provided, in particular aluminum, a Aluminum alloy, magnesium or a magnesium alloy be.
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.The layer according to the invention is used in particular for the cylinder the liners of the cylinder block of an internal combustion engine machine used. Such a cylinder block is preferred cast from a hypoeutectic aluminum-silicon alloy 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.The nanocrystalline hard material particles can, for example made of silicon, germanium, boron or carbon in diamond form consist. You can also by a metal of group IVb of Periodic table, e.g. As titanium, zirconium or hafnium, the Group Vb, e.g. B. vanadium, niobium or tantalum, or the group VIb, i.e. B. chromium, molybdenum or tungsten. Furthermore, the nanocrystalline particles made of an oxide, Nitride, boride, carbide or silicide of silicon, germanium, boron or carbon, or an oxide, nitride, Boride, carbide or silicide of the metals mentioned in the groups IVb, Vb and VIb of the periodic table. Furthermore, the nano crystalline hard material particles, for example from the oxide, Ni trid, boride, carbide or silicide of magnesium, aluminum, yt trium, manganese or copper or a Group VIIIb metal, for example iron, cobalt, nickel or palladium. The Nanocrystalline particles can also from mixtures or Mixed crystals of the elements, metals and compounds mentioned conditions exist.
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.The layer according to the invention is in particular by thermi spraying the nanocrystalline particles, if appropriate together with which form the metal matrix or the binding metal the particles made. For thermal spraying is before preferably the high-speed plasma spraying applied. However, the layer according to the invention can also be produced by a physi Kalische Dampfabscheidungsverfahren (PVD), so z. B. by Sputtering or vacuum evaporation.
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.The layer according to the invention is preferably used as a cylinder Liner in piston machines with a cast cylinder block of hypoeutectic aluminum-silicon alloy ver turns. However, it can also be used to coat the piston rings of internal combustion engines and other components of combustion machines that are subject to high wear and tear are exposed to stress, e.g. B. the valve seats of the 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. Below is a method of manufacturing a cylinder blocks according to the method according to the invention using the drawing Example described, whose only figure scheme table shows an arrangement for performing this method.
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.Thereafter, four cylindrical cores 2 to 5 are fastened to a holding device 1 , the diameter of which corresponds to the inside diameter of the cylinder liner to be produced. A layer 6 , which consists of a metal matrix in which the nanocrystalline particles are embedded, is applied to the cores 2 to 5 by thermal spraying.
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.The cores 2 to 5 with the coating 6 are arranged in a casting mold for casting the cylinder block. After casting in the mold 7 z. B. with a hypoeutectic aluminum-silicon alloy after solidification and cooling of the Gußle alloy, the holding device 1 with the cores 2 to 5 is pulled out of the mold 7 , whereby the layers 6 poured into the cylinder block form the liners.
Claims (13)
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
8100 | Publication of the examined application without publication of unexamined application | ||
D1 | Grant (no unexamined application published) patent law 81 | ||
8363 | Opposition against the patent | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 8099 |
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8330 | Complete disclaimer |