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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft die Verbesserung der Haftung thermischer Sprühbeschichtungen auf Substraten und insbesondere Oberflächenstrukturen, die verbesserte Haftung thermischer Sprühbeschichtungen auf Substraten bereitstellen.
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HINTERGRUND
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Die Erklärungen in diesem Abschnitt stellen lediglich Hintergrundinformationen bereit, die die vorliegende Offenbarung betreffen und dem bisherigen Stand der Technik entsprechen können oder auch nicht.
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Thermisches Spritzen ist ein Beschichtungsverfahren, welches erhitztes und üblicherweise durch Verbrennung, ein Plasma oder einen Bogen geschmolzenes Material auf ein Substrat aufträgt. Das Verfahren ist in der Lage, eine relativ dicke Beschichtung schnell über eine große Fläche aufzutragen, verglichen mit anderen Beschichtungsverfahren, wie z. B. Galvanisierung, Sputtern und physikalische Gasphasenabscheidung.
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Die Robustheit und Beständigkeit der thermischen Spritzschicht könnte nahezu ausschließlich als ein Merkmal des Materials der Beschichtung und in einem geringeren Umfang der Qualität der Anwendung erscheinen. Jedoch wurde bestimmt, dass tatsächlich typischerweise der entscheidende Faktor im Hinblick auf Robustheit und Beständigkeit einer thermischen Sprühbeschichtung die Stärke der Bindung zwischen der thermischen Sprühbeschichtung und dem Substrat ist. Eine schlechte Bindung kann dazu führen, dass die thermische Sprühbeschichtung abstreift, manchmal in relativ großen Teilen, lange bevor das thermisch gespritzte Material tatsächlich abgerieben wurde, während eine starke Bindung dafür sorgt, dass die thermische Sprühbeschichtung eine integrale und unlösbare Komponente des Substrats ist.
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Mehrere Ansätze wurden vorgenommen zur Verbesserung der Bindung zwischen der thermischen Sprühbeschichtung und dem Substrat. Typischerweise beinhalten diese die Anpassung der Zusammensetzung des thermisch gespritzten Materials und das Einstellen von Verfahrensparametern, wie beispielsweise Substrattemperatur, Auftragungsenergie (und damit Auftragungsgeschwindigkeit und -temperatur) und Umgebungsbedingungen. Die Erfindung betrifft einen anderen Ansatz zur Verbesserung der Haftung thermischer Sprühbeschichtungen auf einem Substrat.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Erfindung liefert eine verbesserte Substrat-Oberflächenstruktur, d. h. Rauheit, welche die Haftung thermischer Sprühbeschichtungen wesentlich verbessert. Die Oberflächenstruktur wird durch zwei Metrologie-Parameter definiert, und die Erfindung erfasst gewisse Bereiche mittlerer dreidimensionaler Rauheit (Sa) und entwickeltem Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr). Diese Oberflächenstruktur wird erreicht durch Verfahren wie Wasserstrahl-Erodieren, mechanisches Aufrauen, Lasertexturieren, chemisches Ätzen und Plasmaätzen. Die Oberflächenstruktur ist besonders vorteilhaft für Zylinderwände von Verbrennungsmotoren, Hydraulikzylinder und ähnliche Komponenten, an denen eine thermische Sprühbeschichtung, wie Stahl oder Keramik, anhaftet und die Gleit- oder Reibverschleiß ausgesetzt sind.
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Daher ist es ein Aspekt der Erfindung, eine Substratoberfläche zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch zwei Metrologie-Parameter definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch mittlere Rauheit (Sa) und entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch gewisse Bereiche mittlerer Rauheit (Sa) und entwickelten Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch zwei Metrologie-Parameter, mittels Wasserstrahl-Erodieren, mechanischem Aufrauen, Lasertexturieren, chemischem Ätzen und Plasmaätzen, definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch mittlere Rauheit (Sa) und entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) definierte Struktur, mittels Wasserstrahl-Erodieren, mechanischem Aufrauen, Lasertexturieren, chemischem Ätzen und Plasmaätzen, zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch zwei Metrologie-Parameter definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung auf Zylinderwänden von Verbrennungsmotoren bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch mittlere Rauheit (Sa) und entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung auf Zylinderwänden von Verbrennungsmotoren und ähnlichen Komponenten bereitzustellen.
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Es ist noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung, einer Substratoberfläche eine durch gewisse Bereiche mittlerer Rauheit (Sa) und entwickelten Zwischenschicht-Flächenverhältnis (Sdr) definierte Struktur zur Verbesserung der Haftung einer thermischen Sprühbeschichtung auf Zylinderwänden von Verbrennungsmotoren bereitzustellen.
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Weitere Ziele, Vorteile und Anwendungsgebiete werden aus der hierin vorgestellten Beschreibung offensichtlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der vorliegenden Offenbarung zu begrenzen.
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ZEICHNUNGEN
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Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich dem Zweck der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einer vergrößerten Ansicht einer Zylinderwand;
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2A ist eine stark vergrößerte Ansicht der Zylinderwand entlang der Linie 2-2 der 1, welche schematisch die Oberflächenstruktur der Zylinderwand darstellt;
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2B ist eine Ansicht der Zylinderwand der 2A mit einer hierauf aufgetragenen thermischen Sprühbeschichtung; und
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3 ist ein qualitatives Diagramm, welches die Haftung der thermischen Sprühbeschichtung auf der vertikalen (Y) Achse und Sdr-Textur-Prozent auf der horizontalen (X) Achse darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung in keiner Weise einschränken.
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Unter Bezugnahme auf 1 wird ein Block eines Verbrennungsmotors dargestellt, welcher im Allgemeinen durch Referenznummer 10 bezeichnet wird. Der Motorblock 10 beinhaltet typischerweise mehrere Zylinder 12 mit Zylinderinnenwänden 14, zahlreiche Flansche 16 und Öffnungen 18 für Befestigungselemente mit Gewinde und andere Vorrichtungen zur Aufnahme und Befestigung von Komponenten wie Zylinderköpfen, Wellen, Krümmern und Abdeckungen (alle nicht dargestellt). Auf der rechten Seite von 1 ist eine vergrößerte Darstellung der Zylinderwand 14. Die Zylinderwand 14 kann eine Oberfläche eines Substrats sein, beispielsweise ein Aluminium-Motorblock 10, oder eine Oberfläche einer Eisenhülse, die in den Motorblock 10 eingebaut ist. In beiden Fällen kann die Oberflächenbeschaffenheit der Zylinderwand 14 ein standardmäßiges Maschinenprofil sein, das mechanisch aufgeraut oder aktiviert wird und vorzugsweise eine durchschnittliche zweidimensionale Oberflächenrauheit (Ra) zwischen etwa 4 bis 25 µm (Mikrometer) definiert.
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Es ist offensichtlich, dass, obwohl hier in Verbindung mit der Zylinderwand 14 eines Verbrennungsmotors 10 dargestellt, mit dem sie besonders vorteilhaft ist, die vorliegende Erfindung Vorteile bereitstellt und ebenso problemlos mit anderen zylindrischen Flächen wie beispielsweise den Wänden von Hydraulikzylindern und ebenen Flächen wie planaren Lagern, die Gleit- und Reibungskräften ausgesetzt sind, genutzt werden kann.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2A stellt ein stark vergrößerter Querschnitt der Zylinderwand 14 schematisch die Substrat-Oberflächenstruktur 20 der behandelten oder präparierten Oberfläche der Zylinderwand 14 dar. Die Substrat-Oberflächenstruktur 20 kann durch eine Vielzahl von Methoden präpariert werden, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Wasserstrahl-Erodieren, mechanisches Aufrauen, Sandstrahlen, Lasertexturieren, chemisches Ätzen und Plasmaätzen.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 2B stellt ein stark vergrößerter Querschnitt der Zylinderwand 14 schematisch die Oberflächenstruktur 20 der Zylinderwand 14 mit einer hierauf aufgetragenen und anhaftenden thermischen Sprühbeschichtung 22 dar. Nach vorherigem Honen kann die hierin beschriebene thermische Sprühbeschichtung 22 für die Zylinderwand 14 typischerweise in der Größenordnung von 150 µm, und typischerweise im Bereich von 130 µm bis 175 µm liegen. Andere Substrate und Anwendungen können, und werden typischerweise, thermische Sprühbeschichtungen 22 mit größeren geringerer Dicken erfordern. Die thermische Sprühbeschichtung 22 kann eine Stahllegierung, ein anderes Metall oder Legierung, keramisch, oder jedes beliebige andere für die Betriebsbedingungen des Produkts geeignete thermische Spritzmaterial sein, welche anhand eines der zahlreichen für Substrat und Material geeigneten thermischen Spritzverfahren, beispielsweise Plasma, Detonation, Lichtbogenschweißen, Flamme oder HVOF, aufgetragen werden können.
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Unter nun erfolgender Bezugnahme auf 3 veranschaulicht ein qualitatives Diagramm die Haftung der thermischen Sprühbeschichtung in Abhängigkeit von Sdr, der Prozentanteil der Struktur der präparierten Substrat-Oberfläche. Sdr, auch als entwickeltes Zwischenschicht-Flächenverhältnis bezeichnet, in Prozent, berechnet sich aus der Gleichung: Sdr = Oberflächenbereich der texturierten Oberfläche – Querschnittsfläche / Querschnittsfläche
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Beispielsweise hat eine Einheit der Querschnittsfläche, die zwei Flächeneinheiten texturierter Oberfläche hat, ein Sdr-Prozent von 100(2 – 1/1). Während 2 eine im Wesentlichen lineare Beziehung zwischen Sdr und Haftfestigkeit darstellt, haben Experimente und Praxisprobung bestimmt, dass Haftung mit Sdr unterhalb von 100% im Allgemeinen Robustheit, Haltbarkeit und damit Lebensdauer beeinträchtigt. Obwohl die Grenze willkürlich erscheinen mag, sollte dementsprechend davon ausgegangen werden, dass die wesentlichen Vorteile der Erfindung erreicht werden, wenn Sdr bei oder oberhalb von 100% liegt.
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Der zweite Zahlenfaktor, der die Erfindung definiert, ist Sa, die mittlere Oberflächenrauheit, die über die komplette dreidimensionale Oberfläche berechnet wird. Die mittlere Oberflächenrauheit, Sa, berechnet sich aus der Standardgleichung: Sa = ∫∫a│Z(x, y)│dxdy wobei x, y und Z Messungen in den drei orthogonalen Achsen sind. Den bevorzugten Bereich von Sa liegt zwischen 9 und 15 µm, während ein betriebsfähiger, obwohl weniger wünschenswerter Bereich, zwischen 7 und 18 µm liegt.
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Es versteht sich, dass diese beiden Messungen dreidimensional sind und dass die Oberflächenstruktur, die durch die unten dargestellten Verfahren erreicht wird, dargestellt durch Sdr und Sa, als fraktal gedacht oder betrachtet werden kann, das bedeutet eine Fläche mit einem endlosen Muster, das sich in verschiedenen Maßstäben selbstähnlich ist. Es wird angenommen, dass diese Oberflächenstruktur die Haftung der thermischen Sprühbeschichtung durch Erzeugen von Verbindungen zwischen der texturierten Oberfläche des Substrats und der thermischen Sprühbeschichtung in unterschiedlichen dimensionalen Größen oder Maßstäben, von submikroskopisch bis mikroskopisch.
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Während im Allgemeinen in Übereinstimmung mit herkömmlichen Techniken ausgeführt, ist es lohnend, die vorgenommenen Analyseschritte zur ordnungsgemäßen Messung der vorgenannten Parameter kurz zu beschreiben. Zunächst werden Makro-Oberflächenkrümmung (solche, die bei Zylinderwänden vorliegen würde), falls vorhanden, entfernt, sodass die vorgenommene Messung abgeflacht ist zu einer Ebene zur Analyse. Anschließend wird das Interessengebiet durch Histogramm-Mapping definiert. In einem dritten Schritt, ähnlich dem ersten Schritt, wird ferner jegliche Krümmung der Oberfläche für den ausgewählten Bereich entfernt. Dann wird ein fehlender Punkt wiederhergestellt und ein dreidimensionaler Gauß-Filter mit ,25 mm wird angewandt. Mit diesen vorläufigen Schritten und unter diesen Bedingungen können die vorstehenden Rauheitsparameter genau bestimmt werden.
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Die Beschreibung der Erfindung ist nur als Beispiel zu verstehen und Variationen, die nicht vom Kern der Erfindung abweichen, werden als im Rahmen der Erfindung befindlich vorausgesetzt. Diese Variationen sollen nicht als eine Abweichung vom Sinn und Umfang der Erfindung betrachtet werden.
