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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Werkstücks, bei dem in der zu beschichtenden Oberfläche Hinterschneidungen aufweisende Rillenvertiefungen erzeugt werden und anschließend die Beschichtung derart aufgebracht wird, dass das die Beschichtung bildende Material die die Hinterschneidungen aufweisenden Rillenvertiefungen füllt. Ebenso betrifft die Erfindung ein nach einem solchen Verfahren hergestelltes Motorblock-Rohteil und einen unter Verwendung eines solchen Motorblock-Rohteils hergestellten Motorblock.
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Oberflächen, die im praktischen Einsatz einer hohen Verschleißbelastung in Folge eines Kontakts mit einem relativ zu ihnen bewegten zweiten Bauteils ausgesetzt sind, können zur Verbesserung ihrer Beständigkeit gegen abrasiven Verschleiß mit einer Beschichtung belegt werden. Ein für diesen Zweck besonders geeignetes Beschichtungsverfahren ist das thermische Beschichten. Bei diesem Verfahren wird ein in Draht oder Pulverform vorliegendes Ausgangsmaterial aufgeschmolzen und anschließend im noch schmelzflüssigen Zustand fein zerstäubt über einen Gasstrom auf die zu beschichtende Oberflache aufgetragen. Die mit hoher kinetischer Energie auf die Oberfläche treffenden Schmelzenpartikel verklammern dort zu einer fest zusammenhaftenden, die zu beschichtende Oberfläche gleichmäßig abdeckenden Schicht.
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Das thermische Beschichten ermöglicht es so auf vergleichbar einfache und wirtschaftliche Weise, gezielt eine auch hohen Verschleißbelastungen standhaltende Schicht mit präzise definierten Abmessungen und Eigenschaften zu erzeugen. Bei der praktischen Umsetzung ergibt sich allerdings das Problem, dass die auf die zu beschichtende Oberfläche treffenden Schmelzenpartikel mit dem Werkstück in der Regel einen nur unzureichenden Stoffschluss eingehen und die Oberflächenstruktur des Bauteils ohne zusätzliche Maßnahmen auch keine ausreichend feste formschlüssige Anbindung an den Grundwerkstoff des Werkstücks ermöglicht. Infolgedessen besteht die Gefahr, dass sich die Beschichtung unter den Belastungen, denen sie im praktischen Einsatz ausgesetzt ist, von der Oberfläche löst.
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Ein typischer Anwendungsfall für das thermische Beschichten ist die Beschichtung der Zylinderlaufflächen eines Leichtmetall-Verbrennungsmotors. Ziel ist dabei, die dort üblicherweise vorgesehenen Graugussbuchsen aus gewichts- und motortechnischen Gründen zu ersetzen. Gerade im Zusammenhang mit dieser Beschichtungsaufgabe sind im Stand der Technik verschiedene Vorschläge gemacht worden, wie die Anbindung der Beschichtung an das zu beschichtende Bauteil verbessert werden kann. Diesen Vorschlägen gemeinsam ist, dass in die zu beschichtende Oberfläche rillenförmige Vertiefungen mit Hinterschneidungen eingeformt werden. Im Zuge des Auftrags der Beschichtung füllt das Beschichtungsmaterial die Rillenvertiefungen und hinterläuft die Hinterschnitte, wodurch nach dem Erstarren der Beschichtung ein fester formschlüssiger Verbund zwischen Beschichtung und Werkstück gebildet ist. Beispiele für diese Vorgehensweise sind in der
DE 10 2008 058 452 A1 , der
DE 10 2006 045 275 B3 und der
DE 10 2008 022 225 A1 beschrieben.
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Die voranstehend genannten bekannten Verfahren setzen jeweils eine vergleichbar aufwändige mechanische Bearbeitung voraus. Diese umfasst in der Regel nicht nur mehrere Arbeitsgänge, sondern auch noch eine extreme Präzision, da die Tiefe der Rillenvertiefungen typischerweise auf 0,1 mm begrenzt ist.
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Eine andere Vorgehensweise zur Verbesserung der Haftung einer durch thermisches Beschichten auf einer Zylinderlauffläche aufgebrachten Schicht ist aus der
DE 102 56 460 B4 bekannt. Bei diesem Verfahren wird in die zu beschichtende Oberfläche ein Gewinde geschnitten. Das Gewindeschneiden wird dabei derart durchgeführt, dass die Späne nicht nur wie beim konventionellen Gewindeschneiden in dem Vertiefungsteil gebildet werden, sondern eine gleichmäßige Spanbildung erfolgt. Diese soll so ablaufen, dass in die jeweilige Oberfläche nicht nur die schraubgewindeförmig umlaufende Rillenvertiefung eingeschnitten, sondern auch der sich dabei bildende Gratteil des zwischen den einzelnen benachbarten Gewindegängen verbleibenden Stegs gebrochen wird. Im Ergebnis wird so eine raue Oberfläche erzeugt werden, die durch eine schraubgewindeförmig gleichmäßig umlaufende Rillenvertiefung geringer Tiefe sowie ein dazwischen liegendes, in gleicher Weise auf der zu beschichtenden Zylinderoberfläche umlaufendes schmales Band mit einer unregelmäßig gezagten Oberflächenstruktur gekennzeichnet ist. Hinterschneidungen, die eine kontrolliert formschlüssige Anbindung der Beschichtung an die Oberfläche des zu beschichtenden Werkstücks erlauben, können auf diese Weise nicht hergestellt werden.
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Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem es auf vergleichbar einfache Weise möglich ist, eine Oberfläche mit einer dauerhaft sicher dort haftenden Beschichtung zu versehen. Ebenso sollte ein für eine solche Beschichtung in geeigneter Weise vorbereitetes Motorblock-Rohteil geschaffen sowie ein Motorblock erzeugt werden, bei dem ein dauerhaft fester Halt der Beschichtung auf dem Werkstück auch bei hohen Belastungen gewährleistet ist.
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Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß zuerst durch ein Verfahren gelöst worden, das die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen umfasst.
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In Bezug auf ein Motorblock-Rohteil besteht die Lösung der voranstehend genannten Aufgabe erfindungsgemäß darin, dass das Motorblock-Rohteil gemäß Anspruch 12 ausgebildet ist.
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Hinsichtlich des Motorblocks ist die oben angegebene Aufgabe schließlich dadurch gelöst worden, dass er aus einem erfindungsgemäß ausgebildeten Motorblock-Rohteil durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Werkstücks basiert wie der eingangs angegebene Stand der Technik auf dem Gedanken, in der zu beschichtenden Oberfläche Hinterschneidungen aufweisende Rillenvertiefungen zu erzeugen und auf die so vorbereitete Oberfläche anschließend die Beschichtung derart aufzubringen, dass das die Beschichtung bildende Material die die Hinterschneidungen aufweisenden Rillenvertiefungen füllt und so eine formschlüssige Anbindung der Beschichtung an das zu beschichtende Werkstück hergestellt ist.
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Um die mit den Hinterschneidungen versehenen Rillenvertiefungen auf einfache, kostensparende Weise zu erzeugen, sieht die Erfindung vor, dass in die zu beschichtende Oberfläche in einem ersten Schritt mindestens zwei hinterschneidungsfreie Rillenvertiefungen eingeformt werden, die zwischen sich einen Steg begrenzen. Dieser Steg wird in einem zweiten Arbeitsschritt durch eine gegen die freie Stirn des Steges gerichtete Kraftbeaufschlagung anschließend so verformt, dass sich unter Verdrängung des im stirnseitigen Randbereich des Steges vorhandenen Materials mindest ein Vorsprung bildet, der jeweils seitlich in Richtung einer der an den Steg angrenzenden Rillenvertiefungen vorsteht.
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Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf die Erzeugung von zwei Rillenvertiefungen mit einem dazwischen liegenden Steg beschränkt. Vielmehr werden bevorzugt eine Vielzahl von Rillenvertiefungen in die zu beschichtende Oberfläche eingeformt, von denen zwei benachbarte Rillenvertiefungen zwischen sich jeweils einen Steg begrenzen.
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Erfindungsgemäß wird also der zwischen den Rillenvertiefungen jeweils vorhandene Steg durch eine einfache Kraftbeaufschlagung so verformt, dass aus dem in seinem Stirnbereich ursprünglich vorhandenen Material die Hinterschneidungen gebildet werden. Dazu wird die auf die freie Stirnseite des Steges gerichtete Kraftbeaufschlagung so eingestellt und flächig verteilt aufgebracht, dass der jeweilige Steg im Bereich seiner dem Grund der angrenzenden Rillenvertiefungen zugeordneten Basis seine im ersten Arbeitsschritt erzeugte Gestalt weitgehend beibehält, während das im Bereich seiner der freien Umgebung zugeordneten Stirn vorhandene Material so eingedrückt wird, dass es seitlich ausweicht und die Vorsprünge bildet, die in Richtung mindestens einer der angrenzenden Rillenvertiefungen vorsteht. Optimalerweise erfolgt die Verdrängung des stirnseitigen Materials der Stege dabei so, dass sich in Richtung der beiden an den jeweiligen Steg angrenzenden Rillenvertiefungen vorstehende Vorsprünge einstellen.
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Durch die erfindungsgemäß vorgenommene Kraftbeaufschlagung erhalten die Stege somit eine nach Art eines Γ's, eines Γ's oder eines Pilzkopfes ausgebildete Querschnittsform. Die Pilzkopfform des Querschnitts ist dabei bevorzugt. Sie zeichnet sich dadurch aus, dass im Bereich der Stirn der Stege jeweils eine Verbreiterung und zwischen dieser Verbreiterung und der Stegbasis eine Einschnürung vorhanden ist.
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Ein erfindungsgemäßes Motorblock-Rohteil weist den voranstehenden Erläuterungen entsprechend eine Zylinderbohrung auf, an deren Zylinderlaufflächen für eine Beschichtung mit einem verschleißbeständigen Material mit Hinterschneidungen versehene Rillenvertiefungen ausgebildet sind, die zwischen sich jeweils einen Steg begrenzen, wobei die Hinterschneidungen durch im Stirnbereich des Steges in die Rillenvertiefungen vorstehende Vorsprünge gebildet sind, die aus in Folge einer Kraftbeaufschlagung verdrängtem Material des Stegs geformt sind.
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Grundsätzlich ist es denkbar, die im ersten Arbeitsschritt erzeugten Rillenvertiefungen so herzustellen, dass die Flanken des zwischen den Rillenvertiefungen jeweils vorhandenen Stegs parallel zueinander ausgerichtet sind. Aus herstellungstechnischer Sicht und im Hinblick auf die Reproduzierbarkeit des Arbeitsergebnisses besonders günstig hat es sich jedoch erwiesen, wenn im ersten Arbeitsschritt die Rillenvertiefungen so in die zu beschichtende Oberfläche eingebracht werden, dass die Flanken des zwischen ihnen jeweils vorhandenen Stegs aufeinander zulaufend ausgerichtet sind. Optimalerweise treffen die Flanken der Stege dabei an der Stirn der Stege unter einem spitzen Winkel unmittelbar aufeinander, so dass der Steg zumindest im Bereich seiner Stirn einen dreiecksförmigen Querschnitt aufweist. Bei dieser Ausgestaltung sind aufgrund der im Bereich der dann vorhandenen stirnseitigen Spitze der Stege hohen Kraftkonzentration nur geringe Druckkräfte erforderlich, damit das stirnseitig vorhandene Material seitlich wegfließt und die angestrebten Vorsprünge bildet. Dieser Effekt wird dann besonders sicher erreicht, wenn der von den Flanken des Steges eingeschlossene Winkel 30°–55° beträgt.
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Für die im ersten Arbeitsschritt erfolgende Herstellung der Rillenvertiefungen ist grundsätzlich jedes Verfahren geeignet, das eine hinsichtlich ihrer Lage und Formgebung ausreichend präzise Einformung erlaubt. Mit den heute zur Verfügung stehenden Mitteln lässt sich dies besonders einfach dadurch bewerkstelligen, dass die Rillenvertiefungen durch ein spanabhebendes Verfahren in die zu beschichtende Oberfläche geschnitten werden. Hierzu können beispielsweise Schneid-, Schäl- oder Fräswerkzeuge eingesetzt werden, wie sie heute üblicherweise zur Erzeugung von Gewinden in Innenbohrungen oder von linienförmigen Rillen in andere Oberflächen verwendet werden. Alternativ ist es jedoch auch denkbar, die Rillenvertiefungen durch eine Laserbearbeitung, durch Hochdruckstrahlschneiden oder ein anderes spanlos arbeitendes Verfahren in die zu behandelnde Fläche einzuformen.
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Besonders eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Beschichtung von Zylinderflächen. Insbesondere lassen sich, wie bereits erwähnt, die Zylinderlaufflächen von Motorblöcken für Verbrennungsmotoren in erfindungsgemäßer Weise besonders wirtschaftlich mit einer dauerhaft fest haftenden Beschichtung versehen, die dazu geeignet ist, die bisher beispielsweise bei Leichtmetall-Motorblöcken erforderlichen Graugusseinsätze zu ersetzen.
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Sollen Zylinderaußen- oder Zylinderinnenflächen in erfindungsgemäßer Weise beschichtet werden, so lassen sich die erfindungsgemäß im ersten Arbeitsschritt erzeugten Rillenvertiefungen auf besonders wirtschaftliche Weise dadurch herstellen, dass die Rillenvertiefungen nach Art eines Außen- oder Innengewindes in einem Zuge durchlaufend in die zu beschichtende Oberfläche eingeschnitten werden. Die einzelnen Rillenvertiefungen schließen dann kontinuierlich aneinander an und bilden gemeinsam beispielsweise ein in die Zylinderfläche eingeschnittenes Gewinde. Als die erfindungsgemäß in die zu beschichtende Oberfläche eingebrachten benachbarten Rillenvertiefungen, die zwischen sich jeweils einen anschließend zu verformenden Steg begrenzen, werden in diesem Fall die Rillen angesehen, die nach Art eines Gewindegangs mit einer bestimmten Steigung jeweils einmal um die zu beschichtende Oberfläche umlaufen.
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Die mit beidseitig vorstehenden Vorsprüngen versehene, für die Verklammerung der Beschichtung optimale Formgebung der Stege ergibt sich auf einfache Weise dann, wenn die nach der Erzeugung der Rillenvertiefung durchgeführte Kraftbeaufschlagung aus einer normal zur zu beschichtenden Oberfläche ausgerichteten Richtung erfolgt.
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Für die Kraftbeaufschlagung der Stirn des jeweiligen Steges kann eine unter Druck über die zu beschichtende Oberfläche gerollte Rolle eingesetzt werden. Um eine möglichst wirtschaftliche Fertigung zu ermöglichen, kann das entsprechende Druckwerkzeug so ausgelegt sein, dass sie jeweils eine größere Zahl von Stegen oder alle Stege gemeinsam gleichzeitig erfasst.
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Die erfindungsgemäß mit Hinterschneidungen versehene Oberfläche eignet sich in besonderer Weise für eine Beschichtung durch thermisches Spritzen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
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1 eine Zylinderbohrung nach dem ersten Arbeitsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Längsschnitt;
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2 eine Gegenüberstellung des Zustands der Zylinderbohrung gemäß 1 vor und nach dem zweiten Arbeitsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer der 1 entsprechenden Schnittdarstellung;
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3 die Zylinderbohrung nach dem zweiten Arbeitsschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer der 1 entsprechenden Schnittdarstellung;
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4 die Zylinderbohrung nach dem Auftrag einer verschleißbeständigen Beschichtung in einer der 1 entsprechenden Schnittdarstellung.
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Zum Auftrag einer verschleißbeständigen, aus einer Eisenlegierung bestehenden Schicht S auf die Zylinderlauffläche 1 einer Zylinderbohrung 2 eines hier weiter nicht dargestellten, aus einer Aluminiumlegierung gegossenen Motorblocks für einen Verbrennungsmotor wird mittels eines hier ebenfalls nicht gezeigten Schneidwerkzeugs in einem ersten Arbeitsschritt in die Zylinderlauffläche 1 ein nach Art eines Feingewindes ausgebildetes Gewinde 3 spanabhebend eingeformt. Jeder jeweils einmal, d. h. um 360°, um den Umfang der Zylinderbohrung 2 mit der durch das Gewinde 3 vorgegebenen Steigung umlaufende Gewindegang bildet dabei eine Rillenvertiefung 4a–4i. Die Rillenvertiefungen 4a–4i schließen unterbrechungsfrei aneinander an und bilden so gemeinsam das Gewinde 3.
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Benachbarte Rillenvertiefungen 4a, 4b; 4b, 4c; 4c, 4d; 4d, 4e; 4e, 4f; 4f, 4g; 4g, 4h; 4h, 4i begrenzen zwischen sich jeweils einen Steg 5a–5h, der ebenfalls jeweils einmal den Umfang der Zylinderbohrung 2 umläuft. Die den jeweils benachbarten Rillenvertiefungen 4a–4i zugeordneten Flanken 6, 7 jedes Stegs 5a–5h laufen unter einem spitzen Winkel α aufeinander zu, der typischerweise 40° beträgt, und treffen an der Stirn 8 der Stege 5a–5h unmittelbar aneinander, so dass die Stege 5a–5h einen dreiecksförmigen Querschnitt haben. An ihrer Stirn 8 ist dementsprechend im Idealfall nur eine auf eine Stirnlinie 9 beschränkte Stirnfläche gebildet. Wie die Rillenvertiefungen 4a–4i schließen die Stege 5a–5h unterbrechungsfrei aneinander an.
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Nachdem die Rillenvertiefungen 4a–4i mit den zwischen ihnen begrenzten Stegen 5a–5h in die Zylinderlauffläche 1 eingeschnitten sind, wird in einem zweiten Arbeitsgang mittels eines hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten, auf die Zylinderlauffläche 1 aufgesetzten Rollierwerkzeuges aus normal zur Zylinderlauffläche 1 und zur jeweiligen Stirn 8 der Stege 5a–5h gerichteter Richtung eine Druckkraft P auf die Stege 5a–5h ausgeübt, durch die das stirnseitige, an die jeweilige Stirn 8 angrenzende Material 10 der Stege 5a–5h verdrängt wird. Die Druckkraft P ist dabei so bemessen, dass das Material der Stege 5a–5j nur im stirnnahen Bereich zu fließen beginnt, während die Basis 11 der Stege 5a–5h ihre im ersten Arbeitsgang erzeugte Form beibehält. Auf diese Weise weicht das von der Druckkraft P verdrängte Material 10 seitlich in Richtung der an den jeweiligen Steg 5a–5j angrenzenden Rillenvertiefungen 4a–4i aus und bildet so jeweils einen seitlich in die jeweilige Rillenvertiefung 4a–4i ragenden Vorsprung 12, 13. Der verdrängte Materialbereich der Stege 5a–5h ist in 2 durch gestrichelte Linien angedeutet.
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Nach Abschluss des Verformungsvorgangs weisen die Stege 5a–5h eine pilzförmige Querschnittsform auf, die durch eine breite Basis 11, einen verbreiterten Stirnbereich 14 und eine dazwischen liegende Einschnürung 15 gekennzeichnet ist. In den Rillenvertiefungen 4a–4i ist somit im von den Vorsprüngen 12, 13 überdachten Bereich jeweils eine Hinterschneidung 16, 17 gebildet.
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Nach der Verformung der Stege 5a–5h wird mittels thermischen Spritzens in an sich bekannter Weise die verschleißbeständige Schicht S auf die Zylinderlauffläche 1 aufgetragen. Das Material der Schicht S dringt dabei in die Rillenvertiefungen 4a–4i ein und füllt die Hinterschneidungen 16, 17. Nach Beendigung des Beschichtungsvorgangs ist die Schicht S auf diese Weise durch das in die Hinterschneidungen 16, 17 gelaufene Material durch Formschluss auch unter den hohen mechanischen und thermischen Belastungen, wie sie im Verbrennungsmotor auftreten, dauerhaft fest an der Zylinderlauffläche 1 gehalten.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination aus einer feingewindeartigen Formgebung mit nachfolgender plastischen Stauchung der Gewindespitzen durch einen Rolliervorgang lässt sich somit eine Zylinderlauffläche 1 zur Verfügung stellen, an der Rillenvertiefungen 4a–4i mit einem in radialer Richtung hinterschnittenen Profil vorhanden sind, das eine gute formschlüssige Anbindung der anschließend aufgebrachten Schicht S gewährleist. Zusätzlich unterstützt wird die formschlüssige Anbindung der Schicht S dabei gegebenenfalls durch zumindest lokal auftretende stoffschlüssige Verbindungen zwischen dem Aluminiumwerkstoff des Motorblocks und der Schicht S sowie gegebenenfalls auch kraftschlüssige Verbindungen, die sich in Folge einer mit dem Erstarren einhergehenden Schrumpfung der Schicht S zwischen den Stegen 5a–5h und der Schicht S einstellen können.
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Sämtliche in den Figuren dargestellte Details sind zur Verdeutlichung stark vergrößert und unverhältnismäßig dimensioniert dargestellt. In der Praxis liegt die tatsächliche Tiefe T der Rillenvertiefungen 4a–4i im unverformten Zustand im Bereich von 0,1–0,2 mm.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinderlauffläche
- 2
- Zylinderbohrung
- 3
- Gewinde
- 4a–4i
- Rillenvertiefungen
- 5a–5h
- Stege
- 6, 7
- Flanken der Stege 5a–5h
- 8
- Stirn der Stege 5a–5h
- 9
- Stirnlinie der Stege 5a–5h
- 10
- stirnseitiges Material der Stege 5a–5h
- 11
- Basis der Stege 5a–5h
- 12, 13
- Vorsprünge der Stege 5a–5h
- 14
- Stirnbereich der Stege 5a–5h
- 15
- Einschnürung der Stege 5a–5h
- 16, 17
- Hinterschneidungen der Stege 5a–5h
- α
- Winkel
- P
- Druckkraft
- T
- Tiefeder Rillenvertiefungen 4a–4i
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008058452 A1 [0004]
- DE 102006045275 B3 [0004]
- DE 102008022225 A1 [0004]
- DE 10256460 B4 [0006]
