Transplantation of thermally sprayed wear‐resistant coatings by high pressure die casting of light metals

Abstract Durch Schichtverbundbauweise lassen sich die Eigenschaften von Bauteiloberflächen mit geeigneten Schichtwerkstoffen gezielt an Anforderungen anpassen, die vom vorgesehenen Grundwerkstoff nicht oder nur eingeschränkt erfüllt werden können. In klassischen Prozessketten hat der thermische Spritzprozess eine unabhängige Stellung in der abschließenden Bearbeitungsphase der Bauteile. Mit dem vorgestellten Verfahren soll ein thermischer Spritzprozess unmittelbar in die Druckgussfertigung integriert werden. So wird ein Herstellungsverfahren für beschichtete Gussteile mit weitestgehend nachbearbeitungsfreien Funktionsflächen realisiert. Im Gegensatz zum konventionellen Beschichtungsprozess wird dabei die Schicht nicht auf das Bauteil, sondern auf die Druckgussform oder entsprechende Wechseleinsätze appliziert und bei jedem Abguss als strukturierte Funktionsfläche auf das Bauteil übertragen. Der Transfer einer solchen Schicht von der Werkzeugoberfläche auf das Gussteil, auch als Transplantation bezeichnet, bedingt ein enges Prozessfenster bezüglich der Schichthaftung auf der Formoberfläche und auf dem Gussteil. Die Schichthaftung an der Werkzeugoberfläche muss groß genug sein, um während des Beschichtungsprozesses und der Formfüllung nicht abgelöst zu werden, jedoch gering genug, um sich beim Entformen vollständig vom Werkzeug abzulösen und zusammen mit dem Gussteil entnommen werden zu können. Im Vordergrund der vorgestellten Untersuchungen steht daher zunächst die gezielte Einstellung der Schichthaftung durch Anpassung der frästechnisch hergestellten Werkzeugoberfläche sowie die Anpassung der Schichtsysteme und Spritzparameter des Atmosphärischen Plasmaspritzprozesses zur möglichst präzisen Abformung der so eingebrachten Strukturen durch die Spritzschicht. Des Weiteren werden Untersuchungen zur Verbundbildung zwischen Gusswerkstoff und Schichtwerkstoff vorgestellt und Ergebnisse erster Gießversuche zur Transplantation von thermisch gespritzten Schichten im Druckguss auf Aluminium‐ und Magnesiumlegierungen präsentiert. By manufacturing structured functional‐surface coated composites using suitable materials, the properties of components' surfaces can be specifically matched to their requirements which the specified substrate material can not, or can only partially, fulfil. In conventional process chains, thermal spraying and structuring by milling are independent stages in the component's final processing phase. Using the procedure introduced here, thermal spraying is to be directly integrated into the high pressure die casting process. In this way, a manufacturing procedure for coated castings with functionalized surfaces is realised which, as far as possible, eliminates the finishing operation of coated cast parts. In contrast to conventional coating processes, the coating‐layer is not applied to the component but to the casting mould or to the corresponding inserts and is transferred to the component as a structured functional‐surface during each cast. Transferring this type of coating from the tooling surface to the casting; which is also referred to as transplant coating, requires a narrow process‐window with respect to the coating adhesion to both the tooling surface and the cast part. The coating adhesion at the tooling surface must be high enough such that the coating is not detached during either the coating or the mould filling processes, but also low enough to be completely detached from the tooling during mould stripping and be able to be removed together with the cast part. For this reason, the initial priority of the current investigations is to obtain a specific coating adhesion by adapting both the tooling surface, which is manufactured by milling, as well as the coating systems and the atmospheric plasma spray's parameters for the most precise moulding of such plasma sprayed structures. Furthermore, investigations are introduced on forming composites from the cast material and the coating materials and results are presented of preliminary casting tests for transplanting thermally sprayed coatings onto aluminium and magnesium alloys during high pressure die casting.