Mit Metallschutzschicht versehener Leichtmetallkolben für Verbrennungskraftmaschinen, sowie Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Retallschutzschichten an Leichtmetallkolben. Zur Steigerung der Lebensdauer der Kol ben oder zur Leistungserhöhung im Motor hat man bereits versucht, Leichtmetallkol ben, also Kolben aus Aluminium oder Magne sium oder aus Legierungen dieser Metalle, mit Metallschutzschichten zu versehen. Das Aufbringen der Schutzmetalle wurde mittels Metallspritzpistole und auf galvanischen Wege versucht.
Die auf diese Weise erhalte nen Metallüberzüge sind aber den hohen An forderungen, die an die Kolben während des Betriebes gestellt werden, nicht gewachsen, da sie nur geringe Haftfestigkeit besitzen und sich während des Betriebes leicht von dem Grundmaterial ablösen, wodurch erheb liche Betriebsstörungen hervorgerufen wer den können, wenn die abgeblätterten Teile zwischen die Gleitflächen geraten.
Auf über wiegend magnesiumhaltige Kolben ist es zum Beispiel galvanisch überhaupt nicht mög lich, Schutzschichten aufzubringen. Die mit- tels Spritzpistole aufgebrachten Schichten zeigen gegen galvanisch aufgebrachte Schich ten noch geringere Haftfestigkeit. Durch die Erfindung werden diese Nachteile vermieden.
Der Gegenstand der Erfindung ist ein Leichtmetallkolben, der dadurch gekenn zeichnet ist, dass er mindestens teilweise mit einer Metallschutzschicht überzogen ist, deren Basis an das Grundmaterial des Kolbens durch Diffusion anlegiert und dadurch mit ihm fest verbunden ist. Die Metallschutz schicht kann dabei vorteilhaft eine Stärke von 0,001 bis einige Millimeter aufweisen.
Die Aufbringung der Metallschicht erfolgt dabei vorzugsweise durch Kathodenzerstäu- bung bei 3 bis 0,01 mm Hg Füllgasdruck. Die Aufbringung der Metallschutzschicht kann aber auch im Vakuum durch thermi sche Verdampfung oder bei 3 bis 10-6 mm Füllgasdruck vorgenommen werden. Die Me- tallschutzschicht kann je nach den gestellten Anforderungen aus unterschiedlichem Metall bestehen.
So ist es zum Beispiel zweckmässig, auf den Kolbenboden zur besseren Wärme ableitung und Reflexion eine Schutzschicht aus Silber oder Kupfer aufzubringen, wo gegen auf den Kolbenschaft zur Verbesse rung der Laufeigenschaften zweckmässig Schichten aufgebracht werden, die einen ge ringen Verschleiss während des Betriebes auf weisen oder sogar eine Schmierwirkung her vorrufen. Die aufgebrachten Metallschichten sind zweckmässig feinkristallin, weisen zweck mässig eine Stärke von 0,005 bis 0,05 mm bis zu einem oder mehreren Millimetern auf und sind den bisher bekannten Schutzschichten in bezug auf Haftfestigkeit bei weitem über legen und genügen der thermischen und me chanischen Beanspruchung im Betrieb.
Die Erfindung betrifft weiter ein Ver fahren zur Herstellung von Leichtmetallkol ben, zum Beispiel solchen aus Aluminium, Magnesium oder Aluminium- bezw. Magne- siumlegierungen, für Verbrennungskraft maschinen, welches sich dadurch auszeichnet, dass das Schutzmetall unter vermindertem Druck und in hochdispersem Zustand, zum Beispiel mittels Kathodenzerstäubung oder thermischer Verdampfung bei Unterdru* bezw. im Vakuum,
auf den Leichtmetallkol ben aufgebracht wird. Es können auch meh rere Metallschichten nacheinander durch Ka- thodenzerstäubung bezw. Aufdampfen aufge bracht werden. Die Metallisierung von Leichtmetallkolben durch Kathodenzerstäu- bung bezw. Aufdampfen wird vorteilhaft in einer neutralen oder reduzierenden Atmo sphäre bei Drucken unterhalb 50 mm Hg, vor zugsweise zwischen 5 und 10-6 mm Hg, vor genommen.
Zum Anlegieren der Metall , Schutzschicht am Grundmetall durch Ka- thodenzerstäubung bezw. Aufdampfen, wird zweckmässig der Leichtmetallkolben vor, während oder nach der kathodischen Metal- lisierung bezw. Aufdampfung, vorzugsweise in der Kathodenzerstäubungs- bezw. Auf- dampfungskammer selbst,
auf die Legie- rungs- bezw. Diffusionstemperatur erwärmt. Das Erhitzen des Leichtmetallkolbens wird vorteilhaft durch eine Glimmentladung wäh rend oder nach der Kathodenzerstäubung bezw. Aufdampfung vorgenommen. Zu die sem Zwecke kann ein Wechsel- und Gleich stromkreis vorhanden sein. Dabei kann die Temperatur des Kolbens durch Veränderung der Entladungsleistung oder Änderung des Füllgasdruckes eingestellt werden. Der Kol ben kann dabei als Kathode, neutral oder als Anode der Glimmentladung ausgesetzt sein.
Bei der Kathodenzerstäubung wird nur ein Bruchteil der zugeführten elektrischen Ener gie zur Zerstäubung der Kathode verbraucht. Der grösste Teil wird an der Kathode und in dem Gasraum in Wärme umgesetzt. Die abgestäubte Menge steigt mit der zugeführ ten Entladungsleistung, gleichzeitig aber auch die Erwärmung der Kathode. Es ist somit vorteilhaft, die Kathode zu kühlen, um möglichst hohe Zerstäubungsleistungen an legen zu können. Die im Gasraum freiwer dende Energie dient zur Erwärmung des Kol bens. Um eine gleichmässige Erwärmung des Kolbens zu erzielen, umgibt die Kathode zweckmässig den Kolben von allen Seiten.
Die Kathode stellt also vorteilhaft die Zer- stäubungskammer oder Teile derselben dar und ist mit einem wasserdurchflossenen Kühl mantel versehen. Die Leistung an der Ent ladungsstrecke ist begrenzt durch die dem Kolben zu erteilende Temperatur. Es hat sich nun im Versuch gezeigt, dass man auch durch Druckänderung die Temperatur des Kolbens reg Lilieren kann, und zwar wird die Temperatur durch Erhöhung des Füllgas druckes erniedrigt und umgekehrt.
Durch richtige Wahl des Druckes lässt sich somit ein Optimum an Zerstäubungsleistung an die Entladungsstrecke legen und die Aufstäu- bungszeit auf ein Minimum reduzieren.
Als günstige Ausführungsform ergibt sich somit eine Zerstäubungsanlage, bei welcher die Kathode die Gefässwand darstellt, die dem Gegenstand zwecks gleichmässiger Erhitzung gleichmässig von allen Seiten Leistung aus der Entladung zuführt und gleichmässig ab- stäubt. Mittels des Verfahrens nach der Erfin dung können durch die Kathodenzerstäubung oder thermische Aufdampfung im Vakuum beliebige Metalle oder Legierungen auf den Kolben aufgebracht werden, wobei man Teile, die nicht metallisiert werden sollen, durch eine Schutzschicht oder einen Schutz körper abdecken kann.
Die durch Kathoden zerstäubung bezw. Aufdampfen auf den Me tallkolben aus Aluminium, Magnesium oder Aluminium- bezw. Magnesiumlegierungen aufgebrachte Metallschicht besteht vorteil haft aus Metallen der Chromgruppe, wie Chrom, Molybdän, Wolfram, der Eisen gruppe, wie Eisen, Kobalt, Nickel, der Kup fergruppe, wie Kupfer, Silber, oder einem Platinmetall, wie Platin, Palladium, Rho- dium, oder Metallen, wie Zinn, Blei, Alumi nium, Cadmium, Zink, oder seltenen Erd- metallen,
wie Vanadium, Tantal, Zirkon, ein zeln oder in beliebiger Kombination. Will man zum Beispiel nur den Boden des Metall kolbens metallisieren, so deckt man die Sei tenwandung des Kolbens durch eine Schutz hülse ab oder man verwendet eine entspre chend geformte Zerstäubungselektrode. Die durch Kathodenzerstäubung bezw. Aufdamp fen aufgebrachten Schichten erwiesen sich im anlegierten Zustand ausserordentlich haft fest, so dass ein so überzogener Kolben nicht nur eine höhere.
Verschleisszahl aufweist, son dern auch gegen den Angriff saurer Kon densate aus dem Verbrennungsraum ge schützt ist. Je nach der Höhe des Schmelz punktes des Metalles, welches man aufbrin gen will, ist es vorteilhaft, Zwischenschich ten aus andern Metallen einzulagern, so dass sich Legierungen von Drei- oder Mehrstoff systemen bilden, die sich leichter anlegieren lassen als das reine Metall und auf die zum Schluss reines Metall aufgestäubt bezw. auf gedampft werden kann. Der Kolbenschaft wird vorteilhaft mit Kupfer, Nickel, Eisen oder Chrom durch Kathodenzerstäubung bezw. Aufdampfen überzogen.
Als gut wärmereflektierendes Material hat sich auf dem Kolbenboden durch Kathodenzerstäu- bung bezw. Aufdampfen aufgebrachtes Sil- ber und Nickel sowie Chrom erwiesen, wäh rend im Kolbeninnern zur Wärmeabstrah lung vorteilhaft durch Kathodenzerstäubung bezw. Aufdampfung Kupfer aufgebracht wird,
das nach Beendigung der Aufstäubung bezw. Aufdampfung durch Einleitung von Sauerstoff in die Kathodenzerstäubungs- bezw. Aufdampfungskammer oxydiert wer den kann. Will man an der Oberfläche hoch schmelzende Metalle haben, so ist es für die Verankerung solcher Schutzschichten beson ders vorteilhaft, wenn solche Zwischenschich ten eingeführt werden, die mit dem Kolben material und dem hochschmelzenden Metall niedriger schmelzende Legierungen bilden.
Je nach der gewünschten Beschaffenheit der Oberfläche richten sich die zu verwendenden Metalle und die anzuwendenden Tempera turen.
Mittels des Verfahrens nach der Erfin dung kann man Leichtmetallkolben beliebi ger Zusammensetzung und Bauart, aus Alu minium, Magnesium oder Aluminium- bezw. Magnesiumlegierungen, mit Leichtigkeit me tallisieren, wie folgende Beispiele zeigen: Es wurde zum Beispiel ein Leichtmetall kolben Typ Nelson-Bohnalite von 77,5 mm fö an seiner Oberfläche durch Kathodenzerstäu- bung mit einer Schicht von Kupfer übet, zogen, der Leichtmetallkolben wurde dabei auf einer Temperatur von etwa 450-550 C gehalten.
Vorzugsweise wird zu Beginn und am Schluss der Aufstäubung der Kolben kurz zeitig durch Glimmentladung auf die Dif fusionstemperatur gebracht und in der Zwi schenzeit wird das Metall bei einer etwas niedrigeren Temperatur auf den heissen Kol ben aufgestäubt. Die Bestäubung wurde in H2 als Füllgas bei einem Druck von 8 mm Hg durchgeführt. Als Zerstäubuugsspännung wurde eine gleichgerichtete Wechselspannung angelegt, deren Effektivwert 700 Volt bei einem Zerstäubungsstrom von 7 Amp. be trug.
Ferner wurde ein Leichtmetallkolben einer magnesiumhaltigen Legierung von 77,5 mm (ö an seiner Oberfläche durch Ka- thodenzerstäubung mit einer Schicht von Sil- ber überzogen, der Metallkolben wurde dabei auf einer Temperatur von 450-500 C ge halten. Vorzugsweise wird zu Beginn und am Schluss der Aufstäubung der Kolben kurz zeitig auf die Diffusionstemperatur gebracht und in der Zwischenzeit wird das Metall bei einer etwas niedrigeren Temperatur auf den heissen Kolben aufgestäubt.
Die Bestäubung wurde in Argon als Füllgas bei einem Druck von 1 mm Ilg durchgeführt. Als Zerstäu- bungsspannung wurde eine gleichgerichtete Wechselspannung angelegt, deren Eeffektiv- wert 700 Volt bei einem Zerstäubungsstrom von 7 Amp. betrug.
Die Aufheizung des Leichtmetallkolbens auf die Legierungs- bezw. Diffusionstemperatur geschah in bei den Fällen durch Gasentladung in der Ka- thodenzerstäubungskammer. Die auf diesem Wege erhaltene Silberschicht war in dem Kolbenmaterial ausserordentlich fest ver ankert.
Weiter wurde zum Beispiel ein Leicht metallkolben Typ Nelson-Bohnalite von 77,5 mm Q) an seiner Oberfläche durch ther mische Aufdampfung im Vakuum mit einer Schicht von Kupfer überzogen, der Leicht metallkolben wurde dabei auf einer Tempe ratur von etwa 450-550 C gehalten. Vor zugsweise wurde zu Beginn und am Schluss der Aufdampfung der Kolben kurzzeitig auf die Diffusionstemperatur gebracht und in der Zwischenzeit wurde das Metall bei einer etwas niedrigeren Temperatur auf den heissen Kolben aufgedampft.
Die Aufdampfung wurde in H_# als Füllgas bei einem Druck von 0,3 mm Hg durchgeführt.
Zuletzt wurde ein Leichtmetallkolben aus einer magnesiumhaltigen Legierung von 77,5 mm<I>0</I> an seiner Oberfläche durch ther- a mische Aufdampfung im Vakuum mit einer Schicht von Silber überzogen, der Metallkol ben wurde dabei auf einer Temperatur von 450-500 C gehalten. Vorzugsweise wurde zu Beginn und am Schluss der Aufdampfung der Kolben kurzzeitig auf die Diffusionstem peratur gebracht und in der Zwischenzeit wurde das Metall bei einer etwas niedrige ren Temperatur auf den heissen Kolben auf- gedampft.
Die Aufdampfung wurde in Argon als Füllgas bei einem Druck von 0,01 mm Hg durchgeführt. Die Aufheizung des Leicht metallkolbens auf die Legierungs- bezw. Dif fusionstemperatur geschah in beiden Fällen durch Gasentladung in der Aufdampfungs- kammer. Als Heizspannung wurde eine gleichgerichtete Wechselspannung angelegt, deren Effektivwert 700 Volt bei einem Zer- stäubungsstrom von 3 Amp. betrug.
Die auf diesem Wege erhaltene Kupfer- bezw. Silber schicht war in dem Kolbenmaterial ausser ordentlich fest verankert.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vor richtung zur Durchführung des im Patent anspruch II beschriebenen Verfahrens, wel che gekennzeichnet ist durch eine Metallisie- rungskammer mit einem metallischen kühl baren Unterteil und einem abnehmbaren metallischen kühlbaren Oberteil, sowie durch in dieser Kammer aufgebrachte Mittel zur Überführung des auf den Kolben aufzutra genden Metalles in einen hochdispersen Zu stand. Die die Kathode bildende Wandung kann aus dem auf den Leichtmetallkolben auf zustäubenden Metall bestehen oder mit dem selben belegt sein.
Die Metallisierungskam- mer besitzt zweckmässig eine durch die metallische Kammerwandung isoliert und ab geschirmt eingeführte Anode. Die Metallisie- rungskammer kann ferner eine metallische kühlbare isolierte und abgeschirmte Durch führung vorzugsweise im Unterteil der Ka- thodenzerstäubungskammer besitzen, auf der der zu metallisierende Leichtmetallkolben unter Zwischenschaltung eines leitenden oder isolierenden Tragtellers gelagert ist.
Die Vorrichtung zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens kann auch eine Vakuumverdampfungskammer aufweisen mit einem metallischen, kühlbaren Unterteil und einem abnehmbaren, metallischen, kühlbaren Oberteil, dessen Wandung eine metallische, kühlbare, isolierte und abgeschirmte Strom durchführung trägt, an der der zu metallisie rende Kolben mittels einer den elektrischen Strom leitenden Tragvorrichtung angeordnet ist und durch einen das aufzudampfende Me- fall enthaltenden elektrisch heizbaren Tiegel unterhalb des Kolbens sowie durch eine Gleichstrom- oder Wechselstromspannungs- quelle, die mit dem einen, vorzugsweise nega tiven, Pol über die Stromdurchführung mit dem Kolben und mit dem andern,
vorzugs weise positiven, Pol mit der Abschirmung oder der Kammerwandung in Verbindung ge bracht werden kann.
Die beiliegende Zeichnung veranschau licht in Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines mit Metallschutzschicht versehenen Kolbens und in den Fig. 2 und 3 je ein Ausführungs beispiel der zur Durchführung des Verfah rens dienenden Vorrichtung.
In Fig. 1 bezeichnet 1 den Kolben, dessen Bodenteil 2 mit einer Metallschicht 3, zum Beispiel Kupfer oder Silber, überzogen ist, die unter Bildung einer Legierungsschicht 4 aus dem Grundmaterial des Kolbens und dem aufgebrachten Metall in dem Grundmaterial fest verankert ist. In ähnlicher Weise kann auch die übrige Kolbenwandung, je nach Be darf, metallisiert sein.
Die aufgebrachte Metallschutzschicht 3 wurde über die Gasphase (also in hochdisper- sem Zustand) des niederzuschlagenden Me- talles im Vakuum aufgebracht. Es kann hier bei von der festen oder flüssigen Phase des aufzubringenden Metalles ausgegangen wer den. So kann zum Beispiel das Material in einem Tiegel so hoch erhitzt werden, dass es aus demselben verdampft und sich auf -dem entsprechend angeordneten Kolben konden siert. Hierzu werden zweckmässig Füllgas drucke von 3 bis 10-6 mm in der Verdamp- fungsapparatur eingestellt.
Bei der Anwendung von elektrischer Zer- stäubung werden Füllgasdrucke von zum Beispiel 3 mm bis 10-3 mm eingestellt. Hier bei kann das zu zerstäubende Material in flüssigem oder festem Zustande vorliegen.
Der Kolben kann sowohl bei Anwendung der thermischen Verdampfung als auch bei der Kathodenzerstäubung während oder nach der Metallisierung, vorzugsweise in der Ver- dampfungs- oder Zerstäubungskammer selbst, auf die Temperatur gebracht werden, bei der sich das aufzubringende Material mit dem Grundmaterial durch Legierungsbildung ver bindet.
Diese Temperatur wird so lange ein gehalten, bis die gewünschte Eindringtiefe des aufgebrachten Materials in das Grund material erreicht ist. Danach wird die Tem peratur langsam herabgesetzt, um das reine Metall auf der Oberfläche als Schutzschicht zu erhalten. Je nach den gestellten Anforde rungen kann es auch genügen, nur eine Dif- fusions- oder Legierungszone zu erzeugen (Grenzfall, mit praktisch verschwindender Schutzschichtdicke). Die jeweils gewünschte Ausbildung der Schicht erhält man durch Regelung der Temperatur des zu überziehen den Kolbens.
Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum thermischen Aufdampfen von Metall auf Leichtmetallkolben im Va kuum.
Die gezeichnete Vorrichtung besitzt ein evakuierbares Gefäss 5, -welches mit einem Deckel 6 unter Zwischenschaltung einer mit tels des im Deckel angebrachten Luftkanals 6a kühlbaren Dichtung 7 vakuumdicht mit tels der Exzenterverschlüsse 8 verschliessbar ist. An den Stutzen 9 schliesst sich eine nicht dargestellte Vakuumpumpe an und durch den Stutzen 10 kann im Bedarfsfall ein vorzugs weise reduzierendes Füllgas, wie Wasser stoff, in geringen Mengen eingeleitet wer den.
Durch die Vakuumpumpe kann in dem Gefäss 5 jeder beliebige Unterdruck, zum Beispiel unter 50 mm Hg bis zu dem höch sten erreichbaren Vakuum eingestellt werden.
Das zu verdampfende Gut, zum Beispiel ein Metall oder eine Legierung, befindet sich in dem Verdampfungstiegel 11, der mit einem von dem zu verdampfenden Metall nicht an greifbaren Futter oder Einsatz 12 versehen ist. Die Heizung des Tiegels bis zur Ver dampfung des Metalles geschieht zum Bei spiel durch eine hohle, kühlbare Hochfre- quenzspule 13, deren beide Enden mittels der beiden Stromdurchführungen 14 und 15 durch den Deckel 6 in das Vakuumgefäss iso liert,
vakuumdicht und gegen die Glimment- ladung abgeschirmt eingeführt sind. Jede Stromdurchführung ist durch die in geringem Abstand von der Stromzuführung angeord neten metallischen Hüllen 16 und 17 abge schirmt und durch eine Schutzkappe 18 abge deckt. 19 und 20 sind zwei Isolierkörper, zwischen denen sich ein Dichtungskörper 21 befindet. Der Schraubring 22 dient dabei Zum Anpressen des Ganzen.
In dem Tiegel 12 verdampft die Schmelze 23 und der Dampf schlägt sich auf dem Metallkolben 24 nieder, der an einem hohl und kühlbar aus gebildeten Stromdurchführungskörper 25 an geordnet ist, und zwar kann durch die Lei tung 26 ein Kühlmittel wie Wasser zuge führt und durch den Stutzen 27 abgeleitet werden. Die Teile 28 und 29 stellen zwei metallische Abschirmungen dar, die in einem so geringen Abstand von der Stromdurchfüh rung und voneinander angeordnet sind, dass keine Glimmentladung in diesen engen Ring spalten möglich ist. Es sei hierzu auf das Schweiz. Patent Nr. 227449 verwiesen, das eine eingehende Erläuterung dieser Art der Abschirmung gibt.
Die Teile 30 und 31 stel len zwei Isolier- und Dichtungsringe dar, während der Teil 32 ein Anpressring ist. Durch die Kühlvorrichtung 33 im Vakuum gefäss wird die Stromdurchführung gekühlt, und zwar kann das Kühlmittel durch Stut zen 34 zugeführt und durch den Stutzen 35 abgeleitet werden. Das eine Ende der Se kundärspule 41 des Wechselstromtransforma- tors 42 kann über den Schalter 43 mit der Stromdurchführung 25 und das andere Ende der Sekundärspule über den regelbaren Wi derstand 44 und den Schalter 45 mit der Ab schirmhülle 28 verbunden werden.
Der negative Pol einer Gleichstromquelle 36 steht über einen Schalter 37 mit der Stromdurchführung 25 in Verbindung, wäh rend der positive Pol der Gleichspannungs- quelle über einen regelbaren Widerstand 38 entweder über Schalter 39 mit der Abschir mung 28 in Verbindung gebracht werden kann, oder über Schalter 40 mit der Wan dung der Vakuumkammer 5. Die Anwen dung dieser elektrischen Anlage geht aus der Schweiz. Patentschrift Nr. 207351 hervor. Der Teil 46 stellt einen Abschirmring dar, der nach Bedarf verwendet werden kann, wenn die Seitenwand des Kolbens nicht metallisiert werden soll.
Der Teil 47 ist ein Thermoelement mit den Enden 48 und 19. Der Teil 50 stellt die aufgedampfte Metall schicht dar und der Teil 51 die Tragvorrich tung für den Kolben.
Fig. 3 stellt einen Schnitt durch eine Ka- thodenzerstäubungs-Metallisierkammer für Leichtmetallkolben dar, bei der die Wan dung der Kammer als Kathode den zu metal lisierenden Metallkolben allseitig umgibt. 52 ist die abnehmbare metallische Zer- stäubungsgefässhaube, welche mit dem me tallischen Boden 53, unter Zwischenschaltung einer aus zwei Gummiringen bestehenden Dichtung 54, vakuumdicht verbunden ist.
Die ganze Innenfläche 55 der Kathodenzer- stäubungskammer, also sowohl der Bolzen 53 als auch die Haube 52, kann aus dem ge wünschten aufzustäubenden Metall bestehen oder damit belegt sein. Als solche Metalle kommen vor allem zur Anwendung Chrom, Molybdän, Wolfram, Eisen, Kobalt, Nickel, Kupfer, Silber, Platin, Palladium, Rhodium, Cadmium, Zink, Vanadium, Tantal, Zirkon, Aluminium, Magnesium oder dergl. einzeln oder in beliebiger Kombination.
Die nicht dargestellte Vakuumpumpe ist an den StC#- zen 56 angeschlossen, während der Stutzen 57 zum Zuführen eines neutralen oder re duzierenden Gases, wie Stickstoff, Wasser stoff, Edelgase, wie Argon oder dergl., dient. In die Gasableitung 56 und die Gaszulei tung 57 sind die Siebe 56a bezw. 57a einge baut, welche dank ihrer Maschenweite von weniger als 1 mm verhindern, dass die Glimm entladung in die Gaszuleitung bezw. Ablei tung hineinschlägt. Die Haube 52 ist mit einem Kühlmantel 58 umgeben, dem das Kühlmittel, zum Beispiel Wasser, Öl oder auch Luft, durch den Stutzen 59 zugeführt werden kann.
Durch den Stutzen 60 wird das Kühlmittel abgeleitet. Der Boden 53 kann durch die abnehmbare Stromleitung 61 mit der Haube 52 in leitende Verbindung ge- bracht werden. Die negative Spannung wird durch das Stromkabel 62 zugeführt, welches am Boden befestigt ist.
Der zu metallisierende Kolben 64 mit der Metallschicht 63 ruht auf einem isolierenden oder leitenden Teller 65, der von der kühl baren Durchführung 66, unter Zwischen schaltung eines Körpers 67 aus Metall oder Isoliermaterial getragen ist. Der die Anode darstellende Teil 68 ist isoliert und vom Bo den 53 und der Durchführung 66 durch je einen engen Ringspalt getrennt, wodurch die Isolation vor der schädlichen Einwirkung der Glimmentladung abgeschirmt ist. Durch das Kabel 69 ist die Anode 68 mit dem positiven Pol einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Teile 70, 71, 72 sind Ringe aus Isolier- und Dichtungsmaterial.
Der Ring 72 wird durch der Übersichtlichkeit halber nicht dar gestellte Schrauben an den Boden angepresst. Zwischen der Anode 68 und der als Kathode geschalteten Wandung des Zerstäubungs- gefässes bildet sich bei einem Druck zwischen 40 und 0,001, vorzugsweise etwa 5 bis 0,1 mm Hg, die zur Zerstäubung des Metalles und zum Aufheizen des Kolbens auf die ge wünschte Legierungs- oder Diffusionstempe ratur erforderliche Glimmentladung aus.
Die Kathodenzerstäubungskammer ist ferner mit einem abgeschirmten eingesetzten Schauglas 74 versehen. Der Teil 75 stellt einen Ring zum Abdecken des Spaltes zwischen der Haube und dem Boden dar. Der Stutzen 76 dient zum Zuführen des Kühlmittels für die Durchführung 66 und der Stutzen 77 zum Ableiten des Kühlmittels. Der Boden ist mit Kühlkanälen 73 versehen. Der Teil 78 stellt ein Thermoelement zur Messung der Tempe ratur des Kolbens während der Bestäubung dar.
Die Zerstäubung ist auch bei gekühlter Kathode möglich. Dabei ist die gesamte Innenfläche mit dem Glimmlicht bedeckt. Es sei hierzu auf die schweiz. Patentschrift Nr. 204862 verwiesen, die diese allseitige Ka thode eingehend erläutert. Das abgestäubte Metall schlägt sich vornehmlich auf den Kol- ben nieder, da er zentral im Innern des als Kathode wirkenden Gefässes angeordnet ist.
Light metal pistons provided with a protective metal layer for internal combustion engines, as well as a method and device for the production of protective layers on light metal pistons. To increase the life of the Kol ben or to increase the power in the engine, attempts have already been made to provide light metal pistons, ie pistons made of aluminum or magnesium, or of alloys of these metals, with protective metal layers. The application of the protective metals was attempted using a metal spray gun and by galvanic means.
The metal coatings obtained in this way are not able to cope with the high demands placed on the pistons during operation, as they have little adhesive strength and are easily detached from the base material during operation, which causes considerable malfunctions can if the flaked parts get between the sliding surfaces.
For example, it is not at all possible to apply protective layers by electroplating to pistons that predominantly contain magnesium. The layers applied by means of a spray gun show even lower adhesive strength than galvanically applied layers. The invention avoids these disadvantages.
The subject of the invention is a light metal piston, which is characterized in that it is at least partially coated with a protective metal layer, the base of which is alloyed to the base material of the piston by diffusion and is thereby firmly connected to it. The metal protective layer can advantageously have a thickness of 0.001 to a few millimeters.
The metal layer is preferably applied by cathode sputtering at 3 to 0.01 mm Hg filling gas pressure. The protective metal layer can also be applied in a vacuum by thermal evaporation or at 3 to 10-6 mm filling gas pressure. The metal protective layer can consist of different metals depending on the requirements.
For example, it is useful to apply a protective layer made of silver or copper to the piston crown for better heat dissipation and reflection, whereas layers are applied to the piston skirt to improve the running properties, which show or wear little wear during operation even produce a lubricating effect. The applied metal layers are expediently fine crystalline, expediently have a thickness of 0.005 to 0.05 mm to one or more millimeters and are far superior to the previously known protective layers in terms of adhesive strength and meet the thermal and mechanical stresses in operation .
The invention further relates to a process for the production of light metal pistons ben, for example those made of aluminum, magnesium or aluminum BEZW. Magnesium alloys, for internal combustion engines, which is characterized by the fact that the protective metal is applied under reduced pressure and in a highly dispersed state, for example by means of cathode sputtering or thermal evaporation in the case of negative pressure. in a vacuum,
is applied to the Leichtmetallkol ben. Several metal layers can also be used one after the other by cathode sputtering. Vapor deposition can be applied. The metallization of light metal pistons by cathode sputtering BEZW. Vapor deposition is advantageously carried out in a neutral or reducing atmosphere at pressures below 50 mm Hg, preferably between 5 and 10-6 mm Hg.
For alloying the metal, protective layer on the base metal by cathode sputtering or Vapor deposition is expediently the light metal flask before, during or after the cathodic metallization or. Evaporation, preferably in the cathode sputtering or. Evaporation chamber itself,
on the alloy or Diffusion temperature heated. The heating of the light metal piston is advantageous bezw by a glow discharge during or after cathode sputtering. Made by vapor deposition. An AC and DC circuit can be provided for this purpose. The temperature of the piston can be adjusted by changing the discharge power or changing the filling gas pressure. The Kol ben can be exposed to the glow discharge as a cathode, neutral or as an anode.
With cathode sputtering, only a fraction of the electrical energy supplied is used to sputter the cathode. Most of it is converted into heat at the cathode and in the gas space. The amount sputtered increases with the supplied discharge power, but at the same time the heating of the cathode increases. It is therefore advantageous to cool the cathode in order to be able to apply the highest possible sputtering performance. The energy released in the gas space is used to heat the piston. In order to achieve even heating of the bulb, the cathode expediently surrounds the bulb on all sides.
The cathode thus advantageously represents the atomization chamber or parts thereof and is provided with a cooling jacket through which water flows. The power on the discharge path is limited by the temperature to be given to the piston. It has now been shown in the experiment that the temperature of the piston can also be regulated by changing the pressure, namely the temperature is lowered by increasing the filling gas pressure and vice versa.
By choosing the right pressure, an optimum of atomization performance can be applied to the discharge path and the atomization time can be reduced to a minimum.
A favorable embodiment thus results in a sputtering system in which the cathode represents the vessel wall, which supplies the object with power from the discharge evenly from all sides for the purpose of uniform heating and dusts it off evenly. By means of the method according to the invention, any metals or alloys can be applied to the piston by cathode sputtering or thermal vapor deposition in a vacuum, whereby parts that are not to be metallized can be covered by a protective layer or a protective body.
The atomization by cathode respectively. Vapor deposition on the metal piston made of aluminum, magnesium or aluminum or respectively. Metal layer applied to magnesium alloys advantageously consists of metals from the chromium group, such as chromium, molybdenum, tungsten, the iron group, such as iron, cobalt, nickel, the Kup fergruppe, such as copper, silver, or a platinum metal such as platinum, palladium, rhodium , or metals such as tin, lead, aluminum, cadmium, zinc, or rare earth metals,
such as vanadium, tantalum, zirconium, individually or in any combination. For example, if you only want to metallize the bottom of the metal piston, you cover the side wall of the piston with a protective sleeve or you can use an appropriately shaped atomizing electrode. The bezw by sputtering. Layers applied by vapor deposition proved to be extremely strong in the alloyed state, so that a piston coated in this way not only has a higher one.
Has wear rate, but is also protected against attack by acidic condensates from the combustion chamber. Depending on the level of the melting point of the metal that you want to apply, it is advantageous to incorporate intermediate layers of other metals so that alloys of three- or multi-substance systems form, which can be alloyed more easily than pure metal and on which at the end of pure metal dusted or. can be vaped on. The piston skirt is advantageously BEZW with copper, nickel, iron or chromium by cathode sputtering. Coated with vapor deposition.
A good heat-reflecting material has been found on the piston crown by cathode sputtering respectively. Evaporated silver and nickel as well as chromium have been proven, while the inside of the flask is advantageous for heat radiation by cathode sputtering and / or. Vapor deposition copper is applied,
that after completion of the dusting or. Evaporation by introducing oxygen into the cathode sputtering and / or. The vapor deposition chamber is oxidized. If you want to have high-melting metals on the surface, it is particularly advantageous for anchoring such protective layers if such intermediate layers are introduced, which form lower-melting alloys with the piston material and the high-melting metal.
The metals to be used and the temperatures to be used depend on the desired texture of the surface.
By means of the method according to the inven tion, light metal pistons can be made of any composition and type, made of aluminum, magnesium or aluminum, respectively. Magnesium alloys, metalize with ease, as the following examples show: For example, a light metal piston type Nelson-Bohnalite of 77.5 mm for its surface was drawn through cathode sputtering with a layer of copper, the light metal piston was thereby opened at a temperature of about 450-550 ° C.
Preferably, at the beginning and at the end of the sputtering, the piston is briefly brought to the diffusion temperature by glow discharge and in the interim, the metal is dusted onto the hot piston at a slightly lower temperature. The dusting was carried out in H2 as a filling gas at a pressure of 8 mm Hg. A rectified AC voltage was applied as the atomizing voltage, the effective value of which was 700 volts at an atomizing current of 7 amps.
In addition, a light metal piston made of a magnesium-containing alloy of 77.5 mm (ö was coated on its surface with a layer of silver by cathode sputtering, the metal piston was kept at a temperature of 450-500 ° C. At the beginning and At the end of the sputtering, the piston is briefly brought to the diffusion temperature and in the meantime the metal is sprayed onto the hot piston at a slightly lower temperature.
The dusting was carried out in argon as filling gas at a pressure of 1 mm Ilg. A rectified alternating voltage was applied as the atomizing voltage, the effective value of which was 700 volts at an atomizing current of 7 amps.
The heating of the light metal piston on the alloy or Diffusion temperature occurred in the cases through gas discharge in the cathode atomization chamber. The silver layer obtained in this way was extremely firmly anchored in the piston material.
Next, for example, a light metal flask type Nelson-Bohnalite of 77.5 mm Q) was coated on its surface with a layer of copper by thermal vapor deposition in a vacuum, the light metal flask was kept at a temperature of about 450-550 ° C . Preferably, at the beginning and at the end of the vapor deposition, the flask was briefly brought to the diffusion temperature and in the meantime the metal was vaporized onto the hot flask at a slightly lower temperature.
The vapor deposition was carried out in H_ # as filling gas at a pressure of 0.3 mm Hg.
Finally, a light metal piston made of a magnesium-containing alloy of 77.5 mm <I> 0 </I> was coated on its surface by thermal vapor deposition in a vacuum with a layer of silver, the metal piston was heated to a temperature of 450- Held at 500 C. Preferably, at the beginning and at the end of the vapor deposition, the flask was briefly brought to the diffusion temperature and in the meantime the metal was vaporized onto the hot flask at a somewhat lower temperature.
The vapor deposition was carried out in argon as the filling gas at a pressure of 0.01 mm Hg. The heating of the light metal piston on the alloy respectively. In both cases, the diffusion temperature occurred through gas discharge in the vapor deposition chamber. A rectified alternating voltage was applied as the heating voltage, the effective value of which was 700 volts with an atomizing current of 3 amps.
The copper or copper obtained in this way. The silver layer was firmly anchored in the piston material.
The invention also relates to a device for carrying out the method described in claim II, which is characterized by a metallization chamber with a metallic coolable lower part and a removable metallic coolable upper part, as well as means applied in this chamber for transferring the the piston to be applied low metal in a highly dispersed state. The wall forming the cathode can consist of the metal to be dusted onto the light metal piston or be coated with the same.
The metallization chamber expediently has an anode which is insulated by the metallic chamber wall and introduced in a shielded manner. The metallization chamber can furthermore have a metallic, coolable, insulated and shielded passage, preferably in the lower part of the cathode atomization chamber, on which the light metal piston to be metallized is mounted with a conductive or insulating support plate interposed.
The device for carrying out the described method can also have a vacuum evaporation chamber with a metallic, coolable lower part and a removable, metallic, coolable upper part, the wall of which carries a metallic, coolable, insulated and shielded current feedthrough, on which the piston to be metallized by means of a the electrical current-conducting carrying device is arranged and by an electrically heatable crucible containing the metal to be evaporated underneath the piston and by a direct current or alternating current voltage source connected to the one, preferably negative, pole via the current feedthrough with the piston and with the other,
preferably positive pole with the shield or the chamber wall in connection ge can be brought.
The accompanying drawing illustrates in Fig. 1 an embodiment of a piston provided with a metal protective layer and in Figs. 2 and 3 each an embodiment example of the device used to carry out the procedural rens.
In Fig. 1, 1 designates the piston, the bottom part 2 of which is coated with a metal layer 3, for example copper or silver, which is firmly anchored in the base material to form an alloy layer 4 from the base material of the piston and the applied metal. In a similar way, the rest of the piston wall can, depending on requirements, be metallized.
The applied metal protective layer 3 was applied in a vacuum via the gas phase (that is, in the highly dispersed state) of the metal to be deposited. It can be assumed here in the solid or liquid phase of the metal to be applied who the. For example, the material in a crucible can be heated to such an extent that it evaporates from the same and condenses on the appropriately arranged flask. For this purpose, filling gas pressures of 3 to 10-6 mm are expediently set in the evaporation apparatus.
When using electrical atomization, filling gas pressures of, for example, 3 mm to 10-3 mm are set. Here at the material to be atomized can be in a liquid or solid state.
The piston can be brought to the temperature at which the material to be applied binds to the base material through alloy formation, both when using thermal evaporation and cathode sputtering during or after metallization, preferably in the evaporation or atomization chamber itself .
This temperature is maintained until the desired penetration depth of the applied material into the base material is reached. The temperature is then slowly reduced in order to preserve the pure metal on the surface as a protective layer. Depending on the requirements, it may also be sufficient to create only one diffusion or alloy zone (borderline case, with practically vanishing protective layer thickness). The desired formation of the layer is obtained by regulating the temperature of the piston to be coated.
Fig. 2 shows a section through a device for thermal vapor deposition of metal on light metal pistons in vacuum.
The device shown has an evacuable vessel 5, which is vacuum-tight with a lid 6 with the interposition of a seal 7 which can be cooled by means of the air duct 6a mounted in the lid and which can be closed in a vacuum-tight manner by means of the eccentric closures 8. A vacuum pump, not shown, is connected to the nozzle 9 and, if necessary, a preferably reducing filler gas, such as hydrogen, can be introduced in small quantities through the nozzle 10.
The vacuum pump can be used to set any negative pressure in the vessel 5, for example below 50 mm Hg up to the highest achievable vacuum.
The material to be evaporated, for example a metal or an alloy, is located in the evaporation crucible 11, which is provided with a lining or insert 12 that cannot be grasped by the metal to be evaporated. The crucible is heated until the metal is evaporated, for example, by a hollow, coolable high-frequency coil 13, the two ends of which are insulated by means of the two current feed-throughs 14 and 15 through the cover 6 into the vacuum vessel,
are introduced in a vacuum-tight manner and shielded against the glow discharge. Each power feedthrough is shielded by the angeord Neten metallic shells 16 and 17 at a small distance from the power supply and is covered by a protective cap 18 abge. 19 and 20 are two insulating bodies between which a sealing body 21 is located. The screw ring 22 is used to press the whole thing.
In the crucible 12, the melt 23 evaporates and the steam is deposited on the metal piston 24, which is arranged on a hollow and coolable current feedthrough body 25 formed, namely a coolant such as water can be supplied through the Lei device 26 and through the Nozzle 27 are derived. The parts 28 and 29 represent two metallic shields which are arranged at such a small distance from the power feedthrough and from each other that no glow discharge is possible in this narrow ring. Let us refer to Switzerland. See U.S. Patent No. 227449 for a detailed discussion of this type of shielding.
The parts 30 and 31 stel len represent two insulating and sealing rings, while the part 32 is a compression ring. The current feedthrough is cooled by the cooling device 33 in the vacuum vessel, namely the coolant can be supplied through Stut zen 34 and discharged through the nozzle 35. One end of the secondary coil 41 of the alternating current transformer 42 can be connected to the power feedthrough 25 via the switch 43 and the other end of the secondary coil via the adjustable resistor 44 and the switch 45 to the shielding cover 28.
The negative pole of a direct current source 36 is connected to the current feedthrough 25 via a switch 37, while the positive pole of the direct voltage source can be connected to the shielding 28 via a controllable resistor 38 either via switch 39 or via switches 40 with the wall of vacuum chamber 5. This electrical system is used in Switzerland. U.S. Patent No. 207351. The part 46 represents a shield ring which can be used as required if the side wall of the piston is not to be metallized.
The part 47 is a thermocouple with the ends 48 and 19. The part 50 represents the vapor-deposited metal layer and the part 51 the Tragvorrich device for the piston.
3 shows a section through a cathode sputtering metallization chamber for light metal pistons, in which the wall of the chamber as a cathode surrounds the metal piston to be metallized on all sides. 52 is the removable metallic atomization vessel cover, which is connected in a vacuum-tight manner to the metallic base 53 with the interposition of a seal 54 consisting of two rubber rings.
The entire inner surface 55 of the sputtering chamber, that is, both the bolt 53 and the hood 52, can consist of the desired metal to be sputtered or be covered with it. Such metals are mainly chromium, molybdenum, tungsten, iron, cobalt, nickel, copper, silver, platinum, palladium, rhodium, cadmium, zinc, vanadium, tantalum, zirconium, aluminum, magnesium or the like. Individually or in any desired form Combination.
The vacuum pump, not shown, is connected to the StC # - zen 56, while the nozzle 57 is used to supply a neutral or reducing gas such as nitrogen, hydrogen, noble gases such as argon or the like. In the gas discharge line 56 and the gas supply line 57, the sieves 56a respectively. 57a built in, which thanks to their mesh size of less than 1 mm prevent the glow discharge in the gas supply or. Derivation hits it. The hood 52 is surrounded by a cooling jacket 58, to which the coolant, for example water, oil or air, can be fed through the nozzle 59.
The coolant is discharged through the nozzle 60. The base 53 can be brought into conductive connection with the hood 52 through the removable power line 61. The negative voltage is supplied through the power cord 62 which is attached to the floor.
The piston 64 to be metallized with the metal layer 63 rests on an insulating or conductive plate 65, which is supported by the cool ble passage 66, with the interposition of a body 67 made of metal or insulating material. The part 68 representing the anode is isolated and separated from the floor 53 and the implementation 66 by a narrow annular gap, whereby the insulation is shielded from the harmful effects of the glow discharge. The cable 69 connects the anode 68 to the positive pole of a DC voltage source. The parts 70, 71, 72 are rings made of insulating and sealing material.
For the sake of clarity, the ring 72 is pressed against the floor by screws that are not provided. Between the anode 68 and the wall of the atomization vessel connected as a cathode, at a pressure of between 40 and 0.001, preferably about 5 to 0.1 mm Hg, which is necessary for atomizing the metal and heating the piston to the desired alloy or diffusion temperature required glow discharge.
The sputtering chamber is also provided with a shielded sight glass 74 inserted. The part 75 represents a ring for covering the gap between the hood and the floor. The connection piece 76 serves to supply the coolant for the passage 66 and the connection piece 77 is used to discharge the coolant. The floor is provided with cooling channels 73. The part 78 represents a thermocouple for measuring the temperature of the bulb during pollination.
Sputtering is also possible when the cathode is cooled. The entire inner surface is covered with the glow light. Let us refer to Switzerland. Patent No. 204862 referenced, which explains this all-round Ka method in detail. The sputtered metal is mainly deposited on the piston, since it is arranged centrally in the interior of the vessel acting as a cathode.