DE102011085324A1

DE102011085324A1 - Plasmaspritzverfahren

Info

Publication number: DE102011085324A1
Application number: DE102011085324A
Authority: DE
Inventors: Leander Schramm; Clemens Verpoort; David Cook
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2011-10-27
Publication date: 2013-05-02
Also published as: CN103890222A; IN2014CN02960A; RU2608247C2; RU2014121305A; EP2771496A1; WO2013060552A1; US20140154422A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Zylinderbuchse mit einer Legierung innenbeschichtet wird, wobei eine Plasmadüse (3), der ein Plasmagas (5) und ein Transportgas (9) zugeführt wird um einen Draht (4) rotiert und entlang einer Längsachse der Bohrung (16) verfahrbar ist, so dass die Bohrung (16) von Innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung (16) gesehen beschichtet wird. Vorgeschlagen wird ein veränderlicher Gasstrom bzw. eine veränderliche Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5), wobei die Durchflussrate über die axiale Länge (x) der zu beschichtenden Bohrung (16) einstellbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Bohrung eines Verbrennungsmotors, der z.B. aus einem Leichtmetall hergestellt ist, mit einer Legierung, bevorzugt mit einer Eisenlegierung beschichtet wird, wobei eine Plasmadüse, der ein Plasmagas und ein Transportgas zugeführt wird um einen Draht rotiert und entlang einer Längsachse der Bohrung verfahrbar ist, so dass die Bohrung von Innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung gesehen beschichtet wird.
Aus der EP 1 967 601 A2 ist bekannt, dass z.B. ein Aluminium-Motorblock, insbesondere dessen Zylinderlaufbahn mit einer Eisenlegierung unter Durchführung des Lichtbogendrahtspritzens zu beschichten. Dabei schlägt die EP 1 967 601 A2 vor, eine Eisenlegierung zu verwenden, welche unter anderem 5 bis 25 Gew.% Chrom enthält. Wesentlich ist bei der EP 1 967 601 A2 , dass der Eisenschmelze zudem noch ein Zusatzpulver, und zwar Borcabid zugeführt wird. Bei dem Lichtbogendrahtspritzverfahren der EP 1 967 601 A2 handelt es sich um das so genannte TWAS-Verfahren, bei welchem zwei Drähte einem Spritzkopf derart zugeführt werden, dass an die Stromübertragung an die Drähte erfolgt. Berühren sich die beiden Drähte, wird durch einen permanenten Kurzschluss ein Lichtbogen gebildet, der die Drähte schmelzen lässt. Hinter der Düse befinde sich eine Düse, aus der Druckluft oder ein inertes Gas wie Stickstoff austritt. Dieser Gasstrom zerstäubt die geschmolzene Eisenlegierung und führt sie mit dem aufgeschmolzenen Borcabidpulver der zu beschichtenden Oberfläche zu.
Die DE 44 11 296 A1 und DE 44 47 514 A1 beschäftigen sich mit Beschichtungen mittels des Plasmaspritzens, wobei allerdings ein Metallpulver oder ein Fülldraht aufgeschmolzen werden, und wobei dem Werkstoffgemisch Stickstoff mittels metallischer Stickstoffverbindungen zugeführt wird, um die Beschichtung aufzuhärten.
Die EP 0 858 518 B1 befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche auf einen Leichtmetallkörper durch thermisches Spritzen einer Beschichtung aus Stahl und Molybdän, wobei die Verschleißschicht mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird. Die EP 0 858 518 B1 beschreibt allerdings, dass eine Mischung aus Stahlpulver mit Molybdänpulver verwendet wird.
In der EP 1 340 834 B1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufflächenschicht beschrieben. Dabei wird eine rotierende Plasmaspritzvorrichtung eingesetzt, so dass der zu beschichtende Motorblock während der Beschichtung ruhen kann. Der Anteil der Poren kann abhängig z.B. von der Partikelgröße des Beschichtungspulvers gezielt beeinflusst werden.
Auch die FR 2 924 365 A1 beschäftigt sich mit dem Plasmaspritzen von Innenwänden, wobei ebenfalls ein Spritzzusatzpulver Verwendung findet. Die Kapazität der Poren in der Beschichtung soll unterschiedlich sein, was über eine Änderung der Plasmaspritzparameter wie z.B. die Größe, die Härte, die Geschwindigkeit und die Vorwärmtemperatur der Metallteilchen, bzw. des Metallpulvers möglich sein soll.
Heutige Verbrennungsmotoren bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder aus einem Leichtmetall wie z.B. Aluminium oder Magnesium gegossen sein, wobei insbesondere Leichtmetallblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind die oben genannten Verfahren bekannt.
Zum relevanten Stand der Technik der vorliegenden Erfindung zählt das so genannte PTWA-Innenbeschichtungsverfahren (Plasma Transferred Wire Arc). Bei diesem Verfahren können Bohrungen (Zylinderbohrungen) mit einem drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff von innen beschichtet werden, in dem eine Düse im inneren der Bohrung um den Draht rotiert und entlang der Achse der Bohrung Verfahren wird. Die Innenwand wird so rundherum und in Axialrichtung gesehen vollständig beschichtet. Wesentlich ist bei dem PTWA-Verfahren, dass kein Metallpulver verspritzt wird, sondern ein homogener Draht aufgeschmolzen und seine Schmelztröpfchen zur zu beschichtenden Innenwand transportiert werden und hier auftreffen, so dass sich die Beschichtung bildet. Hier wird also nur ein einziger drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff zugeführt. Das Plasma trifft auf den vorgeheizten, drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff. Das Plasmagas ist meist eine Argon-Wasserstoff-Mischung. Als Transportgas bzw. Zerstäubergas wird bei dem PTWA-Verfahren Luft bzw. Druckluft eingesetzt. Die mit diesem Verfahren hergestellten Schichten zeichnen sich durch eine geringe Porosität aus. Das PTWA-Innenbeschichtungsverfahren hat sich bisher bei der Innenbeschichtung von Zylinderbohrungen, insbesondere von Leichtmetallblöcken bewährt.
Die Beschichtung weist üblicherweise Poren auf, welche die Reibung zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlauffläche reduzieren, da sich in den Poren Schmiermittel ansammeln kann. Die EP 1 340 834 B1 , EP 0 858 518 B1 und die FR 2 924 365 A1 behandeln eine Beeinflussung des Vorkommens von Poren in der Beschichtung.
Ausgehend von der Tatsache, dass auch die Poren in der Beschichtung ausschlaggebend für die Reibungswiderstände zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlauffläche ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine diesbezüglich verbesserte Beschichtung herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen.
Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bevorzugt mittels des PTWA-Innenbeschichtungsverfahrens, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Bohrung eines Verbrennungsmotors, der z.B. aus einem Leichtmetall hergestellt ist, mit einer Legierung, bevorzugt mit einer Eisenlegierung beschichtet wird, wobei eine Plasmadüse, der ein Plasmagas und ein Transportgas zugeführt wird um einen Draht rotiert und entlang einer Längsachse der Bohrung verfahrbar ist, so dass die Bohrung von innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung gesehen beschichtet wird, vorgeschlagen, bei welchem ein veränderlicher Gasstrom bzw. eine veränderliche Durchflussrate des Plasmagases und/oder des Transportgases über die axiale Länge der zu beschichtenden Bohrung einstellbar ist.
Zielführend wurde mit der Erfindung erkannt, dass der Gasstrom, sei es der Plasmagasstrom und/oder der Transportgasstrom während des Beschichtungsvorganges an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse der zu beschichtenden Innenwand unterschiedliche Beträge aufweisen kann. Ist die Durchflussrate der Gase über die axiale Länge der Bohrung veränderlich, können sich je nach Durchflussratenbetrag unterschiedliche Porenanteile in der Beschichtung einstellen. Mit der Erfindung wurde vorteilhaft erkannt, dass eine geringe Gasdurchflussrate einen hohen Porenanteil und eine höhere Gasdurchflussrate einen geringen Porenanteil in der Beschichtung erzeugt. Natürlich kann die Innenbeschichtung noch nachbearbeitet, beispielsweise gehont, und/oder geläppt werden, um nur einige Nachbearbeitungsprozesse lediglich beispielhaft zu nennen.
In der Zylinderbohrung werden Kolben in bekannter Art hin und her bewegt. Die Kolbenringe stehen mit der Zylinderlauffläche, also mit der Beschichtung in Kontakt. Insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes der Zylinderbohrung soll eine geringe Reibung vorliegen (Richtungsumkehr des Kolbens). Zielführend ist daher vorgesehen, dass die Gasdurchflussrate im Bereich des oberen Totpunktes einen niedrigen Betrag aufweist, so dass sich ein hoher Porenanteil bildet. Auch im unteren Totpunktbereich kann ein solcher hoher Porenanteil in der Beschichtung vorgesehen werden. In einem mittleren Bereich, aber auch oberhalb des oberen Totpunktbereiches kann der Porenanteil dagegen reduziert sein, weswegen eine höhere Durchflussrate eingestellt werden kann.
Die Plasmaspritzvorrichtung ist, wie bereits beschrieben in Axialrichtung entlang der Bohrung hin und her bewegbar. So kann zusammen mit der Rotation eine umfängliche Innenbeschichtung erzeugt werden. Dabei kann an einem oberen Bereich der Bohrung mit dem Spritzvorgang begonnen werden. Hier kann die Beschichtung einen geringen Porenanteil aufweisen, weswegen die Durchflussrate des Gases auf einen hohen Betrag von z.B. 1100 l/min eingestellt werden kann.
Wird die Plasmaspritzvorrichtung entlang der Längsachse in Richtung zum gegenüberliegenden Ende der Bohrung bewegt, und erreicht den oberen Totpunktbereich, ist zweckmäßig vorgesehen, die Durchflussrate zu reduzieren und auf einen niedrigen Betrag von z.B. 450 l/min zu verändern, um einen hohen Porenanteil in der Beschichtung zu erzeugen. Eine geringere Durchflussrate bewirkt eine geringere Aufprallenergie der aufgeschmolzenen Drahttröpfchen auf der Innenwand.
Hat die Plasmaspritzvorrichtung den oberen Totpunktbereich in Richtung zum gegenüberliegenden Ende der Bohrung verlassen, kann wiederum eine Durchflussrate mit einem hohen Betrag von z.B. 1100 l/min eingestellt werden, so dass ebenso eine Beschichtung mit einem geringen Porenanteil erreichbar ist. Mit diesem hohen Durchflussbetrag kann nun der Rest der Innenwand der Bohrung beschichtet werden.
Möglich ist, wie bereits erwähnt, in einem unteren Totpunktbereich die Durchflussrate auf einen geringen Betrag von 450 l/min zu reduzieren, so dass ein hoher Porenanteil in der Beschichtung vorhanden ist. Dies ist aber besonders im oberen Totpunktbereich vorteilhaft, wobei im unteren Totpunktbereich eine Beschichtung mit einem geringen Porenanteil ausreichend ist.
Zielführend bei der Erfindung ist also, dass über die axiale Länge der zu beschichtenden Bohrung Beschichtungsbereiche mit unterschiedlichen Porenanteilen erreichbar sind, wobei insbesondere der obere Totpunktbereich einen besonders hohen Porenanteil aufweist. Dies wird bei der Erfindung über die veränderliche Durchflussrate des Gases erreicht, wobei im oberen Totpunktbereich eine geringe Durchflussrate von z.B. 450 l/min einstellbar ist.
Vorteilhaft ist, wenn das Transportgas in seiner Durchflussrate veränderlich einstellbar ist. Denkbar ist auch, wenn das Plasmagas zusammen mit dem Transportgas oder für sich in seiner Durchflussrate veränderlich einstellbar ist.
Die veränderliche Einstellung der Durchflussrate ist erreichbar über ein Steuerelement, welches entsprechende Signale erhält, um die gewünschte bzw. vorteilhafteste Durchflussrate für die jeweilige Position der Spritzvorrichtung entlang der zu beschichtenden Bohrung einzustellen. Das Steuerelement kann in bevorzugter Ausführung ein schnell schaltbares Magnetventil sein, welches den Durchfluss bevorzugt stufenlos regelt. In günstiger Ausgestaltung ist das Steuerelement in der jeweiligen Zuleitung des jeweiligen Gases angeordnet.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Beschichten anderer Komponenten herangezogen werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren hervor. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Plasmaspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens; und
2 einen schematischen Schnitt durch eine Zylinderbohrung mit einer nach dem Verfahren hergestellten Beschichtung.
1 zeigt eine Düseneinheit 1 einer PTWA-Innenbeschichtungsvorrichtung. Bei dem PTWA (Plasma Transferred Wire Arc) Beschichtungssystem handelt es sich um eine Anlage zur Beschichtung von Bohrungen, insbesondere von Zylindern in Motorblöcken von Verbrennungsmotoren. Die Düseneinheit 1 besteht aus einer Kathode 2, einer Plasmadüse 3, und dem elektrisch leitfähigen Legierungsdraht 4 als Anode, der senkrecht zur Plasmadüse 3 zugeführt wird. Bevorzugt wird als Werkstoff für die Kathode 2 Wolfram eingesetzt, welcher noch z.B. mit Thorium dotiert sein kann. Das Plasmagas 5, beispielsweise eine Mischung aus Argon und Wasserstoff, wird durch im Düsenkörper 6 angebrachte, tangential zum Umfang liegende Bohrungen zugeführt. Der Kathodenhalter 7 isoliert die Kathode 2 gegenüber dem Düsenkörper 6. Der Legierungsdraht 4 ist in der Drahtzuführung 15 drehbeweglich und längsverschiebbar geführt.
Der Prozess wird durch eine Hochspannungsentladung, welche das Plasmagas 5 zwischen Legierungsdraht 4, Düsenkörper 6 und Kathode 2 ionisiert und dissoziiert, gestartet. Das so erzeugte Plasma strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Plasmadüse 3. Dabei wird das Plasmagas 5 zum senkrecht zur Düse 3 kontinuierlich zugeführten Legierungsdraht 4 hin transportiert, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird.
Zusätzlich wird dem aus der Plasmadüse 3 austretenden Plasmastrahl 8 ein Transportgas 9 bzw. eine Zerstäubergas 9 über Zuführkanäle 10 und Hilfsdüsen 11 zugeführt.
Das Aufschmelzen und die Zerstäubung des Legierungsdrahtes 4 werden dabei von zwei Phänomenen beeinflusst. Der Draht 4 wird zum einen durch große Stromstärken, typisch sind 65–90 Ampere, widerstandserhitzt. Der Aufprall des Plasmastrahls 8 auf den vorgeheizten Draht 4 sorgt für dessen Aufschmelzen am Drahtende 12. Mit anderen Worten wird innerhalb der Plasmadüse 3 mittels Hochspannungsentladung ein Plasma erzeugt. Eine gezielte Stickstoffgasströmung, also das Transportgas 9 entlang der Entladungsstrecke transportiert das Plasma und den aufgeschmolzenen Spritzwerkstoff 13 an die Oberfläche 14 der zu beschichtenden Zylinderbohrung.
Bei einer solchen Plasmaspritzvorrichtung ist die Durchflussrate des Plasmagases 5 und/oder des Transportsgases 9 gemäß der Erfindung entlang der Längsachse der Bohrung veränderlich.
2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Zylinderbohrung 16 mit einer Beschichtung 14, wobei die Beschichtung 14 mit einer über die axiale Länge X veränderten Durchflussrate der bzw. des Gases hergestellt wurde. Die Beschichtung ist prinzipiell und lediglich beispielhaft in fünf Bereiche aufgeteilt, wobei die Dimensionen der gezeigten Bereiche, also deren axiale Erstreckung nur beispielhaft sind. Der Spritzvorgang nach dem PTWA-Innenbeschichtungsverfahren hat in einem oberen Deckenbereich 17 begonnnen. Die Spritzvorrichtung wurde von dem oberen Deckenbereich 17 in Richtung zum gegenüberliegenden Ende 18 bewegt, wobei die Düseneinheit 1 wie oben beschrieben rotiert. Erkennbar ist ein oberer Totpunktbereich 19, welcher sich an den oberen Deckenbereich 17 anschließt. An den oberen Totpunktbereich 19 schließt sich ein Mittelbereich 20 an, an den sich ein unterer Totpunktbereich 21 anschließt. An diesen schließt sich ein unterer Fußbereich 22 an.
In dem oberen Deckbereich 17 aber auch im Mittelbereich 20, und auch im unteren Fußbereich 22 wurde mit einer hohen Durchflussrate gespritzt, weswegen die Beschichtung in dem jeweiligen Bereich einen geringen Porenanteil aufweist. Im oberen und unteren Totpunktbereich 19 bzw. 21 dagegen wurde mit einer geringen Durchflussrate gespritzt, weswegen die Beschichtung in dem jeweiligen Bereich einen hohen Porenanteil aufweist. Der Bereich 21 ist optional, so dass die Beschichtung auch lediglich die Bereiche 17, 19 und 20 aufweisen kann, wobei der Mittelbereich 20 bis zum Ende 18 geführt ist, und wobei mit einer hohen Durchflussrate gespritzt wurde, weswegen die Beschichtung dann in dem jeweiligen Bereich 17 und 20 (bis zum Ende 18) einen geringen Porenanteil aufweisen kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1967601 A2 [0002, 0002, 0002, 0002]
DE 4411296 A1 [0003]
DE 4447514 A1 [0003]
EP 0858518 B1 [0004, 0004, 0009]
EP 1340834 B1 [0005, 0009]
FR 2924365 A1 [0006, 0009]

Claims

Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Zylinderbuchse mit einer Legierung innenbeschichtet wird, wobei eine Plasmadüse (3), der ein Plasmagas (5), und Hilfsdüsen (11), denen ein Transportgas (9) zugeführt wird, um einen Draht (4) rotieren und entlang einer Längsachse der Bohrung (9) verfahrbar sind, so dass die Bohrung (16) von Innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung (16) gesehen beschichtet wird, wobei ein veränderlicher Gasstrom bzw. eine veränderliche Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5) über die axiale Länge (x) der zu beschichtenden Bohrung (16) einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Plasmaspritzen ein PTWA-Innenbeschichten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Draht (4) ein homogener Draht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit einer hohen Durchflussrate des Plasmagases (5) und/oder des Transportgases (9) ein geringer Porenanteil in der Beschichtung einstellbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate in einem oberen Totpunktbereich (12) einen geringen Betrag von z.B. 450 l/min aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussrate in einem oberen Deckenbereich (10) und in einem Mittelbereich (13) einen hohen Betrag von z.B. 1100 l/min aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Steuerelement vorgesehen ist, welches die Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5) abhängig von einer axialen Position einer Plasmaspritzvorrichtung (1) innerhalb der Bohrung (16) steuert, wobei das Steuerelement als Magnetventil ausführbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der veränderliche Gasstrom bzw. bzw. die veränderliche Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5) während des Beschichtungsvorganges abhängig von der axialen Position innerhalb der zu beschichtenden Bohrung (16) veränderlich einstellbar ist.