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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schutz thermisch gespritzter Oberflächenbeschichtungen von Laufbahnen wie Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Das thermische Beschichten von Zylinderbohrungen beispielsweise mittels thermisch gespritzter Oberflächenbeschichtungen wie dem Lichtbogendrahtspritzen ist soweit aus dem Stand der Technik bekannt. Das Patent
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.
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Das Patent
EP 1 238 711 B1 beschreibt beispielsweise einen Innenbrenner zum Lichtbogendrahtspritzen von Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren, bei welcher eine Gaszuführung für ein Prozessgas zum Transport und zum Zerstäuben des aufgeschmolzenen Materials vorhanden ist.
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Die Patentanmeldung
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.
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Beim Aufbringen von thermisch gespritzten Oberflächenschichten als Zylinderlaufbahn von Kurbelgehäusen kommt es nachteilig zur Ausbildung von unerwünschten Porenstrukturen oder Ungänzen in der Beschichtung, wie beispielsweise Grenzflächen zwischen den individuell sich verfestigenden Spritztropfen. Nachteilig dringen beim späteren Motorbetrieb korrosive Bestandteile aus Kraftstoffen, Ölen, Verbrennungsprodukten wie z. B. Abgaskondensat oder atmosphärischen Kondensaten und Feuchtigkeit beispielsweise beim Seetransport sowie während oder nach dem Verbrennungsprozess über diese Oberflächen in die Poren ein und können zu unerwünschten Korrosionen oder anderen nachteiligen chemischen Prozessen der Beschichtung bis hin zur sehr nachteiligen Ablösung von Oberflächenbereichen führen, welche dann den Motorbetrieb stark beeinträchtigen.
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Aus dem Stand der Technik ist zudem bekannt, dass zur Abdichtung oder Imprägnierung von Bauteilen flüssige Harze auf die Oberfläche zu deren Schutz als Versiegelung aufgebracht werden.
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So beschreibt die Patentanmeldung
DE 3419521 A1 eine Vorrichtung zum Imprägnieren poröser Teile, insbesondere Guss- oder Sintermetallteile, mittels eines flüssigen Imprägniermittels, auch Kunstharz, mit einem Behälter für das Imprägniermittel und einem die zu imprägnierenden Teile aufnehmenden, eine durchlässige Wandung aufweisenden Korb. Dabei wird der Korb im oberen Teil des dicht verschließbaren Behälters in eine drehbare abgestützte Zentrifuge abgesetzt wobei sich im unteren Teil des Behälters ein über die Zentrifuge anhebbares Becken für das Imprägniermittel befindet.
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Die Patentanmeldung
DE 10 2004 004 686 A1 beschreibt eine Vorrichtung sowie deren Verwendung zum Imprägnieren von Metallteilen mit einem Kunstharz. Sie weist ein Flüssigkeitsbad auf. Beispielsweise handelt es sich um eine Flüssigkeit zur Imprägnierung von Metallteilen oder ein danach verwendetes Wasch- oder Spülbad. Es ist ein siebartig durchbrochener Korb vorgesehen, der die zu behandelnden Gegenstände bzw. Kleinteile aufzunehmen vermag. Dabei handelt es sich beispielsweise um einen Behälter, der von der Flüssigkeit durchströmbar ist, um so ein effektives Benetzen und Umströmen der in den Korb eingebrachten Gegenstände durch die Flüssigkeit zu gewährleisten. Es sind Mittel zur drehbeweglichen Halterung des Korbes in der Flüssigkeit vorgesehen. Dadurch kann eine besonders intensive Durchströmung des Korbes erreicht werden, bei der sich die Strömungsverhältnisse im Korb bei der Drehung permanent ändern und somit alle Bereiche der in den Korb eingebrachten Gegenstände durch die Flüssigkeit erreicht werden. Es sind ferner Mittel zur Drehung des Korbes vorgesehen. Beispielsweise handelt es sich um einen kurbelartigen Griff, der eine von Hand zu betätigende Drehung des Korbes ermöglicht, oder um einen Elektromotor mit Antriebsgetriebe. Es können ferner Mittel zur Hebung und Absenkung des Korbes durch einen Kran vorgesehen sein
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Solche Taucheinrichtungen eignen sich nicht zum Imprägnieren mittels eines flüssigen Polymers, Imprägniermittels oder Kunstharzes der Zylinderlaufflächen von Verbrennungsmotoren, da nur die innenliegenden Oberflächenschichten der Zylinderlauffläche behandelt werden soll und nicht, wie hier angegeben, der gesamte Motorblock oder das die Zylinder beinhaltende Kurbelgehäuse.
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Außerhalb der Zylinderlaufflächen, also beispielsweise in den Kühlkanälen oder anderen Kavitäten, werden Motorblöcke mit anderen chemischen Stoffen zu anderen Zwecken wie beispielsweise zur Vermeidung von Undichtigkeiten schon imprägniert und/ oder beschichtet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Fertigung und Bearbeitung zur Verfügung zu stellen, eine dafür geeignete Vorrichtung zur Fertigung und Bearbeitung sowie das Bauteil selbst zu schaffen, durch die eine nachteilige Korrosion der thermisch gespritzten Oberflächenschichten der Zylinderlaufflächen von Kurbelgehäusen reduziert oder vermieden werden kann.
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Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen im Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahren sowie das Bauteil selbst ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es vorgesehen, dass durch die flächige Einbringung eines flüssigen Polymers auf die schon beschichtete Zylinderlaufbahn und der nachfolgenden Aushärtung innerhalb dieser Strukturen ein tiefes Eindringen von korrosiven Bestandteilen in diese Bereiche verhindert und der Korrosionsschaden minimiert oder ganz ausgeschlossen wird. Die Infiltration der Spritzschichten erfolgt mittels eines flüssig eingebrachten und dann aushärtenden Polymers. Flächig bedeutet, dass dabei das Polymer mit gleichbleibender Menge in die beschichtete Zylinderlaufbahn eingebracht wird und auch in gleichbleibender Menge aushärtet.
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Diese Einbringung geschieht verfahrensseitig nach dem bekannten und im Stand der Technik gewürdigten Prozess der thermisch gespritzten Oberflächenbeschichtung, welcher beispielsweise auch als Lichtbogendrahtspritzen bekannt ist. Hierdurch werden unerwünschte Porenstrukturen oder Ungänzen in der Beschichtung zwischen den individuell sich verfestigenden Spritztropfen verschlossen bzw. versiegelt. Oder in anderen Worten: Die Luft mit reaktiven Bestandteilen wie beispielsweise Sauerstoff wird aus den Poren durch das Polymer verdrängt. Ein Eindringen von korrosiven Bestandteilen aus Kraftstoffen, Ölen, Verbrennungsprodukten, Abgaskondensaten oder von atmosphärischen Kondensaten und Feuchtigkeit in diese Oberflächen wird dadurch vorteilhaft reduziert oder vollständig verhindert. Unerwünschte Korrosionen oder andere nachteilige chemischen Prozesse der Beschichtung bis hin zur sehr nachteiligen Ablösung von Oberflächenbereichen von der Zylinderlaufbahn, welche dann den Motorbetrieb beeinträchtigen, können vermieden werden. Andererseits soll eine Polymehrschicht auf der Laufbahnoberfläche vermieden werden, da dies nachteilige Folgen für die Tribologie im Motorbetrieb haben könnte.
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Der Gesamtprozess ist in die folgenden Prozessschritte vorteilhaft gegliedert:
- - Thermisch gespritzte Oberflächenbeschichtung der Zylinderlaufbahn
- - Mechanische Bearbeitung der Zylinderlaufbahn
- - Entfernung der Luft im Bearbeitungsraum
- - Einbringen des flüssigen Polymers
- - Belüftung zum vertieften Eindringen des Polymers
- - Entfernung überflüssiger Polymermenge durch Waschprozess
- - Aushärtung des Polymeres durch Erwärmung des Bauteils
- - Waschen und Trocknen der Bauteile
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Eine alternative, aber ebenfalls vorteilhafte Gliederung des Gesamtprozesses unterscheidet sich nur im der Reihenfolge der Hintereinanderschaltung der Prozessschritte durch eine Nachschaltung der mechanischen Bearbeitung in Nachfolge des Einbringens des flüssigen Polymers:
- - Thermisch gespritzte Oberflächenbeschichtung der Zylinderlaufbahn
- - Entfernung der Luft im Bearbeitungsraum
- - Einbringen des flüssigen Polymers
- - Belüftung zum vertieften Eindringen des Polymers
- - Entfernung überflüssiger Polymermenge durch Waschprozess
- - Aushärtung des Polymeres durch Erwärmung des Bauteils
- - Mechanische Bearbeitung der Zylinderlaufbahn
- - Waschen und Trocknen der Bauteile
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Beide Gesamtprozesse haben den Vorteil, dass ein Verfahren angegeben wird, welches zuverlässig ein Polymer in die Poren der Zylinderlaufbahn einbringt, welche den zumeist niedriglegierten Stahlwerkstoffe der thermisch gespritzten Oberflächenbeschichtung gegenüber aggressiven Kraftstoffen, Verbrennungsprodukten oder atmosphärischen Korrosionseinflüssen bei Stillstand oder Transport schützt. Zudem können vorteilhaft auch alternative Kraftstoffe oder Kraftstoffbeimengungen wie Methanol und/ oder Ethanol mit erhöhter Korrosionsbelastung für die Brennraumoberflächen im Motor werden. Besonders vorteilhaft wird eine Enthaftung der thermisch gespritzten Oberflächenbeschichtung an der Schnittstelle zum Kurbelgehäuse und innerhalb der Feinstruktur der thermisch gespritzten Oberflächenbeschichtung reduziert oder ganz vermieden und dabei eine Stabilisierung der thermisch gespritzten Oberflächenbeschichtung durch Ausfüllung von Hohlräumen und Poren sowie Vernetzung der einzelnen Spritzpartikel erreicht. Ein großer Vorteil im späteren Betrieb des Motors ist die Vermeidung des Einsatzes von teuren, hochlegierten und korrosionsbeständigen Spritzwerkstoffen mit schlechteren tribologischen Eigenschaften und aufwändiger Bearbeitung.
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In einer weiteren, außerordentlich günstigen Ausgestaltung wird die Luft mit reaktiven Bestandteilen wie beispielsweise Sauerstoff aus den Poren der Oberflächenbeschichtung vor dem Einbringen des Polymers entfernt. Dies kann durch das Erzeugen eines Unterdrucks oder gar eines Vakuums im Bearbeitungsraum, in dem das Verfahren durchgeführt wird, erfolgen. Ein späteres Eindringen von korrosiven Bestandteilen aus Kraftstoffen, Ölen, Verbrennungsprodukten, Abgaskondensaten oder atmosphärischen Kondensate und Feuchtigkeit in diese Oberflächen wird dadurch vorteilhaft verhindert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich aus der Belüftung während des polymeren Beschichtungsprozesses zum tiefen Eindringen des Polymers in die Poren der Zylinderlaufbahn. Nach dem vorangegangenen Entfernen der Luft unter Unterdruck im Bearbeitungsraum wird das Polymer eingebracht und durch eine nachfolgende Erhöhung des Drucks auf Atmosphärenniveau wird das Polymer in die Poren der Zylinderlaufbahn gepresst. Somit können die Poren noch vollständiger gefüllt werden, um Korrosion zu verhindern. Eine ausreichende Eindringtiefe des Polymers in die Poren ist auch deswegen von Vorteil, weil eine Polymerschicht auf der Laufbahnoberfläche aus tribologischen Gründen unerwünscht ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Entfernung überflüssiger Polymermengen durch einen Waschprozess des noch partiell wasserlöslichen Polymers im ungehärteten Zustand. Das ungehärtete Polymer ist dabei noch partiell wasserlöslich und kann unter Wasserdruck abgespült werden, wobei die mit Polymer gefüllten Poren hierbei nicht wieder freigelegt werden sollen. Vorteilhaft soll die Vermeidung von Anhäufungen und Läufern auf der Oberfläche vermieden werden, um im späteren Betrieb des Motors definierte tribologische Eigenschaften einzustellen und zu erhalten.
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In einer sehr vorteilhaften Ausführung werden die Polymere aus Monomeren auf Basis von Epoxid, Acryl- oder Methacrylsäureestern bereitgestellt. Bisher wurden Polymere aufgrund der hohen Temperaturbelastung im Verbrennungsraum für ungeeignet erachtet. Versuche der Anmelderin zeigen nun aber eine ausreichende Dauerhaltbarkeit speziell der erfindungsgemäßen Polymere aus den Monomeren auf Basis von Epoxid, Acryl- oder Methacrylsäureestern. Diese haben sowohl die Eigenschaft, in noch flüssigem Zustand tief in die Poren einzudringen wie auch im ausgehärteten Zustand den hohen Temperaturbelastungen im Motorbetrieb schadlos zu wiederstehen.
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In einer vorteilhaften Ausführung wird eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Kurbelgehäuses mit Zylinderlaufbahn beschrieben, in welcher zumindest eines der Bearbeitungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche stattfindet. Diese Vorrichtung kann in eine Gesamtvorrichtung zum Lichtbogendrahtspritzen integriert oder ihr nachgelagert sein.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführung wird eine Oberflächenbeschichtung einer Zylinderlaufbahn eines Verbrennungsmotors beschrieben, welcher nach zumindest einem der Bearbeitungsverfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche bearbeitet wird.
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Die beigefügten Figuren zeigen schematische vorteilhafte Ausgestaltungen der Prozessdarstellungen der gesamten erfindungsgemäßen Verfahren. Dabei zeigt:
- 1 den Prozessablauf zur Imprägnierung der Zylinderlaufbahnoberflächen mit vorgelagerter mechanische Bearbeitung
- 2 den Prozessablauf zur Imprägnierung der Zylinderlaufbahnoberflächen mit nachgelagerter mechanische Bearbeitung
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In der Darstellung der 1 ist der Gesamtprozess der folgenden Prozessschritte in einem Flussdiagramm vorteilhaft gegliedert:
- - Thermisch gespritzte Oberflächenbeschichtung der Zylinderlaufbahn
- - Mechanische Bearbeitung der Zylinderlaufbahn
- - Entfernung der Luft im Bearbeitungsraum
- - Einbringen des flüssigen Polymers
- - Belüftung zum vertieften Eindringen des Polymers
- - Entfernung überflüssiger Polymermenge durch Waschprozess
- - Aushärtung des Polymeres durch Erwärmung des Bauteils
- - Waschen und Trocknen der Bauteile
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In der Darstellung der 2 ist der alternative Gesamtprozess der folgenden Prozessschritte, bei dem die mechanische Bearbeitung erst in Nachfolge des Einbringens des flüssigen Polymers erfolgt, auch in einem Flussdiagramm vorteilhaft gegliedert:
- - Thermisch gespritzte Oberflächenbeschichtung der Zylinderlaufbahn
- - Entfernung der Luft im Bearbeitungsraum
- - Einbringen des flüssigen Polymers
- - Belüftung zum vertieften Eindringen des Polymers
- - Entfernung überflüssiger Polymermenge durch Waschprozess
- - Aushärtung des Polymeres durch Erwärmung des Bauteils
- - Mechanische Bearbeitung der Zylinderlaufbahn
- - Waschen und Trocknen der Bauteile
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10243739 B3 [0002]
- EP 1238711 B1 [0003]
- DE 102014001199 A1 [0004]
- DE 3419521 A1 [0007]
- DE 102004004686 A1 [0008]
