Verfahren zur Ausbildung einer verschleissfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz

Abstract

 Für ein Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz, wobei die Beschichtung Diamant-Material enthält, wird zur Erzielung einer hoch verschleißfesten, wärmeableitenden und mechanisch widerstandsfähigen Beschichtung die Verwendung eines Diamant-Metall-Verbundwerkstoffes vorgeschlagen.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 auf ein Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz, wobei die Beschichtung Diamant-Material enthält.

[0002] Aus der US 5,040,501 ist ein Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung sowohl auf einem Ventilsitz als auch auf dem zugehörigen Tellerventil bekannt, wobei bei jedem der genannten Bauteile zunächst in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre mittels Energiezufuhr auf der jeweiligen Bauteil-Oberfläche eine Schicht künstlicher Diamanten erzeugt wird. In einem anschließenden Verfahrensschritt wird diese Schicht aus künstlichen Diamanten mit einem Metall beschichtet zur Erzielung der erforderlichen tribologischen Eigenschaften.

[0003] Dieses bekannte Verfahren ist in nachteiliger Weise aufwendig, wobei als weiterer Nachteil die relativ dünnen, nur einige Atomlagen dicken Schichten zu nennen sind, die bei einer starken elastischen oder plastischen Verformung des Bauteiluntergrundes geschädigt werden.

[0004] Weiter sind im Stand der Technik neben der vorbeschriebenen, ein Diamant-Material enthaltenden Beschichtung auch metallgebundene Diamantschichten bekannt, die als Verschleiß- oder Schneidschichten dienen. Die Herstellung derartiger Beschichtungen erfolgt üblicherweise mit stromlosen oder elektrolytischen Abscheidungsverfahren. Derartige Schneidbeläge werden dagegen überwiegend sintertechnisch hergestellt.

[0005] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, dass in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine hoch verschleißfeste, wärmeableitende und mechanisch widerstandsfähige Beschichtungen mit relativ geringerem Aufwand erzielt werden.

[0006] Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass zur Beschichtung ein Diamant-Metall-Verbundwerkstoff verwendet wird.

[0007] Der Vorteil der erfindungsgemäßen Verwendung eines Diamant-Metall-Verbundwerkstoffes in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine ist darin zu sehen, dass mit der Wahl der jeweiligen Metallkomponenten einerseits und dem Anteil an künstlichen oder natürlichen Diamanten andererseits von vorbestimmten Korngrößen die Parameter für eine hohe Verschleißfestigkeit, eine gute Wärmeableitung sowie eine mechanisch widerstandsfähige Ausbildung gut einzustellen sind.

[0008] Die Erlangung der vorgenannten Ziele wird in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft dadurch unterstützt, dass ein Diamant-Metall-Verbundwerkstoff thermisch mit einer vorgeformten Bauteil-Oberfläche stoffschlüssig verbunden wird.

[0009] Damit ist in vorteilhafter Weise ein stoffschlüssiger Werkstoffverbund zwischen dem Grundmaterial des Bauteiles und der Beschichtung erzielt, wobei mit den erfindungsgemäß verwendeten metallgebundenen Diamantschichten die charakteristischen Eigenschaften von Diamant, wie z.B. die hohe Härte, die hohe thermische Leitfähigkeit und die guten tribologischen Eigenschaftsmerkmale mit den bekannten Vorzügen von metallischen Werkstoff vorteilhaft vereint werden.

[0010] Bezüglich der Wärmeleitfähigkeit von Diamant bzw. Diamantpartikeln wird auf die EP 0 364 155 A2 verwiesen, gemäß der beispielsweise in eine Kupfer- oder Aluminium-Matrix eingebettete Diamantpartikel als Wärmeableitungseinrichtung dienen.

[0011] In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass mindestens zwei unterschiedliche Metalle pulverisiert werden und die Metallpulver miteinander gemischt oder mechanisch oder thermisch legiert oder vorlegiert oder den Pulvern ein nicht metallischer Binder zugesetzt wird und den zusammengeführten Metallpulvern Diamantpartikel in der Korngröße von D = 1 µm - D = 100 µm zugesetzt werden in einem Volumenanteil von 10 - 60 %.

[0012] Mit den vorbeschriebenen Komponenten zur Ausbildung eines Diamant-Metall-Verbundwerkstoffes ist bei der thermisch stoffschlüssigen Verbindung mit dem Grundmaterial des jeweiligen Bauteiles insbesondere mit dem Volumenanteil an Diamantpartikeln sichergestellt, dass deren Traganteil nicht nur in der tribologischen Fläche der Beschichtung ausreichend hoch ist, sondern auch deren Verteilung in der Beschichtung zur gewünschten Wärmeabführung in das Grundmaterial des Bauteiles.

[0013] In Weiterbildung der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, dass als eine Metallmatrix ein pulverisiertes Hartlot verwendet wird. Vorzugsweise dient als eine hartlotartige Metallmatrix eine Kupfer-Titan-Verbindung, der Diamantpartikel von D = 1 µm - 15 µm in einem Volumenanteil von 10 - 60 % zugesetzt werden, wobei der Titananteil zwischen 5 - 15 % Gewichtsanteile beträgt.

[0014] Für den Auftrag eines jeweiligen Diamant-Metall-Pulvers auf einen Oberflächenbereich des jeweiligen Bauteiles wird weiter erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass das Diamant-Metall-Pulver unter einer Schutzgasatmosphäre einem Einwirkungsbereich eines energiereichen Strahles auf die Oberfläche eines jeweiligen Bauteiles zugeführt wird.

[0015] Im einzelnen kann die Aufbringung beispielsweise so gestaltet sein, dass das Diamant-Metall-Pulver einem aufgeschmolzenen Oberflächenbereich des jeweiligen Bauteiles zugeführt wird zur Ausbildung eines thermisch stoffschlüssigen Werkstoff-Verbundes.

[0016] Eine andere Variante des Auftrages sieht erfindungsgemäß vor, dass das Diamant-Metall-Pulver mittels eines polymeren Binders in einem Oberflächenbereich des Bauteiles aufgetragen und anschließend nach der chemischen und/oder thermischen Endbinderung mittels eines energiereichen Strahles auf der Oberfläche um/aufgeschmolzen wird.

[0017] Die Erfindung kann in vielfältiger Weise in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine Verwendung finden. So ist die Erfindung bevorzugt an einem Ventilsitz in einem Zylinderkopf aus einem Leichtmetall verwendet. Eine weitere Verwendung der Erfindung ergibt sich für Ventiltriebteile, beispielsweise die Panzerung eines Tellerventiles sowie die Gleitflächen von Ventilhebel und Steuernocken. Die Erfindung ist aber auch für tribologische Gleitflächen in einem Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine einsetzbar. Schließlich kann die Erfindung auch zur Reparatur verschlissener oder beschädigter Oberflächenbereiche metallener Bauteile Verwendung finden.

[0018] Eine Verwendung der Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ventilsitzes in einem Zylinderkopf aus einem Leichtmetall für eine Brennkraftmaschine beschrieben.

[0019] Ein lediglich schematisch dargestellter Querstrom-Zylinderkopf 1 für eine nicht gezeigte Brennkraftmaschine ist aus einer Aluminiumlegierung gefertigt und weist einen Einlasskanal 2 sowie einen diametral angeordneten Auslasskanal 3 auf. Die Gaswechselkanäle 2 und 3 werden mittels nicht gezeigter Tellerventile gesteuert. Für jedes Tellerventil ist jedem Kanal 2, 3 brennraumseitig ein Ventilsitz 4 zugeordnet.

[0020] Jeder Ventilsitz 4 ist in seiner geometrischen Ausbildung zunächst durch ein spanabhebendes Verfahren unmittelbar im Randbereich jedes Gaswechselkanals 2, 3 im Zylinderkopf 1 ausgebildet.

[0021] Zur Erzielung eines hoch verschleißfesten, gut wärmeableitenden und mechanisch widerstandsfähigen Ventilsitzes 4 wird jeder Ventilsitz 4 erfindungsgemäß mit einem Diamant-Metall-Verbundwerkstoff beschichtet, Beschichtung 5.

[0022] Der für die Beschichtung der Ventilsitze 4 vorgesehene Diamant-Metall-Verbundwerkstoff umfasst vorzugsweise eine hartlotartige Metallmatrix aus einer Kupfer-Titan-Verbindung, wobei jedes der genannten Metalle zunächst pulverisiert und die beiden Metallpulver miteinander gemischt oder mechanisch oder thermisch legiert oder vorlegiert werden. Diesem Kupfer-Titan-Pulver werden Diamantpartikel mit einer Korngröße von beispielsweise 5 µm in einem Volumenanteil von beispielsweise 45 % zugesetzt, wobei der Titananteil zwichen 5 - 15 % Gewichtsanteile beträgt.

[0023] Dieses Diamant-Metall-Pulver wird unter einer Schutzgasatmosphäre, beispielsweise Argon-Atmosphäre, in eine durch einen energiereichen Strahl, beispielsweise eines Lasers, im Oberflächenbereich eines Ventilsitzes 4 erzeugte Aufschmelzung eingebracht zur thermisch stoffschlüssigen Werkstoffverbindung mit dem Grundmaterial des Zylinderkopfes 1. Die Auftragung der Beschichtung 5 erfolgt kontinuierlich, wobei z.B. der Zylinderkopf 1 um die Achse des jeweiligen Tellerventils zum jeweiligen Ventilsitz 4 rotiert oder eine entsprechende Strahlführung gewählt wird.

[0024] Diese mit Diamantpartikel versetzte Kupfer-Titan-Verbindung kann in vorteilhafter Weise ohne eine Zwischenschicht auf einem Leichtmetall-Bauteil, wie z.B. einem Zylinderkopf, aufgebracht werden, wodurch ein einfacheres Verfahren erzielt ist.

[0025] Die endgültige Formgebung des beschichteten Ventilsitzes 4 erfolgt mittels Schleifen und/oder Polieren.

[0026] Bei einer anderen Art des Auftrages der Beschichtung werden die bevorzugt verwendeten Metalle Kupfer und Titan ebenfalls pulverisiert, denen ein polymerer Binder beigemischt wird. Diesem Metallpulver können Diamantpartikel in der vorerwähnten Größe und im vorerwähnten Volumenanteils zugesetzt werden. Dieses so gebildete Diamant-Metall-Pulver ist beim Auftrag in einem Oberflächenbereich des Bauteiles mittels des polymeren Binders an der Oberfläche gehalten, wobei die aufgetragene Beschichtung anschließend nach einer chemischen und/oder thermischen Entbinderung mittels eines energiereichen Strahles - Elektronenstrahl oder Laser - auf der Oberfläche um-/aufgeschmolzen wird zur Bildung der festhaftenden Beschichtung 5 am Zylinderkopf 1.

[0027] Zur vorteilhaften metallischen Benetzung der Diamantpartikel können außer Titan jeweils auch Vanadium, Chrom oder Zirkon in Verbindung mit Kupfer zur Anwendung kommen.

Ansprüche

1. Verfahren zur Ausbildung einer verschleißfesten Beschichtung in/an Bauteilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere Ventilsitz,

- wobei die Beschichtung Diamant-Material enthält, dadurch gekennzeichnet,

- dass zur Beschichtung ein Diamant-Metall-Verbundwerkstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Diamant-Metall-Verbundwerkstoff thermisch mit einer vorgeformten Bauteil-Oberfläche stoffschlüssig verbunden wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,

- dass mindestens zwei unterschiedliche Metalle pulverisiert werden und

- die Metallpulver miteinander gemischt oder mechanisch oder thermisch legiert oder vorlegiert oder den Pulvern ein nicht metallischer Binder zugesetzt wird und

- den zusammengeführten Metallpulvern Diamantpartikel in der Korngröße von D = 1 µm - 100 µm zugesetzt werden in einem Volumenanteil von 10 - 60 %.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als eine Metallmatrix ein pulverisiertes Hartlot verwendet wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

- dass als hartlotartige Metallmatrix eine Kupfer-Titan-Verbindung dient, der

- Diamantpartikel von D = 1 µm - 15 µm in einem Volumenanteil von 10 - 60 % zugesetzt werden, wobei

- der Titananteil zwischen 5 - 15 % Gewichtsanteile beträgt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamant-Metall-Pulver unter einer Schutzgasatmosphäre einem Einwirkungsbereich eines energiereichen Strahles auf die Oberfläche eines jeweiligen Bauteiles zugeführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Diamant-Metall-Pulver einem aufgeschmolzenen Oberflächenbereich zugeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 3 und 6, dadurch gekennzeichnet,

- dass das Diamant-Metall-Pulver mittels eines polymeren Binders in einem Oberflächenbereich des Bauteiles aufgetragen und

- anschließend nach einer chemischen und/oder thermischen Entbinderung mittels eines energiereichen Strahles auf der Oberfläche um/aufgeschmolzen wird.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung für einen Ventilsitz in einem Brennkraftmaschinen-Zylinderkopf aus einem Leichtmetall.

10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung für Ventiltriebteile, wie Ventilpanzerung, Ventilhebel, Steuernocken.

11. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung im Kurbeltrieb einer Brennkraftmaschine für tribologische Gleitflächen.

12. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch die Verwendung für Reparaturen verschlissener oder beschädigter Oberflächenbereiche.

13. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Diamant-Metall-Verbundwerkstoff auf der Basis von Kupfer Titan oder Vanadium oder Chrom oder Zirkon enthält.

Zeichnung