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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Verfahren und Vorrichtungen zum thermischen Beschichten einer Oberfläche sind zum Beispiel in der
US 6,372,298 B1 , der
US 6,706,993 B1 und der
WO2010/112567 A1 beschrieben. Die dort genannten Vorrichtungen weisen gemeinsam auf: Eine Drahtzuführeinrichtung zur Zuführung eines abschmelzenden Drahtes, wobei der Draht als Elektrode wirkt; eine Quelle für Plasmagas zur Erzeugung eines Plasmagasstromes; einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, durch die der Plasmagasstrom als Plasmagasstrahl auf ein Drahtende geleitet wird; und einer zweiten Elektrode, die im Plasmagasstrom angeordnet ist, bevor dieser in die Düsenöffnung eintritt. Auch die
US 6,610,959 B2 und die
WO2012/95371 A1 beschäftigen sich mit solchen Vorrichtungen.
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Zwischen den beiden Elektroden bildet sich durch die Düsenöffnung hindurch ein Lichtbogen aus. Der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl trifft auf das Drahtende und bewirkt dort mit dem Lichtbogen ein Abschmelzen des Drahtes und den Abtransport des geschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche. Ringförmig um die Düsenöffnung herum sind Sekundärluftdüsen angebracht, durch die ein Sekundärgasstrahl erzeugt wird, der das vom Drahtende abgeschmolzene Material trifft und so eine Beschleunigung des Transportes in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche und eine Sekundärzerstäubung des geschmolzenen Drahtmaterials bewirkt.
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Heutige Verbrennungsmotoren bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium gegossen sein, wobei insbesondere Aluminiumblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind neben Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF-Spritzverfahren und Plasma-Pulver-Spritzverfahren die oben genannten Verfahren als Plasma-Draht-Spritzverfahren oder auch als PTWA (Plasma Transferred Wire Arc) bekannt. Eine Beschichtung der Zylinderbohrungen ist dahin vorteilhaft, weil so eine Beschichtung hergestellt werden kann, welche sich positiv auf einen reduzierten Verschleißfaktor, auf eine verlängerte Lebensdauer des Motors bei geringerem Ölverbrauch im Vergleich zu konventionellen Auskleidungen mittels eingegossener Laufbuchsen aus Graugussmaterial auswirkt.
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Die
DE 10 2009 049 323 B4 offenbart ein Lichtbogendrahtspritzen zum Beschichten einer Zylinder-Kolbenlauffläche bei dem als Trägergas mit Stickstoff angereicherte Luft verwendet wird, wobei eine Beschichtung auf Eisenbasis aus unlegiertem Stahl, bevorzugt eine FeC0,8 Beschichtung erzeugt wird. Die Beschichtung weist einen Porenflächenanteil auf, der vom unteren Ende der Zylinder-Kolbenlauffläche zum gegenüberliegenden oberen Ende der Zylinder-Kolbenlauffläche abnimmt.
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Thermische Spritzschichten bieten aufgrund ihrer porösen Struktur die Möglichkeit, in geschmierten Kontakten positiven Einfluss auf den Ölhaushalt zu nehmen, und so den Aufbau hydrodynamischer Schmierfilme zu unterstützen. Auf die Zylinderwand eines Verbrennungsmotors aufgebracht, führt dies zu einer deutlichen Minimierung der Reibung in der Kolbengruppe. Nahezu die Hälfte aller Reibungsverluste entsteht zwischen Kolbengruppe und Laufbahn. Die Poren in den Spritzschichten bieten ein zusätzliches Ölrückhaltevolumen an, so dass daher das Ölrückhaltevolumen in der Honstruktur reduziert werden kann. Infolge dessen kann die Honung selbst deutlich feiner gestaltet werden, wodurch der Reibwert der Zylinderlaufbahn teilweise erheblich gesenkt werden kann. Beispielsweise bei der PTWA-Beschichtung wird ein Draht aufgeschmolzen. Die schmelzflüssigen Partikel werden über ein Zerstäubermedium beschleunigt und rotierend auf die Zylinderoberfläche aufgespritzt. Die dadurch entstehende Schicht verklammert sich mechanisch in der aufgerauten Zylinderwand. Die Schicht kann nahezu konventionell gehont werden, wobei bei dem Honvorgang die Poren in der Schicht freigelegt werden, welche damit als Öltaschen dienen können. Anzahl, Größe und Gestalt der Poren können mittels der Spritzparameter in weiten Bereichen eingestellt werden. Die zusätzlichen Ölreservoire setzen dabei die Anforderungen an die Hontiefen bezüglich des Ölhaltevemögens herab, so dass die Honung selbst feiner gestaltet werden kann.
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Die reduzierte Rauheit der gehonten Oberfläche führt zu verringerter Reibung zwischen den relativ zueinander bewegten Oberflächen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum thermischen Beschichten von Oberflächen anzugeben, mit welchem die Reibung zwischen relativ zu einander bewegten Oberflächen, insbesondere zwischen der Zylinderlaufbahn und Kolbenringen weiter verringert werden kann.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
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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. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Bildern zusätzlich.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche zumindest die Schritte:
Einleiten zumindest eines Primärgases und eines Sekundärgases in eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten, welche zumindest ein Gehäuse, eine Kathode, und eine als abschmelzenden Draht ausgeführte Anode aufweist, wobei Partikel der abschmelzenden Anode in einem Spritzstrahl zu einer zu beschichtenden Oberfläche transportiert werden, und
Erzeugen eines Überdruckes zumindest zwischen der Vorrichtung und der zu beschichtenden Oberfläche, und
Erzeugen einer reduzierenden Atmosphäre in dem Spritzstrahl.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Vorrichtung zum thermischen Beschichten eine um ihre Zentralachse rotierende Vorrichtung, mit welcher insbesondere Zylinderlaufbahnen von Zylinderblöcken von Verbrennungsmotoren beschichtet werden können (Rotierendes Eindraht-Spritzen). Zugleich mit der Rotation bewegt sich die Vorrichtung entlang der Hochachse der Zylinderlaufbahn hin und her. Denkbar ist, dass die genannten Relativbewegungen auch von der Zylinderlaufbahn ausgeführt werden, welche mit einer entsprechenden Bewegungsvorrichtung in Verbindung steht. Zielführend ist aufgrund der Rotation und aufgrund der linearen Hin- und Herbewegung, dass der Überdruck um die Vorrichtung herum bis zur zu beschichtenden Oberfläche erzeugt wird, wobei weiter bevorzugt ist, dass der Überdruck in der gesamten zu beschichtenden Zylinderlaufbahnöffnung, also in der Zylinderbohrung erzeugt wird.
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Ein Plasma ist im Sinne der Erfindung ein ionisiertes Gas. Der Vorrichtung wird bevorzugt ein Primärgas zugeführt. Ein Primärgas ist ein Gas oder Gasgemisch zur Erzeugung eines Plasmas durch unterschiedliche Prozesse, wie z.B. durch Spannungsentladung. Das Primärgas kann Argon, Stickstoff, eine Mischung inerter Gase oder eine Mischung der beispielhaften Gase mit Wasserstoff und/oder Helium sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Primärgas eine Argon-Wasserstoffmischung, um die reduzierende Atmosphäre in dem Spritzstrahl zu erzeugen. Als Sekundärgas können Argon, Stickstoff oder andere inerte Gase, Gasgemische aus inerten Gasen, oder andere Gasgemische eingesetzt werden. Natürlich sind die genannten Gase lediglich beispielhaft zu verstehen. Günstig ist aber, dass zumindest das Primärgas ionisierbar ist, so dass ein Lichtbogen zwischen der Kathode und dem Drahtende (Anode) zündbar ist, wobei zielführend ist, dass z.B. mittels des Wasserstoffes eine reduzierende Atmosphäre in dem Spritzstrahl erzeugt wird. Das Sekundärgas ist bevorzugt ein inertes Gas, weiter bevorzugt Argon, noch weiter bevorzugt Stickstoff.
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Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Sekundärgas, also der Volumenstrom des Sekundärgases aufgeteilt wird, so dass nur ein Teil des Sekundärgases die ausgeschmolzenen Partikel zu der zu beschichtenden Oberfläche transportiert, während der andere Teil des Sekundärgases den Überdruck in der Zylinderbohrung bildet. Insofern ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn das Sekundärgas ein inertes Gas, bevorzugt Stickstoff ist, um einen Überdruck mit inerten Gasen zu bilden, so dass quasi eine Schutzgasatmosphäre in der Zylinderbohrung gebildet wird.
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In bevorzugter Ausgestaltung wird das Sekundärgas so aufgeteilt, dass etwa 25 bis 55Vol%, bevorzugt etwa 35 bis 45 Vol% weiter bevorzugt etwa 39Vol% des Gesamtsekundärgasvolumenstromes die aufgeschmolzenen Partikel zu der zu beschichtenden Oberfläche transportiert, während der andere Teil des Sekundärgases den Überdruck in der Zylinderbohrung bildet. Allgemein ist die Sekundärgasmenge in diesem Fall für die Erzeugung eines geringen Überdruckes vom Bohrungsdurchmesser abhängig. Bei Verwendung von etwa 450 l/min für den Partikelförderstrom, benötigt man beispielhaft bei einer 60mm Bohrung etwa 400l/min (in Summe 850l/min) und beispielhaft bei einer 80mm Bohrung etwa 700l/min (in Summe 1150l/min). Grundsätzlich wird die Partikelgeschwindigkeit durch die Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärgases in den Sekundärgasbohrungen der Sekundärgasdüse bestimmt. Das bedeutet, dass durch Verwendung kleinerer Bohrungsdurchmesser bei gleicher Bohrungsanordnung weniger Sekundärgas für die gleiche Partikelgeschwindigkeit benötigt wird.
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Der Ausdruck „etwa“ bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von jeweils exakten Werten um +/–10%, bevorzugt um +/–5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
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Zielführend im Sinne der Erfindung ist, wenn ein erster Teil des der Vorrichtung zugeführten Sekundärgasvolumenstromes in der Zylinderlaufbahn den Überdruck bevorzugt mit inertem Gas bildet, was bedeutet, dass der betreffende erste Sekundärgasteilvolumenstrom wie der andere, zweite Sekundärgasteilvolumenstrom aus dem Gehäuse austritt, ohne dass der erste Teilsekundärgasvolumenstrom allerdings aufgeschmolzene Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche transportiert. Der zweite Sekundärgasteilvolumenstrom tritt aus der Düsenöffnung aus, und transportiert die aufgeschmolzenen Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche. In möglicher Ausgestaltung kann der erste Sekundärgasteilvolumenstrom direkt gegenüberliegend zur Austrittsöffnung des zweiten Sekundärgasteilvolumenstromes aus dem Gehäuse austreten. Denkbar ist auch, dass der erste Sekundärgasteilvolumenstrom an anderen Austrittöffnungen aus dem Gehäuse austreten kann, wobei die Austrittsöffnungen zum Beispiel seitlich angeordnet sind, wobei diese Sekundärgasströme noch zur Kühlung des Gehäuses herangezogen werden können, was so auch für den zweiten Sekundärgasteilvolumenstrom gelten kann. Weiter ist möglich, den ersten Sekundärgasvolumenstrom durch Öffnungen in einem Düsenring nach außen zu führen, um so nicht nur den Überdruck innerhalb der Zylinderlaufbahnöffnung zu erzeugen, sondern zugleich auch Anhaftungen von Spritzstäuben an dem Düsenring zu vermeiden. Selbstverständlich kann der erste Sekundärgasvolumenstrom auch in sich aufgeteilt werden, um an unterschiedlichen Stellen, welche beispielhaft oben genannt sind, nach außen geführt zu werden, so dass in der Zylinderbohrung ein leichter Überdruck gegenüber dem äußeren der Zylinderbohrung gebildet ist. Möglich ist auch, den Sekundärgasvolumenstrom vor Eintritt in die Vorrichtung aufzuteilen, so dass auf jeden Fall der Teil in die Vorrichtung eingeleitet wird, welcher die aufgeschmolzenen Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche transportiert. Der andere Teil kann in geeigneten Leitungselementen an dem Gehäuse entlang geführt werden, und an der gewünschten Stelle austreten. Der Sekundärgasstrom kann zudem noch als Kühlmedium für die Vorrichtung, die auch als Brenner bezeichnet werden kann, herangezogen werden.
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In weiter günstiger Ausführung des Verfahrens kann die Bildung eines Überdruckes in der Zylinderlaufbahnöffnung erreicht werden, indem die Zylinderlaufbahnöffnung versperrt wird, wobei in weiter günstiger Ausführung Masken z.B. in der Ausgestaltung als Blenden an einer Öffnungsseite, bevorzugt an der zur Einführungsseite der Vorrichtung in die Zylinderbohrung gegenüberliegenden Öffnungsseite, also z.B. der unteren Öffnung eingesetzt werden können. Diese Maßnahmen sind insbesondere bei größeren Zylinderbohrungen und/oder zur kostengünstigen Reduzierung des Sekundärgas- bzw. Schutzgasbedarfs vorteilhaft. Selbstverständlich sind diese Maßnahmen so auszuführen, dass insbesondere die lineare Hin- und Herbewegung der Vorrichtung innerhalb der zu beschichtenden Zylinderlaufbahnöffnung nicht behindert wird.
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Der Überdruck, also auch der betreffende Sekundärgasvolumenstrom sollte so bemessen sein, dass die Oberfläche mit den erforderlichen Parametern beschichtet werden kann. Dies bedeutet, dass der „Spritzstrahl“, also die von dem Sekundärgasteilvolumenstrom transportierten aufgeschmolzenen Partikel auf ihrem Weg zur zu beschichtenden Oberfläche nicht oder nur unwesentlich abgelenkt werden.
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Zweckmäßig ist, dass durch die Aufteilung des Gesamtsekundärgasstromes in einen „transportierenden“ und in einen „Überdruck bildenden“ Teilgasstrom die zur zu beschichtenden Oberfläche zu transportierenden Partikel eine Auftreffgeschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufweisen, welche bezogen auf den Gesamtsekundärgasvolumenstrom reduziert ist. Üblich ist im Stand der Technik, den Gesamtsekundärgasvolumenstrom von z.B. 1050 bis 1250l/min als Transportmedium der aufgeschmolzenen Partikel zu verwenden. Bei der Erfindung dagegen wird dieser aufgeteilt, so dass nur ein Bruchteil zum Transport benutzt wird, woraus ersichtlich die geringere Partikelgeschwindigkeit resultiert. Natürlich könnte eine geringere Partikelgeschwindigkeit auch dadurch erreicht werden, dass der Gesamtsekundärgasvolumenstrom nicht aufgeteilt wird, dafür aber z.B. lediglich einen Betrag von z.B. 450l/min aufweist. Diese Ausgestaltung ist von der Erfindung natürlich umfasst. Umfasst ist auch, dass zudem ein anderer Gasstrom (inertes Gas, z.B. Argon, Stickstoff) direkt in die Zylinderbohrung geleitet wird, wenn das Beschichtungsergebnis dadurch nicht negativ beeinflusst wird, wobei natürlich möglich ist, diesen Gasstrom quasi als zum Primärgasstrom und Sekundärgasstrom dritten Gasstrom in das Gehäuse einzuleiten, und sodann an gewünschter Stelle austreten zu lassen. Insofern kann die Schutzgasatmosphäre in der Zylinderbohrung also mittels des aufgeteilten Sekundärgasstromes und/oder mittels des separat zugeführten dritten Schutzgasstromes erreicht werden, wobei der dritte Schutzgasstrom auch durch den Brenner geführt werden kann, und an gegebener Stelle austritt, wobei der dritte Schutzgasstrom aber auch beispielsweise durch die oben genannte Maskierung von außen in die Zylinderbohrung eingeleitet werden kann. Zielführend ist dabei, wenn der Überdruck in der Zylinderbohrung aufgenommen, also gemessen wird, um so die Zufuhr von Schutzgas, also des dritten Gasstromes steuern und regeln zu können. Dazu kann in bevorzugter Ausführung eine Druckdifferenz zwischen dem Äußeren der Zylinderbohrung und dem Inneren der Zylinderbohrung ermittelt werden.
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Zielführend ist auch, dass in dem Spritzstrahl die reduzierende Atmosphäre erzeugt wird, was mit einem Primärgas erreicht wird, welches bevorzugt eine Argon-Wasserstoffmischung ist. Dabei wird das Argon-Wasserstoffgemisch beispielsweise einen höheren Argonanteil aufweisen. Bei der Erfindung wird aufgrund der reduzierenden Atmosphäre im Spritzstrahl eine Oxidbildung der aufgeschmolzenen Partikel verhindert, wobei zum einen aufgrund der reduzierten Partikelauftreffgeschwindigkeit und zum anderen aufgrund der Vermeidung bzw. Verringerung der exothermen Reaktion an den Partikeloberflächen (die Partikel kühlen schneller ab) eine nur teilweise Umformung der auftreffenden Partikel entsteht, was wiederum zielführend zu einer entsprechend größeren Flächenverteilung der Poren aber auch hinsichtlich der Größe der einzelnen Poren selbst führt. Mit der Erfindung kann z.B. ein Porenanteil von z.B. 8–12 % erreicht werden, und zwar ebenfalls hinsichtlich der Flächenverteilung entlang und in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung gesehen aber auch hinsichtlich der Größe der einzelnen Poren selbst. Dies führt zu einer erheblichen Reibungsreduktion von 10 bis 15%, bezogen auf einen Porenanteil von 2 bis 4%.
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Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum thermischen Beschichten zur Verfügung gestellt, bei dem Reibungsverluste, z.B. zwischen Kolbenringen und der Zylinderlaufbahn erheblich reduziert werden, da der Porenanteil sowohl hinsichtlich der Flächenverteilung entlang und in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung gesehen aber auch hinsichtlich der Größe der einzelnen Poren selbst vergrößert ist.
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Der abschmelzende Draht ist eine Eisen-Basis-Legierung, so dass bevorzugt eine FeC0,8 Beschichtung gebildet wird. Selbstverständlich kann die beschichtete Zylinderlaufbahn nach dem Beschichtungsvorgang bearbeitet, beispielsweise gehont werden. Auch andere Vorbereitungsmaßnahmen und Nachbearbeitungen, bekannter Beschichtungsverfahren können durchgeführt werden.
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Dadurch, dass beispielsweise der betreffende Sekundärgasteilstrom oder der dritte, externe Gasstrom zum Beispiel gegenüberliegend zum Spritzstrahl aus dem Brenner austritt, und/oder direkt in die Zylinderbohrung eingeleitet wird, kann eine Kühlwirkung der Zylinderlaufbahn, also der aufgebrachten Beschichtung erreicht werden, was für eine nachfolgende Bearbeitung sehr zeitsparend sein kann, da eine Abkühlphase vorgesehen ist, welche so von der Zeitdauer her reduziert werden kann. Möglich ist auch, dass das inerte Sekundärgas mit Luft bzw. Druckluft und/oder Sauerstoff angereichert wird, um so eine gezielte Oxidation der Beschichtung in der eigentlich inerten Umgebung innerhalb der Zylinderbohrung erreichen zu können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6372298 B1 [0002]
- US 6706993 B1 [0002]
- WO 2010/112567 [0002]
- US 6610959 B2 [0002]
- WO 2012/95371 A1 [0002]
- DE 102009049323 B4 [0005]