DE10036262A1 - Oberflächenschicht und Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht - Google Patents

Oberflächenschicht und Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschicht, die aus mehreren Schichten aufgebaut ist, wovon eine Schicht eine keramische verschleißfeste Schicht ist und eine andere Schicht eine Übergangsschicht zu einem metallischen Trägerelement ist. Die Übergangsschicht setzt sich aus intermetallischen Phasen zusammen und wird durch eine Reaktion aus den Materialien des Trägerelementes und der keramischen Schicht gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Oberflächenschicht nach dem Patent­ anspruch 1 und ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächen­ schicht nach Patentanspruch 6.
Aus der DE 197 50 599 A1 ist ein Konstruktionselement bekannt, das eine Al2O3-haltige Oberflächenschicht umfasst, die von hochtemperaturbeständigen Aluminiden durchzogen ist. Zur Her­ stellung eines derartigen Konstruktionselementes wird ein gesinterter, poröser keramischer Körper in eine Druckgußform eingelegt und unter Druck mit Aluminium infiltriert. Während des Infiltrieren reagiert der keramische Körper mit dem Alumi­ nium, wobei die genannten Aluminide gebildet werden. Das Kon­ struktionselement füllt in der Regel nur Teile des Bauteils aus, weshalb das Bauteil teilweise aus Aluminium und teilweise, insbesondere an den tribologisch belasteten Bauteilbereichen aus dem genannten Konstruktionselement besteht.
Zur Herstellung des Konstruktionselementes nach der DE 197 50 599 A1 muss in aufwendiger Weise ein keramischer Körper ge­ formt, gesintert und bearbeitet werden, bevor er im Druckguß mit Aluminium infiltriert wird. Des Weiteren besteht ein dis­ kreter Übergang zwischen dem Konstruktionselement und dem rest­ lichen Bauteil, das als Trägerelement fungiert, was die Haftung zwischen den genannten Elementen negativ beeinflusst.
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine gegen­ über dem Stand der Technik kostengünstigere Oberflächenschicht bereitzustellen, bei der zudem die Haftung zwischen der Ober­ flächenschicht und einem Trägerelement zu verbessert ist.
Die Aufgabe wird durch eine Oberflächenschicht nach Patentan­ spruch 1 und durch ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflä­ chenschicht nach Patentanspruch 6 gelöst.
Die erfindungsgemäße Oberflächenschicht nach Patentanspruch 1 besteht aus mindestens zwei Teilschichten auf einem metalli­ schen Trägerelement. Dabei ist eine, der Oberfläche zugewandte Schicht im Wesentlichen eine keramische Schicht, eine dem Trä­ germaterial zugewandte Schicht (Übergangsschicht) enthält hin­ gegen intermetallische Phasen. Diese sind aus dem Metall des Trägerelements und einem, in der keramischen Schicht chemisch gebundenen Metall zusammengesetzt. Die keramische Schicht über­ nimmt als funktionale Schicht die Aufgabe des Verschleißschut­ zes oder der Wärmedämmung für das Trägerelement. Die Übergangs­ schicht setzt sich in Form einer chemischen Bindung aus Mate­ rialien des Trägerelements und Materialien der keramischen Schicht zusammen. Auf Grund der chemischen Bindung ist demnach zwischen der keramischen Schicht und dem Trägerelement eine sehr gute Haftung gewährleistet, was insbesondere bei einer Verschleißbeanspruchung der Oberflächenschicht von Bedeutung ist. Die erfindungsgemäße Oberflächenschicht dient als Ver­ schleißschutzschicht und/oder als Wärmedämmschicht für tribolo­ gisch und thermisch hochbelastete Metallbauteile, insbesondere im Antriebsstrang von Automobilen, z. B. in einem Zylinderkur­ belgehäuse, in einem Zylinderkopf, an Kolben oder in einem Ge­ triebegehäuse. Ebenfalls kann die erfindungsgemäße Oberflächenschicht bei Reibpaarungen, wie z. B. bei Bremsein­ heiten Verwendung finden.
Eine besonders gute chemische Bindung zwischen der keramischen Schicht und dem Trägermaterial stellt sich ein, wenn die kera­ mische Schicht aus einer oxidischen Keramik besteht, die durch das Metall des Trägerelements reduzierbar ist. Sehr gut geeig­ net sind insbesondere das Titandioxid (TiO2) und das Siliziumdioxid (SiO2). In diesem Fall bilden sich bevorzugt intermetal­ lische Phasen nach dem Reaktionsschema
MeKO + MeT → MeKMeT + MeTO Gl. 1
aus. Hierbei steht MeK für das chemisch gebundene Metall der keramischen Schicht, O für Sauerstoff und MeT für das Metall des Trägerelements. Es ist hierbei möglich, dass das Material der keramischen Schicht ein Mischoxid ist, das mehrere Metalle nach der Art MeK1MeK2O (z. B. Spinelle, Ilmenit oder Silikate) enthält. Stöchiometriekoeffizienten sind in den schematischen Angaben für chemische Verbindungen und Reaktionen nicht berück­ sichtigt (Anspruch 2).
Besonders bevorzugt besteht die keramische Schicht aus den Oxi­ den des Titans oder des Siliziums oder Mischungen hieraus. Die hierbei gebildeten intermetallischen Phasen enthalten demnach Titan oder Silizium. Diese beiden Metalle bilden besonders sta­ bile und hochtemperaturbeständige intermetallische Phasen aus, die sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen (Anspruch 3).
Für das Trägerelement werden bevorzugt Legierungen auf der Ba­ sis von Aluminium oder Eisen verwendet. Diese Metalle bilden besonders gut intermetallische Phasen mit keramischen Materia­ lien und sind gleichzeitig als Konstruktionswerkstoffe für me­ tallische Bauteile gut geeignet (Anspruch 4).
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht nach Patentanspruch 6. Hierbei wird auf ein metallisches Trägerelement eine keramische Schicht aufgebracht. Durch einen Energieeintrag, der entweder während des Aufbringens der Schicht (in situ) oder durch eine nachträgliche Wärmebehandlung erfolgen kann, wird eine Reaktion zwischen dem Metall des Trägerelementes und dem in der Keramik chemisch gebundenen Metall angeregt. Hierbei wird in der Reak­ tionszone eine Übergangsschicht erzeugt, die intermetallische Phasen und keramische Phasen nach Gl. 1 enthält. Die reaktionsgebundene Übergangsschicht ist sowohl mit dem Trägerelement und der keramischen Schicht fest verbunden, was erfindungsgemäß ei­ ne sehr gute Haftung gewährleistet.
Die keramische Schicht läßt sich auf das Trägerelement durch die meisten gängigen Beschichtungsverfahren aufbringen. Hierzu gehören physikalische und chemische Abscheideverfahren, wie Sputtern, Sol-Gel-Prozesse, Galvanisieren oder eine CVD- Beschichtung. Besonders geeignet sind jedoch Lackiertechniken (z. B. Tauchlackieren oder Spritzen) oder Schlickertechniken wie sie bei der Keramikherstellung üblich sind womit eine be­ sonders kostengünstige Schicht erzeugt werden kann. Unter Schlickertechnik wird in diesem Zusammenhang das Aufbringen ei­ ne Suspension, die Lösungsmittel und Feststoffe enthält, auf eine Oberfläche verstanden, wobei der aufgebrachten Suspension das Lösungsmittel entzogen wird und eine Schicht bestehen bleibt. Des Weiteren sind Verfahren des thermischen Spritzens wie das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, das Plasmaspritzen, das Lichtbogen-Drahtspritzen oder das kine­ tische Kaltgaskompaktieren zweckmäßige Beschichtungsverfahren. Die Verfahren des thermischen Spritzens gewährleisten eine be­ sonders dichte Schicht und sind ebenfalls kostengünstig her­ stellbar (Anspruch 7).
Ein Energieeintrag, der die Reaktion zwischen dem Trägerelement und der keramischen Schicht anregt, kann insbesondere bei den genannten thermischen Spritzverfahren in situ erfolgen. Dies geschieht, wenn ein keramisches Pulver beim Auftreffen auf das Trägermaterial eine, für einen Reaktionsstart ausreichende Tem­ peratur aufweist. Bei anderen Beschichtungsverfahren wird eine zusätzliche Temperaturbehandlung eingeführt. Die Termperaturbe­ handlung ist zweckmäßigerweise selektiv, das heißt, nur die mit der keramischen Schicht versehenen Bereiche des Trägerelements werden erwärmt. Dies ist besonders zweckmäßig, da so das Trä­ gerelement keiner zusätzlichen Belastung z. B. durch Korrosion oder Gefügeumwandlung ausgesetzt wird. Für die selektive Behei­ zung eignen sich besonders konzentrierte Wärmestrahlung (z. B. durch hochenergetische Infrarotlampen), Laserbestrahlung oder Induktionsbeheizung (Anspruch 8).
Die erfindungsgemäße Oberflächenschicht und das erfindungsgemä­ ße Verfahren zur Herstellung der Oberflächenschicht wird in den folgenden Beispielen näher beschrieben.
Es zeigt die einzige Figur den schematischen Aufbau einer Ober­ flächenschicht, mit einer keramischen Schicht, einer Übergangs­ schicht und einem Trägerelement.
Die in Fig. 1 gezeigte Oberflächenschicht 1 enthält eine kera­ mische Schicht 2, eine Übergangsschicht 3 und ein Trägerelement 4. Die keramische Schicht 2 enthält im Wesentlichen Titanoxid (TiO2). Das Trägerelement 4 ist ein Druckgußbauteil und besteht aus der Aluminiumlegierung AlSi9Cu3. Die Übergangsschicht 3 entsteht aus einer Reaktion zwischen der keramischen Schicht und dem Trägerelement und enthält Titanaluminide (Al3Ti und Ti- Al), sowie Aluminiumoxid (Al2O3) und. TiO2.
Beispiel 1
Zylinderlaufbahnen eines Zylinderkurbelgehäuses aus der Legie­ rung AlSi9Cu3 werden im Plasmaspritzverfahren mit Titanoxid be­ schichtet. Die TiO2-Partikel weisen Durchmesser zwischen 10 µm und 50 µm auf. Die Partikel werden im Plasmagas (Argon/Wasser­ stoff) auf ca. 1800°C erhitzt, schmelzen dabei zumindest par­ tiell auf und treffen im erweichten Zustand auf die Oberfläche der Zylinderlaufbahn. Die hieraus resultierende Schichtdicke beträgt ca. 200 µm.
Die TiO2-Partikel, die sich während des Auftreffens auf der Zy­ linderlaufbahn im erweichten oder geschmolzenen Zustand befin­ den, reagieren zumindest teilweise mit der Oberfläche der Zylinderlaufbahn. Hierbei bildet sich die Übergangsschicht 3 nach der Gl. 1 aus. Die Übergangsschicht weist in diesem Fall eine Dicke von ca. 1 µm auf und enthält die Phasen Al3Ti und Aluminiumoxid sowie in Resten TiO2 und Aluminium. Die Grenzflä­ chen zwischen der keramischen Schicht 2, die aus TiO2 besteht, der Übergangsschicht 3 und dem Trägerelement 4 sind fließend. Die so erzeugte Oberflächenschicht weist eine sehr gut Haftung auf der Zylinderlaufbahn auf findet als Verschleißschutzschicht zwischen einem bewegten Kolben und dem Zylinderkurbelgehäuse Verwendung.
Beispiel 2
Auf die Zylinderlaufbahnen eines Zylinderkurbelgehäuses (Al- Si9Cu3) wird eine Siliziumoxid-Suspension (SiO2) auf Wasserba­ sis aufgespritzt. Das Aufspritzen erfolgt wie bei einem Lackieren mit Hilfe von Luftdruck und einer Spritzpistole. Die gespritzte SiO2-Schicht wird getrocknet und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Die Wärmebehandlung erfolgt mittels Infrarotheizstrahler. Der Energieeintrag erfolgt so, dass die Oberflächenschicht konstant auf einer Temperatur zwischen 520° C und 580°C für ca. 5 min gehalten wird. Ein Aufschmelzen des Zylinderkurbelgehäuses findet hierbei nicht statt. Lokal bilden sich hingegen an der Oberfläche der Zylinderlaufbahn entspre­ chend des Phasendiagramms der Legierung flüssige Phasenbestand­ teile, die eine Reaktion mit dem SiO2 der keramischen Schicht 2 nach Gl. 1 eingehen. Es bilden sich in der Übergangsschicht 3 Aluminiumsilizide und Aluminiumoxid, in Resten bleiben Alumini­ um und SiO2 erhalten. Die Dicke der Übergangsschicht beträgt ca. 30 µm

Claims (8)

1. Oberflächenschicht die aus mehreren Schichten besteht, wovon eine Schicht eine Übergangsschicht zu einem Trägerelement ist, dadurch gekennzeichnet, dass
die Oberflächenschicht eine keramische Schicht umfasst,
die ein chemisch gebundenes Metall enthält,
das Trägerelement ein metallisches Trägerelement ist
und die Übergangsschicht intermetallische Phasen aus dem Metall des Trägermaterials und dem Metall des keramischen Materials enthält.
2. Oberflächenschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht eine Oxidkeramik umfasst.
3. Oberflächenschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die keramische Schicht eine titanhaltige und/oder sili­ ziumhaltige Oxidkeramik umfasst.
4. Oberflächenschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einer Legierung auf der Basis von Aluminium und/oder Eisen besteht.
5. Oberflächenschicht nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übergangsschicht Aluminiumtitanate und Aluminiumoxid enthält
6. Verfahren zur Herstellung einer Oberflächenschicht, die aus mehreren Schichten besteht, wovon eine Schicht eine Über­ gangsschicht zu einem Trägerelement ist, dadurch gekennzeichnet, dass
auf einem metallischen Trägerelement eine keramische Schicht aufgebracht wird,
durch einen Energieeintrag eine Reaktion zwischen dem Me­ tall des Trägerelementes und der keramischen Schicht er­ folgt und
hierbei die intermetallische Phasen enthaltende Über­ gangsschicht erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die keramische Schicht durch ein thermisches Spritzverfahren oder durch eine Schlickertechnik oder durch eine Lackier­ technik aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieeintrag über eine Infrarotheizquelle und/oder ei­ nen Laser und/oder eine Induktionswärmequelle erfolgt.
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