DE10160958A1 - Dynamische Kaltgas-Sprühbeschichtung für Aluminium-Motorblockzylinder - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren und eine Vorrichtung für dynamisches Kaltgas-Sprühen einer Zylinderlaufbüchse in einem Zylinder 2 eines Aluminiummotorblocks 1 wird geliefert. Die dynamische Kaltgas-Sprühbeschichtung 3 ermöglicht es, im Aluminiummotorblock 1 eine gehärtete Zylinderoberfläche 10 zu erhalten, ohne daß in den Aluminiummotorblock 1 restliche Umfangsspannungen eingeführt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Herstellung von Zylinderlaufbüchsen für Zylinderbohrungen von Innenverbren­ nungsmotorblöcken. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren und Gerät zur Ausbildung solcher Zylinder­ laufbüchsen in Aluminium-Motorblöcken unter Verwendung eines dynamischen Kaltgas-Sprühverfahrens.

In dem letzten Vierteljahrhundert kam es zu beträchtlichen Bemühungen, um die Kraftstoffökonomie von Kraftfahrzeugen zu verbessern. Um eine verbesserte Kraftstoffökonomie zu errei­ chen, zielte ein Trend der Technik auf die Minderung des Ge­ wichtes des Fahrzeuges. Die schwerste Komponente der meisten Kraftfahrzeuge ist der Motorblock. In der Vergangenheit wur­ den die meisten Motorblöcke aus Grauguß hergestellt. Viele Motorblöcke werden jetzt aus gegossener Aluminiumlegierung hergestellt. Leichte gegossene Motorblöcke aus Aluminiumle­ gierung bieten im Vergleich zu traditionellen Graugußmo­ torblöcken eine Möglichkeit der signifikanten Gewichtsredu­ zierung. Um jedoch eine kompatible Abnutzungsfläche für die in solchen Motorblöcken arbeitenden Kolben zu liefern, werden üblicherweise Eisenzylinderlaufbüchsen verwendet. Diese Zy­ linderlaufbüchsen werden in den Motorblock eingesetzt, indem sie vor Ort gegossen oder durch eine Schrumpf- oder Preßpas­ sung befestigt werden. Vor Ort gegossene Zylinderlaufbüchsen (wie sie in den US-Patenten 3.521.613 und 4.252.175 offenbart werden) verkomplizieren das Gußverfahren und erhöhen Kosten und Umfang von Gußabfall. Das Preßpassungsverfahren ermög­ licht es, die Blöcke zunächst ohne Zylinderlaufbüchsen zu gießen und somit die Ausschußgefahr zu reduzieren. Die Zylin­ derlaufbüchse wird später nach umfassendem Erhitzen der Blö­ cke zum Zwecke einer Ausdehnung und späterem Kühlen des Blocks nach Anbringen der Zylinderlaufbüchse montiert, daß eine Preßpassung zwischen der Zylinderbohrung und der Zylin­ derlaufbüchse erhalten wird. Siehe US-Patent 3.372.452.

Um ordnungsgemäß zu funktionieren, müssen die eingesetzten Zylinderlaufbüchsen eine vollständige integrale Verbindung von Oberfläche zu Oberfläche haben, die die Wärmeübertragung ebenso befördert wie wenn die Laufbüchse und die Zylinderboh­ rung ein und dasselbe Werkstück wären. Jedoch haben einige der vom Abnützungsstandpunkt aus am besten für die Beschich­ tung des Zylinders geeigneten Materialien schlechte Wärme­ übertragungseigenschaften, oder mit anderen Worten haben sie einen hohen Wärmeübertragungswiderstand und können demzufolge nicht verwendet werden. Auch die Umfangsspannung, die in dem Aluminium-Motorblock besteht und die ein Ergebnis einer durch Preßpassung eingesetzten Laufbüchse ist, kann zu hohen Rest­ spannungen im Motorblock führen. Um die Restspannung inner­ halb des Motorblocks zu kompensieren, können die Abmessungen des Motorblocks und der Laufbüchse vergrößert werden. Die Vergrößerung der Laufbüchse oder des Motorblocks erhöht das Gewicht des Motorblocks und wirkt dem angestrebten Ziel ver­ besserten Verbrauchsverhaltens entgegen.

Eine weitere Technik für die Herstellung von Laufbüchsen in Zylinderbohrungen von Motorblöcken war Laserplattieren oder thermisches Sprühen. Diese beiden Techniken wurden für wenig zweckmäßig befunden, denn sie führen zu restlichen Spannungen in dem gegossenen Aluminiumrohmaterial.

Es ist wünschenswert, eine Laufbüchse für Aluminiummotoren zu liefern, die keinen Gießerei-Gußprozeß erfordert. Außerdem ist es wünschenswert, eine Laufbüchse zu liefern, die zu kei­ nen Restspannungen im Aluminiumzylinderblock aufgrund von Preßpassungen oder thermischen Beanspruchungen führt.

Um die oben dargestellten und sonstigen zahlreichen Anforde­ rungen deutlich zu machen, wird die vorliegende Erfindung vorgeschlagen. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel lie­ fert die Erfindung ein Verfahren zur Beschichtung einer zy­ lindrischen Bohrung eines Aluminium-Hubkolben-Innenverbren­ nungsmotorblocks. Die Zylinderbohrung wird unter Verwendung eines dynamischen Kaltgas-Sprühbeschichtungsverfahrens be­ schichtet, um die Zylinderbohrung mit einem Beschichtungsma­ terial zu überziehen, welches zum Material des Motorblocks unterschiedlich ist. Der Motorblock wird zunächst mit dem Be­ schichtungsmaterial besprüht, welches gute Adhäsionseigen­ schaften und gute Wärmeübertragung zum Aluminium-Motorblock aufweist. Anschließend wird eine Laufflächenbeschichtung auf einem Material geliefert, das einen höheren Härtegrad als das erste Beschichtungsmaterial aufweist, um die Abnutzung zu mi­ nimieren. Die Beschichtungsmaterialien werden in Längsrich­ tung in die Zylinderbohrung längs der Zylinderbohrungsachse gesprüht, um das Entstehen von Haarrissen zu verhindern, wel­ che die ordnungsgemäße Aufbringung von Schmieröl auf der Oberfläche der beschichteten Zylinderbohrung verhindern kön­ nen.

Die Erfindung liefert auch eine Sprühpistole mit einer spe­ ziellen Düse, die das dynamische Kaltgas-Sprühen der Zylin­ derbohrung ermöglicht. Des weiteren liefert die Erfindung ei­ nen Aluminium-Motorblock mit einzigartigen, durch ein dynami­ sches Kaltgas-Sprühverfahren hergestellten Zylinderlaufbüch­ sen.

Es ist ein Vorteil der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Beschichtung eines Zylinders eines Aluminium-Innenver­ brennungsmotorblocks mit einem Material zu liefern, das zu dem Material des Motorblocks unterschiedlich ist, ohne daß ein Gießereiprozeß, eine Preßpassung oder heißes Plasmasprü­ hen erforderlich wären.

Weitere erfindungswesentliche Merkmale und Vorteile der Er­ findung gehen aus der nachstehenden Beschreibung hervor, in der mit Bezug auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele erläu­ tert werden. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer zur Ausführung bestimmter wesentlicher Schritte des erfindungsgemäßen Ver­ fahrens verwendeten Vorrichtung;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer Herstel­ lungsvorrichtung für das erfindungsgemäße Verfahren des dyna­ mischen Kaltgas-Sprühens zur Anbringung von Laufbüchsen in den Zylinderbohrungen eines Aluminium-Motorblocks;

Fig. 3 eine vergrößerte schematische Schnittansicht von auf der Oberfläche einer Zylinderbohrung durch den Verfah­ rensschritt des dynamischen Kaltgas-Sprühens nach der Erfin­ dung auf einer Oberfläche des Motorblockzylinders in Schich­ ten abgesetzten Partikeln;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die Änderungen der Hauptgeschwindigkeit als Funktion der Absetzungseffizienz für verschiedene Metallpartikel zeigt, wie sie durch die Über­ schalldüse getrieben werden;

Fig. 5 eine Draufsicht eines Zylinders mit der Darstellung des Motorblocks und der darin installierten Laufbüchse und auch ihr Oberflächenprofil nach ihrer Feinbearbeitung;

Fig. 6 ein Graphikprofil mit der Darstellung der Bewegung der Düse innerhalb der Zylinderbohrung zum Absetzen der Be­ schichtung durch Sprühen.

Es wird auf die Fig. 1, 2 und 3 Bezug genommen. Ein V-6- Motorblock aus gegossener Aluminiumlegierung 1 wird gelie­ fert. Der Motorblock 1 weist zwei Zylinderbänke auf. Jede Zy­ linderbank weist drei Zylinderbohrungen 2 auf. Die Zylinder­ bohrungen 2 sind für das Montieren von Hubkolben in denselben zur Herstellung von Arbeitskammern mit variablem Volumen in an sich bekannter Weise vorgesehen. Die Zylinderbohrungen 2 sind mit einer Laufbüchse 3 (Fig. 3) versehen, deren Material sich durch Einsatz eines dynamischen Kaltgas-Sprühverfahrens von dem des Motorblocks 1 unterscheidet. Das dynamische Kalt­ gas-Sprühmaterial wird durch eine Sprühpistole 4 auf eine Fläche 10 der Zylinderbohrungen 2 in einer zu beschreibenden Weise zugeführt.

Die Sprühpistole 4 bläst unter Verwendung eines relativ kal­ ten Gases 16 Pulverpartikel 15 (mit einer Partikelgröße im Bereich von 10 bis 50 Mikron) mit Überschallgeschwindigkeit gegen die Zylinderbohrungsoberfläche aus gegossenem Aluminium 10, mit ausreichender kinetischer Energie und Geschwindigkeit (500-1500 m/s) und in nicht geschmolzenem Zustand, um eine plastische Verformung und Konsolidierung der Partikel 15 nach dem Auftreffen auf der Oberfläche 10 durch ein zum Explosi­ onsschweißen analoges Phänomen zu verursachen. Ein solches Kaltgas-Sprühen beseitigt unerwünschte Einflüsse, die für die Plasmasprühabsetzung charakteristisch sind, wie z. B. durch Korngrößenwachstum ausgelöste Spannungen und die Existenz von Oxydationsphasen in den Metallpartikeln.

Verschiedene Pulvermetallpartikel werden nacheinander ange­ bracht; als erstes wird eine erste Wärmemanagement- Materialschicht 17, bei der ein geringer Wärmewiderstandswert besteht, abgesetzt. Die erste Materialschicht 17 hat auch ei­ nen hohen Grad an Adhäsion an dem Basisaluminiummaterial des Motorblocks 1. Die Sprühpistole 4 sprüht die erste Material­ schicht 17 in einer Stärke von ca. 0,5 bis 0,7 mm. Nach dem Absetzen der ersten Materialschicht 17 wird eine zweite ab­ riebfeste Materialschicht 19 abgesetzt. Die zweite Material­ schicht 19 wird typischerweise in einer Stärke von 1,5 mm ab­ gesetzt, woraus sich eine insgesamt angebrachte Beschich­ tungsstärke von ca. 2,0 mm ergibt. Die zweite Materialschicht 19 ist im Hinblick auf Abnutzungsfestigkeit typischerweise härter. Die meisten der Materialien, die die zweite Material­ schicht 19 bilden, haben einen höheren Wärmewiderstandswert als das Material, das die erste Materialschicht 17 bildet, und haben auch einen niedrigeren Wert der Adhäsion an dem Aluminium der Zylinderbohrungsoberfläche 10. Die erste Materi­ alschicht 17 muß zwischen der zweiten Materialschicht 19 und dem Gußaluminiumblock-Basismaterial die Wärme rasch übertra­ gen, um die während des Betriebs des Motors erzeugte Verbren­ nungswärme und die Reibungswärme zu befördern.

Metallpartikel 21 für die erste Materialschicht 17 werden vor allem aus Kupfer oder Kupferlegierung in einem Partikelgrö­ ßenbereich von 10-22 Mikron gebildet. Metallpartikel 22 für die abriebfeste Materialschicht 19 werden zumindest haupt­ sächlich in einem Partikelgrößenbereich von 1-50 Mikron ge­ bildet. Vom praktischen Standpunkt aus lehrt die Praxis, daß die Pulverpartikelgröße in einem Bereich von ca. 10-50 Mik­ ron liegen sollte, um für Kaltsprühablagerung allgemein ge­ eignet zu sein. Eine bügelförmige Hochdruckstoßwelle entwi­ ckelt sich unmittelbar neben dem Target; dieser "bügelförmige Stoß" kann damit beginnen, Sprühpartikel mit einer Partikel­ größe unter ca. 5 Mikron abzulenken und abzubremsen.

Das Material, das die abriebfeste zweite Materialschicht 19 bildet, kann aus einer Materialgruppe gewählt werden, die aus Nikasil Ni-Si C, rostfreiem Stahl, Keramikverbundmaterialien, diamantähnlichen kohlenstoffreichen Materialien, Sphäroguß (gekühlt), Chrom, nitrierenden Verbindungen, Monelmetallen oder sonstigen geeigneten Alternativen bestehen. Die für die abriebfeste zweite Materialschicht 19 verwendeten Partikel müssen die folgenden Prozeßeigenschaften haben: Abriebfestig­ keit, Härte und Eigenschaften, die für Werkzeügstahlmaterial typisch sind bzw. diesem ähneln. Werkzeugstahl paßt sehr gut zu den erforderlichen Eigenschaften, das gleiche gilt für die vorstehend erwähnten Materialien und sonstige Metallpulver, wie z. B. Wolfram oder Wolframlegierungen, die in etwa analoge Vorteile liefern, wenn sie mit Werkzeugstahlpartikeln ver­ mischt werden. Werkzeugstahl wird hierin so definiert, daß er einen Stahl bedeutet, der eine Zusammensetzung mit dem fol­ genden Bereich von Inhaltsstoffen in Gewichtsprozent enthält: C 0,3-1,5; Mn 0,25-1,6; Si 0,2-2,0; W 0,5-20,0; V 0,15-4,25; Mo 0,25-8,5; Co 0,6-12,0; Cr 0,3-12,0; Ni 0,3-12,0 und der Rest Eisen. Vorzugsweise kann H13- Werkzeugstahl verwendet werden, welcher besteht aus: C 1,0, Mn 1,0, Si 0,6, W 10,0, V 20 3,0, Mo 5,0, Co 6,0, Cr 6,0, Ni 6,0 und der Rest Eisen.

Zur Ausführung des Kaltgas-Metallsprühens müssen die Metall­ pulver auf eine notwendige Geschwindigkeit beschleunigt wer­ den, es wird ein Druckgastreibmittel 23 aus Helium oder einer Helium-Stickstoff-Mischung verwendet. Die festen Metallpul­ verpartikel werden in einen Partikelmischer 25 und eine Meß- und Zuführvorrichtung 24 eingegeben, welche eine homogene Mi­ schung von Metallpartikelgrößen zu einer zylindrischen Trom­ mel 32 zuführt. Die Trommel 32 weist Oberflächenvertiefungen 26 auf, die für eine Transferierung nach den Vorgaben eines Metallpulversteuergeräts 27 eine vorbestimmte Menge an festen Metallpartikeln aufnehmen. Der geförderte Strom von Metall­ partikeln wird mit dem Treibgas 23 in einem Verhältnis zwi­ schen Gas und Metallpartikeln vermischt, welches ausreichend ist, die Partikel mit hoher Geschwindigkeit zu transferieren; die Mischung wird zur Vorkammer 28 einer Überschalldüse 29 geführt. Indem das Verhältnis zwischen Partikeln und Gas ge­ ändert und/oder die Temperatur des Treibgases erhöht wird, kann die Geschwindigkeit des aus der Überschalldüse 29 aus­ tretenden Gaspartikelstroms variiert werden.

Bei geeignetem Zuführgasdruck aus einer Gasquelle 30 [z. B. 200-400 psi (2025-2700 kPa)] wird die Gasstromgeschwin­ digkeit am kleinsten Innendurchmesser 31 der konvergieren­ den/divergierenden Düse 29 einer lokalen Schallgeschwindig­ keit von mindestens Mach 1 entsprechen. In dem Maße, wie sich das Gas in dem divergierenden Abschnitt 32 der Düse ausdehnt, werden Überschallgasgeschwindigkeiten entwickelt. Wie bereits angegeben werden Pulverpartikel in den Gasstrom in der Vor­ kammer 28 stromauf von dem konvergierenden Abschnitt 33 der Düse eingespritzt und werden durch den umgebenden Gasstrom beschleunigt und bewegen sich die Düse hinunter.

Um eine notwendige kritische Partikelgeschwindigkeit zu er­ reichen, kann das Gas auf ausschließlich Helium mit einem ge­ ringeren Molekulargewicht beschränkt werden, und das Helium­ gas kann vorgeheizt werden, um seine Dichte zu reduzieren.

Erfindungsgemäß wird die kritische Partikelgeschwindigkeit so definiert, daß sie 550-1000 m/s beträgt (für Aluminium ca. 650 m/s). Diese kritische Aufprallgeschwindigkeit ändert sich entsprechend dem als Auflage versprühten Material, sie sollte sich aber irgendwo im Bereich von 700-110 m/s, vorzugsweise 800-1000 m/s, bewegen, um eine 80%ige Absetzeffizienz zu erreichen (siehe Fig. 4). Um die hohe Geschwindigkeit zu er­ reichen, spielen Gasauswahl, Gasdruck und Partikelgröße eine Rolle. Bei Absenken des Gasdrucks von 600 auf 300 psi und bei Verwendung von Helium tritt eine Einschränkung der erreichba­ ren Geschwindigkeit auf immer größer und größere Partikelgrö­ ßen ein. Bei Wechsel zu reinem Stickstoff und hohem Druck entsteht eine weitere Unfähigkeit, kleinere Partikel mit aus­ reichender Geschwindigkeit zu sprühen. Große Partikel errei­ chen keine ebenso hohe Austrittsgeschwindigkeit wie kleine Partikel, obwohl der Gasstrom bei sehr viel höheren Geschwin­ digkeiten liegt.

Ein Elektrowiderstandsheizgerät 34 von 16-20 kW wird dazu verwendet, das Heliumgas auf eine Temperatur von 400-5500°C zu erhitzen. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß sich das Gas erneut rasch abkühlt, wenn es sich in dem divergie­ renden Abschnitt 32 der Düse 29 ausdehnt und beschleunigt, normalerweise bei einer Gasflußrate von 10-20 lbs/Std. Dem­ zufolge ist die Verweilzeit der festen Partikel in Kontakt mit dem erhitzten Gas sehr kurz, und die Temperatur der Par­ tikel beim Auftreffen (d. h. ca. 50°C) liegt im wesentlichen unter der Gasvorheiztemperatur, um den auf das Substrat über­ tragenen Wärmeinhalt zu reduzieren.

Das Vorheizen des Treibgases bewirkt eine geringere Gasdich­ te, welche tendenziell die Widerstandskraft an den Partikeln mindert. Obwohl die maximale Partikelgeschwindigkeit bei vor­ geheiztem Gas letztlich höher liegen kann, ist es gleichwohl möglich, daß die Partikel eine größere Distanz benötigen, um sich an die Gasgeschwindigkeit stark anzunähern, sie sind je­ doch nicht hoch empfindlich gegenüber der präzisen internen Geometrie des divergierenden Abschnitts 32 der Düse 29. Dem­ zufolge kann eine einzelne Düsenform effizient für einen breiten Fächer von Materialien verwendet werden. Der Gasein­ laßdruck beeinflußt die Gasgeschwindigkeit nicht; ein Erhöhen des Gaseinlaßdrucks steigert jedoch die Gasdichte und liefert damit eine bessere Verbindung der Partikel, um die anfängli­ che Partikelbeschleunigung zu erhöhen.

Die Düse 29, das Vorheizgerät 34, die Meß- und Zuführvorrich­ tung 24 können alle in einer Pistoleneinheit 4 enthalten sein, die durch einen Roboter gesteuerten Steller 5 beweglich ist, um die gesprühten Partikel 36 auf der Oberfläche 10 der Zylinderbohrung 2 zu verteilen. Die Sprühpistole 4 ist so po­ sitioniert, daß die Öffnung 41 der Düse längs der axialen Mittellinie 44 der zylindrischen Bohrung (Fig. 5) positio­ niert ist. (Die Öffnung 41 wird für Zwecke der Erläuterung in Fig. 1 in bezug auf ihre richtige Lage als exzentrisch außer­ halb des Mittelpunkts liegend gezeigt). Dementsprechend wird der Hauptkörper der Sprühpistole 4 vom Mittelpunkt verschoben sein.

Es wird zusätzlich auf die Fig. 5 und 6 Bezug genommen. Der Roboter-gesteuerte Steller 5 bewegt eine Mehrzahl von Sprühpistolen 4 (der Deutlichkeit halber werden die Zuführ­ leitungen für Partikel und Gas in Fig. 1 weggelassen). In ei­ ner hin- und hergehenden Bewegung, wie dies am besten durch die Wegdiagrammlinie 45, die in Längsrichtung nach oben und nach unten in einer Linie parallel zur Achse 44 der Zylinder­ bohrung 3 verläuft, gezeigt wird, ist das Sprühmuster in der Zylinderbohrung 2 in Segmenten 48A bis F in Längsrichtung an­ geordnet. Die Segmente 48 können sich überlappen, wenn dies gewünscht wird. Sprühen in Längsrichtung der Bohrungsoberflä­ che 10 stellt sicher, daß eventuelle Haarrisse, die sich in im der Zylinderlaufbüchse 3 entwickeln können, in Längsrich­ tung verlaufen, und daß demzufolge das Öl nicht daran gehin­ dert wird, in der Zylinderbohrung 2 zwecks ordnungsgemäßer Schmierung nach entsprechender Abnutzung der Laufbüchse nach oben und nach unten zu fließen. Nach dem Sprühvorgang wird die beschichtete Zylinderfläche 10 zu einer Oberfläche 52 be­ arbeitet, welche eine Laufbüchse von ungefähr 1,5 mm Dicke liefert.

Die Sprühpistole 4 weist einen Motor 51 mit einer damit ver­ bundenen Welle 53 auf. Am Ende der Welle 53 befindet sich ein Zahnrad 57, welches mit einem weiteren Zahnrad 59 im Eingriff steht. Das Zahnrad 59 dreht eine untere Trommel 61 der Sprüh­ pistole über eine Kupplung 63, um es der unteren Trommel 61 zu ermöglichen, zu rotieren. Demzufolge kann der Roboter­ betriebene Steller 5 die Sprühpistole 4 längs in die Zylin­ derbohrung 2 hinein und aus dieser heraus traversieren, und die Öffnung der Pistole 41 kann die zylindrische Bohrungsflä­ che 10 längs der vorstehend erwähnten Segmente 48 besprühen. Die dynamische Kaltgas-Sprühung 36 verläßt die Pistole 4 und tritt in einem Winkel 65 aus, welcher bezogen auf eine Linie 69, die parallel zur Längsmittelachse 44 der Zylinderbohrung 2 verläuft, ca. 30° beträgt. Wie vorstehend erwähnt, wird die Sprühpistolenöffnung 41 zur Lieferung einer möglichst gleich­ mäßigen Beschichtung so angeordnet, daß sie die Längsmit­ telachse 44 schneidet, wie dies am deutlichsten in Fig. 5 ge­ zeigt wird. Die konvergierende/divergierende Düse 29 ist nach der Biegung 71 in der unteren Trommel 61 positioniert. Die Partikel werden längs der Biegung 71 etwas langsamer. Ent­ sprechend befindet sich die Düse 29 nach der Biegung 71, so daß die Partikel an der Öffnung 41 auf die größtmögliche Ge­ schwindigkeit beschleunigt werden können.

Der präzise Mechanismus, mit dem sich Festpartikel verformen und sich mit der Aluminiumbasis verbinden, wird evident, wenn eine für die Kaltsprühabsetzung kritische Mindestgeschwindig­ keit erreicht wird. Ein festes Kupferpartikel, das gesprüht wurde, beaufschlagt die Zylinderbohrungsoberfläche 10 und verformt sich nicht nur plastisch, sondern drückt anfänglich auch die Oberfläche 10 ein und schiebt dabei Wellen des Alu­ miniumbasismaterials auf die Seite. Eine plastische Verfor­ mung des auftreffenden Partikels ebenso wie der darunterlie­ genden Oberfläche unterbricht etwaiges dünnes Oberflächenalu­ miniumoxid, das sich auf der Oberfläche ausgebildet hat. Dem­ zufolge werden saubere Metalloberflächen stets bei hohen lo­ kalisierten Aufpralldrücken in engen formschlüssigen Kontakt gebracht. Die sphärischen Teile der Metallpartikel beauf­ schlagen eine örtlich flache Oberfläche der Zylinderbohrung 10, was idealerweise zu einem sich allmählich erweiternden Kontaktkreis führt, der andere Oberflächenverunreinigungen von der Partikel/Substratverbindungsfläche "wegspült". Die Verformung geht bis zu einer Stufe, bei der das Metallparti­ kel mit der Zylinderbohrungsoberfläche 10 verschmilzt, wobei wenige Partikel oberhalb der Zylinderbohrungsoberfläche 10 erscheinen und im wesentlichen keine Porosität produziert wird (d. h. 2% oder weniger). Dieser Verbindungsprozeß ist ähnlich dem Schmiedeschweißen oder Explosionsschweißen. Die beim Aufprall vorhandene Energie muß ausreichend sein, um die erforderliche plastische Verformung für das Auslösen dieses Explosivschweißens zu bewirken. Computermodelle und mikro­ strukturelle Nachweise zeigen eine solche plastische Verfor­ mung von aufschlagenden Kaltsprühpartikeln, die mit dem dar­ unterliegenden Aluminiumbasismaterial stattfindet. Berechnete und Versuchsergebnisse bestätigen, daß während solcher Kalt­ sprühbedingungen kein lokalisiertes Schmelzen eintritt. Die vorhergesehenen lokalen Spitzentemperaturen liegen unterhalb des Schmelzpunktes der eingesetzten Metalle. Ein großer Vor­ teil dieses Prozesses liegt darin, daß sauerstoffempfindliche Materialien in Umgebungslufttemperatur ohne signifikante Oxi­ dation versprüht werden können. Kaltgesprühtes Kupfer zeigt kein sichtbares Oxid in der Auflage und weist eine sehr viel geringere Porosität auf.

In Fig. 3 sehen die plastisch verformten und geschichteten Partikel unter der Vergrößerung wie "Spritzer" aus. Die ther­ mischen Schichtmetallpartikelspritzer 21 (der Schicht 17) werden durch abriebfeste Metallpartikelspritzer 22 (Schicht 19) abgedeckt. Solche "Spritzer" in der kaltgesprühten Aufla­ ge zeigen scharfe Winkelgrenzen und keinen offensichtlichen Nachweis von lokalisiertem Schmelzen, dies auch nicht bei sehr viel stärkeren Vergrößerungen.

Wenn das Sprühen der Partikel auf einen kleineren Durchmesser konzentriert ist, können sogar größere Detailpräzision und Genauigkeit bei der Herstellung einer gleichmäßigen abrieb­ festen Beschichtung erhalten werden. Diesbezüglich kann, wie dies in der gemeinsam abgetretenen US-Patentanmeldung mit dem Titel "METHOD OF MAKING RAPID PROTOTYPE TODLING HAVINGN FREE-FORM SHAPE" offengelegt wird, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme darauf übernommen wird, ein aerodynamisches Fokussierelement stromauf der Überschalldüse verwendet werden, und dies wirkt dann im wesentlichen als ein Mittel zur Verlangsamung des partikelbeladenen Gasstroms durch eine Stromeinschnürung. In­ dem Maße, wie das die festen Partikel tragende Gas zur Mit­ tellinie stromauf der Einschnürung konvergiert, werden die Partikel in Richtung auf die Mittellinienachse durch die ra­ diale einwärts gerichtete Komponente des Stroms beschleunigt. Da das Gas radial verzögert wird, bewirkt die Trägheit, daß die Festpartikel sich weiter in Richtung auf die Mittellinie bewegen. Die Expansion des Stroms bei seinem Austritt aus der Einschnürung ist gradueller, und die Partikel werden nicht von der Mittellinie weg stark beschleunigt. Das Nettoergebnis ist, daß die Partikel stromab von der aerodynamischen, fokus­ sierenden Einschnürung einer Stromlinie folgen, die näher an der Mittellinie liegt als die Stromlinie, der sie stromauf von der aerodynamischen Einschnürung folgen. Der Grad der Fo­ kussierung wird dadurch bestimmt, wieviel näher sich das end­ gültige Partikel bei der Mittellinie befindet.

Abhängig von Faktoren, wie Flußgeschwindigkeit, Durchmesser der Einschnürung, Gasviskosität und Massendichte, Partikel­ größe und der anfänglichen radialen Position des festen Par­ tikels treten verschiedene Grade der Fokussierung auf. Dieses subkritische Geschwindigkeitsfokussieren kann dadurch weiter verbessert werden, daß mehrfache, in Serie angeordnete Ein­ schnürungen verwendet werden, um die Partikel allmählich nä­ her an die Mittelachse heranzuführen. Demzufolge kann mit dem aerodynamisch fokussierten Pulverstrom und mit der Über­ schalldüse, die in bezug auf eine senkrechte zur lokalen Flä­ che in einem Winkel von ca. 0° gehalten wird, maximales Auf­ prallen und Kontrolle erhalten werden.

Um die Beschichtungseffizienz als eine kontinuierliche, kohä­ rente und gut verbundene abriebfeste Beschichtung zu verbes­ sern, können die Partikel von Kupfer und abriebfestem Be­ schichtungsmaterial als ein transienter Gradient zwischen der Wärmemanagementschicht aus Kupfer und der abriebfesten Schicht aus abriebfestem Material gemischt werden. Wenn das abriebfeste Material Werkzeugstahl ist, verbinden sich klei­ nere Stahlpartikel (unter 5 Mikron) schneller mit den größe­ ren Kupferpartikeln (10-45 Mikron), um etwaige mögliche Grenzen zwischen den Spritzern zu vermeiden und so die Integ­ rität der Beschichtung zu verbessern.

Die Erfindung wurde in Verbindung mit einem bevorzugten Aus­ führungsbeispiel beschrieben, es dürfte jedoch klar sein, daß nicht die Absicht besteht, die Erfindung auf diese besondere Ausführungsform zu beschränken. Es besteht im Gegenteil die Absicht, alle Ausführungsformen, Änderungen oder Äquivalente abzudecken, die im Geist und Rahmen der Erfindung einge­ schlossen sein können, wie diese durch die Beschreibung er­ faßt und in den beigefügten Patentansprüchen definiert wer­ den.

Claims (19)

1. Verfahren zur Beschichtung einer Zylinderbohrung eines reziproken Aluminium-Hubkolben-Innenverbrennungsmotorblocks, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß es umfaßt: Sprühen der genannten Zylinderbohrung mit einer dynamischen Kaltgas-Sprühung zur Beschichtung der genannten Zylinderboh­ rung mit einem zum Material des genannten Motorblocks unter­ schiedlichen Beschichtungsmaterial.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren umfaßt ein anfängliches Beschichten der ge­ nannten Zylinderbohrung mit einem ersten Material, welches einen ersten Wert des Wärmeübertragungswiderstandes aufweist, und anschließendes Beschichten der genannten Zylinderbohrung mit einem zweiten Material, welches einen zweiten Wert des Wärmeübertragungswiderstandes aufweist, der größer ist als der genannte erste Wert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren umfaßt ein erstes Beschichten der genannten Zylinderbohrung mit einem ersten Material, welches einen ers­ ten Wert der Adhäsion mit dem genannten Aluminium des genann­ ten Motorblocks aufweist, und anschließendes Beschichten der genannten Zylinderbohrung mit einem zweiten Material, welches einen zweiten Wert der Adhäsion, der niedriger ist als beim genannten ersten Material, und dadurch, daß das genannte zweite Material eine größere Härte aufweist als die Härte des genannten ersten Materials.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es des weiteren umfaßt ein erstes Beschichten der genannten Zylinderbohrung mit einem ersten Material, welches einen ers­ ten Wert der Adhäsion mit dem genannten Aluminium des genann­ ten Motorblocks aufweist, und anschließendes Beschichten der genannten Zylinderbohrung mit einem zweiten Material, das ei­ ne größere Härte aufweist als die Härte des genannten ersten Materials.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse verwendet wird, um das genannte Beschichtungsmate­ rial aufzusprühen, wobei die genannte Düse und die genannte Zylinderbohrung des genannten Motorblocks relativ zueinander Bewegungen ausführen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Düse nach oben und nach unten durch die genannte Zylinderbohrung geführt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Düse längs einer Längsmittelachse der genannten Zylinderbohrung positioniert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Düse in einem Winkel von 30°, plus minus 15°, zur Oberfläche der genannten Zylinderbohrung angeordnet ist.

9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Zylinderbohrung in mehreren Durchläufen be­ schichtet wird.

10. Innenverbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, daß er aufweist:
einen Aluminiummotorblock, welcher mindestens eine Zylinder­ bohrung für die Montage eines Hubkolbens darin aufweist; und
eine Beschichtung der genannten Zylinderbohrung aus einem Ma­ terial, das sich von dem Material des genannten Motorblocks unterscheidet, wobei das genannte Material durch ein dynami­ sches Kaltgas-Sprühverfahren geliefert wird.

11. Innenverbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte Zylinderbohrungsbeschichtung ein erstes Beschichtungsmaterial und ein zweites Beschichtungsma­ terial aufweist.

12. Innenverbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das genannte zweite Beschichtungsmaterial här­ ter ist als das genannte erste Beschichtungsmaterial.

13. Innenverbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das genannte erste Beschichtungsmaterial eine bessere Adhäsion mit dem genannten Aluminiumblock aufweist als das genannte zweite Beschichtungsmaterial.

14. Innenverbrennungsmotor nach Anspruch 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das genannte erste Beschichtungsmaterial weni­ ger Wärmewiderstand aufweist als das zweite Beschichtungsma­ terial.

15. Innenverbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Beschichtungsmaterial weniger Wärme­ widerstand aufweist als das erste Beschichtungsmaterial.

16. Innenverbrennungsmotor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die genannte Beschichtung axial in der genann­ ten Zylinderbohrung angebracht wird.

17. Sprühpistole für das Sprühen einer Zylinderbohrung eines Aluminiummotorblocks mit einem dynamischen Kaltgas-Sprüh­ verfahren zur Beschichtung der Zylinderbohrung mit einem Be­ schichtungsmaterial, welche Vorrichtung dadurch gekennzeich­ net ist, daß sie umfaßt:
eine Meß- und Zuführvorrichtung;
eine Überschalldüse, wobei die genannte Düse in einem Winkel von 30°, plus minus 15°, zu einer Achse der genannten Zylin­ derbohrung angeordnet ist.

18. Sprühpistole nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Düse gedreht werden kann.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Beschichtungsmaterial zunächst im wesentli­ chen parallel zur Längsachse des genannten Zylinders be­ schleunigt wird und dadurch, daß das genannte Beschichtungs­ material anschließend mit dem genannten 30°, plus minus 15°, Winkel abgewinkelt wird und daß das genannte Material an­ schließend durch die genannte Düse durchtritt, bevor es die genannte Sprühpistole verläßt.