Herstellung von nachbearbeitungsarmen Innenbeschichtungen auf Druckgussteilen durch Transplantation thermischer Spritzschichten

Bach, Fr.-W.1, a; Möhwald, K.1, b; Kerber, K.1, c; Erne, M.1, d; Knödler, P.1, e; Otten, M.1, f; Biermann, D.2, g; Zabel, A.2, h; Peuker, A.2, i

1)
Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover, 30823 Garbsen
2)
Institut für Spanende Fertigung, Technische Universität Dortmund, Baroper Str. 303, 44227 Dortmund

a) bach@iw.uni-hannover.de; b) moehwald@iw.uni-hannover.de; c) kerber@iw.uni-hannover.de; d) erne@iw.uni-hannover.de; e) knoedler@iw.uni-hannover.de; f) otten@iw.uni-hannover.de; g) biermann@isf.de; h) zabel@isf.de; i) peuker@isf.de

Kurzfassung

Der Schichttransplantation liegt die Idee zugrunde, durch einen Verbundgussprozess eine zuvor auf die Oberfläche eines Druckgusswerkzeugs aufgebrachte thermische Spritzschicht auf ein Druckgussteil zu übertragen. Die Anbindung zwischen dem Gusswerkstoff und der Spritzschicht erfolgt über eine formschlüssige Verbindung mit der spritzrauen Oberfläche und die Teilinfiltration der porösen Struktur der Spritzschicht. Durch das Verfahren können sowohl die Oberflächen von Druckgussteilen als auch Innenflächen von Bohrungen der Gussteile mit nahezu allen thermisch spritzbaren Beschichtungswerkstoffen beschichtet werden. Aufgrund der Umkehrung der Prozessreihenfolge bildet zudem die vormalige Substratseite der Spritzschicht die Oberfläche der Funktionsfläche, was zudem die Übertragung von strukturierten sowie mikrostrukturierten Geometrieelementen von der schichttragenden Formkomponente auf die Oberfläche der Spritzschicht erlaubt.

Im Rahmen dieses Beitrags werden Ergebnisse von Verbundgussversuchen von Druckgussteilen aus AlSi9Cu3 mit Funktionsschichten aus NiCr80/20, CuAl10 und XPT 512 erläutert. Insbesondere wird auf die Herstellung von innenbeschichteten Zylinderabschnitten zur Demonstration der Herstellbarkeit von Zylinderlaufbahnen in Zylinderkurbelgehäusen sowie die Herstellung von Gleitlagerflächen durch den Schichttransplantationsprozess eingegangen.

Ein Augenmerk liegt auf der Analyse und der Beeinflussung des Infiltrationsprozesses der zu transplantierenden Schicht durch den Gusswerkstoff, da dieser wesentlichen Einfluss auf die Verbundgüte und den Ausnutzungsgrad der Schicht hat. Durch Variation der Prozessparameter des Druckgussprozesses und die Verwendung unterschiedlicher Anschnittsysteme wurde der Einfluss auf das Infiltrationsverhalten sowohl anhand der Gießprozesssimulation als auch durch Gießversuche untersucht. Das Infiltrationsvermögen des Gusswerkstoffs ist zudem abhängig von der Schichtporosität, die durch das Beschichtungsverfahren und die Prozessparameter bestimmt wird. Durch die sukzessive Anwendung unterschiedlicher Beschichtungsverfahren konnten Infiltrationsbarrieren, Schichtbereiche mit vergleichbar geringer Porosität sowie gezielt an die Anforderungen der späteren Funktion der Beschichtung angepasste Schichtbereiche in mehrlagigen Schichtsystemen erzeugt werden.

Um ein sicheres Entformen des Gussteils aus dem Druckgusswerkzeug gewährleisten zu können, werden Ausformschrägen benötigt, die bei der Herstellung von beschichteten Bohrungen im Schichttransplantationsprozess zu einem erhöhten Nachbearbeitungsaufwand der beschichteten Funktionsflächen führen würden. Zur Herstellung von bearbeitungsarmen innenbeschichteten Bohrungen werden im Rahmen des Beitrags zudem drei Werkzeugkonzepte vorgestellt. Ergebnisse erster Gießversuche belegen die Realisierbarkeit entsprechender Vorgehensweisen.

Schlüsselwörter

Thermisches Spritzen, Druckguss, Mikrostrukturierung, Schichttransplantation, Verschleißschutzschicht

Veröffentlichung

In: Tagungsband zum 15. Werkstofftechnischen Kolloquium in Chemnitz, 20.9.-21.9. 2012, Chemnitz, Wielage, B. (Hrsg.), ISBN 978-3-00-039358-7, S. 129-139