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DE102004060538B3 - Firmly adhered hard metal layers on substrates, especially valve seating rings on cylinder heads, produced using adhesion-promoting layer formed by applying plasma jet containing hard metal to substrate - Google Patents

Firmly adhered hard metal layers on substrates, especially valve seating rings on cylinder heads, produced using adhesion-promoting layer formed by applying plasma jet containing hard metal to substrate Download PDF

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DE102004060538B3
DE102004060538B3 DE102004060538A DE102004060538A DE102004060538B3 DE 102004060538 B3 DE102004060538 B3 DE 102004060538B3 DE 102004060538 A DE102004060538 A DE 102004060538A DE 102004060538 A DE102004060538 A DE 102004060538A DE 102004060538 B3 DE102004060538 B3 DE 102004060538B3
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Marco Fandel
Thomas Kränzler
Alois Dr. Schmid
Jürgen Dr. Steinwandel
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DaimlerChrysler AG
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Abstract

Production of a hard metal (HM) layer (I) firmly adhered to a substrate (A) via a chemically bonded adhesion-promoting layer (II) involves: (a) melting (A) using a plasma jet; (b) incorporating HM (or its components) in the plasma jet; (c) depositing HM (or its components) in the molten surface layer of (A) to form (II); and (d) overcoating (II) with HM (or its components) to form (I). An independent claim is included for a cylinder head for a combustion engine. having a material seal bonded valve seating ring of HM based on cobalt, nickel or cobalt/molybdenum alloy formed by the above process, where the material seal is formed via a chemically bonded adhesion promoting layer, between the head and the ring, of an alloy of the materials of the head and ring.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bildung von Hartmetallschichten, die über eine chemisch gebundene Haftschicht fest mit einem metallischen Substrat verbunden sind, sowie einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit stoffschlüssig gebundenen Ventilsitzring aus Hartmetall auf der Basis von Ni-, Co und/oder Mo-Legierungen.The The invention relates to a method for forming hard metal layers, the above a chemically bonded adhesive layer solid with a metallic Substrate are connected, and a cylinder head for internal combustion engines with cohesively bonded Valve seat ring made of carbide based on Ni, Co and / or Mo alloys.

Zylinderköpfe werden in lokalen Bereichen, insbesondere an. den Ventilsitzen, an die Grenze ihrer thermischen oder mechanischen Belastbarkeit beansprucht. Dies hat zur Folge, dass ein lokales Versagen eintreten kann, welches beispielsweise durch Risse und/oder tribologischen Verschleiß erkennbar wird.Cylinder heads are in local areas, in particular. the valve seats, to the Limit their thermal or mechanical strength claimed. This has the consequence that a local failure can occur, which recognizable, for example, by cracks and / or tribological wear becomes.

Konventionell werden Ventilsitzringe aus entsprechend hochwertigem Material in den Zylinderkopf eingeschrumpft oder eingepresst.Conventional Valve seat rings are made of high quality material in the cylinder head shrunk or pressed.

Für diese Ventilsitzringe sind insbesondere Co-, Ni- und Co/Mo-Basislegierungen von großem Interesse. Diese Legierungen zeichnen sich durch partiell ausgesprochen hohe Härte und sehr hohe Verschleißfestigkeit aus. So findet sich eines der Anwendungsfelder dieser Legierungen auch in der Panzerungstechnik. Sehr nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist die Notwendigkeit die Ventilsitzringe einzeln zu fertigen und einzupassen. Insbesondere für die sehr festen Co/Mo-Basislegierungen sind sehr aufwändige Verfahrensschritte notwendig, um zu den erforderlichen Präzisionsbauteilen zu gelangen.For this Valve seat rings are especially Co, Ni and Co / Mo base alloys of great interest. These alloys are characterized by partially very high Hardness and very high wear resistance out. This is one of the applications of these alloys also in the armor technique. Very disadvantageous in this approach is the need to manufacture the valve seat rings individually and fit. Especially for The very strong Co / Mo base alloys are very complex process steps necessary to get to the required precision components.

Als Alternative zu den eingeschrumpften oder eingepressten Ventilsitzringen kommt der direkte Aufbau der Ventilsitzringe auf dem Untergrund durch Beschichtungsverfahren in Betracht. Hierbei werden unterschiedliche thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise Plasma-, Flamme- oder Lichtbogendraht-Spritzen näher untersucht.When Alternative to the shrunk or pressed valve seat rings The direct structure of the valve seat rings on the ground through Coating process into consideration. Here are different thermal spray processes, such as plasma, flame or arc wire spraying examined more closely.

So ist beispielsweise in der US 4661371 ein Verfahren offenbart, bei dem auf die speziell vorbereitete Kontaktfläche zwischen Ventil und Ventilsitz eine Schutzschicht aufgebracht wird. Dies geschieht durch thermisches Spritzen einer Pulvermischung aus Keramik- und Metallpartikeln, wobei die gebildete Schicht einen Gradienten der Zusammensetzung aufweist, wodurch eine quasi keramische Deckschicht gebildet wird. Die gebildeten Schichten weisen noch keine optimalen Werkstoffeigenschaften auf.For example, in the US 4661371 discloses a method in which a protective layer is applied to the specially prepared contact surface between valve and valve seat. This is done by thermal spraying a powder mixture of ceramic and metal particles, wherein the layer formed has a gradient of the composition, whereby a quasi-ceramic cover layer is formed. The layers formed do not yet have optimum material properties.

Aus der DE 100 41 974 A1 ist ein Verfahren zur Abscheidung von Schutzschichten bekannt, bei dem als Pulverpartikel eine Pulvermischung aus mindestens drei Pulverkomponenten verwendet wird. Eine erste Pulverkomponente besteht aus einer Fe, Co, oder Ni-Basislegierung, eine zweite Pulverkomponente wird bevorzugt durch Mo oder Refraktärmetall-Sulfid gebildet und eine dritte Pulverkomponente umfasst bevorzugt Cu, Al oder Ag. Für das ausgeführte Verfahren, bzw. die hiermit gebildete Schicht, ist es wesentlich, dass die einzelnen Pulverkomponenten nicht miteinender aufschmelzen und keine Legierungen aus den unterschiedlichen Pulverkomponenten gebildet werden. Nur hierdurch können die einzelnen Funktionseigenschaften (Härte, Schmierung und Wärmeleitung) der eingesetzten Komponenten auch in der Schicht erhalten bleiben. Die Pulver werden beispielsweise durch ein HVOF-Verfahren oder durch Gaskompaktierung abgeschieden. Im Bereich höchster Beanspruchungen erweist sich die Härte der Schichten zum Teil als ungenügend.From the DE 100 41 974 A1 is a method for the deposition of protective layers is known in which a powder mixture of at least three powder components is used as powder particles. A first powder component is made of a Fe, Co, or Ni-based alloy, a second powder component is preferably formed by Mo or refractory metal sulfide, and a third powder component preferably comprises Cu, Al, or Ag. For the process carried out, or the layer formed therewith, it is essential that the individual powder components do not melt together and no alloys of the different powder components are formed. Only in this way can the individual functional properties (hardness, lubrication and heat conduction) of the components used also be retained in the layer. The powders are deposited, for example, by an HVOF process or by gas compaction. In the area of highest stresses, the hardness of the layers proves to be in part insufficient.

Die unterschiedlichen thermischen Spritzverfahren, wie Plasma-, Flamm- oder Lichtbogendraht-Spritzen weisen prinzipbedingt ein hohes Overspray auf, das heißt einen Materialverlust und eine Verunreinigung der nicht zu beschichtenden Oberflächen. Dies erhöht die Rohstoffkosten und erfordert Abdeckmaßnahmen. Dazu kommt, dass zur Erreichung einer guten Schichthaftung eine Oberflächenkonditionierung, beispielsweise durch Aufrauhung mittels Hochdruck-Wasserstrahl oder Sandstrahl erforderlich ist. Die Schichtanbindung bei diesen Strahlverfahren erfolgt vorwiegend mechanisch, das heißt insbesondere durch Verzahnung und nicht über eine sehr viel vorteilhaftere chemische Anbindung.The different thermal spray processes, such as plasma, flame or arc wire spraying have inherently a high overspray on, that is a loss of material and contamination of the uncoated Surfaces. This increases the raw material costs and requires covering measures. On top of that, that too Achieving a good coating adhesion a surface conditioning, for example by roughening by means of high-pressure water jet or Sandblasting is required. The layer connection in these blasting processes takes place mainly mechanically, that is in particular by toothing and not over one much more advantageous chemical binding.

Damit sind die Prozesskosten hoch und die Verfahren stellen in der Regel keinen wirtschaftlich akzeptablen Ersatz zu den Sitzringen dar.In order to the process costs are high and the procedures usually pose not an economically acceptable replacement for the seat rings.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, metallische Ventilsitzringe hoher Härte und Verschleißfestigkeit bereitzustellen, die über eine chemisch gebundene Haftschicht mit dem Untergrund fest verbunden sind, sowie ein einfaches Verfahren zur thermischen Abscheidung von Hartmetallschichten mit hoher Haftfestigkeit auf dem metallischen Untergrund aufzuzeigen.It is therefore an object of the invention, metallic valve seat rings higher Hardness and wear resistance to provide that over a chemically bonded adhesive layer is firmly connected to the substrate, and a simple method for the thermal deposition of hard metal layers show high adhesion to the metallic substrate.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Bildung von Hartmetallschichten, die über eine chemisch gebundene Haftschicht fest mit einem metallischen Untergrund verbunden sind, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einem Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit stoffschlüssig gebundenem Ventilsitzring aus Hartmetall auf der Basis von Ni-, Co- und/oder Mo-Legierungen mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.The Task is solved by a method of forming cemented carbide layers containing a chemical bonded adhesive layer firmly bonded to a metallic substrate are, with the characterizing features of claim 1, as well as a Cylinder head for Internal combustion engines with materially bonded valve seat ring made of carbide based on Ni, Co and / or Mo alloys with the characterizing Features of claim 10. Further advantageous embodiments emerge from the dependent claims.

Erfindungsgemäß ist somit ein Verfahren vorgesehen, das die folgenden wesentlichen Schritte umfasst:

  • – Aufschmelzen des Ungrundes mittels eines Plasmastrahls
  • – Einbringen des Hartmetallwerkstoffs oder dessen Komponenten in den Plasmastrahl
  • – Abscheiden des Hartmetallwerkstoffs oder dessen Komponenten in der aufgeschmolzenen Oberflächenschicht des Untergrundes unter Bildung einer Haftschicht
  • – Überschichten der Haftschicht mit Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten unter Bildung der Hartmetallschicht.
According to the invention, a method is thus provided which comprises the following essential steps:
  • - Melting of the Ungrunde by means of a plasma jet
  • - Introducing the hard metal material or its components in the plasma jet
  • - Depositing the hard metal material or its components in the molten surface layer of the substrate to form an adhesive layer
  • - Overcoating the adhesive layer with hard metal material or its components to form the hard metal layer.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat gegenüber den bekannten thermischen Spritzverfahren den großen Vorteil, dass in einem einzigen einfach zu führenden Prozessschritt sowohl die Haftschicht als auch die Hartmetallschicht aufgebracht werden können.The inventive method has opposite the well-known thermal spraying method the great advantage that in a single easy-to-carry process step both the adhesive layer and the hard metal layer are applied can.

Im ersten Schritt des Beschichtungsprozesses wird das zu beschichtende Substrat, beziehungsweise der Untergrund oberflächlich aufgeschmolzen. Der Plasmastrahl stellt dabei eine kräftige und zugleich leicht verfügbare Energiequelle dar. Das Aufschmelzen erstreckt sich bevorzugt in eine Tiefe im Bereich von 0,1 bis 1 mm.in the The first step of the coating process is to be coated Substrate or the surface melted superficially. Of the Plasma jet provides a powerful and at the same time easily available source of energy The melting preferably extends to a depth in the range from 0.1 to 1 mm.

Unmittelbar nach dem Aufschmelzen der Oberflächenschicht wird mit dem Abscheiden des Hartmetallwerkstoffs begonnen. Hierzu wird der Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten in den Plasmastrahl eingebracht. Unter den Komponenten des Hartmetallwerkstoffs sind insbesondere die einzelnen Metalle oder metallischen Elemente zu verstehen, welche den Hartmetallwerkstoff bilden.immediate after melting the surface layer is started with the deposition of the hard metal material. For this becomes the hard metal material or its components in the plasma jet brought in. Among the components of the hard metal material are in particular the individual metals or metallic elements understand, which form the hard metal material.

Beim Auftreffen auf die geschmolzene Oberfläche des Untergrunds dringt der Hartmetallwerkstoff bzw. dessen Komponenten in die Schmelze ein. Dabei wird zumindest ein Teil hiervon mit der umgebenden Schmelze zu einer homogenen neuen Legierung umgesetzt. Die Zusammensetzung dieser neuen Legierung wird durch die Komponenten des metallischen Untergrundes und der Hartmetall-Legierung gebildet. In diesem Prozessschritt wird somit eine Schicht gebildet, die eine nahezu optimale chemische und physikalische Anbindung an den Untergrund aufweist.At the Impact on the molten surface of the underground penetrates the hard metal material or its components in the melt one. At least part of this is with the surrounding melt converted into a homogeneous new alloy. The composition This new alloy is made by the components of metallic Underground and carbide alloy formed. In this process step Thus, a layer is formed, which is a nearly optimal chemical and physical connection to the ground.

Im darauf folgenden Prozessschritt wird die Abscheidung des Hartmetalls bzw. dessen Komponenten auf die Oberfläche fortgesetzt. Die Energie des Plasmastrahls wird dabei so gesteuert, dass keine zusätzliche Schmelze des Untergrunds mehr gebildet werden kann. Somit nimmt das Angebot der Schmelze an der Oberfläche mit dem Fortschreiten der Abscheidung kontinuierlich oder auch abrupt ab, so dass der abgeschiedene Werkstoff zunehmend höhere Anteile an den Komponenten des Hartmetallwerkstoffs aufweist. Der nunmehr bei der Abscheidung gebildete Werkstoff entspricht dem in den Plasmastrahl eingebrachten Hartmetallwerkstoff, bzw. dem aus den Komponenten gebildeten Hartmetallwerkstoff.in the The next step in the process is the deposition of the carbide or its components continued on the surface. The energy of Plasma jet is controlled so that no additional Melt of the underground can be formed more. Thus takes the offer of melt on the surface with the progression of Deposition continuously or abruptly, leaving the deposited Material increasingly higher Has proportions of the components of the hard metal material. Of the now formed in the deposition material corresponds to the in the plasma jet introduced carbide material, or from the the carbide material formed by the components.

Werden nur die entsprechenden Komponenten des Hartmetallwerkstoffs in dem Plasmastrahl eingebracht, so werden sich diese im Plasmastrahl oder auf der frisch abgeschiedenen Schicht zum überwiegenden Teil zur entsprechenden Legierung, beziehungsweise einem Hartmetallwerkstoff umsetzen. Bevorzugt wird die Abscheidung so gefahren, dass sich die Komponenten in der Hartmetallschicht zu homogenen Legierungen umsetzen. Dies lässt sich insbesondere durch die Energie des Plasmastrahls und die Menge der zudosierten Hartmetall-Komponenten regeln.Become only the corresponding components of the hard metal material in the Plasma jet introduced so they are in the plasma jet or on the freshly deposited layer for the most part to the corresponding Alloy, or implement a hard metal material. Prefers the deposition is driven so that the components in the Convert hard metal layer to homogeneous alloys. This is possible in particular by the energy of the plasma jet and the amount of dosed carbide components regulate.

Es ist offensichtlich, dass die Haftschicht auch zur auf deren Oberfläche abgeschiedenen Hartmetallschicht eine sehr hohe chemische und physikalische Kompatibilität aufweist.It It is obvious that the adhesive layer is also deposited on the surface thereof Hard metal layer has a very high chemical and physical compatibility.

Das Verfahren ist besonders dann kostengünstig durchzuführenden, wenn ein sehr energiereicher Plasmastrahl, insbesondere ein Hochdruckplasmastrahl verwendet wird. Bevorzugt wird ein Mikrowellen-induziertes Plasma verwendet.The Process is particularly cost-effective to carry out, if a very high-energy plasma jet, in particular a high-pressure plasma jet is used. Preference is given to a microwave-induced plasma used.

Der typische Druckbereich des Hochdruckplasmas liegt oberhalb 2 bar, wobei 5 bis 10 bar aus anlagen- und verfahrenstechnischen Gründen besonders gut geeignet sind. Ein zu hoher Druck ist für das Aufschmelzen der Oberfläche des metallischen Untergrundes ungeeignet, denn die Schmelze darf nicht weggeblasen werden.Of the typical pressure range of the high-pressure plasma is above 2 bar, where 5 to 10 bar for plant and process engineering reasons particularly are well suited. Too high a pressure is needed for the melting of the surface of the Metallic substrate unsuitable, because the melt is not allowed be blown away.

Als Plasmagas wird Inertgas, bevorzugt Ar oder N2 eingesetzt. Der Gehalt an Metalloxiden oder Metallnitriden liegt bei dieser Vorgehensweise im abgeschiedenen Material vergleichsweise niedrig. Bevorzugt werden weniger als 1 Metalloxide abgeschieden.The plasma gas used is inert gas, preferably Ar or N 2 . The content of metal oxides or metal nitrides is comparatively low in this procedure in the deposited material. Preferably, less than 1 metal oxides are deposited.

Der Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten werden beim erfindungsgemäßen Verfahren in den bereits ausgebildeten Plasmastrahl eingebracht. Dieser kann darauf gegebenenfalls nochmals durch geeignete Vorrichtungen fokussiert werden.Of the Hard metal material or its components are in the process of the invention introduced into the already formed plasma jet. This one can if necessary, again focused by suitable devices become.

Im Prinzip können die Hartmetalle oder deren Komponenten in Pulverform eingebracht werden. Es hat sich jedoch gezeigt, dass es erheblich günstiger ist, den Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten in Form eines Schlickers aus Metallpulver in den Strahl zu sprühen. Die Komponenten lassen sich in einem Schlicker sehr gut homogenisieren und der Schlicker in einfacher Weise und zuverlässig von einem Vorratsbehälter bis zum Einsprühen in den Plasmastrahl fördern. Dies gilt insbesondere für die bevorzugt eingesetzten feinen Pulverpartikel unterhalb einem mittleren Partikeldurchmesser von 50 μm. Da sehr feine metallische Pulver aufgrund ihrer hohen Oberfläche zum Teil pyrophor sind, wird der Partikeldurchmesser nach unten bevorzugt auf 1 μm begrenzt. Bevorzugt liegt der mittlere Partikeldurchmesser im Bereich von 1 bis 10 μm.In principle, the hard metals or their components can be introduced in powder form. However, it has been shown that it is considerably cheaper to spray the hard metal material or its components in the form of a slip of metal powder into the jet. The components can be very well homogenized in a slurry and the Promote slip in a simple manner and reliably from a storage container to the spray into the plasma jet. This applies in particular to the fine powder particles preferably used below an average particle diameter of 50 μm. Since very fine metallic powders are partially pyrophoric due to their high surface area, the particle diameter is preferably limited downwards to 1 μm. Preferably, the mean particle diameter is in the range of 1 to 10 microns.

Es ist zweckmäßig die metallischen Pulver im Schlicker möglichst hoch zu konzentrieren. Bevorzugt weist der Schlicker einen Metallpulver-Gehalt von mindestens 50 Gew.% auf.It is appropriate the concentrate metallic powder in the slurry as high as possible. The slip preferably has a metal powder content of at least 50% by weight on.

Der Schlicker kann unterschiedliche Lösungsmittel enthalten, bevorzugt werden aber wässrige Schlicker eingesetzt, da sie einfach zu handhaben und umweltverträglicher als Schlicker mit organischen Lösungsmitteln sind.Of the Slip may contain different solvents, preferably but become watery Slip used as they are easy to handle and more environmentally friendly as a slip with organic solvents are.

Als Stabilisatoren können dem Schlicker Polymere und oberflächenaktive Stoffe zugesetzt werden. Dabei sind beispielsweise Cellulose-, Polyether-, Polyglykol- oder Stärkelösungen gut geeignet. Weitere geeignete Hilfsstoffe sind Viskositäts-Modifizierende mehrwertige höhere Alkohole, Ethylenglykol, Diethylenglykol oder Glycerin.When Stabilizers can added to the slurry polymers and surfactants become. For example, cellulose, polyether, polyglycol or starch solutions good suitable. Other suitable adjuvants are viscosity modifiers multivalent higher Alcohols, ethylene glycol, diethylene glycol or glycerol.

Die Lösungsmittel und organischen Zusatzstoffe des Schlickers werden im Plasmastrahl weitgehend zersetzt und verdampft. Der mit den organischen Verbindungen eingebrachte Kohlenstoffüberschuss wird zum Teil als Kohlenstoff in die Legierungen aufgenommen. Hierdurch können sich in vorteilhafter Weise harte und die Verschleißfestigkeit erhöhende Metallcarbide bilden, beispielsweise Chromcarbid.The solvent and organic additives of the slurry are in the plasma jet largely decomposed and evaporated. The one with the organic compounds introduced excess carbon is partly incorporated as carbon in the alloys. hereby can advantageously hard and wear resistance increasing Metal carbides form, for example chromium carbide.

In einer weiteren Variante wird der Gehalt an organischen Komponenten im Schlicker so weit erhöht, dass sich Kohlenstoff elementar, beziehungsweise als graphitische Phase abscheidet. Die hierbei gebildeten graphitischen Ausscheidungen verbessern das Reibverhalten der Oberfläche.In Another variant is the content of organic components so much in the slip, that carbon is elemental, or graphitic Phase separates. The graphitic precipitates formed in this case improve the friction behavior of the surface.

Die Einbringung des Schlickers in den Plasmastrahl erfolgt durch Verdüsung, wie im Prinzip beispielsweise bei der Feinstrahllackierung bekannt.The Introduction of the slurry in the plasma jet is done by atomization, such as in principle, for example, in the fine jet painting known.

Es ist zweckmäßig die Hartmetallschicht auf dem zu beschichtenden Werkstück im Überschuss oder Übermaß abzuscheiden, um eine spanabhebende Nach- oder Feinbearbeitung durchführen zu können.It is appropriate the Deposit carbide layer on the workpiece to be coated in excess or excess, in order to be able to carry out a subsequent machining or finishing.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit stoffschlüssig gebundenem Ventilsitzring aus Hartmetall.One Another aspect of the invention relates to a cylinder head for internal combustion engines with cohesive bonded valve seat ring made of carbide.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Ventilsitzringe aus den sehr harten und verschleißbeständigen Ni-, Co- und/oder Co/Mo-Basislegierungen zu fertigen, wobei die Ventilsitzringe nicht in bekannter Weise einzeln zu fertigen und in die Zylinderköpfe einzupassen sind, sondern vielmehr direkt auf den Grundwerkstoff des Zylinderkopfes abgeschieden sind. Dabei ist es wesentlich, dass auf dem Untergrund zunächst eine Haftschicht angeordnet ist, die aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung eine hohe chemische und physikalische Kompatibilität zum Zylinderkopf und zu den Ventilsitzringen aufweist. Die Haftschicht ist nach oben und unten chemisch und stoffschlüssig gebunden.According to the invention, it is provided the valve seat rings are made of the very hard and wear-resistant Ni, Co- and / or Co / Mo-based alloys to manufacture, the valve seat rings not in a known manner individually and to fit in the cylinder heads are, but rather are deposited directly on the base material of the cylinder head. It is essential that on the ground first a Adhesive layer is arranged, due to their chemical composition a high chemical and physical compatibility with the cylinder head and to the valve seat rings. The adhesive layer is up and below chemically and cohesively bound.

Die hohe Kompatibilität der Haftschicht wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass sie aus einer Legierung des Materials des Zylinderkopfs und des Materials des Ventilsitzrings gebildet ist. Das Material des Zylinderkopfs ist in der Regel Stahl oder eine Eisengusslegierung. Bevorzugt wird der Zylinderkopf durch Grauguss gebildet. Die Haftschicht ist dabei mit dem Untergrund und mit dem darüber angeordneten Ventilsitzring chemisch verbunden.The high compatibility the adhesive layer is inventively achieved in that they made of an alloy of the material of the cylinder head and the material is formed of the valve seat ring. The material of the cylinder head is usually steel or an iron casting alloy. It is preferred the cylinder head formed by gray cast iron. The adhesive layer is included with the substrate and with the valve seat ring arranged above it chemically linked.

Bevorzugt liegt der Anteil des Ventilsitzring-Materials in der Haftschicht oberhalb 10 Gew.%, bevorzugt im Bereich von 15 bis 85 Gew.%. Insbesondere liegt der Anteil von Ni, Co und/oder Mo in der Haftschicht bevorzugt oberhalb 20 Gew.%, besonders bevorzugt im Bereich von 30 bis 70 Gew.%. Der Rest der Haftschicht wird in der Regel aus Eisen und den üblichen Stahlbegleitern gebildet.Prefers the proportion of the valve seat ring material is in the adhesive layer above 10% by weight, preferably in the range of 15 to 85% by weight. Especially For example, the proportion of Ni, Co and / or Mo in the adhesive layer is preferred above 20 wt.%, Particularly preferably in the range of 30 to 70 Wt.%. The remainder of the adhesive layer is usually made of iron and the usual Steel attendants formed.

Es ist von Vorteil, die Unterseite der Haftschicht der chemischen Zusammensetzung des Untergrundes und die Oberseite derjenigen des Ventilsitzringes anzupassen. Bevorzugt ändert sich die Zusammensetzung der Haftschicht senkrecht zur Oberfläche des Untergrundes gradientenförmig. Dabei weist die Haftschicht auf ihrer Unterseite nahezu die Zusammensetzung des Zylinderkopfs und auf deren Oberseite nahezu die Zusammensetzung des Ventilsitzrings auf. Besonders bevorzugt gehen die Zusammensetzungen von Zylinderkopf und Ventilsitzring fließend ineinander über.It is beneficial to the underside of the adhesive layer of the chemical composition the background and the top of those of the valve seat ring adapt. Preferably changes the composition of the adhesive layer perpendicular to the surface of the Background gradient. The adhesive layer has almost the same composition on its underside the cylinder head and on the top almost the composition of the valve seat ring on. Particularly preferred are the compositions of cylinder head and valve seat ring flowing into each other.

Die Ventilsitzringe weisen bevorzugt ein dichtes und homogenes Mischgefüge auf, wie es für thermische Spritzprozesse üblich ist. Besonders bevorzugt sind die Haftschicht und die Ventilsitzringe über ein thermisches Abscheideverfahren gebildet.The Valve seat rings preferably have a dense and homogeneous mixed structure, as it is for thermal Spraying processes usual is. Particularly preferably, the adhesive layer and the valve seat rings via a formed thermal deposition process.

Zu den als Ventilsitzringe besonders geeigneten Legierungen zählen die Ni-, Co- oder Co/Mo-Basislegierung. Unter den Co/Mo-Basislegierungen sind dabei diejenigen Zusammensetzungen zu verstehen, die neben dem Co einen Mo-Gehalt im Bereich von jeweils 20 bis 40 Gew.% aufweisen und unter den Co-Basislegierungen diejenigen die neben dem Co auch einen Mo-Anteil unterhalb 10 Gew.% aufweisen können. Bevorzugt liegt der Co- und/oder (Co + Mo)-Gehalt über 65 Gew.%.The alloys which are particularly suitable as valve seat rings include the Ni, Co or Co / Mo base alloy. The Co / Mo base alloys are to be understood as meaning those compositions which, in addition to the Co, have a Mo content in the range from 20 to 40% by weight and among the Co base alloys those which are adjacent Co may also have a Mo content of less than 10% by weight. The Co and / or (Co + Mo) content is preferably above 65% by weight.

Als weitere typische Legierungsbestandteile enthalten die Legierungen mindestens ein Element aus der Gruppe Cr, W, Ni, Fe, Si, Mn in einer Menge von 0,1 bis 20 Gew.%. Des weiteren können die für die entsprechenden Metalle üblichen Verunreinigungen in Spuren vorliegen.When other typical alloying constituents contain the alloys at least one element from the group Cr, W, Ni, Fe, Si, Mn in one Amount of 0.1 to 20 wt.%. Furthermore, the usual for the corresponding metals Impurities are present in traces.

Der Gehalt an Metalloxiden oder Metallnitriden in den abgeschiedenen Ventilsitzringen liegt vergleichsweise niedrig. Bevorzugt liegt der Gehalt an Oxiden oder Nitriden unterhalb 2 Gew.%. Besonders bevorzugt liegt der Sauerstoffgehalt der Legierungen unterhalb 1 Gew.%.Of the Content of metal oxides or metal nitrides in the deposited Valve seat rings is comparatively low. Preferably lies the content of oxides or nitrides below 2 wt.%. Especially preferred the oxygen content of the alloys is below 1% by weight.

Die nominale Zusammensetzung (Gew. %) besonders bevorzugter Co-Basislegierung ist wie folgt:
C: 0,1 bis 3%
Cr: 5 bis 30%
W: 0 bis 20%
Ni: 1 bis 25%
Fe: 0,1 bis 5%
Si: 0 bis 4%
Mo: 0,5 bis 3%
Mn: 0 bis 1%
Co: Rest, aber mindestens 50% und übliche Verunreinigungen
The nominal composition (% by weight) of particularly preferred Co base alloy is as follows:
C: 0.1 to 3%
Cr: 5 to 30%
W: 0 to 20%
Ni: 1 to 25%
Fe: 0.1 to 5%
Si: 0 to 4%
Mo: 0.5 to 3%
Mn: 0 to 1%
Co: balance, but at least 50% and usual impurities

Die nominale Zusammensetzung (Gew.%) besonders bevorzugter Co/Mo-Basislegierung ist wie folgt:
C: 0,05 bis 1%
Cr: 5 bis 30%
W: 0 bis 20%
Ni: 0 bis 10%
Fe: 0,1 bis 4%
Si: 0 bis 4%
Mn: 0 bis 1%
Mo: 5 bis 35%
Co: Rest, aber mindestens 45 %, und übliche Verunreinigungen.
The nominal composition (% by weight) of particularly preferred Co / Mo base alloy is as follows:
C: 0.05 to 1%
Cr: 5 to 30%
W: 0 to 20%
Ni: 0 to 10%
Fe: 0.1 to 4%
Si: 0 to 4%
Mn: 0 to 1%
Mo: 5 to 35%
Co: remainder, but at least 45%, and common impurities.

Zu den besonders bevorzugten Legierungszusammensetzungen gehören die als Tribaloy®, Stellite® oder Colmonoy® bekannten Legierungen.Particularly preferred alloy compositions include those known as Tribaloy ®, Stellite ® ® or Colmonoy alloys.

Weitere bevorzugte Ausführungsform der Legierungszusammensetzung umfassen neben Co, 7 bis 15 Gew.% Cr, 20 bis 30 Gew.% Mo und 1 bis 4 Gew.% Si,
oder 25 bis 32 Gew.% Cr, 2 bis 2,5 Gew.% C, 1 bis 4 Gew.% Ni und 10 bis 15 Gew.% W.
Further preferred embodiments of the alloy composition comprise, in addition to Co, 7 to 15% by weight of Cr, 20 to 30% by weight of Mo and 1 to 4% by weight of Si,
or 25 to 32% by weight of Cr, 2 to 2.5% by weight of C, 1 to 4% by weight of Ni and 10 to 15% by weight of W.

Die nominale Zusammensetzung (Gew.%) besonders bevorzugter Ni-Basislegierung weist einen Ni-Gehalt von 14 bis 33%, einen Cr-Gehalt von 15 bis 29 % und einen Mo-Gehalt von 3 bis 15 % und Rest Fe, sowie übliche Stahlbegleiter auf.The nominal composition (% by weight) of particularly preferred Ni base alloy has a Ni content of 14 to 33%, a Cr content of 15 to 29% and a Mo content from 3 to 15% and residual Fe, as well as usual steel companions.

Für die Verschleißfestigkeit ist neben der chemischen Zusammensetzung insbesondere das Gefüge der Oberflächenschicht von Bedeutung. Dabei spielt auch die offene Porosität eine wichtige Rolle. Die erfindungsgemäß abgeschiedenen Schichten weisen bevorzugt eine offene und/oder geschlossene Porosität unterhalb 5 % auf.For the wear resistance is in addition to the chemical composition in particular the structure of the surface layer significant. The open porosity also plays an important role here Role. The deposited according to the invention Layers preferably have an open and / or closed porosity below 5% up.

Für die geometrische Ausgestaltung der Ventilsitzringe am Zylinderkopf können die bekannten Abmessungen im allgemeinen übernommen werden. Aufgrund der guten Passung und Anbindung der abgeschiedenen Ventilsitzringe kann deren Dicke aber auch deutlich gegenüber den einzeln gefertigten und eingepassten Ringen reduziert sein. Die Dicke der Ventilsitzringe zusammen mit der Haftschicht liegt bevorzugt im Bereich von 0,2 bis 5 mm, besonders bevorzugt bei 0,5 bis 2 mm. Im Vergleich zu den gängigen gegossenen und eingepassten Ventilsitzringen sind die erfindungsgemäßen Ventilsitzringe deutlich leichter, beziehungsweise weniger dick. Hierdurch lassen sich in vorteilhafter Weise Einsparungen bei den relativ teuren Rohstoffen Co und Mo verwirklichen.For the geometric Design of the valve seat rings on the cylinder head, the known dimensions are taken in general. by virtue of the good fit and connection of the separated valve seat rings But their thickness can also be compared to the individually manufactured and be fitted rings reduced. The thickness of the valve seat rings together with the adhesive layer is preferably in the range of 0.2 to 5 mm, more preferably 0.5 to 2 mm. Compared to the common cast and fitted valve seat rings are the valve seat rings according to the invention clearly lighter or less thick. This can be in Advantageous savings on the relatively expensive raw materials Realize Co and Mo

Claims (17)

Verfahren zur Bildung von Hartmetallschichten, die über eine chemisch gebundene Haftschicht fest mit einem metallischen Untergrund verbunden sind, gekennzeichnet durch die Schritte, – Aufschmelzen des Untergrundes mittels eines Plasmastrahls – Einbringen des Hartmetallwerkstoffs oder dessen Komponenten in den Plasmastrahl – Abscheiden des Hartmetallwerkstoffs oder dessen Komponenten in der aufgeschmolzenen Oberflächenschicht des Untergrundes unter Bildung einer Haftschicht – Überschichten der Haftschicht mit Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten unter Bildung der Hartmetallschicht.Method for forming hard metal layers, the above a chemically bonded adhesive layer solid with a metallic Underground, characterized by the steps of - melting of the subsurface by means of a plasma jet - bring in of the hard metal material or its components in the plasma jet - Separate of the hard metal material or its components in the molten surface layer of the substrate to form an adhesive layer - Overlay the adhesive layer with hard metal material or its components forming the hard metal layer. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmastrahl ein Mikrowellen-induziertes Plasma verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that in that the plasma jet uses a microwave-induced plasma becomes. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten in Form eines Schlickers aus Metallpulver eingebracht werden.Method according to claim 1 or 2, characterized that the hard metal material or its components in the form of a Schlickers be introduced from metal powder. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schlicker mit einen Metallpulver-Gehalt von mindestens 50 Gew.% verwendet wird.A method according to claim 3, characterized in that a slurry having a metal powder content of at least 50 wt.% Is used becomes. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass Metallpulver mit mittlerer Partikelgröße im Bereich von 1 bis 50 μm verwendet werden.Method according to claim 3 or 4, characterized that metal powder with average particle size in the range of 1 to 50 microns used become. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallpulver aus Co-, Ni- oder Co/Mo-Basislegierungen und/oder deren Komponenten ausgewählt werden.Method according to claim 5, characterized in that in that the metal powders consist of Co, Ni or Co / Mo base alloys and / or their components selected become. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze des Untergrundes und der Hartmetallwerkstoff oder dessen Komponenten eine Haftschicht aus homogener Legierung bilden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the melt of the substrate and the hard metal material or its components, an adhesive layer of homogeneous alloy form. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Komponenten in der Hartmetallschicht zu einer homogenen Legierung umsetzen.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the components in the hard metal layer convert to a homogeneous alloy. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Untergrund ein Eisen-Gusslegierung gewählt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that an iron casting alloy is selected as the substrate. Zylinderkopf für Brennkraftmaschinen mit stoffschlüssig gebundenen Ventilsitzringen aus Hartmetall auf der Basis von Ni-, Co- und/oder Mo-Legierungen, erhältlich durch ein Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Stoffschluss über eine zwischen Zylinderkopf und Ventilsitzring chemisch gebundene Haftschicht aus einer Legierung des Materials des Zylinderkopfs und des Ventilsitzrings gebildet ist.Cylinder head for Internal combustion engines with cohesively bonded valve seat rings tungsten carbide based on Ni, Co and / or Mo alloys, available by a method according to any one of the preceding claims characterized in that the material connection via an intermediate cylinder head and valve seat ring chemically bonded adhesive layer of an alloy formed of the material of the cylinder head and the valve seat ring is. Zylinderkopf nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zusammensetzung der Haftschicht senkrecht zur Oberfläche des Untergrundes gradientenförmig ändert.Cylinder head according to claim 10, characterized in that the composition of the adhesive layer perpendicular to the surface of the Substrate changes in a gradient shape. Zylinderkopf nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftschicht auf ihrer Unterseite nahezu der Zusammensetzung des Zylinderkopfs und auf deren Oberseite nahezu der Zusammensetzung des Ventilsitzrings entspricht.Cylinder head according to claim 11, characterized that the adhesive layer on its bottom almost the composition the cylinder head and on the top almost the composition corresponds to the valve seat ring. Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitzring aus einer Ni-, Co- oder Co/Mo-Basislegierung gebildet ist, wobei der Ni-, Co- oder Mo-Gehalt bei über 50 Gew.% liegt.Cylinder head according to one of claims 10 to 12, characterized in that the valve seat ring of a Ni, Co or Co / Mo base alloy formed is, wherein the Ni, Co or Mo content at over 50% by weight. Zylinderkopf nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Co/Mo-Basislegierung ein Cr-Gehalt von 5 bis 30 Gew.% aufweistCylinder head according to claim 13, characterized that the Co / Mo base alloy has a Cr content of 5 to 30% by weight Zylinderkopf nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet, durch die nominale chemische Zusammensetzung des Ventilsitzrings in Gew.%, Mo 25 bis 35 %, Si 1 bis 4%, Fe < 3 %, Cr 5 bis 20 %, C 0,05 bis 1 %, Rest Co und Spurenbestandteile unterhalb 1%.Cylinder head according to one of claims 10 to 14, characterized by the nominal chemical composition of the valve seat ring in wt.%, Mo 25 to 35%, Si 1 to 4%, Fe <3%, Cr 5 to 20 %, C 0.05 to 1%, balance Co and trace components below 1%. Zylinderkopf nach Anspruch 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Ni, Co und/oder Mo in der Haftschicht oberhalb 10 Gew.% liegt.Cylinder head according to claim 10 to 15, characterized that the proportion of Ni, Co and / or Mo in the adhesive layer above 10% by weight. Zylinderkopf nach Anspruch 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Ventilsitzring und Haftschicht zusammen eine Dicke im Bereich von 0,2 bis 5 mm aufweisen.Cylinder head according to claim 10 to 16, characterized that valve seat ring and adhesive layer together have a thickness in the range from 0.2 to 5 mm.
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