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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Diese Erfindung betrifft allgemein das Erzielen einer besseren Haftung zwischen einer thermisch gespritzten Schutzbeschichtung und einem Target-Substrat und im Spezielleren das Vorbehandeln des Substrats mit einem Luftplasma-Spritzstrahl vor dem Auftragen der Schutzbeschichtung.
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Es hat sich erwiesen, dass thermische Spritztechniken eine wirksame Möglichkeit sind, um Schutzbeschichtungen – z. B. Wärmesperrschichten, Verschleißschichten, Korrosionsschutzbeschichtungen oder dergleichen – auf einem Werkstück abzuscheiden. Die hohen Abscheideraten machen solche Beschichtungsansätze für eine Großserienfertigung wie z. B. jene zugänglich, die mit der Produktion von Motorzylinderbohrungen und den Kolben, die konstruiert sind, um sich in diesen hin- und herzubewegen, verbunden sind. Die Haftung der Schutzbeschichtung an einem Substrat ist eine sehr wichtige Metrik zum Bestimmen der Eignung der Beschichtung für eine spezielle Anwendung (wie z. B. für die rauen Umgebungen, die innerhalb des Brennraumes einer Verbrennungsmotor-Zylinderbohrung erzeugt werden). Traditionellerweise wurden Verbesserungen an der Schichthaftung an dem Zylinderbohrungssubstrat mithilfe verschiedener Oberflächenaktivierungs-Vorbehandlungsschritte erzielt, welche Ansätze wie z. B. Sandstrahlen mit Keramikpartikeln, Hochdruck-Wasserstrahlen und mechanisches Aufrauen/Sperren umfassen. Während sie für ihren vorgesehenen Zweck wirksam sind, fügen sie dem Fertigungsprozess der beschichteten Komponente beträchtliche Komplexität und Kosten hinzu. Beispielsweise bedingen Ansätze auf der Basis mechanischen Aufrauens/Sperrens hohe Werkzeugkosten; diese Kosten neigen dazu, durch eine kurze Werkzeuglebensdauer und umfangreiche Reinigungsanforderungen verschärft zu werden. Gleichermaßen weist der Ansatz des Hochdruck-Wasserstrahlens sehr hohe Investitionskosten auf, während der Ansatz des Sandstrahlens Sandverunreinigungsprobleme wie auch (in Verbindung mit dem oben erwähnten mechanischen Aufrauen) beträchtliche Reinigungsanforderungen aufweist. Einige dieser Reinigungsanforderungen (wie auch die Substrat-Vorbehandlung) können auch flüchtige organische Verbindungen (VOCs, vom engl. volatile organic compounds) verwenden, deren Verwendung aufgrund ihres potentiellen negativen Umwelteinflusses unter zunehmender Beobachtung steht. Routinemäßig werden auch andere Versuche eingesetzt, welche die Abscheidung einer separaten Anbindungsbeschichtung umfassen. Wie bei den oben erwähnten Substrataktivierungs-Vorbehandlungen, bedingt dies eine beträchtliche zusätzliche Komplexität und diesbezügliche Kosten.
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Eine besonders zweckdienliche Form des thermischen Spritzbeschichtens erfolgt über das Plasmaspritzen, wobei die Bestandteile, die zahlreiche Schutzbeschichtungen bilden, einem ionisierten Strom von Inertgas unterworfen werden. Zusätzlich zu den hohen Abscheideraten ist das Plasmaspritzen insofern vorteilhaft, als das Gas chemisch inert ist, während das Target-Werkstücksubstrat relativ kühl gehalten werden kann; diese Faktoren machen es möglich Schaden an sowohl der auftreffenden Beschichtung als auch dem Substrat in einer Weise zu vermeiden, die mit anderen Hochtemperatur- oder chemisch aktiven Prozessen nicht möglich ist. Beim Plasmaspritzen bilden entgegengesetzt geladene Elektroden in der Form einer zylindrischen Anode, die eine geschossförmige Kathode umschreibt, einen Strömungspfad, der eine Düse an dem Entladungsende definiert. Eine Gleichstrom(DC)-Quelle wird auf die Elektroden angewendet, sodass, wenn das Inertgas in einen kreisringförmigen Raum zwischen den Elektroden eingeleitet wird, dieses ionisiert wird, um ein Plasma zu bilden, das die Düse als ein Strahlstrom verlässt. Ein separater Beschichtungseinsatzpfad (in der Regeln in der Form eines Rohres) spritzt den Schutzbeschichtungs-Precursor (der in der Regel in Pulverform vorliegt) in den Plasmastrahl, der sich in der Düse entwickelt. Die Vorrichtung (die in der Regel als Pistole bezeichnet wird) arbeitet, wenn ein Stromimpuls zwischen der Anode und der Kathode eingebracht wird, sodass er einen Bogen durch das Gas hindurch und über den Zwischenraum zwischen diesen Elektroden hinweg erzeugt. Die Bildung des Bogens fällt damit zusammen, dass die Elektronen in dem Gas von ihren Atomen abgezogen und in Richtung der Anode beschleunigt werden, während die Atome in Richtung der Kathode beschleunigt werden. Eine beständige Zufuhr von elektrischem Strom hilft dabei, dass der Bogen in Richtung des Ausgangs in der Düse geschoben wird, was wiederum andere Atome oder Moleküle in dem Gasstrom ionisiert, was ein Hochgeschwindigkeitsplasma zur Folge hat, welches beim Verlassen der Pistole gelenkt werden kann, um auf dem geeigneten Werkstücksubstrat aufzutreffen.
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Eine noch speziellere Form des Plasmaspritzens ist als thermisches Plasma-Lichtbogen(PTWA, vom engl. plasma transferred wire arc)-Spritzen bekannt. Im Gegensatz zu Ausgangsmaterialien auf Pulverbasis verwendet das PTWA einen festen [engl. sold] Draht, der schmilzt, wenn er dem durch die Pistole produzierten Plasmastrahl unterworfen wird. Während das Plasmaspritzen im Allgemeinen (und das PTWA im Besonderen) speziell gut zum Beschichten der zuvor erwähnten Motorzylinderbohrungen geeignet war, wurde es nicht zur Substrataktivierung als eine Möglichkeit eingesetzt, die gewöhnlich schwache Bindung, die sich zwischen der Schutzbeschichtung und dem Substrat zeigt, zu verbessern. Stattdessen wurde traditionellerweise auf entweder die separate Anbindungsbeschichtung oder eine oder mehrere der oben erwähnten Substrataktivierungs-Vorbehandlungen zurückgegriffen. Es besteht Bedarf an einem einfacheren, weniger kostspieligen Ansatz, der auch negative externe Umweltauswirkungen verringert.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die aktuelle Erfindung beinhaltet die Verwendung eines durch eine Plasmaspritzapparatur produzierten Luftplasmastrahles, um durch Aktivieren des Substrats vor dem Auftragen einer Schutzbeschichtung vorzubehandeln. Auf diese Weise können durch Schmelzen oder Auflösen genau vor dem Abscheiden der Schutzbeschichtung mit dieser oder einer anderen Plasmaspritzapparatur Oxidschichten entfernt, weggeätzt oder zersetzt werden. Im vorliegenden Kontext unterscheidet sich der Ausdruck Luftplasmastrahl (hierin auch als Luftplasma bezeichnet) vom herkömmlichen Plasmaspritzen insofern, als er im Wesentlichen frei von jeglichen Zusätzen wie z. B. einem herkömmlichen Schutzbeschichtungs-Precursor ist. Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Aktivieren der Oberfläche eines Motorzylinderbohrungssubstrats auf Aluminiumbasis, dass die Oberfläche gereinigt wird, um zumindest einen Anteil eines darauf gebildeten Oxids zu entfernen, und eine Plasmaspritzvorrichtung betrieben wird, sodass ein dadurch produzierter Luftplasmastrahl in Richtung der Oberfläche beschleunigt wird, sodass er jegliche restliche Oxide und andere Verunreinigungen zersetzt oder entfernt, die sonst die Fähigkeit der Oberfläche und einer nachfolgend aufgetragenen Schutzbeschichtung, aneinander zu haften, beeinflussen können. Gemäß einer bevorzugten Form ist das Substrat, welches der Reinigung und dem Plasmastrahl ausgesetzt wird, eine Motorzylinderbohrung. Gemäß einer anderen bevorzugten Form ist die Plasmaspritzvorrichtung eine Vorbehandlungs-Plasmaspritzvorrichtung, die getrennt von einer Plasmaspritzvorrichtung ist, welche verwendet wird, um die folgende Schutzbeschichtung auf der Motorzylinderbohrung in solch einer Ausgestaltung abzuscheiden, wobei die Vorbehandlungs-Plasmaspritzvorrichtung vereinfacht ist. Eine wesentliche Art und Weise, in der sie vereinfacht ist, besteht darin, dass keinerlei Mechanismus aufweist, der einen Schutzbeschichtungs-Precursor aufnimmt, sodass sie bei einer niedrigeren Leistungseinstellung arbeiten kann, als andernfalls erforderlich wäre, wenngleich dies gemäß einer anderen Form durch eine herkömmliche Plasmaspritzvorrichtung erreicht werden könnte, bei der der Mechanismus, der einen Schutzbeschichtungs-Precursor aufnimmt, deaktiviert wurde; jede Variante wird als innerhalb des Schutzumfanges der vorliegenden Erfindung liegend betrachtet. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform wird die Aktivierung des Substrats bewerkstelligt, ohne dass sie einem separaten mechanischen Aktivierungsschritt (wie z. B. denen, die oben im Abschnitt zum Hintergrund dieser Offenbarung erörtert sind) unterzogen wird. In dem vorliegenden Kontext werden die Ausdrücke „Aktivierung” und „Vorbehandlung” untereinander austauschbar verwendet, um den Prozess zum Verbessern der Oberflächeneigenschaften des Target-Substrats mit einem Luftplasmastrahl, sodass eine Langzeithaftung einer danach aufgetragenen Schutzbeschichtung (wie z. B. verschleißbeständige Schichten aus einem kohlenstoffarmen und -reichen Stahl, z. B. 0,1–0,8 Gew.-% Kohlenstoff, wie auch die Stähle, die andere Legierungselemente zum Korrosions- und Verschleißschutz (z. B. Cr, Ni, Cu oder dergleichen) enthalten, verbessert ist, zu beschreiben. Gemäß einer anderen bevorzugten Form erfolgt die durch die vorliegende Erfindung erreichte Oberflächenaktivierung, ohne auf traditionelle mechanische Aktivierungsansätze wie die oben erörterten zurückgreifen zu müssen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten der Oberfläche eines Substrats auf Aluminiumbasis offenbart. Das Verfahren umfasst, dass die Oberfläche gereinigt wird, um zumindest einen Anteil eines darauf gebildeten Oxids zu entfernen, eine erste Plasmaspritzvorrichtung betrieben wird, sodass ein durch die erste Vorrichtung produzierter Plasmastrahl auf der gereinigten Oberfläche auftrifft, und dann eine zweite Plasmaspritzvorrichtung betrieben wird, sodass ein darin eingebrachter Schutzbeschichtungs-Precursor auf der gereinigten Oberfläche auftrifft, welche mit dem Plasmastrahl von der ersten Plasmaspritzvorrichtung vorbehandelt wurde. Auf diese Weise werden ihre Oberflächen nacheinander der ersten und der zweiten Plasmaspritzvorrichtung ausgesetzt.
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Gemäß einem noch anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Beschichten einer Zylinderbohrung eines Motorblocks offenbart. Das Verfahren umfasst, dass die Oberfläche mit einer Lösung gereinigt wird, die zumindest eines von Kalium und Fluor enthält, eine erste Plasmaspritzvorrichtung betrieben wird, sodass ein durch die erste Vorrichtung produzierter Vorbehandlungs-Luftplasmastrahl auf der gereinigten Oberfläche auftrifft, und eine zweite Plasmaspritzvorrichtung betrieben wird, sodass ein Schutzbeschichtungs-Precursor, der in den in der zweiten Vorrichtung produzierten Plasmastrahl eingebracht ist, auf der vorbehandelten Oberfläche auftrifft.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist am besten beim Lesen in Verbindung mit den nachfolgenden Zeichnungen verständlich, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind und in denen die verschiedenen Komponenten der Zeichnungen nicht unbedingt maßstabgetreu illustriert sind:
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1 zeigt eine isometrische Ansicht eines fiktiven Motorblocks mit vier darin ausgebildeten Zylinderbohrungen, die eine Schutzbeschichtung gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung aufnehmen könnten;
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2 zeigt eine Plasmaspritzpistole, die in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann; und
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3 zeigt die zusammenwirkende Platzierung der Plasmaspritzpistole von 2 mit der Wand einer Motorzylinderbohrung, sodass die Pistole verwendet werden kann, um die Wand vorzubehandeln oder eine Schutzbeschichtung auf der Wand abzuscheiden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Zuerst Bezug nehmend auf 1 ist eine vereinfachte Darstellung eines Vierzylinder-Autoverbrennungsmotorblocks 100 gezeigt. Der Block 100 umfasst Abschnitte für – unter anderem – das Kurbelgehäuse 110, das Kurbelwellenlager 120, das Nockenwellenlager 130 (im Falle von Motoren mit oben liegenden Ventilen und Stößelstangen), Wasserkühlmäntel 140, ein Schwungradgehäuse 150 und Zylinderbohrungen 160. Diese Bohrungen 160 können eine legierte Oberflächenschicht (nicht gezeigt) umfassen, die entweder integral mit dem Substrat jeder Bohrung 160 oder als ein/e separate/r Einsatz oder Hülse gebildet ist, welche/r dimensioniert ist, um fest in diese zu passen. Gemäß einer Form kann solch eine legierte Oberflächenschicht verwendet werden, um die Korrosions-, Verschleiß- oder Temperaturbeständigkeit der Bohrung 160 zu verbessern. Tatsächlich wurde bei Motorausgestaltungen, in denen der Block 100 aus einem Leichtbaumaterial wie z. B. Aluminium und seinen Legierungen (z. B. A380, A319 oder A356) gegossen ist, das Hinzufügen solcher Oberflächenschichten traditionellerweise als eine Möglichkeit als notwendig erachtet, zusätzliche Temperatur- und Verschleißbeständigkeit zu verleihen. Gemäß einer Form ist die legierte Oberflächenschicht aus einem schweren Gusseisen oder einem ähnlichen Material hergestellt.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 2 bedingt der Plasmaspritzprozess die latente Wärme eines ionisierten Inertgases (Plasma), das verwendet wird, um die Hitzequelle zu schaffen. Eine Plasmaspritzvorrichtung (hierin auch als eine Plasmaspritzpistole oder einfacher als eine Plasmapistole bezeichnet) 300, die als Teil der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann, ist in partieller aufgeschnittener Darstellung gezeigt. Die Pistole 300 umfasst ein Gehäuse 310 mit einem darin gebildeten Kühlmittelkanal 320 wie auch einen Plasmagas-Einspritzkanal 330 und einen Schutzbeschichtungs-Precursoreinspritzkanal 340. Wie nachstehend in näherem Detail erörtert wird, kann, wenn gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die Pistole 300 ausgestaltet ist, um als eine eigenständige Vorrichtung für Oberflächenaktivierungs/Vorbehandlungstätigkeiten unter Verwendung eines Luftplasmastrahles anstatt als ein Möglichkeit, auch eine Schutzbeschichtung abzuscheiden, zu dienen, der Schutzbeschichtungs-Precursoreinspritzkanal 340 entfernt oder deaktiviert sein. Eine externe Gleichstromquelle ist mit der geschoßförmigen Kathode 350 verbunden, während der umgebende Abschnitt des Gehäuses 310 die Anode 360 bildet. Gemäß einer Form ist die Kathode 350 aus thoriertem Wolfram hergestellt, während die Anode 360 aus konzentrisch geformtem Kupfer hergestellt ist.
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Das häufigste Gas, das verwendet wird, um das Plasma zu erzeugen, ist Argon; dies wird als das primäre Gas bezeichnet und wird dazu gebracht, zwischen den Elektroden und einer Düse 390 zu strömen. Ein elektrischer Hochfrequenz- oder Hochspannungs-Wechsellichtbogen wird zwischen der Düse 390 und der Anode 360 gebildet, um den Gasstrom zu ionisieren. Durch Erhöhen des Lichtbogenstromes wird der Lichtbogen dicker und erhöht den Grad der Ionisierung. Dies hat den Effekt einer Erhöhung der Leistung und auch, aufgrund der Ausdehnung des Gases, einer Erhöhung der Geschwindigkeit des Gasstromes. Wenn das als die Lichtbogenplasmaflamme verwendet Gas im Wesentlichen reines Argon ist, ist ein sehr starker Lichtbogenstrom notwendig, um eine hinreichende Leistung zu erzeugen, um den Großteil der Schutzspritzschicht-Precursormaterialien zu schmelzen, die bei traditionellen Plasmaspritztätigkeiten verwendet werden. Bei diesem Niveau von Lichtbogenstrom kann die Gasgeschwindigkeit zu hoch sein, um viele feuerfeste Materialien zu schmelzen. Um dies zu überwinden, können sekundäre Gase (wie z. B. Wasserstoff) zugesetzt werden, um die thermischen und elektrischen Eigenschaften des Gasstromes zu verändern, sodass das Leistungsniveau der Pistole 300 hinreichend erhöht ist, um solche feuerfesten Materialien (sogar Keramiken) zu schmelzen. Sobald der geeignete Gasstrom für das Material, das gespritzt wird, hergestellt wurde, wird das Ausgangsmaterial (Draht- oder Pulverspritzmaterial) für das Material, das in einem Plasmaspritzprozess abgeschieden wird, in den Gasstrom eingespritzt.
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Ein Luftplasma kann mit dem gleichen Prinzip wie oben beschrieben erzeugt werden, wenngleich der Leistungsbedarf viel geringer ist. Somit kann eine Pistole (wie z. B. eine hierin gezeigte und beschriebene Pistole 300), bei der keine Notwendigkeit für die höheren Leistungsanforderungen in Verbindung mit einem vollen Schutzbeschichtungs-Precursoreinspritzvermögen besteht, für eine Oberflächenaktivierung mittels eines Luftplasmastrahles als eine separate Luftplasmaspritzvorrichtung verwendet werden. Sie kann als solche als Teil eines umfangreicheren Protokolls verwendet werden, das separate Vorbehandlungs- und thermische Plasmaspritzbeschichtungsvorrichtungen aufweist; solch eine Ausgestaltung kann verwendet werden, um die Gesamtsystem-Investitionskosten (wie auch die Betriebskosten) zu senken. Somit kann gemäß einer bevorzugten Ausführungsform die als Teil der vorliegenden Erfindung verwendete Pistole 300 mit einer produktionslinienbasierten Fertigung von Verbrennungsmotoren im Allgemeinen und den in Zylinderblöcken gebildeten Wänden oder Bohrungen im Besonderen gekoppelt werden. Die Pistole 300 kann dazu gebracht werden, um eine Achse zu verschwenken, die sich entlang der Kolbenwegrichtung innerhalb der Bohrung 160 bewegt, sodass sie eine im Wesentlichen Gesamtheit des inneren Oberflächenumfanges der Bohrung 160 beschichtet, während sie umlaufend entlang der Zylinderwand rotiert. Beim Anwenden des Gleichstromes und eines geschalteten Impulses (um den Lichtbogen 370 zu erzeugen), wird ein relativ kohäsiver Plasmastrahl 380 aus einer Düse 390 ausgestoßen, um die gewünschte Oberfläche vorzubehandeln. In Ausgestaltungen, in denen die Pistole 300 in der Lage ist, eine plasmagespritzte Beschichtung (wie z. B. die mit dem Precusordraht oder -pulver hergestellten, wobei Letzteres davon durch den Schutzbeschichtungs-Precursoreinspritzkanal 340 eingeleitet wird) aufzutragen, wie in 2 gezeigt, umfasst der Plasmastrahl 380 die geschmolzenen Materialtröpfchen 385; andernfalls ist der Plasmastrahl 380 die Luftplasmavariante, bei der keine solchen Tröpfchen 385 vorhanden sind.
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Gemäß einer Form des oben erwähnten umfassenden Protokolls kann eine erste Pistole 300 (die einen Schutzbeschichtungs-Precursoreinspritzkanal 340 umfasst) oder ein Plasmalichtbogen-Beschichtungssystem (wie z. B. mittels PTWA) verwendet werden; beides wird als mit der Luftplasma-Vorbehandlung der vorliegenden Erfindung kompatibel betrachtet. Gemäß einer anderen Form ist die Pistole 300 ausgestaltet, um sowohl die Luftplasma-Vorbehandlung als auch Schutzbeschichtungsabscheidetätigkeiten auszuführen; gemäß dieser Ausgestaltung ist der Schutzbeschichtungs-Precursordurchgangskanal 340 vorhanden, sodass vor dem Einleiten eines Schutzbeschichtungs-Precursors dadurch der Plasmastrahl 380 ohne die Einleitung des Schutzbeschichtungs-Precursors aktiviert wird, um den Plasmabeschuss des Target-Substrats mit nur dem Plasmastrahl 380 zu erleichtern, bevor der eigentliche Plasmabeschichtungsprozess eingeleitet wird.
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Wie unten stehend in näherem Detail erörtert wird, kann gemäß einer Ausführungsform eine Pistole 300 für die Abscheidung der Schutzbeschichtung verwendet werden, während gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine vereinfachte Version einer Pistole 300, die keine Vorkehrung zum Einleiten des Schutzbeschichtungs-Precursors darin umfasst, in Zusammenwirken mit der umfangreicheren Pistole 300 verwendet werden kann, die den Schutzbeschichtungsmaterial-Precursordurchgangskanal 340 umfasst, sodass die vereinfachte Version nur für die Vorbehandlungstätigkeit verwendet wird, während die umfangreichere Version (wie z. B. in 2 gezeigt) ausschließlich für die Schichtabscheidetätigkeit verwendet wird. Gemäß einer solchen Ausgestaltung bildet die für eine Vorbehandlung verwendete Pistole (hierin auch als eine Luftplasmapistole bezeichnet, da sie nur einen Luftplasmastrahl abgibt) eine erste Plasmaspritzvorrichtung, während die für die Schutzbeschichtungsabscheidung verwendete eine zweite Plasmaspritzvorrichtung bildet.
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Bedeutsamerweise vermeidet die Plasmastrahl-Oberflächenaktivierung der vorliegenden Erfindung die mit der Verwendung von organischen Materialien auf Siliziumbasis verbundenen Schwierigkeiten, während sie dennoch eine vollständigere Benetzbarkeit des Substrats fördert. Durch Ersetzen des traditionellen mechanischen Aufrauens (wie oben erwähnt) und von Reinigungsprozessen auf VOC-Basis mit inerten Plasmapistolengasen (z. B. ein Gemisch aus Argon und Wasserstoff) sind Investitionskosten und nachfolgende Umweltbelastungen reduziert. Die Plasmastrahl 380-Gastemperaturen und die Geschwindigkeitsverteilungen schwanken abhängig von vielen Faktoren einschließlich der Bauform der Düse 390, der Leistungsniveaus und der Gaszusammensetzungen über einen großen Bereich. Wie oben erwähnt, ist das Plasmagas bevorzugt ein Inertgas. Eine Form eines geeigneten Plasmagases ist Argon, oft mit Wasserstoff oder einem anderen sekundären oder Hilfsgas. Argon allein erzeugt ein relativ energiearmes Plasma bezogen auf seine Aufspalt- und Heizwärmekapazität, während andere Inertgase wie z. B. Stickstoff ein relativ heißes Plasmagas produzieren; die Verwendung eines Gases gegenüber dem anderen kann durch andere Faktoren wie z. B. die Neigung zur Reaktion mit anderen Materialien bestimmt sein. Es können andere Zusätze wie z. B. Helium verwendet werden, um ein Gemisch (z. B. ein Ar/He-Gemisch mit ungefähr 20 bis 50 Prozent Helium bezogen auf das Volumen) zu bilden; dieser Zusatz kann helfen, die Wärmeleitfähigkeit des Plasmagemisches zu verbessern, was wiederum die Wärmekapazität des Plasmas erhöht. In einer ähnlichen Weise werden auch Argon/Wasserstoff-Gemische (z. B. ungefähr 5 bis 15 Prozent Wasserstoff bezogen auf das Volumen) verwendet und stellen erhöhte Strahltemperaturen (d. h. Enthalpie) gegenüber Argon allein oder Argon/Helium-Gemischen aufgrund der zweiatomigen Struktur des Wasserstoffes und seines großen Kollisionsquerschnitts bezogen auf seine geringe Masse bereit.
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Wie oben erwähnt, kann gemäß einer Form eine Pistole 300 von einem bestehenden Plasmaspritz-Beschichtungssystem (das den Schutzbeschichtungs-Precursoreinspritzkanal 340 oder eine ähnliche Materialeinleitungsapparatur umfasst) verwendet werden, während gemäß einer anderen eine separate (d. h. speziell vorgesehene oder eigenständige) Pistole, die weniger Leistung benötigt und nur Luft als Plasmaarbeitsfluid ohne einen separaten Schutzbeschichtungsmaterial-Precursordurchgangskanal 340 verwendet, in Verbindung mit einer Pistole 300 verwendet werden; ein Beispiel solch einer speziell vorgesehenen Pistole ist im Handel von Plasmatreat North America of Elign, Illinois, erhältlich. Ein Vorteil einer separaten Pistole für die Vorbehandlung und einer separaten Pistole für die Schutzbeschichtungsabscheidung besteht darin, dass die höheren Leistungsdichten (40–150 kW), die von herkömmlichen Gleichstrom-Lichtbogenplasmapistolen eingesetzt werden, höhere Elektrodenerosionsraten verursachen, was wiederum mehr Systemwartung erfordern kann. Gleichermaßen kann unter Umständen mehr thermischer und elektrischer Schutz für Pistolenkomponenten erforderlich sein. Dies kann wiederum ein viel robusteres Kühlsystem erforderlich machen, bei dem eine Hochdruck(z. B. über 1 MPa)-Wasserkühlung und ein hoher Durchfluss (3 bis 12 Liter/Minute) benötigt werden; da diese Hochdruckdichtungen und -durchgänge im Inneren der Pistolen erfordern, können nicht nur die Kosten für die Pistole (bei der die Kupferdüse eine relativ hohe Austauschrate aufweist, wobei Lebensdauern von 2 bis 300 Stunden berichtet werden und der Durchschnitt bei 10 Stunden liegt), sondern auch Zusatzeinrichtungen untragbar kostspielig werden, wenn eine einzige Pistole für beide Tätigkeiten zu verwenden wäre.
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Sobald die Zylinderbohrungen 160 auf die gewünschte Größe gebohrt sind, wird ihre Oberfläche durch Eintauchen in ein 0,5 M Kaliumfluoridbad gereinigt; diese Lösung ätzt die Oxidschicht weg, die sich auf der Oberfläche der Bohrung 160 bildet, und reagiert dann mit dem nun offen liegenden Aluminium, um ein K3AlF6- und KAlF4-Flussmittel zu bilden. Der Strahl aus der Plasmapistole 300 wird dazu gebracht, auf die mit dem Flussmittel behandelte Oberfläche aufzutreffen, um das Flussmittel thermisch zu aktivieren; dies hat die Wirkung, dass das Salz geschmolzen wird und jegliche restliche Oberflächenoxide gelöst werden. Gemäß einem alternativen Ansatz zu dem Kaliumfluoridbad wird die Zylinderbohrung 160 durch Tauchentfettung gefolgt von einem Säuretauchbad vorbereitet. Gemäß einer Form ist die für das Tauchbad verwendete Säurelösung Salpetersäure (bis zu 50%); dieses Tauchbad kann eine kleine Menge Fluorid, entweder von Fluorwasserstoffsäure oder einem Fluoridsalz, enthalten. Das Eintauchen des Substrats in solch ein Tauchbad dauert bevorzugt etwa 1 bis 10 Minuten, da ein übermäßiges Ätzen Teile beschädigen und Lochfraß verursachen kann. Zwischen jeder Einwirkung des Säuretauchbades ist ein sorgfältiges Spülen erforderlich.
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Als Nächstes Bezug nehmend auf 3 ist die Verwendung der Pistole 300 gezeigt, die eingesetzt werden kann, um die innere Wand einer Motorzylinderbohrung vorzubehandeln. Sie kann direkt inline verwendet werden – eine Förderband- wie auch Roboteranwendung ist möglich. Es kann eine hohe Geschwindigkeit von bis zu 40 Metern/Minute einer Plasmastrahlbehandlung erreicht werden. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung wird bevorzugt als Teil einer produktionslinienbasierten Fertigung von Verbrennungsmotoren im Allgemeinen und den in Zylinderblöcken 100 gebildeten Wänden oder Bohrungen im Besonderen verwendet. Es kann auch zum Behandeln von anderen Teilen als Motoren verwendet werden, die Thermospritzschichten für eine gute Schichthaftung erfordern. Dadurch, dass die Pistole 300 auf einem rotierenden Schaft befestigt ist, kann sie dazu gebracht werden, eine vollständige umlaufende Oberflächenbehandlung bereitzustellen, die durch die Wand oder Bohrung definiert ist. Der Ansatz der vorliegenden Erfindung als solcher vermeidet die Notwendigkeit, die größere (und daher mühsamer) beschichtete Komponente während der Wandoberflächen-Vorbereitung und einer nachfolgenden Beschichtung zu bewegen.
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Die Zylinderbohrung 160 des Motorblocks 100 definiert eine umlaufende innere Wand 160A. Wie oben erwähnt, kann ein Schaft in Form einer mit Druck beaufschlagten axialen Fluidleitung 200 als eine sichere Befestigungsplattform für die Pistole 300 (hier in vereinfachter Form gezeigt) verwendet werden. Der Schaft kann zum Rotieren gebracht werden. Details des Zusammenwirkens zwischen der rotierenden axialen Fluidleitung 200 und ihrer Verwendung in der Zylinderbohrung 160 sind in der gleichzeitig anhängigen US-Anmeldung 14/335 974 mit dem Titel NON-DESTRUCTIVE ADHESION TESTING OF COATING TO ENGINE CYLINDER BORE zu finden, die sich im Besitz des Rechtsinhabers der vorliegenden Erfindung befindet und hierin durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit eingeschlossen ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass Ausdrücke wie „bevorzugt”, „allgemein” und „typischerweise” hierin nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung einzuschränken oder zu implizieren, dass gewisse Merkmale kritisch, wesentlich oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr sollen diese Ausdrücke lediglich alternative oder zusätzliche Merkmale hervorheben, die in einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, um die vorliegende Erfindung zu beschreiben und zu definieren, die Ausdrücke „im Wesentlichen” und „ungefähr” und ihre Varianten hierin verwendet werden, um den natürlichen Grad von Unsicherheit darzustellen, der einem/r beliebigen quantitativen Vergleich, Wert, Messung oder anderen Darstellung zugeordnet werden kann. Der Ausdruck „im Wesentlichen” wird hierin auch verwendet, um den Grad darzustellen, um den eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass dies eine Änderung in der grundlegenden Funktion des betrachteten Gegenstandes zur Folge hat.
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Nach der Beschreibung der Erfindung im Detail und durch Bezugnahme auf spezielle Ausführungsformen wird gleichwohl einzusehen sein, dass Abwandlungen und Varianten möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist. Es wird insbesondere in Erwägung gezogen, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht unbedingt auf die angeführten bevorzugten Aspekte und exemplarisch dargelegten Ausführungsformen begrenzt ist, sondern dafür die beigefügten Ansprüche maßgeblich sind.
