DE102019004085A1

DE102019004085A1 - Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Zylinderbohrung

Info

Publication number: DE102019004085A1
Application number: DE102019004085.6A
Authority: DE
Inventors: Andre Garling; Fabian Reimer; Bernd Schilder
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2019-06-08
Filing date: 2019-06-08
Publication date: 2020-12-10

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zum thermischen Beschichten einer Zylinderbohrung (2), mittels welcher ein in einem Brennergehäuse (5) geschmolzenes Beschichtungsmaterial durch einen aus einer Transportöffnung (4) austretenden Transportgasstrom auf eine zu beschichtende Oberfläche transportierbar ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass weitere Öffnungen (7, 9) für ein Schutzgas und/oder das Transportgas vorgesehen sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Zylinderbohrung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Das thermische Beschichten von Zylinderbohrungen beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Die DE 102 43 739 B3 beschreibt einen Lichtbogendrahtbrenner für ebendiesen Einsatz. Über mindestens zwei Brennerrohre wird ein Draht als Elektrode zugeführt, welcher dann aufgeschmolzen wird. Über eine Austrittsöffnung wird das aufgeschmolzene Material dann durch ein Transportgas auf die zu beschichtende Oberfläche gebracht. Weitere Schriften beschäftigen sich ebenfalls mit diesem Thema. So beschreibt beispielsweise die EP 1 238 711 B1 einen Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Zylinderlaufflächen, bei welcher eine Gaszuführung für ein Prozessgas zum Transport und zum Zerstäuben des aufgeschmolzenen Materials vorhanden ist. Die DE 10 2014 001 199 A1 beschreibt einen Innenbrenner, bei dem die Gaszuführung über eine Lavaldüse ausgestaltet ist, um eine Überschallströmung im Bereich des Lichtbogens, in dessen Bereich das Material aufschmilzt, zu erreichen. Auch die DE 10 2012 014 665 A1 beschäftigt sich mit einer gezielten Gaszuführung, wobei der Gasstrom durch entsprechende Umlenkelemente ausgerichtet wird, um eine möglichst gute Zerstäubung und einen möglichst idealen Transport der aufgeschmolzenen Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche zu erreichen.
Die DE 10 2008 037 799 B4 beschreibt darüber hinaus eine über das Prozessgas angetriebene Miniturbine in einem Innenbrenner, welche einen Drall des Gasstroms erzeugt, um so den Spritzstrahl besser zu fokussieren und zu stabilisieren.
Die genannten Schriften beschäftigen sich dabei allesamt mit dem Einsatz eines inerten Gases, wie beispielsweise Stickstoff, zum Transport der aufgeschmolzenen Partikel auf die Oberfläche. Dieser Transportgasstrom wird entsprechend gelenkt und/oder beeinflusst, um ein möglichst gutes Ergebnis zu erreichen.
In der Praxis ist es so, dass bei Beschichtungen, welche über Lichtbogendrahtspritzen beispielsweise auf den Zylinderlaufbahnen von Zylinderbohrungen aufgebracht werden, häufig während des Beschichtungsprozesses eine Vermischung des Transportgases mit der Umgebungsatmosphäre auftritt. Hierdurch kann es dazu kommen, dass Sauerstoff aus der Umgebungsatmosphäre in den Bereich der aufgeschmolzenen Partikel gelangt und diese oxidiert. Dadurch ergibt sich eine Veränderung der Beschichtung, insbesondere führt diese Veränderung zu einer Verschlechterung der Schichthaftung.
Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Zylinderbohrung weiter zu verbessern und insbesondere das Problem der unkontrollierten Vermischung von Transportgas und Umgebungsatmosphäre zu minimieren.
Erfindungsgemäß wird dies durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es vorgesehen, dass weitere Austrittsöffnungen für ein Schutzgas und/oder das Transportgas, neben der Transportöffnung vorgesehen sind. Über diese weiteren Öffnungen wird dann eine gezielte Verdrängung der Umgebungsatmosphäre, insbesondere des darin enthaltenen Sauerstoffs, in dem Beschichtungsbereich erreicht, da das über die weiteren Öffnungen austretende Gas die Umgebungsatmosphäre praktisch verdrängt. Durch die weiteren Austrittsöffnungen wird somit ein geeignetes Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder ein Inertgas, wie beispielsweise Argon oder dergleichen, in den Beschichtungsbereich zugeführt. Hierdurch werden Oxidationsprozesse im aufgeschmolzenen Material gänzlich vermieden oder gegenüber dem Stand der Technik zumindest deutlich verringert. In der Praxis führt dies zu verbesserten Eigenschaften der Beschichtung, insbesondere einer deutlich besseren Schichthaftung.
Die weiteren Öffnungen können dabei gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als wenigstens eine Ringdüse um die Transportöffnung realisiert sein. Eine solche Ringdüse um die Transportöffnung, also die eigentliche Beschichtungsdüse herum, schafft eine sich ringförmig anordnende Schutzgasatmosphäre. Im Idealfall bildet diese einen Schutzmantel um den sogenannten Partikelfreistrahl, in welchem die aufgeschmolzenen Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche transportiert werden, herum. Dadurch wird eine Schutzgasschicht bzw. ein Schutzgasmantel ausgebildet, welcher das Vordringen von Sauerstoff in den Bereich der aufgeschmolzenen Partikel deutlich erschwert und im Idealfall gänzlich verhindert. Ungeachtet dessen kann auch das Transportgas schon so ausströmen, dass sich ein Gasmantel als äußere Schicht des Partikelfreistrahls ergibt. Über die Ringdüse wird ein solcher Transportgasmantel dann nochmals von einem Schutzgasmantel als weitere Schutzschicht umhüllt.
Eine weitere außerordentlich günstige Ausgestaltung, welche insbesondere mit der wenigstens einen Ringdüse kombiniert, prinzipiell jedoch auch ohne sie eingesetzt werden kann, ist dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Öffnungen in dem Brennergehäuse realisiert sind. Das vom Transportgas oder einem anderen inerten Gas durchströmte Brennergehäuse weist in dieser sehr vorteilhaften Weiterbildung der Idee mehrere Öffnungen auf, sodass das inerte Schutzgas oder das Transportgas zusätzlich zur Transportöffnung und gegebenenfalls der Ringdüse an verschiedenen Stellen des Brennergehäuses austritt. Dadurch wird um das gesamte Brennergehäuse herum, und insbesondere in der gesamten Zylinderbohrung, eine Gasatmosphäre geschaffen, welche die Umgebungsatmosphäre und damit den für den Beschichtungsprozess unerwünschten Sauerstoff weitgehend verdrängt. Im Idealfall sind die weiteren Öffnungen um das Brennergehäuse, also um dessen Umfang herum und über einen gewissen Teil seiner Höhe verteilt angeordnet, um quasi das gesamte Brennergehäuse und damit den Innenbrenner in einen Schutzgasmantel einzuhüllen. Die weiteren Öffnungen können gleichmäßig oder stochastisch verteilt angeordnet sein. Auch kann die Brennergestaltung im Inneren des Gehäuses die Anordnung entsprechend beeinflussen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den restlichen abhängigen Unteransprüchen und werden anhand der Ausführungsbeispiele deutlich, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
Dabei zeigen:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Seitenansicht;
2 die Vorrichtung gemäß 1 in einer Vorderansicht; und
3 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der Darstellung der 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Beschichten der Oberfläche einer Zylinderbohrung 2 in einem Kurbelgehäuse 3 zu erkennen. Die Vorrichtung 1, welche auch als Innenbrenner bezeichnet wird, dient dabei zur thermischen Beschichtung der Oberfläche der Zylinderbohrung 2 beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen. Das aufgeschmolzene Material gelangt über eine Transportöffnung 4, welche auch als Beschichtungsdüse bezeichnet werden könnte, aus einem Brennergehäuse 5 und wird über ein Transportgas, typischerweise Stickstoff oder ein anderes inertes Gas, in einem mit 6 bezeichneten Partikelfreistrahl auf die Oberfläche der Zylinderbohrung 2 transportiert. Die Vorrichtung 1 kann dabei sowohl in axialer Richtung der Zylinderbohrung 2, in der Darstellung der 1 also nach oben und unten verfahren werden, als auch sich um ihre eigene Achse drehen, wie es oberhalb der Vorrichtung 1 durch die Pfeile schematisch angedeutet ist. Dieser Aufbau entspricht soweit dem Stand der Technik.
Typischerweise wird das austretende Gas, sowie Partikel, welche sich nicht auf der Wand der Zylinderbohrung 2 abgesetzt haben, in der Darstellung der 1 über eine Absaugeinrichtung nach unten abgesaugt. In der Praxis kann es nun dazu kommen, dass sich die Umgebungsatmosphäre, zumindest in den Randbereichen des Partikelfreistrahls 6, mit der dort vorherrschenden Transportgasatmosphäre und den darin transportierten aufgeschmolzenen Partikeln vermischt. In der Folge kann es zu einer Oxidation der Partikel kommen. Dies verändert die Eigenschaften der gewünschten Beschichtung und kann insbesondere zu einer gravierenden Verschlechterung der Schichthaftung führen, wenn zu viel der aufgetragenen Partikel vor dem Auftreffen auf die Oberfläche der Zylinderbohrung 2 oxidiert sind. Um dies zu verhindern, hat die Vorrichtung 1 nun neben der Transportöffnung 4 weitere Öffnungen 7, 9, über welche ein Schutzgas oder insbesondere das Transportgas selber austreten kann.
In der Darstellung der 1 ist diese weitere Öffnung in Form einer Ringdüse 7 ausgebildet, welche die Transportöffnung 4 umgibt. In der Vorderansicht der 2, welche die gleiche Vorrichtung 1 nochmals um 90° in Richtung des Betrachters gedreht zeigt, ist diese Ringdüse 7 gut zu erkennen. Die Ringdüse 7 kann dabei - wie hier dargestellt - einen ringförmigen Schlitz aufweisen, oder eine Vielzahl von einzelnen um den Umfang herum verteilt angeordneten Einzelöffnungen, sodass sich die aus diesen Einzelöffnungen austretenden Gasstrahlen quasi zu einem ringförmigen Mantel um den Partikelfreistrahl 6 ausbilden. Mit gestrichelter Linie ist dieser ringförmige Mantel, welcher mit dem Bezugszeichen 8 versehen ist, in der Darstellung der 1 angedeutet. Ein solcher Mantel, typischerweise ergänzend zu einem vom Transportgas in dem Partikelfreistrahl 6 schon ausgebildeten „inneren“ Schutzmantel, um diesen herum ermöglicht es, die Umgebungsatmosphäre und damit letztlich den Sauerstoff in der Luft weitgehend vom Partikelfreistrahl 6 fernzuhalten.
Eine weitere Ausgestaltung der Vorrichtung 1 ist in 3 zu erkennen. Diese Ausgestaltung kann ergänzend zu der Ringdüse 7 als weitere Öffnung vorgesehen sein, so wie es hier angedeutet ist, oder kann auch alternativ zu dieser realisiert werden. In dieser Ausgestaltung weist das Brennergehäuse 5 eine Vielzahl von weiteren Öffnungen auf, von welchen nur einige in der Darstellung der Figur mit dem Bezugszeichen 9 versehen sind. Diese weiteren Öffnungen 9 ergänzend oder alternativ zur Ringdüse 7 sind dabei in dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel als gleichmäßiges oder stochastisches Muster über den Umfang und einen Teil der Höhe des Brennergehäuses 5 verteilt angeordnet. Durch jede einzelne dieser weiteren Öffnungen 9 tritt dabei das Transportgas aus. Hierdurch wird eine Schutzgasatmosphäre in der gesamten Zylinderbohrung 2, zumindest in dem für die Beschichtung relevanten Höhenabschnitt geschaffen. Alternativ oder insbesondere ergänzend zu dem Mantel 8 um den Partikelfreistrahl 6 herum wird so eine Atmosphäre erzielt, in welcher quasi kein Sauerstoff aus der Umgebung den Partikelfreistrahl 6 erreicht. Hierdurch wird eine ideale Beschichtungsqualität ermöglicht, und eine hervorragende Anhaftung der Beschichtung auf dem Material des die Zylinderbohrung 2 aufweisenden Kurbelgehäuses 3 erreicht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10243739 B3 [0002]
EP 1238711 B1 [0002]
DE 102014001199 A1 [0002]
DE 102012014665 A1 [0002]
DE 102008037799 B4 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zum thermischen Beschichten einer Zylinderbohrung (2), mittels welcher ein in einem Brennergehäuse (5) geschmolzenes Beschichtungsmaterial durch einen aus einer Transportöffnung (4) austretenden Transportgasstrom auf eine zu beschichtende Oberfläche transportierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Öffnungen (7, 9) für ein Schutzgas und/oder das Transportgas vorgesehen sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Öffnungen (7) als wenigstens eine Ringdüse (7) um die Transportöffnung (4) realisiert sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Öffnungen (7, 9) in dem Brennergehäuse (5) realisiert sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Brennergehäuse (5) die weiteren Öffnungen (9) um seinen Umfang und einen Teil seiner Höhe verteilt aufweist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Öffnungen (9) als regelmäßiges oder stochastisch verteiltes Muster über einen Teil des Brennergehäuses (5) verteilt angeordnet sind.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Transportgas und das Schutzgas als ein und dasselbe inerte Gas ausgebildet sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das inerte Gas überwiegend Stickstoff aufweist oder Stickstoff ist.