DE102012105607A1

DE102012105607A1 - Verfahren zur Herstellung von Komposit-Spritzschichten auf Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen

Info

Publication number: DE102012105607A1
Application number: DE102012105607.2A
Authority: DE
Inventors: Dr. Gand Bernhard; Frank Orlamünder; Marc Kesting
Original assignee: Martinrea Honsel Germany GmbH
Current assignee: Martinrea Honsel Germany GmbH
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-01-02
Also published as: EP2679700A2; EP2679700A3

Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Herstellung von Komposit-Spritzschichten auf Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen. Bei dem Verfahren wird ein inertes Gas (16) oder ein Gasgemisch, bei dem mindestens ein Bestandteil ein inertes Gas ist, zwischen einer Kathode (20) und einem als Anode dienenden Draht (30) mittels eines Lichtbogens gezündet und ionisiert, und das sich ausbildende Plasma aufrechterhalten, wobei der Draht (30) aufschmilzt. Um differenziertere technische Eigenschaften des durch thermisches Spritzen auf das Substrat aufgebrachten Materials zu erreichen, wird zusätzlich ein Transport- und Fokussiergas (18) auf den Plasmastrahl gerichtet, und es werden in mindestens zwei aufeinander folgenden Durchläufen Schichten (5.1, 5.2, 5.3) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften auf dem Substrat (2) sich überdeckend abgelagert, wobei von Durchlauf zu Durchlauf die Zusammensetzung des Transport- und Fokussiergases (18) verändert und so die Ausbildung der einzelnen Schichten hinsichtlich ihrer Mikrostruktur und Porenbildung unterschiedlich beeinflusst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Komposit-Spritzschichten auf Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zylinderkurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren besitzen, sofern das Kurbelgehäuse aus einer Aluminiumlegierung besteht, eingegossene oder eingepresste Zylinderlaufbuchsen. Diese können aus Gusseisen bestehen, jedoch sind auch eingegossene Buchsen aus speziellen Aluminiumlegierungen bekannt. Ebenfalls bekannt ist das Vergießen von Kurbelwellengehäusen aus übereutektischen AlSi-Legierungen. Diese Legierungen bilden aufgrund ihrer Gefügestruktur Oberflächen, die für den Kolbenlauf des Verbrennungsmotors geeignet sind.
Erst durch solche zusätzlichen Maßnahmen ist es möglich, bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren Kurbelgehäuse aus Aluminium oder anderen Leichtmetallen und Leichtmetalllegierungen einzusetzen. Dem Vorteil des geringen Gewichts stehen aber auch Nachteile gegenüber. Hierzu zählen z. B. die schlechte Anbindung von Gusseisen und Aluminium, deren unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten, das höhere spezifische Gewicht durch eingesetzte Laufbuchsen aus Eisenwerkstoffen, und Kompromisse bei der Umsetzung der theoretisch optimalen Bauteilgestaltung. Selbst eingegossene Aluminiumrohre und die übereutektischen AlSi-Gusslegierungen besitzen eine Reihe von Nachteilen.
Zur Verbesserung der Zylinderlaufflächen sind ferner thermische Spritzverfahren bekannt. Bei einem solchen Spritzverfahren, wie es z. B. aus der EP 0 546 121 B1 bekannt ist, wird mit Hilfe eines Plasmas ein Stahlwerkstoff mit hoher thermischer kinetischer Energie auf das vorbehandelte Substrat aufgebracht. Hierzu wird zunächst ein Gasgemisch zwischen einer Kathode und einer Düse, die als Anode geschaltet ist, gezündet. Dies initiiert die Ionisation eines Plasmagases, und bei Umschaltung der Anode auf einen Draht, der das Material für die Aufspritzschicht zur Verfügung stellt, bildet sich ein stabiles Plasma zwischen der Kathode und dem Draht. Dieser wird im Folgenden aufgeschmolzen und durch Verwendung eines gerichteten Transport- bzw. Fokussiergases in feinen Partikeln auf die Substratoberfläche gelenkt. Auf diese Weise lässt sich eine einheitliche Spritzschicht erzeugen, die z. B. durch die zusätzliche Einlagerung von Oxiden eine für den Kolbenbetrieb geeignete, harte, verschleißarme und einheitliche Oberfläche bildet.
Die so erzeugte Schicht ist zwar relativ gleichmäßig, sie bedarf aber gleichwohl einer anschließenden zerspanenden Bearbeitung. Dies bereitet Schwierigkeiten, wenn die aufgespritzte thermische Schicht zwar eine für den Kolbenbetrieb geeignete, harte und verschleißarme Oberfläche bildet, damit jedoch der Nachteil einhergeht, dass die Schicht nur mit hohem technischen Einsatz bearbeitbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit dem sich differenziertere technische Eigenschaften des durch thermisches Spritzen auf das Substrat aufgebrachten Materials erreichen lassen.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 vorgeschlagen.
Ein inertes Gas oder ein Gasgemisch, bei dem mindestens ein Bestandteil ein inertes Gas ist, wird zwischen einer Kathode und einem als Anode dienenden Draht mittels eines Lichtbogens gezündet und ionisiert, und das sich ausbildende Plasma wird aufrechterhalten. Der Draht schmilzt auf, und zusätzlich wird ein Transport- und Fokussiergas auf den Plasmastrahl gerichtet. In mindestens zwei aufeinander folgenden Durchgängen werden Schichten mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften auf dem Substrat sich überdeckend abgelagert, wobei von Durchgang zu Durchgang die Zusammensetzung des Transport- und Fokussiergases, die Oxidation des Stahls unterschiedlich beeinflussend, geändert wird.
Mit einem solchen Verfahren gelingt es, in ein- und demselben Arbeitsgang sequenziell Schichten durch thermisches Spritzen aufbringen lassen, wobei sich die Schichten in ihrer Materialzusammensetzung unterscheiden, und diese unterschiedliche Zusammensetzung auch zu unterschiedlichen technischen Eigenschaften der Schichten führt, indem die Schichten zumindest eine unterschiedliche Ausbildung einzelner Schichten hinsichtlich ihrer Mikrostruktur, der Porenbildung und Oxidbildung zeigen. Zusätzlich lassen sich die mechanischen Eigenschaften von Schicht zu Schicht unterschiedlich einstellen. So kann beispielsweise für die Bearbeitungszugabe eine weiche Materialschicht eingesetzt werden, die sich später gut durch herkömmliche spanende Fertigungsverfahren glätten lässt. Für die darunter befindliche Schicht, die später die Eigenschaften der Kolbenlauffläche bestimmt, kann eine vergleichsweise harte Schicht gewählt werden.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
Darin gezeigt ist eine Anordnung zur Herstellung mehrerer Komposit-Spritzschichten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren auf einem Substrat, wobei das Substrat die Zylinderlauffläche eines Zylinderkurbelgehäuses ist.
Bestandteil der Anordnung für das Beschichten durch thermisches Spritzen ist eine Strahldüse 1, die gegen das zu beschichtende Substrat 2 gerichtet ist und auf dessen Substratoberfläche 2A zunächst eine erste Schicht 5.1, und in sich direkt anschließend, weiteren Durchgängen weitere, anders zusammengesetzte Schichten 5.2, 5.3 erzeugt. Bei dem Substrat 2 handelt es sich hier um die Zylinderlauffläche eines Zylinderkurbelgehäuses eines Benzin- oder Dieselmotors aus Aluminium.
Bestandteile der Strahldüse 1 sind unter anderem ein inneres Gehäuseteil 11 und ein äußeres Gehäuseteil 12. Das innere Gehäuseteil 11 nimmt, elektrisch isoliert zu dem inneren Gehäuseteil 11, eine hier zapfenförmig gestaltete, an ein negatives elektrisches Potential angeschlossene Kathode 20 auf. In Verlängerung zu der Kathode 20 läuft das innere Gehäuseteil 11 in einer Plasmadüse 15 aus, aus der ein zwischen einer Innenwandung 14 des inneren Gehäuseteils 11 und der Kathode 20 hindurchströmendes, inertes Gas mit sehr hoher Geschwindigkeit, das je nach Gestaltung der Düse Überschallgeschwindigkeit erreichen kann, als Plasmagasstrahl 16 austritt.
Zwischen dem inneren Gehäuseteil 11 und dem äußeren Gehäuseteil 12 befindet sich ein von einem Transportgas durchströmter Ringraum 19, der, um die Plasmadüse 15 herum, in einer Ringdüse 17 mündet. Aus der Ringdüse 17 tritt das Transport- und Fokussiergas 18 in einer durch die Geometrie der Ringdüse 17 vorgegebenen Richtung aus, wodurch dieser Gasstrahl fokussiert unter einem Winkel von weniger als 90 Grad auf den die Plasmadüse 15 längs der Achse A verlassenden Plasmastrahl 16 trifft.
In den die Plasmadüse 15 verlassenden Plasmastrahl ragt die Drahtspitze 31 eines Metalldrahts 30, der die an positivem Potential liegende Anode der Anordnung bildet. Der Draht 30 stellt das Metall zur Verfügung, welches Basis der thermischen Beschichtung ist. Da sich der Draht 30 insoweit "opfert", sind Vortriebsmittel 32 vorhanden, welche den Draht 30 entsprechend seines Abbaus an der Drahtspitze 31 in Richtung auf die Achse A des aus der Plasmadüse 15 austretenden Plasmagases vorwärts bewegt.
Beim Betrieb der Anordnung erfolgt zunächst eine Zündung über einen Lichtbogen bei noch neutral geschalteter Düse. Hierbei wird in einem ersten Schritt ein Bogenstrom gebildet, der das Plasma zwischen der Spitze der Kathode 20 und der Plasmadüse 15 erfasst. Ist dies geschehen, tritt ein Strom von heiß-ionisiertem, elektrisch leitfähigem Gas aus der Plasmadüse 15 aus, und gelangt außerhalb der Düse in Berührung mit der Drahtspitze 31, die ab diesem Zeitpunkt die Anode darstellt, wobei sich ein elektrischer Übertragungsbogen ausbildet. Hierbei fließt ein Strom von der Spitze der Kathode 20 durch die Wirbelströmung in der Plasmadüse 15 hindurch bis auf die Drahtspitze 31. Der die Anode bildende Draht 30 wird kontinuierlich durch die Vortriebsmittel 32 in den aus der Plasmadüse ausfließenden Plasmastrom zugeführt, wodurch ein kontinuierlicher Beschichtungsprozess aufrechterhalten wird.
Eine andere Variante ist auch möglich, wobei bei elektrisch neutral geschalteter Düse direkt auf den Draht gezündet wird. Dabei wird das Plasmagas auf der gesamten Wegstrecke zwischen Kathode und Anode (Draht) auf einmal ionisiert.
Durch die hohe Temperatur in dem gebildeten elektrischen Übertragungsbogen wird die Drahtspitze 31 geschmolzen. Geschmolzene Metalltröpfchen werden beschleunigt und zugleich in noch kleinere Teilchen atomisiert. Ursache hierfür ist die viskose Scherkraft, die zwischen der hohen Plasmastrahlgeschwindigkeit und den ursprünglich ruhenden Tröpfchen besteht. Die geschmolzenen Tröpfchen werden weiter beschleunigt und durch den sehr viel größeren Massenstrom des schräg auf die Achse A treffenden Transport- und Fokussiergases 18 atomisiert, welches aus der Ringdüse 17 austritt und nach Art eines Kegels auf die Achse A konvergiert. Die so atomisierten Metallteilchen werden beschleunigt und fokussiert und gelangen schließlich auf die relativ zu der Strahldüse 1 bewegte Substratoberfläche 2A, wo sich eine erste Schicht 5.1 bildet und entsprechend der Relativbewegung in der Fläche ausbreitet, bis die gewünschten Flächenbereiche der Zylinderlauffläche vollständig bedeckt sind.
Die erforderliche Relativbewegung zwischen Düse und Substratoberfläche 2A lässt sich entweder, bei fest angeordnetem Zylinderblock, durch eine auf der Achse der Zylinderbohrung drehende Bewegung der Strahldüse 1 längs einer Schraubenlinie erreichen oder, bei fest angeordneter Strahldüse 1, durch eine entsprechende Bewegung des Zylinderblocks.
Die Zusammensetzung des Transport- und Fokussiergases 18 ist im Rahmen des hier beschriebenen Beschichtungsverfahrens einstellbar. Zu diesem Zweck setzt sich das Transport- und Fokussiergas 18 aus einem Basisgas 41 zusammen, dem noch vor dem Eintreten in den Ringraum 19 Additivgase 42, 43, 44, 45 zugeführt werden können, um so die Zusammensetzung des Transport- und Fokussiergases 18 von Schicht zu Schicht zu verändern.
Auf der Zeichnung dargestellt sind drei Schichten 5.1, 5.2 und 5.3, wobei der dritte Durchlauf dargestellt ist. Es wird also gerade die dritte Schicht 5.3 gespritzt, die beiden vorangehenden Durchläufe zur Herstellung der darunter befindlichen Schichten 5.1 und 5.2 sind bereits abgeschlossen.
Die Zumischung der Additivgase 42, 43, 44, 45 in das Basisgas 41 erfolgt vorzugsweise ventilgesteuert in Abhängigkeit von Signalen einer Prozesssteuereinheit.
Als Material für den Anodendraht 30 sind Metall-Matrix-Kompositmaterialien geeignet, beispielsweise Stahl, Titan, Aluminium und Legierungen dieser Metalle auf Nickel- und/oder Kupferbasis.
Als über die Kathode 20 und durch die Plasmadüse 15 geleitete Plasmagase geeignet sind Inertgase wie z. B. N₂, He oder Ar oder Gasgemische wie z. B. Ar / H₂, N₂ / He mit oder ohne Zusatz von CH₄.
Als Basisgas 41 für das Transport- und Fokussiergas 18 geeignet ist entweder ein inertes Gas, z. B. N₂ zur Herstellung weicherer, eine spätere Bearbeitung ermöglichenden Schichten, oder zur Herstellung härterer Schichten ein Gasgemisch aus N₂ oder N₂ mit vorgegebenen Zusätzen an Sauerstoff oder Sauerstoffverbindungen, z. B. H₂O.
Als Additivgase 42, 43, 44, 45, welche dem Basisgas 41 hinzugefügt bzw. beigemischt werden können, eignen sich z. B. Sauerstoff, Wasser, Alkohol oder sauerstoffhaltige Gasgemische, z. B. Luft.
Im Folgenden werden Beispiele für praxisgerechte Schichtenaufbauten wiedergegeben, hier für den Fall von drei aufeinanderfolgenden Durchläufen:
Erste Schicht 5.1 (erster Durchlauf): Transport- und Fokussiergas 18 besteht aus 100 % N₂. Damit verbundene Eigenschaften: Schicht verbindet sich gut mit dem Substratwerkstoff, weist eine höhere Härte als dieser auf und ist weitestgehend verschleißresistent. Vorteil: homogene Schicht und gute Wärmeleitung.
Zweite Schicht 5.2 (zweiter Durchlauf): Transport- und Fokussiergas 18 besteht aus 90 % N₂ und 10 % O₂. Damit verbundene Eigenschaften: Schicht ist verschleißfest. Vorteil: hohe Widerstandsfähigkeit bei hoher Reibbelastung und hohen Temperaturen.
Dritte Schicht 5.3 (dritter Durchlauf): Transport- und Fokussiergas 18 besteht aus 100 % N₂. Damit verbundene Eigenschaften: Schicht ist weicher als Schicht 5.2, und besitzt eine gleichmäßige Oberfläche. Vorteil: leichtes Bearbeiten der Schicht durch einfache Werkzeuge, somit auch Kosteneinsparung durch Taktzeitverkürzung.
Bevorzugt ist das thermische Aufspritzen auf ein Aluminiumsubstrat. Das Verfahren lässt sich aber auch bei Zylinderkurbelgehäusen aus Gusseisen verwenden, um auch hier an den Zylinderbohrungen bevorzugte Materialien in einzelnen Schichten anzuordnen.
Bei dem Verfahren werden zwei oder mehr Schichten 5.1, 5.2, 5.3 in einem Arbeitsgang nacheinander und sich jeweils überdeckend auf die Substratoberfläche 2A aufgebracht. Auf die erste, substratnächste Beschichtung 5.1 folgt die in einem weiteren Prozessdurchlauf aufgebrachten Beschichtung 5.2 sowie eine in einem nochmals weiteren Prozessdurchlauf aufgebrachte, hier äußere Beschichtung 5.3.
Dargestellt ist, dass die Substratoberfläche 2A in einem vorgeschalteten, ersten Verfahrensschritt noch vor dem Beginn des thermischen Spritzens zunächst aufgeraut werden kann, um eine verbesserte Materialanbindung der im ersten Durchlauf des Werkzeugs hergestellten ersten, d. h. untersten Schicht 5.1 zu erzielen. Das Aufrauen kann durch eine durch mechanische Bearbeitung erzielte Riffelung oder Rillung 50 des Substrats 2 erfolgen, wobei die einzelnen Rillen 50 zur Herbeiführung eines zusätzlichen Formschlusses eine Hinterschneidung aufweisen können. In der EP 2 307 162 B1 sind Einzelnen des Verfahrens beschrieben, mit dem sich aufgeraute Oberflächen entsprechend vorbereiten lassen.
Bezugszeichenliste

1: Strahldüse
2: Substrat
2A: Substratoberfläche
5.1: erste Schicht
5.2: weitere Schicht
5.3: weitere Schicht
11: inneres Gehäuseteil
12: äußeres Gehäuseteil
14: Innenwandung
15: Plasmadüse
16: inertes Gas, Plasmagas
17: Ringdüse
18: Transport- und Fokussiergas
19: Ringraum
20: Kathode (negatives Potential)
30: Draht, Anode (positives Potential)
31: Drahtspitze
32: Vortriebsmittel
41: Basisgas
42: Additivgas
43: Additivgas
44: Additivgas
45: Additivgas
50: Rillung
A: Strömungsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

EP 0546121 B1 [0004]
EP 2307162 B1 [0032]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Komposit-Spritzschichten auf Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen, bei dem ein inertes Gas (16) oder ein Gasgemisch, bei dem mindestens ein Bestandteil ein inertes Gas ist, zwischen einer Kathode (20) und einem als Anode dienenden Draht (30) mittels eines Lichtbogens gezündet und ionisiert wird und das sich ausbildende Plasma aufrechterhalten wird, wobei der Draht (30) aufschmilzt, wobei zusätzlich ein Transport- und Fokussiergas (18) auf den Plasmastrahl gerichtet wird, und wobei in mindestens zwei aufeinander folgenden Durchläufen Schichten (5.1, 5.2, 5.3) mit unterschiedlichen Zusammensetzungen und Eigenschaften auf dem Substrat (2) sich überdeckend abgelagert werden, wobei von Durchlauf zu Durchlauf die Zusammensetzung des Transport- und Fokussiergases (18) verändert und so die Ausbildung der einzelnen Schichten hinsichtlich ihrer Mikrostruktur und Porenbildung unterschiedlich beeinflusst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen Kathode (20) und Anode (30) elektrisch neutral geschaltete Düse (17) zur Fokussierung des Plasmas.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Fokussierung des Plasmas und der Partikel das Transport- und Fokussiergas (18) eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufbringen einer ersten Schicht (5.1) die Zusammensetzung des Transport- und Fokussiergases (18) für die darauffolgende, nächste Schicht (5.2, 5.3) verändert wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Transport- und Fokussiergas (18) im Wechsel von Schicht zu Schicht aus einem Inertgas und einem Gemisch aus einem Inertgas und Sauerstoff oder einer Sauerstoffverbindung sowie hinzufügbaren Additivgasen (42) besteht.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die unterschiedliche Zusammensetzung des Sauerstoffgehalts des Transport- und Fokussiergases (18) bei der Herstellung der einzelnen Schichten (5.1, 5.2, 5.3) Schichten mit unterschiedlichen Materialeigenschaften erzeugt werden, bei denen eine weichere Schicht (5.3) die äußere Schicht ist und die Bearbeitungszugabe für eine spätere abtragende Materialbearbeitung darstellt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Transport- und Fokussiergas (18) aus einem Basisgas (41) und Additivgasen (42, 43, 44, 45) zusammensetzt, und dass die Zusammensetzung des Transportgases (18) von Schicht zu Schicht verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Additivgase (42, 43, 44, 45) beigemischt werden: Sauerstoff und/oder Wasser und/oder Alkohol und/oder Sauerstoff- und/oder Sauerstoffverbindungen enthaltende Gasgemische.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Substratoberfläche (2A) vor dem Aufbringen der ersten Schicht (5.1) mechanisch aufgeraut oder mit Rillen (50) versehen wird, um eine bessere Verbindung der ersten Schicht (5.1) mit der Substratoberfläche (2A) zu erzielen.