Herstellung

Beschreibung

Die Erf indung betrif f t ein Aluminium-Gußteil sowie ein Verf ahren und eine Vorrichtung zu seiner Herstellung .

Im Motorenbau werden Aluminium-Gußteile mit einer gehonten zy¬ lindrischen Innengleitf lache verwendet , die ein Rauhtiefenprof il von

R = 0 , 5 - 3 , 0

R^ = 0 , 1 - 2 , 0 μm

R, _fe = 0,5 - 5,0 μm gemessen nach DIN 4776 aufweist, wobei R _k die Kernrauhtiefe, R. _& die reduzierte Spitzenhöhe und R,, _A die reduzierte Riefentiefe bedeuten.

Die zylindrischen Innengleitflachen wie beispielsweise Zylinder¬ wandungen im Ottomotor werden wegen der geringen Verschlei߬ festigkeit überwiegend nicht im Gußzustand eingesetzt, sondern erst nach einer Vergütung in Form einer zusätzlichen Oberflä¬ chenbehandlung.

Üblicherweise wird hierzu eine galvanische Beschichtung vor¬ genommen oder es wird eine übereutektische Aluminiumlegierung der sogenannte "Alusil-Werkstoff" an der Oberfläche angeätzt, so daß die siliciumhaltigen Gefügebestandteile freigelegt werden. Diese bilden dann die eigentliche Lauffläche, die im Vergleich zu Aluminiumcbe fläche wesentlich verschleißf ster ist.

BESTÄTIGUNGSKOPI€

Auf anderen Gebieten der Technik beispielsweise im Werkzeugbau sind Hartstoffschichten bekannt, wie TiN-TiAl-CN-TiCN- und CrN- Schichten, die durch ein sogenanntes PVD-Verfahren (Plasma-Vacu- um-Deposition) auf ein Substrat aufgebracht werden. Derartige Schichten sind sehr hart und eignen sich infolgedessen nicht für eine Weiterbearbeitung wie sie beispielsweise bei Zylinderlauf¬ flächen erforderlich sind.

Ein weiteres Handicap üblicher PVD-Beschichtungsverfahren be¬ steht darin, daß die darunterliegende Grundschicht durch die Wärmeeinwirkung bei dem Schichtauftrag gleichzeitig einer unge¬ wollten "thermischen Behandlung" unterworfen wird.

Bei höheren Temperaturen von beispielsweise über 500 °C kann der Grundwerkstoff jedoch zonal aufschmelzen oder zumindest zonal in den Erweichungsbereich gelangen, so daß die Formentreue nicht mehr gewährleistet ist.

Bei aushärtbaren Legierungen führt eine derartige Erweichung dazu, daß der Gefügezustand so wesentlich verändert wird, daß nach der Abkühlung die erforderlichen Festigkeitswerte nicht mehr erreicht werden.

Ein weiteres Problem besteht in der Haftung der aufgetragenen Schichten. Dieses Problem ist deshalb besonders wichtig, weil die aufgetragenen Schichten erheblich geringere Temperaturleit¬ fähigkeitswerte aufweisen als die Substrate. Dies führt bei Temperaturwechselbeanspruchung dazu, daß die aufgetragene Schicht sich lösen kann.

Zur Vermeidung derartiger Nachteile wird in der WO 89/03930 (Adiabatix) vorgeschlagen, die Schicht aus thermischem Isolier¬ material mit einer Dicke von 0,002 inch auf der Zylinderober¬ fläche aufzutragen. Mit einer derartigen Schichtdicke soll ei¬ nerseits eine ausreichende Isolierwirkung erzielt werden und andererseits die Haftfestigkeit der Schicht verbessert werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Aluminium-Gußteile für eine zylindrische Innengleitflache derart zu beschichten, daß eine dauerhafte, verschleißfeste und oberflächen-abbildende Schicht erzeugt wird, die eine gute Haftfestigkeit aufweist und bei der die Ausgangsrauhtief nahezu erhalten bleibt. Das Tole¬ ranzfeld der Oberflächenrauhigkeit vor und nach dem Beschichten soll auf + 10 % bezogen auf die maximale Rauhigkeitstiefe be¬ grenzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst.

Die Rauhigkeitswerte der gehonten zylindrischen Innengleitfl ¬ chen von Zylinderwandungen für Ottomotoren sind deshalb von besonderer Bedeutung, weil damit die Kapazitäten der Schmier¬ mittelreservoire definiert werden. Um die Oberfläche exakt be¬ schreiben zu können, müssen drei Rauhigkeitswerte angegeben werden, nämlich R _k die Kernrauhtiefe, R_ _, die reduzierte Spitzen¬ höhe und R_. _k die reduzierte Riefentiefe. Der genaue Einfluß der Schmierstofftaschenbildung kann durch einen Reibtest belegt werden. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die PVD- Beschichtung eine oberflächen-abbildende Eigenschaft besitzt, so daß die Honriefen ohne große Abweichungen von Ausgangswerten auch nach der Beschichtung vorliegen. Somit entfällt der für Hartstoffschichten besonders kritische Bearbeitungsf ll einer spanenden Nachbearbeitung.

Die Hartsto schichten können aus einem oder mehreren Refraktär- metallen der vierten bis sechsten Nebengruppe des Periodensy¬ stems bestehen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß die HartstoffSchicht aus den Elementen des Aluminiums und/oder Siliciums gebildet werden, da die hiermit erzielbare Schichthomogenität und Schichtdichte dem Anforderungspro il des Motorenbaus in besonders günstiger Weise entspricht .

Sofern die Hartstoffschicht zusätzlich ein oder mehrere hartpha- senbildende Elemente der Gruppe B, N, 0 oder C aufweist, er¬ reicht die Abbildungsqualität der Honstruktur besonders günstige Werte. Sie weichen dann lediglich um + 0,1 μm von den Ausgangs¬ rauhtiefen ab.

Damit an der Oberfläche der Innengleitflache eine sehr hohe Verschleißfestigkeit erzielt wird, sollte die Hartstoffschicht einen Hartstoffanteil von mehr als 80 At-% aufweisen. Der Hart¬ stoffanteil wird durch die Zusammensetzung der Reaktionsgase beim PVD-Verfahren gesteuert.

Sofern die Hartstoffschicht eine metallische Grundschicht auf¬ weist, die dann bis zur Oberfläche hin einen zunehmenden Me¬ talloidanteil enthält, läßt sich die Schichthaftung und das Schichtausbruchsverhalten von metallischen und metallkeramischen Komponenten optimieren. Als optimaler Metalloidanteil hat sich eine Hartstoffschicht von 50 At-% Metalloidanteil erwiesen.

Weitere Gesichtspunkte wie beispielsweise die Ausbildung einer Einlaufschicht oder die Spannungsminimierung im Schichtverbund lassen sich durch den Schichtaufbau mit Gradientenstruktur ver¬ wirklichen. Hierbei ist eine metallische Grundschicht mit einem Metallanteil von < 90 At.-% als Haftschicht auf dem Aluminium- Gußteil aufgetragen und der darüberliegende Hartstoffanteil nimmt bis zur Oberfläche der Innengleitflache bis auf 100 At.-% zu.

Sofern in der Grundschicht eine Titan-Aluminium-Carbonitridle- gierung vorliegt und in den darüberliegenden Aufbauschichten der Anteil des Metalloids aus Kohlenstoff und Stickstoff auf bis zu 50 At.-% zunix-τvt, ist eine optimale Dämpfungsfunktion des Zwi¬ schenschichtmaterials erreicht, die auch eine gewisse Duktilität für auftretende Spannungen aufweist. Eine optimierte Legierung für das als Substrat eingesetzte Aluminium-Gußteil weist folgen¬ de Zusammensetzung auf:

Silizium 5 bis 13 Gew.-% Eisen 0,3 bis 1,4 Gew.-% Kupfer < 3,5 Gew.-% Magnesium < 0,5 Gew.-% Mangan < 0,5 Gew.-%

Restaluminium und herstellungsbedingte Verunreinigun¬ gen.

Hierbei ist zu berücksichtigen, daß auf dem relativ weichen Aluminium-Grundwerkstoff eine harte Verschleißschutzschicht aufgebracht worden ist und die Zwischenschicht somit das Auf¬ treten von eventuellen Ermüdungsrissen verhindern muß. Im vor¬ liegenden Fall wird die Zwischenschicht durch Zugabe von Härte¬ bildnern in einen inneren Spannungszustand versetzt, so daß durch innere Spannungen gezielt Eigenspannungen induziert werden können. Im Gegensatz zu einer Mehrlagenschicht, bei denen sich die Eigenschaften von Schicht zu Schicht stufenweise ändern, wird mit der Gradientenschicht ein nahezu nahtloser Übergang und damit eine kontinuierliche Anpassung an die jeweils herrschenden Spannungsverhältnisse erzeugt. In diesem Zusammenhang hat sich das Verhältnis von Metall/Metalloid als besonders wichtig erwie¬ sen. Unter dem Begriff "Hartstoffschicht" soll daher eine Metall/Metalloid-Verbindung verstanden werden, deren Zusammen¬ setzung stufenlos über den Reaktivgasanteil veränderbar ist und von reinmetallisch bis auf ein vorgegebenes Metall/Metalloid- Verhältnis veränderbar ist. Im Anwendungsfall des Aluminium- Motorblocks sind oft mehrere zylindrische Gleitflächen mit einem Durchmesser von 30 bis 150 mm in Reihe angeordnet. Hierbei wird als besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung angesehen, daß der Abstand zwischen den jeweils benachbarten Gleitflächen auf 2 - 8 mm herabgesetzt werden kann.

Die Dicke der Schicht über die Länge der Innengleitflache in Gleitrichtung gesehen variiert innerhalb eines engen Bereiches von ± 10 %. Der gleiche Toleranzbereich gilt für die Dicke der Schicht über den Umfang gesehen. Dieses ist bei den erwähnten

dünnen Schichten mit einem Gesamtschichtaufbau von 0,5 - 20 μm ein erstaunlich niedriger Toleranzbereich, der nur durch das nachfolgend beschriebene PVD-Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann.

Das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren läuft mehrstufig ab und zwar wird zunächst in einem Ionen-Ätzverfahren die Ober¬ fläche gereinigt und unmittelbar danach im gleichen Bearbei¬ tungsraum auf die gereinigte Oberflächenstruktur eine Hartstoff¬ schicht bei Temperaturen unterhalb von 250 °C aus der Gasphase abgeschieden. Mit dem als oberflächen-abbildenden Beschichtungs¬ verfahren eingesetzten PVD (Plasma-Vacuum-Deposition)-Verfahren kann das Rauhtiefenprofil der Ursprungs-Oberfläche innerhalb einer engen Toleranzbreite von +_ 10 % nachgebildet werden.

Es sind sowohl Multilayer-Schichten als auch eine Schicht mit Gradientenstruktur durch eine unterschiedliche Zusammensetzung des Reaktivgasanteiles erzielbar. Bei besonders dünnen Haft¬ schichten sind eine Grundschicht von TiAl mit der Zusammenset¬ zung 50/50 und Deckschichten von CrAl oder SiC vorteilhaft.

Eine Vorrichtung zur Aufbringung der PVD-Beεchichtung besteht darin, daß das Kathodenelement als Stabkathode ausgebildet ist, wobei die Stabkathode in einen Rezipientendeckel in Stablängs¬ richtung beweglich angeordnet ist.

Der Rezipientenboden ist mit Gas- und Vakuumanschlüssen gegen¬ über den Stabkathoden versehen, wobei die zu beschichtenden Innengleitflachen als Rezipientenwände ausgebildet sind und wobei der Rezipientendeckel und der Rezipientenboden mit den Rezipientenwänden vakuumdicht verschließbar ist.

Als besonders verschleißfest haben sich die Schichtsysteme mit den ternären Legierungen Ti-Al-N und Cr-Al-N erwiesen. Die Chrom-Basisschichten können dabei auch als Korrosionsschutz¬ schichten eingesetzt werden. Die Ti-Al-N-Schichten sind als

Deckschichten wegen ihrer besonderen Härte vorgesehen.

Im folgenden wird ein Beispiel für das erfindungsgemäße Verfah¬ ren angegeben:

Nach dem Evakuieren auf einen Druck von X wird das Gas auf eine Temperatur von 200 - 250 °C aufgeheizt. Dann folgt ein Reini¬ gungsvorgang durch Ätzen und unmittelbar danach die Zuführung der heißen Prozeßgase.

Nach dem Abkühlen wird der Rezipient geflutet und der Substrat¬ träger entnommen.

Typische Druckverhältnisse beim PVD-Verfahren liegen zwischen 10 ^" * und 10" ⁶ mbar, das Fluten erfolgt mit Argon mit 10 ^~l bis 10" ⁴ mbar.

Aufgrund der hohen negativen Spannung, die beim Anlegen der Potentialdifferenz entstehen, werden die Erdgasteilchen, die sich zwischen Target und Substrat befinden, ionisiert. Dabei entsteht ein hochenergetisches Plasma, in dem die positiv ge¬ ladenen Erdgasionen mit einer Energie von einigen keV gegen die negativ geladene Targetoberfläche fliegen. Durch Stoßprozesse erfolgt eine Impuls- und Energieübertragung und schließlich das Herauslösen von Atomen aus dem beschossenen Targetmaterial, das dann ohne Zwischenschaltung einer flüssigen Phase aus dem festen Aggregatzustand in die Gasphase übergeht.

Die herausgeschlagenen Teilchen werden durch Anlegung der Span¬ nung auf dem Substrat niedergeschlagen und wachsen dort zu einer homogenen Schicht auf.

Bei Anwendung dieses Beschichtungsverf hrens auf die Herstellung von zylindrischen Innengleitflachen von Motorenblöcken kann eine Beschichtungsanlage, wie in Figur 1 und 2 dargestellt, verwendet werden.

In Figur 1 sind die Zylinderwände eines Vierzylinder-Motors im Längsquerschnitt dargestellt. Sie dienen als Rezipientenwände 4 - 8, die oben und unten mit einem Rezipientendeckel 2a, 2b verschlossen sind.

Im oberen Rezipientendeckel 2a befinden sich ebene Kathoden 9 und im unteren Rezipientendeckel 2b die Gas- und Vakuumanschlüs¬ se 10.

In Figur 2 ist analog zu Figur 1 der Zylinderblock 3 im Längs¬ querschnitt mit äußeren Zylinderwänden 4 und 6 sowie inneren Zylinderwänden 5, 7 und 8 dargestellt. Im Unterschied zur Figur 1 sind hier keine ebenen Kathoden sondern Stabkathoden 1 be¬ weglich im Rezipientendeckel 2a angeordnet.

Vor Inbetriebnahme der Beschichtungsanlage wird zunächst der Zylinderraum 13 evakuiert. Nach dem Anschluß der Rezipientendek- kel 2a, 2b wird der Ätzprozeß zur Reinigung der Oberfläche ge¬ startet. Unmittelbar daran anschließend läuft der Beschichtungs- prozeß ab. Eine Multilayer-Schicht oder Schicht mit Gradienten¬ struktur wird durch eine Veränderung der Zusammensetzung der Reaktionsgase erzeugt.

Weitere Einzelheiten des Beschichtungsverfahrens werden anhand der Figuren 3 bis 6 erläutert. Sie zeigen jeweils Längsquer¬ schnitte durch den Zylinderblock 3 bei den folgenden Verfahrens¬ stufen:

1. Evakuieren siehe Figur 3

Über die Gas- und Vakuu anschlüsse 15, 16 wird ein Vakuum im Zylinderinnenraum 13 angelegt. Die Stabkathoden 14 be¬ finden sich in Ruheposition.

2. Plasmareinigen gemäß Figur 4

Die Zylinderwände werden über den Stromanschluß 20 als Kathode geschaltet und dadurch die Verunreinigungen über

die Gas- und Vakuumanschlüsse 15, 16 abgesaugt. Das Plasma 17 ist schematisch durch Schraffur in den Zylinderinnenräu¬ men angedeutet.

3. Beschichten gemäß Figur 5

Nach einer Umpolung wird die Stabkathode 14 abgesenkt und wirkt nun als Target für die als Anode 18 geschalteten Zylinderwände. Das Vakuum wird über die Gas- und Vakuum¬ anschlüsse 15, 16 aufrechterhalten. Mit 19 ist die Verfahr¬ einrichtung für die Stabkathoden 14 angedeutet, mit 17 das Plasma zwischen den Stabkathoden und den Zylinderwänden.

4. Kühlen gemäß Figur 6

Nach Beendigung des Beschichtungsvorganges wird die Strom¬ versorgung für die Plasmabeschichtung abgeschaltet und die Stabkathoden 14 werden aus der Beschichtungsposition im Innern der Zylinder herausgefahren. Über die Gas- und Vaku¬ umanschlüsse 15, 16 können Kühlgase zugeführt werden.

Der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens wurde schematisch anhand der beiliegenden Figuren erläutert, die Seitenansichten des prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigen. Bei anderen Anwendungsfällen kann die Vorrichtung nach dem Prinzip des kleinsten Beschichtungsraumes leicht abgewandelt werden.

Als Substratwerkstoff wurde in dem vorgeschriebenen Verfahren die Legierung AlSi9Cu3 im ausgehärteten Zustand eingesetzt. Der Substratwerkstoff hatte dabei die folgende Wärmebehandlung er¬ fahren: Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern.

Es ergaben sich die in der nachfolgenden Tabelle angegebenen Schichtdicken, die mit dem Kalotten-Schleiftest gemessen wurden. Die besonders gleichmäßige Schichtdicke konnte dadurch erreicht werden, daß das Kathoden-Element als Stabkathode ausgebildet ist und in dem Rezipientendeckel in Stablängsrichtung während des

Beschichtungsvorganges an der Zylinderlängsachse entlang verfah¬ ren wird.

Für die Hochleistungskathodenzerstäubung kann ein Permanent¬ magnet oberhalb des Targets angeordnet sein, der für ein Magnet¬ feld sorgt, dessen Magnetfeldlinien die Targetebenen senkrecht durchsetzen. Durch das Zusammenwirken von elektrischem und ma¬ gnetischem Feld werden die Elektronen im Plasma aufgrund der Lorenzkraft auf verlängerte spiralförmige Bahnen gelenkt.

Durch diese Maßnahme verringert sich die effektive Weglänge der Elektronen, so daß die Ionisationswahrscheinlichkeit und damit die Anzahl der Inerdgasionen steigt. Die Aufwachsbedingungen der Schichten werden durch eine Beheizung des Substrats während des Beschichtungsvorganges verbessert.

Zusammenf ssend läßt sich feststellen, daß durch die erfindungs¬ gemäße Vorrichtung ermöglicht wird, die Zylinderwand als Teil der Rezipientenkonstruktion zu nutzen. Dadurch ergeben sich besonders kleine Vakuumräume, die leichter abdichtbar sind. Ferner ist die zu reinigende Fläche der Motorblöcke auf die ausschließlich zu beschichtende Flächen beschränkt. Somit sind nur die den Rezipienten bildenden Zylinderwände vom Vakuum be¬ aufschlagt und auch dort nur werden die Beschichtungsvorgänge ablaufen, so daß auf eine unnötige Reinigung von nicht zu beschichtenden Teilen verzichtet werden kann.