DE102020117332A1

DE102020117332A1 - Verfahren zum Versehen einer Mantelfläche mit einer Schicht mittels Kaltgasspritzen, sowie Bauteil mit einer solchen Schicht

Info

Publication number: DE102020117332A1
Application number: DE102020117332.6A
Authority: DE
Inventors: Joachim Meess; Manuel Anasenzl
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-07-01
Filing date: 2020-07-01
Publication date: 2022-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versehen einer Mantelfläche (4) mit einer Schicht (5) mittels Kaltgasspritzen, bei welchem ein ein Prozessgas und ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff umfassender Arbeitsstrahl (6) aus einem Beschichtungswerkzeug (8) ausgespritzt und gegen die Mantelfläche (4) gespritzt wird, wodurch die Schicht (5) auf der Mantelfläche (4) aus dem Beschichtungswerkstoff hergestellt wird, wobei der Arbeitsstrahl (6) spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche (4) gespritzt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versehen einer Mantelfläche mit einer Schicht mittels Kaltgasspritzen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Bauteil mit einer solchen Schicht.
Kaltgasspritzen ist aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Dabei ist das Kaltgasspritzen ein Beschichtungsverfahren, bei welchem ein Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit hoher Geschwindigkeit auf ein Substrat aufgebracht beziehungsweise gegen das Substrat gestrahlt wird. Im Gegensatz zu anderen thermischen Spritzverfahren, wie beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen unterbleibt ein An- oder Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffs, bevor dieser auf das Substrat aufprallt. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit, mit welcher der Beschichtungswerkstoff auf das Substrat aufprallt beziehungsweise gegen das Substrat prallt, kann der Beschichtungswerkstoff eine dichte und fest haftende Schicht bilden.
Dabei ist aus der Offenbarung „Cold Spray Coatings for Automotive Cylinder Block Application‟, F. Azarmi, et al., ITSC 2019 - Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 26. - 29. Mai 2019, Yokohama, Japan, Seiten 433 bis 440, ein Verfahren bekannt, bei dem eine Mantelfläche mit einer Schicht mittels Kaltgasspritzen versehen wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und ein Bauteil zu schaffen, sodass eine Mantelfläche des Bauteils auf besonders vorteilhafte Weise mittels Kaltgasspritzen mit einer Schicht versehen werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Bauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Versehen einer Mantelfläche, insbesondere eines Bauteils, mit einer auch als Beschichtung bezeichneten Schicht mittels Kaltgasspritzen. Dies bedeutet, dass die Schicht mittels Kaltgasspritzen auf die Mantelfläche aufgebracht und dadurch hergestellt wird. Bei dem Verfahren wird ein ein Prozessgas und ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff umfassender und auch als Spritzstrahl bezeichneter Arbeitsstrahl aus einem Beschichtungswerkzeug, insbesondere aus vorzugsweise genau einer Austrittsöffnung des Beschichtungswerkzeugs, ausgespritzt und gegen die Mantelfläche gespritzt, sodass der Beschichtungswerkstoff gegen die Mantelfläche prallt beziehungsweise auf die Mantelfläche aufprallt. Hierdurch wird die Beschichtung auf der Mantelfläche aus dem Beschichtungswerkstoff hergestellt. Das Prozessgas wird auch als Trägergas bezeichnet und - insbesondere bevor das Prozessgas das Beschichtungswerkzeug verlässt, mit dem der Beschichtungswerkstoff bestrahlt oder ausgespritzt wird - um den oder mit dem Beschichtungswerkstoff angereichert. Hierunter ist insbesondere zu verstehen, dass dem Prozessgas - insbesondere bevor das Prozessgas aus dem Werkzeug ausgestrahlt wird - der als Pulver ausgebildete Beschichtungswerkstoff zugemischt wird. Insbesondere wird dem Prozessgas in dem Beschichtungswerkzeug, welches einfach auch als Werkzeug bezeichnet wird, der Beschichtungswerkstoff zugemischt. Dadurch wird, insbesondere in dem Beschichtungswerkzeug, der Arbeitsstrahl gebildet, welcher - das Prozessgas und den Beschichtungswerkstoff umfassend - aus dem Beschichtungswerkzeug ausgestrahlt oder ausgespritzt und gegen die Mantelfläche gestrahlt oder gespritzt wird. Der Beschichtungswerkstoff ist als ein Pulver ausgebildet und umfasst demzufolge Partikel beziehungsweise granulare Materie. Die Partikel des Beschichtungswerkstoffs werden dadurch, dass die Partikel zusammen mit dem Prozessgas beziehungsweise durch das Prozessgas mit einer hohen Geschwindigkeit aus dem Beschichtungswerkzeug ausgestrahlt beziehungsweise ausgespritzt werden, mit einer sehr hohen Geschwindigkeit gegen die Mantelfläche gespritzt. Mit anderen Worten treffen die Partikel mit einer sehr hohen Geschwindigkeit auf die Mantelfläche auf, wodurch die Partikel, die an der Mantelfläche haftende und beispielsweise dichte Schicht bilden. Die Mantelfläche ist somit ein Substrat, gegen das der Beschichtungswerkstoff gespritzt wird, sodass auf dem Substrat die Schicht hergestellt wird. Das Kaltgasspritzen zeichnet sich dabei dadurch aus, dass ein An- oder Aufschmelzen der Partikel, bevor diese gegen die Mantelfläche prallen beziehungsweise auf der Mantelfläche aufprallen, unterbleibt.
Um nun die Schicht auf besonders vorteilhafte Weise herstellen zu können, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig, das heißt einer gedachten Spirale oder Schraube folgend, gegen die Mantelfläche gespritzt wird. Insbesondere dann, wenn die Mantelfläche zylindrisch, das heißt als ein zumindest im Wesentlichen grader Kreiszylinder ausgebildet ist, ist unter dem schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche insbesondere zu verstehen, dass der Arbeitsstrahl gegen die Mantelfläche zumindest im Wesentlichen kontinuierlich entlang einer gedachten, auch als Helix, Schraube, Schraubenlinie, zylindrische Spirale oder Wendel bezeichneten Kurve, die sich mit zumindest im Wesentlichen konstanter Steigung um die beziehungsweise entlang der Mantelfläche windet, gespritzt wird. Beispielsweise dann, wenn sich die Mantelfläche in eine gerade Raumrichtung verjüngt, ist unter dem spiralförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche insbesondere zu verstehen, dass der Arbeitsstrahl gegen die Mantelfläche zumindest im Wesentlichen kontinuierlich entlang einer gedachten, entlang der Mantelfläche verlaufenden und dabei beispielsweise kegelförmigen beziehungsweise konischen Spirale, insbesondere raumspirale beziehungsweise dreidimensionale Spirale, gespritzt wird. Es ist erkennbar, dass die Mantelfläche zylindrisch ausgebildet sein oder sich in die zuvor genannte Raumrichtung verjüngen und somit konisch oder kegelförmig ausgebildet sein kann. Selbstverständlich können die vorherigen und folgenden Ausführungen auch ohne weiteres auf andere Formen der Mantelfläche übertragen werden, sodass die Mantelfläche ohne weiteres eine von einer zylindrischen Form und von einer konischen Form unterschiedliche Form aufweisen kann. Insbesondere kann die Mantelfläche eine mehr- beziehungsweise vieleckige beziehungsweise mehr- beziehungsweise vielkantige Form aufweisen, sodass die innenumfangsseitige Mantelfläche, insbesondere im Querschnitt, eine Polygonform aufweisen kann. Dabei ist unter dem erfindungsgemäß vorgesehenen, spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche insbesondere zu verstehen, dass das einfach auch als Werkzeug bezeichnete Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche relativ zueinander gedreht und gleichzeitig relativ zueinander translatorisch bewegt werden. Mit anderen Worten wird einer rotatorischen Relativbewegung zwischen der Mantelfläche und dem Werkzeug eine translatorische Relativbewegung zwischen dem Werkzeug und der Mantelfläche überlagert, während das Werkzeug den Arbeitsstrahl ausspritzt und gegen die Mantelfläche spritzt.
Durch das erfindungsgemäß vorgesehene, spiral- oder schraubenförmige Spritzen des Arbeitsstrahls und somit des Beschichtungswerkstoffs gegen die Mantelfläche kann ein übermäßiger Energie- beziehungsweise Wärmeeintrag in die Mantelfläche beziehungsweise in das die Mantelfläche aufweisende Bauteil vermieden werden, sodass übermäßige, thermisch bedingte und durch das Herstellen der Schicht bewirkte Verzüge des Bauteils vermieden werden können.
Der Erfindung liegen insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: herkömmlicherweise werden Bauteile wie beispielsweise Kurbelgehäuse für Verbrennungsmotoren mittels Lichtbogenspritzen, welches auch als Lichtbogendrahtspritzen (LDS) oder Drahtlichtbogenspritzen bezeichnet wird, beschichtet, das heißt mit einer Schicht oder Beschichtung versehen. Das jeweilige Kurbelgehäuse weist hierzu beispielsweise eine Mantelfläche auf, die einen Zylinder begrenzt und demzufolge zumindest im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. Gegen die Mantelfläche wird mittels Lichtbogenspritzen ein Beschichtungswerkstoff gespritzt, welcher jedoch an- oder aufgeschmolzen wird, bevor er auf die Mantelfläche auftrifft. Hierdurch kann es zu einem starken Wärmeeintrag in das Bauteil kommen. Außerdem erfordert das Lichtbogenspritzen, das vor dem Spritzen des Beschichtungswerkstoffs gegen die Mantelfläche die Mantelfläche, insbesondere mechanisch, aktiviert, insbesondere aufgeraut wird. Durch die mechanische Aktivierung wird beispielsweise ein so genanntes Schwalbenschwanzprofil der Mantelfläche hergestellt, sodass der Beschichtungswerkstoff fest an der Mantelfläche haftet. Das mechanische Aktivieren der Mantelfläche ist besonders aufwändig, insbesondere dann, wenn die Mantelfläche mittels Wasser beziehungsweise mittels eines Wasserstrahls aktiviert wird.
Durch Verwendung des Kaltgasspritzens zum Versehen der Mantelfläche mit der Schicht können sowohl die Aktivierung als auch das vor dem Auftreffen des Beschichtungswerkstoffs auf die Mantelfläche stattfindende An- oder Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffs vermieden werden, sodass das erfindungsgemäße Verfahren besonders zeit- und kostengünstig sowie ressourcenschonend durchgeführt werden kann, wobei gleichzeitig ein übermäßiger Wärmeeintrag in das Bauteil vermieden werden kann.
Weitere Erkenntnisse der Erfindung sind, dass üblicherweise beim Kaltgasspritzen das Beschichtungswerkzeug ausschließlich translatorisch relativ zu der Mantelfläche und somit entlang einer Geraden bewegt wird, während eine Relativdrehung zwischen den Beschichtungswerkzeugen der Mantelfläche unterbleibt und der Beschichtungswerkstoff beziehungsweise der Arbeitsstrahl gegen die Mantelfläche gespritzt wird. Hierdurch liegt das Beschichtungswerkzeug beziehungsweise der Arbeitsstrahl eine Bahn oder eine Strecke zurück. Nach Zurücklegen der Bahn beziehungsweise der Strecke erfolgt eine Relativdrehung zwischen dem Beschichtungswerkzeug und der Mantelfläche, während jedoch ein Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche unterbleibt, woraufhin das Beschichtungswerkzeug erneut rein translatorisch relativ zu der Mantelfläche bewegt wird, während eine Relativdrehung zwischen dem Beschichtungswerkzeug und der Mantelfläche unterbleibt und der Arbeitsstrahl gegen die Mantelfläche gespritzt wird. Es wurde gefunden, dass es in Folge dieser sequentiellen Herstellung der Schicht punktuell zu hohen thermischen Belastungen des Bauteils kommen kann, sodass eine nur geringe, maximale Temperatur des Prozessgases, insbesondere in dem Beschichtungswerkzeug, eingestellt beziehungsweise realisiert werden kann. Außerdem kann das Prozessgas mit einem nur geringen, maximalen Druck dem Beschichtungswerkzeug zugeführt werden. Die nur geringe, maximale Temperatur des Prozessgases und der nur geringe, maximale Druck des Prozessgases können jedoch zu einer unerwünscht langen, minimalen Taktzeit führen, innerhalb derer, insbesondere gesamte, Mantelfläche mit der Schicht versehen werden kann.
Die Erfindung ermöglicht es nun aufgrund dessen, dass der Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche gespritzt wird, dass das Prozessgas eine besonders hohe Temperatur, insbesondere an dem Beschichtungswerkzeug, sowie einen besonders hohen Druck, insbesondere in dem Beschichtungswerkzeug, aufweisen kann. Mit anderen Worten kann das Prozessgas dem Beschichtungswerkzeug mit einem besonders hohen Druck zugeführt werden. Außerdem kann das Prozessgas dem Beschichtungswerkzeug mit einer besonders hohen Temperatur zugeführt werden und/oder das Prozessgas kann in dem Beschichtungswerkzeug eine besonders hohe Temperatur aufweisen, sodass die, insbesondere gesamte, Mantelfläche beziehungsweise ein gewünschter Bereich der Mantelfläche innerhalb einer geringen Taktzeit mit der Schicht versehen werden kann. Selbstverständlich ist die Temperatur des Prozessgases so hoch, dass ein An- oder Aufschmelzen des Beschichtungswerkstoffs unterbleibt, bevor er gegen die Mantelfläche prallt.
Der Arbeitsstrahl und somit der Beschichtungswerkstoff werden vorzugsweise derart gegen die Mantelfläche gestrahlt beziehungsweise gespritzt, dass die Schicht sozusagen aus Windungen aufgebaut oder hergestellt wird, die aus dem Beschichtungswerkstoff derart hergestellt werden, dass der Arbeitsstrahl und somit der Beschichtungswerkstoff spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche gespritzt werden. Dabei wird die Schicht vorzugsweise derart hergestellt, dass sich die zeitlich aufeinanderfolgend hergestellten Windungen gegenseitig ausschließlich teilweise überlappen. Beispielsweise wird die jeweilige Windung durch genau eine vollständige Relativdrehung zwischen dem Beschichtungswerkzeug und der Mantelfläche und der dieser Relativdrehung überlagerten, translatorischen Relativbewegung zwischen dem Beschichtungswerkzeug und der Mantelfläche gebildet. Da vorzugsweise das Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche mehrere vollständige Relativdrehungen zueinander ausführen, werden somit mehrere Windungen nacheinander hergestellt, sodass die Schicht sozusagen aus den Windungen aufgebaut wird.
Unter dem Merkmal, dass die Mantelfläche und das Beschichtungswerkzeug relativ zueinander gedreht und gleichzeitig relativ zueinander translatorisch bewegt werden, um dadurch den Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche zu spritzen, ist insbesondere folgendes zu verstehen: Beispielsweise wird die Mantelfläche relativ zu dem Beschichtungswerkzeug gedreht, während das Beschichtungswerkzeug ortsfest ist. Ferner ist es denkbar, dass sowohl das Beschichtungswerkzeug als auch die Mantelfläche gedreht werden und dabei nicht ortsfest sind. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch gezeigt, wenn das Beschichtungswerkzeug relativ zu der Mantelfläche gedreht wird, während die Mantelfläche ortsfest bleibt. Dadurch können besonders geringe Taktzeiten realisiert werden, und die Schicht kann besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden. Ferner ist es denkbar, dass die Mantelfläche relativ zu dem Beschichtungswerkzeug translatorisch bewegt wird, während das Beschichtungswerkzeug ortsfest bleibt. Des Weiteren ist es möglich, dass sowohl die Mantelfläche als auch das Beschichtungswerkzeug gleichzeitig translatorisch bewegt werden und somit nicht ortsfest bleiben. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch gezeigt, wenn das Beschichtungswerkzeug relativ zu der Mantelfläche translatorisch bewegt wird, während die Mantelfläche ortsfest verbleibt. Dadurch können besonders geringe Taktzeiten dargestellt werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigte, wenn die Mantelfläche eine innenumfangsseitige Mantelfläche ist. Dies bedeutet, dass die Mantelfläche konkav und somit nach innen gewölbt und somit von dem Beschichtungswerkzeug beziehungsweise von der auch als Öffnung bezeichneten Austrittsöffnung des Beschichtungswerkzeugs weg gewölbt ist.
Beispielsweise ist das zuvor genannte, die Mantelfläche aufweisende beziehungsweise bildende Bauteil ein Kurbelgehäuse, insbesondere ein Zylinderkurbelgehäuse, für einen Verbrennungsmotor. Die Mantelfläche bildet oder begrenzt dabei einen Zylinder, in welchem ein Kolben des Verbrennungsmotors translatorisch bewegbar aufnehmbar ist. Die Schicht bildet dabei, insbesondere in vollständig hergestelltem Zustand des Verbrennungsmotors, eine Zylinderlaufbahn für den Kolben, welcher in seiner radialen Richtung an der Zylinderlaufbahn abstützbar ist. Dabei bildet beziehungsweise begrenzt die Mantelfläche in vollständig hergestellten Zustand des Verbrennungsmotors einen Verbrennungszylinder, wobei der Verbrennungszylinder und der translatorisch darin bewegbar aufgenommene Kolben jeweils teilweise einen Brennraum des Verbrennungsmotors, insbesondere direkt begrenzen beziehungsweise bilden.
Nach dem Herstellen der Schicht wird diese beispielsweise, insbesondere mechanisch, bearbeitet. Beispielsweise wird die Schicht gehont. Dadurch, dass die Mantelfläche mit der Schicht versehen wird, kann einerseits eine Reibung zwischen dem Kolben beziehungsweise einem an dem Kolben gehaltenen Kolbenring und der Mantelfläche besonders gering gehalten werden. Andererseits kann insbesondere in Folge der Bearbeitung der Schicht gewährleistet werden, dass eine hinreichende Menge an Schmiermittel, insbesondere Öl, an der Schicht haftet, wodurch der Kolben und die Schicht vorteilhaft geschmiert werden können.
Das Bauteil, insbesondere das Kurbelgehäuse, kann aus Aluminium beziehungsweise aus einer Aluminiumlegierung gebildet sein. In dieser Hinsicht ist es besonders vorteilhaft, dass durch Verwendung des Kaltgasspritzens und durch das spiral- oder schraubenförmige Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche ein übermäßiger Wärmeeintrag in das Bauteil vermieden werden kann, wodurch Eigenspannungen des mit der Schicht versehenen und dadurch thermisch beschichteten und beispielsweise aus Aluminium gebildeten Bauteils besonders gering gehalten werden können. Außerdem kann das Bauteil insgesamt zeit- und kostengünstig hergestellt werden, da im Vergleich zu LDS Prozessschritte wie beispielsweise die Aktivierung der Mantelfläche eingespart werden können.
Außerdem kann dadurch, dass ein An- oder Aufschmelzen des auch als Pulver bezeichneten Beschichtungswerkstoffs unterbleibt, bevor der Beschichtungswerkstoff gegen die Mantelfläche prallt, die Entstehung von unerwünschtem Chrom VI vermieden werden. Daher können vielerlei unterschiedliche Pulver, das heißt Pulver mit unterschiedlicher Zusammensetzung als der Beschichtungswerkstoff verwendet werden. Ferner kann durch das Kaltgasspritzen eine hinreichende Haftzugfestigkeit der Schicht an der als Substrat fungierenden Mantelfläche gewährleistet werden. Weiterhin kann ein Porenflächenanteil der Schicht durch eine geeignete Korngrößenverteilung, Morphologie des Beschichtungswerkstoffs und durch Prozessparameter eingestellt beziehungsweise beeinflusst werden. Somit können vorteilhafte Poren der Schicht realisiert werden, deren Poren als Schmiermittel- beziehungsweise Ölrückhaltevolumen dienen. Dadurch kann die Reibung zwischen der Schicht und dem Kolben beziehungsweise dem Kolbenring besonders gering gehalten werden, sodass ein besonders kraftstoffverbrauchsarmer Betrieb des Verbrennungsmotors darstellbar ist.
Wie bereits zuvor erwähnt, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn zum spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche das Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche relativ zueinander gedreht und gleichzeitig relativ zueinander translatorisch bewegt werden.
Um dabei eine übermäßige thermische Belastung des Bauteils vermeiden zu können, hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn das Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche mit einer Drehzahl relativ zueinander gedreht werden, die in einem Bereich von einschließlich 80 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 200 Umdrehungen pro Minute, insbesondere in einem Bereich von 120 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 200 Umdrehungen pro Minute, und ganz insbesondere in einem Bereich von einschließlich 120 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 160 Umdrehungen pro Minute liegt. Dadurch kann auch die Taktzeit, innerhalb derer die Schicht vollständig hergestellt wird, besonders gering gehalten werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Drehzahl in einem Bereich von einschließlich 150 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 180 Umdrehungen pro Minute liegt. Die genannten Bereiche stellen einerseits sicher, dass die Schicht in hinreichend kurzer Zeit hergestellt werden kann, um dadurch einen übermäßigen Wärmebeziehungsweise Energieeintrag in das Bauteil zu vermeiden. Andererseits kann übermäßig schnelles, relativ zueinander erfolgendes Drehen des Beschichtungswerkzeugs und der Mantelfläche vermieden werden, sodass beispielsweise unerwünschte Lücken der Schicht vermieden werden können, mithin die Schicht vorteilhaft beziehungsweise mit vorteilhaften Eigenschaften hergestellt werden kann.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden das Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche mit einer Geschwindigkeit relativ zueinander translatorisch bewegt, wobei die Geschwindigkeit auch als Hub oder z-Hub bezeichnet wird. Die Geschwindigkeit liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 2 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 16 Millimetern pro Sekunde, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 4 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 16 Millimetern pro Sekunde, und ganz insbesondere in einem Bereich von einschließlich 4 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 12 Millimetern pro Sekunde. Auch hierdurch kann einerseits die Schicht hinreichend schnell, das heißt in hinreichend kurzer Zeit hergestellt werden, sodass eine übermäßige thermische Belastung des Bauteils und somit ein übermäßiger, thermisch bedingter Zug des Bauteils vermieden werden können. Andererseits kann die Schicht vorteilhaft hergestellt werden, insbesondere im Hinblick auf Eigenschaften der Schicht wie beispielsweise Porengrößer und/oder Haftfestigkeit an der Mantelfläche.
Um die Schicht besonders gut herstellen zu können, ohne dass es zu einem übermäßigen Verzug kommt, hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Geschwindigkeit in einem Bereich von einschließlich 6 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 12 Millimetern pro Sekunde liegt.
Das Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche werden zusammenfassend auch als Komponenten bezeichnet. Diesbezüglich sei an dieser Stelle angemerkt, dass, wenn im Folgenden oder zuvor die Rede davon sein sollte beziehungsweise war, dass eine Komponente relativ zu der anderen Komponente bewegt, das heißt translatorisch bewegt und/oder gedreht, wird, darunter - wie zuvor ausgeführt wurde - zu verstehen ist, dass eine der Komponenten bewegt wird, während die andere Komponente ortsfest ist, oder dass die andere Komponente relativ zu der einen Komponente bewegt wird, während die eine Komponente ortsfest ist, oder dass beide Komponenten gleichzeitig und dabei relativ zueinander bewegt werden, sodass keine der Komponenten ortsfest ist.
In weiterer, besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass während eines ersten Arbeitsschritts das Beschichtungswerkzeug in eine erste Bewegungsrichtung relativ zu der Mantelfläche translatorisch bewegt und gleichzeitig in eine Drehrichtung relativ zu der Mantelfläche gedreht wird, wodurch während des ersten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche gespritzt und dadurch aus dem Beschichtungswerkstoff eine erste Teilschicht der Schicht hergestellt wird. Während eines zeitlich, insbesondere unmittelbar, auf den ersten Arbeitsschritt folgenden zweiten Arbeitsschritts wird das Beschichtungswerkzeug in eine der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte, zweite Bewegungsrichtung relativ zu der Mantelfläche translatorisch bewegt und gleichzeitig in die Drehrichtung relativ zu der Mantelfläche gedreht, wodurch während des zweiten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die erste Teilschicht gespritzt und dadurch aus dem Beschichtungswerkstoff auf der ersten Teilschicht eine zweite Teilschicht der Schicht hergestellt wird. Dies bedeutet, dass die Schicht die aufeinander angeordneten Teilschichten umfasst und somit aus den aufeinander angeordneten Teilschichten hergestellt wird, wobei die Teilschichten insbesondere entlang einer Spritz- oder Strahlrichtung aufeinander angeordnet sind oder werden, und wobei der Arbeitsstrahl entlang der Strahl- beziehungsweise Spritzrichtung gegen die Mantelfläche beziehungsweise gegen die erste Teilschicht gespritzt wird. Beispielsweise wird das Beschichtungswerkzeug während des ersten Arbeitsschritts in die erste Bewegungsrichtung und dabei von oben nach unten bewegt. Während des zweiten Arbeitsschritts wird beispielsweise das Beschichtungswerkzeug in die zweite Bewegungsrichtung von unten nach oben bewegt. Durch das Bewegen des Beschichtungswerkzeugs in die erste Bewegungsrichtung und in die zweite Bewegungsrichtung wird der Strahl beispielsweise während des ersten Arbeitsschritts einer ersten Spirale oder einer ersten Schraube folgend gegen die Mantelfläche gespritzt, und während des zweiten Arbeitsschritts wird der Arbeitsstrahl einer zweiten Spirale oder einer zweiten Schraube folgend gegen die erste Teilschicht gespritzt, wobei die gedachten Spiralen beziehungsweise die gedachten Schrauben derart zueinander verlaufen, dass die Windungen der ersten Spirale oder Schraube die Windungen der zweiten Spirale oder Schraube kreuzt. Hierdurch kann eine hinreichend große Schichtdicke der Schicht insgesamt in kurzer Zeit hergestellt werden, wobei die Schichtdicke entlang der Strahlrichtung verläuft und insbesondere der Summe von jeweiligen, entlang der Strahlrichtung verlaufenden Dicken der beziehungsweise aller Teilschichten der Schicht entspricht. Beispielsweise wird die Schicht auf die beschriebene Weise aus wenigstens oder genau zwei Teilschichten oder aus wenigstens oder genau drei Teilschichten oder aus wenigstens oder genau vier Teilschichten hergestellt. Mit anderen Worten ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Schicht auf die beschriebene Weise aus höchstens vier Teilschichten, insbesondere aus höchstens drei Teilschichten und ganz vorzugsweise aus höchstens oder genau zwei Teilschichten hergestellt wird. Ganz vorzugsweise wird die Schicht auf die beschriebene Weise aus wenigstens zwei Teilschichten hergestellt. Die jeweilige Teilschicht kann dadurch mit einer vorteilhaften Schichtdicke von beispielsweise 100 Mikrometern oder 200 Mikrometern hergestellt werden, sodass insgesamt eine vorteilhaft große Schichtdicke der Schicht von beispielsweise 400 Mikrometern gebildet werden kann, und das innerhalb einer nur geringen Taktzeit und ohne dass es zu einem übermäßigen Wärmeeintrag und einem übermäßigen Verzug des Bauteils kommt.
Um die Schicht besonders zeit- und kostengünstig herstellen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Prozessgas, insbesondere in dem Beschichtungswerkzeug, eine Temperatur aufweist, welche mindestens 900 Grad Celsius und höchstens 1600 Grad Celsius beträgt, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 1000 Grad Celsius bis einschließlich 1600 Grad Celsius, ganz insbesondere einem Bereich von einschließlich 1050 Grad Celsius bis einschließlich 1600 Grad Celsius, und vorzugsweise in einem Bereich von einschließlich 1050 Grad Celsius bis einschließlich 1300 Grad Celsius liegt. Beispielsweise weist das Prozessgas die genannte Temperatur zumindest in einem Teilbereich des Beschichtungswerkzeugs auf. Insbesondere ist es denkbar, dass das Prozessgas innerhalb des Beschichtungswerkzeugs, insbesondere mittels eines Heizelements des Beschichtungswerkzeugs, auf die genannte Temperatur erwärmt wird. Ferner ist es denkbar, dass das Prozessgas mit der genannten Temperatur dem Beschichtungswerkzeug zugeführt wird. Bei herkömmlichen Verfahren, welche Kaltgasspritzen zum Herstellen der Schicht verwenden, kann das Prozessgas maximal eine gegenüber 1000 Grad Celsius geringere Temperatur aufweisen, denn nur dann kann die Schicht durch herkömmliche Verfahren hergestellt werden. Das es nun jedoch erfindungsgemäß vorgesehen ist, den Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche zu spritzen, kann die Schicht auch dann besonders vorteilhaft hergestellt werden, wenn das Prozessgas die genannte Temperatur von 1000 Grad Celsius bis 1600 Grad Celsius aufweist. Hierdurch kann die Schicht zeit- und kostengünstig hergestellt werden, und durch das spiral- oder schraubenförmige Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche kann eine übermäßige, punktuelle thermische Belastung des Bauteils vermieden werden. Wieder mit anderen Worten ausgedrückt wurde durch Versuche überraschender Weise festgestellt, dass das Prozessgas die genannte Temperatur aufweisen kann und dennoch kann die Schicht vorteilhaft hergestellt werden, da der Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche gespritzt beziehungsweise gestrahlt wird.
Bei einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Prozessgas dem Beschichtungswerkzeug mit einem Druck zugeführt wird und/oder dass das Prozessgas in dem Beschichtungswerkzeug einen Druck aufweist, wobei der Druck des Prozessgases in einem Bereich von einschließlich 50 bar bis einschließlich 110 bar, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 55 bar bis einschließlich 100 bar, uns ganz insbesondere in einem Bereich von einschließlich 70 bar bis einschließlich 90 bar liegt. Die vorherigen Ausführungen zur Temperatur des Prozessgases können analog auch auf den Druck des Prozessgases übertragen werden. Bei herkömmlichen Verfahren zum Versehen einer Mantelfläche mit einer Schicht mittels Kaltgasspritzen kann das Prozessgas höchstens einen Druck aufweisen, welcher gegenüber 60 bar geringer ist, denn nur so kann die Schicht mittels der herkömmlichen Verfahren wie gewünscht hergestellt werden. Demgegenüber ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren nun jedoch, dass das Prozessgas einen Druck von mindestens 50 bar und von höchstens 110 bar aufweist, wobei die Schicht trotz des hohen Drucks des Prozessgases vorteilhaft hergestellt werden kann, da der Arbeitsstrahl spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche gespritzt wird. Dadurch kann die Schicht zeit- und kostengünstig hergestellt werden, und eine übermäßige, punktuelle thermische Belastung des Bauteils kann vermieden werden.
Um die Schicht besonders platzsparend sowie zeit- und kostengünstig herstellen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass zum spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche das Beschichtungswerkzeug und/oder die Mantelfläche um sich selbst gedreht wird.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass zum spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls gegen die Mantelfläche das Beschichtungswerkzeug und die Mantelfläche um eine Drehachse relativ zueinander gedreht werden, um welche sich die Mantelfläche herumerstreckt. Dadurch kann das Verfahren besonders platzsparend und somit kostengünstig durchgeführt werden.
Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Mantelfläche bezüglich der Drehachse rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Insbesondere ist die Mantelfläche bezüglich der Drehachse zylindrisch, das heißt als zumindest im Wesentlichen gerader Kreiszylinder ausgebildet. Dabei wird beispielsweise das Beschichtungswerkzeug entlang der Drehachse relativ zu der Mantelfläche bewegt und dabei in den Zylinder hinein beziehungsweise eingetaucht. Beispielsweise fällt die Drehachse mit der Mittelachse, insbesondere Längsmittelachse, des Zylinders zusammen. Ferner verlaufen die zuvor genannten Bewegungsrichtungen beispielsweise parallel zur Drehachse oder fallen mit der Drehachse zusammen.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Bauteil, mit einer Mantelfläche, welche mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung mit einer Schicht versehen ist. Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des ersten Aspekts der Erfindung sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des zweiten Aspekts der Erfindung anzusehen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels mit den zugehörigen Zeichnungen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Perspektivansicht eines als Kurbelgehäuse ausgebildeten Bauteils für ein Fahrzeug, insbesondere für einen Verbrennungsmotor, wobei das Bauteil wenigstens eine Mantelfläche aufweist, die mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer Schicht versehen wird;
2 eine schematische und geschnittene Seitenansicht eines Beschichtungswerkzeugs, mittels welchem die Mantelfläche bei dem Verfahren mit der Schicht versehen wird; und
3 eine schematische Seitenansicht einer auch als Helix oder Schraubenlinie bezeichneten Schraube, entlang welcher ein Arbeitsstrahl mittels des Beschichtungswerkzeugs gegen die Mantelfläche gespritzt wird, um dadurch die Schicht herzustellen.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht ein als Kurbelgehäuse 1 ausgebildetes Bauteil für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug wie beispielsweise einen Kraftwagen und ganz insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Kurbelgehäuse 1 ist ein Bauteil eines Verbrennungsmotors, mit welchem das Fahrzeug in seinem vollständig hergestellten Zustand ausgestattet ist. Dabei ist das Fahrzeug mittels des Verbrennungsmotors antreibbar.
Das Kurbelgehäuse 1 ist vorzugsweise aus einem Leichtmetall beziehungsweise aus einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus Aluminium beziehungsweise aus eine Aluminiumlegierung, hergestellt, sodass das Kurbelgehäuse 1 vorzugsweise als Aluminiumkurbelgehäuse ausgebildet ist. Ferner ist das Kurbelgehäuse 1 als ein Gussbauteil, insbesondere als ein Druckgussbauteil, ausgebildet. Das Kurbelgehäuse 1 weist mehrere Zylinder 2 auf, welche bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel in Reihe und somit in Längsrichtung des Kurbelgehäuses 1 aufeinanderfolgend angeordnet sind. Der jeweilige Zylinder 2 ist durch eine jeweilige, zumindest im Wesentlichen zylindrische Zylinderwand 3 des Kurbelgehäuses 1 begrenzt. In 2 ist ausschnittsweise eine der Zylinderwände 3 erkennbar. Wie aus 2 erkennbar ist, weist die jeweilige Zylinderwand 3 eine innenumfangsseitige Mantelfläche 4 auf, durch welche der jeweilige Zylinder 2 begrenzt ist. Somit ist bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel die Mantelfläche 4 zumindest im Wesentlichen zylindrisch, das heißt als zumindest im Wesentlichen gerader Kreiszylinder ausgebildet. Der Zylinder 2 beziehungsweise der genannte Kreiszylinder weist eine Mittelachse, insbesondere eine Längsmittelachse, auf, welche auch als Zylinderachse bezeichnet wird. Bezüglich der Mittelachse ist der Kreiszylinder beziehungsweise die Mantelfläche 4 zumindest im Wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet.
Im Folgenden wird ein Verfahren zum Versehen der jeweiligen Mantelfläche 4 mit einer Schicht 5 beschrieben. Bei dem Verfahren wird die Mantelfläche 4 mit der Schicht 5 mittels Kaltgasspritzen versehen. Dies bedeutet, dass bei dem Verfahren die Schicht 5 auf die Mantelfläche 4 mittels Kaltgasspritzen aufgebracht, insbesondere aufgetragen, wird. Bei dem Verfahren und somit bei dem Kaltgasspritzen wird ein auch als Spritzstrahl bezeichneter Arbeitsstrahl 6 entlang einer in 2 durch einen Pfeil 7 veranschaulichten und auch als Strahlrichtung bezeichneten Spritzrichtung gegen die Mantelfläche 4 gespritzt. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel verläuft die Spritzrichtung senkrecht zur Mittelachse und somit senkrecht zur axialen Richtung des Kreiszylinders und somit des Zylinders 2 und der Mantelfläche 4. Somit verläuft die Spritzrichtung parallel zur radialen Richtung des Zylinders 2 beziehungsweise des Kreiszylinders beziehungsweise der Mantelfläche 4.
Der Arbeitsstrahl 6 umfasst einen auch als Pulver bezeichneten, pulverförmigen Beschichtungswerkstoff, welcher granulare Materie und somit Partikel, die auch als Pulverpartikel bezeichnet werden, umfasst. Außerdem umfasst der Arbeitsstrahl 6 ein auch als Trägergas bezeichnetes Prozessgas. Vorzugsweise wird als das Prozessgas, insbesondere reines, Helium oder, insbesondere reiner, Stickstoff verwendet. Die Verwendung von Stickstoff ist wesentlich kostengünstiger als die Verwendung von Helium. Bei dem Verfahren wird ein einfach auch als Werkzeug bezeichnetes Beschichtungswerkzeug 8 verwendet, wobei der Arbeitsstrahl 6 entlang der Spritzrichtung aus dem Beschichtungswerkzeug 8, insbesondere aus genau einer Öffnung 9 des Beschichtungswerkzeugs 8, ausgespritzt und gegen die Mantelfläche 4 gespritzt wird. Hierdurch wird die Schicht 5 auf der Mantelfläche 4 aus dem Beschichtungswerkstoff hergestellt.
Aus 2 ist erkennbar, dass das Beschichtungswerkzeug 8 eine Kammer 10 aufweist, welche auch als Hochdruckkammer bezeichnet wird. Die Kammer 10 ist beispielsweise eine beheizte oder beheizbare Kammer, insbesondere eine beheizte oder beheizbare Hochdruckkammer, da beispielsweise das Beschichtungswerkzeug 8 ein Heizelement 11 aufweisen kann. Mittels des Heizelements 11 kann beispielsweise die Kammer 10 beheizt werden. Hierzu ist beispielsweise das Heizelement 11 zumindest teilweise in der Kammer 10 angeordnet. Das Heizelement 11 ist beispielsweise ein elektrisches Heizelement, mittels welchem unter Nutzung von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom die Kammer 10 beheizt werden kann. Unter dem Beheizen der Kammer 10 ist dabei insbesondere zu verstehen, dass ein in der Kammer 10 vorübergehend aufgenommenes oder die Kammer 10 durchströmendes Fluid mittels des Heizelements 11 erwärmt und/oder warmgehalten werden kann. Bei dem Fluid handelt es sich beispielsweise um das zuvor genannte Prozessgas. Ein beispielsweise als Stromleitung ausgebildetes Leitungselement 12 zum Führen beziehungsweise Leiten von elektrischer Energie beziehungsweise elektrischem Strom ist beispielsweise vorgesehen, um das Heizelement 11 mit elektrischer Energie zu versorgen. Somit ist beispielsweise das Leitungselement 12 zumindest elektrisch mit dem Beschichtungswerkzeug 8, insbesondere mit dem Heizelement 11, verbunden. Vorzugsweise ist das Leitungselement 12 auch mechanisch an dem Beschichtungswerkzeug 8 gehalten.
Des Weiteren ist ein Leitungselement 13 vorgesehen, welches beispielsweise von dem Prozessgas durchströmbar ist. Über das Leitungselement 13 wird das Prozessgas beispielsweise dem Beschichtungswerkzeug 8 zugeführt, sodass das das Leitungselement 13 durchströmende Prozessgas in das Beschichtungswerkzeug 8, insbesondere in die Kammer 10, einströmen und in der Folge die Kammer 10 beispielsweise durchströmen kann. Beispielsweise wird dem Beschichtungswerkzeug 8 das Prozessgas mit einem auch als Prozessgasdruck bezeichneten Druck zugeführt. Dabei ist es denkbar, dass das Prozessgas den Prozessgasdruck zumindest in einem Teilbereich des Beschichtungswerkzeugs 8, insbesondere der Kammer 10, aufweist. Außerdem weist das Prozessgas bei dem Verfahren eine auch als Prozessgastemperatur bezeichnete Temperatur auf, wobei es denkbar ist, dass im Beschichtungswerkzeug 8 das Prozessgas mit der Temperatur zugeführt wird und/oder das Prozessgas weist die Prozessgastemperatur zumindest in einem Teil des Beschichtungswerkzeugs 8, insbesondere der Kammer 10, auf. Insgesamt ist erkennbar, dass dem Beschichtungswerkzeug 8 das Prozessgas, insbesondere mit der Prozessgastemperatur, zugeführt wird, sodass das Prozessgas, insbesondere mit der Prozessgastemperatur, in die Kammer 10 einströmt und die Kammer 10 durchströmt. Von der Kammer 10 kann das Prozessgas in einem fluidisch mit der Kammer 10 verbundenen Kanal 14 des Beschichtungswerkzeugs 8 einströmen und den Kanal 14 durchströmen, wobei der Kanal 14 einen kleineren, von dem Prozessgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt als die Kammer 10 aufweist. In dem Kanal 14 ist eine beispielsweise als Lavaldüse ausgebildete Düse 15 angeordnet, die sich in Strömungsrichtung des den Kanal 14 durchströmenden Prozessgases hinsichtlich ihres von dem Prozessgas durchströmbaren Strömungsquerschnitt zunächst verengt und dann erweitert.
Insbesondere über einen Anschluss 16 wird der Beschichtungswerkstoff, insbesondere in Pulverform, in den Kanal 14, insbesondere in die Düse 15, eingeleitet, und hierdurch dem den Kanal 14, insbesondere die Düse 15, durchströmenden Prozessgas zugemischt, sodass in dem Beschichtungswerkzeug 8, insbesondere in dem Kanal 14 und ganz insbesondere in der Düse 15, der das Prozessgas und den Beschichtungswerkstoff umfassende Arbeitsstrahl 6 gebildet wird. Daraufhin wird der Arbeitsstrahl 6 über die Öffnung 9 aus dem Kanal 14, insbesondere aus der Düse 15, und somit aus dem Beschichtungswerkzeug 8 ausgespritzt und gegen die Mantelfläche 4 gespritzt. Hierdurch wird insbesondere der Beschichtungswerkstoff gegen die Mantelfläche 4 gespritzt, sodass aus dem Beschichtungswerkstoff die Schicht 5 auf der Mantelfläche 4 hergestellt wird.
Das Beschichtungswerkzeug 8 kann einen Temperatursensor 17 aufweisen, mittels welchem eine Temperatur, insbesondere des Prozessgases und/oder des Arbeitsstrahls 6, in dem Kanal 14, insbesondere in der Düse 15, erfasst wird. Außerdem weist das Beschichtungswerkzeug 8 einen Drucksensor 18 auf, mittels welchem ein beziehungsweise der Druck des Prozessgases in der Kammer 10 erfasst wird.
Um nun die Schicht 5 besonders vorteilhaft herstellen zu können, wird bei dem Verfahren der Arbeitsstrahl 6 spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche 4 gespritzt. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Arbeitsstrahl 6 schraubenförmig und somit entlang einer gedachten, in 3 gezeigten und dort mit 19 bezeichneten Schraube folgend gegen die Mantelfläche 4 gespritzt. Die Schraube 19 wird auch als Helix oder Schraubenlinie bezeichnet und windet sich beispielsweise entlang der oder um die zumindest im Wesentlichen zylinderförmige Mantelfläche 4, dabei ist in 3 die genannte Mittelachse des Kreiszylinders und somit der Mantelfläche 4 erkennbar und mit 20 bezeichnet. Die Schraube 19 ist dabei beispielsweise bezogen auf die Mittelachse 20 rotationssymmetrisch ausgebildet.
Insbesondere ist aus den Fig. erkennbar, dass bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel die Mantelfläche 4 eine innenumfangsseitige Mantelfläche ist, die konkav und somit nach innen, das heißt von dem Beschichtungswerkzeug 8, insbesondere von der Öffnung 9 in die Spritzrichtung weg gewölbt ist. Zum schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls 6 gegen die Mantelfläche 4, das heißt um den Arbeitsstrahl 6 schraubenförmig und somit entlang der Schraube 19 gegen die Mantelfläche 4 zu spritzen, wird beispielsweise das Beschichtungswerkzeug 8 zunächst entlang einer parallel zur Mittelachse 20 verlaufenden Richtung relativ zu dem Kurbelgehäuse translatorisch bewegt und dadurch von außerhalb des Zylinders 2 in den Zylinder 2 hineinbewegt. Um dann den Arbeitsstrahl 6 schraubenförmig gegen die Mantelfläche 4 zu spritzen, werden die Mantelfläche 4 und das Beschichtungswerkzeug 8 relativ zueinander um eine vorliegend mit der Mittelachse 20 zusammenfallende Drehachse 21 gedreht und gleichzeitig entlang wenigstens einer in 3 durch einen Pfeil 22 veranschaulichten Bewegungsrichtung, welche die zuvor genannte Richtung sein kann, relativ zueinander translatorisch bewegt, wobei die Bewegungsrichtung parallel zur Mittelachse 20 beziehungsweise parallel zur Drehachse 21 verläuft. Bei dem in den Fig. gezeigten Ausführungsbeispiel ist es vorgesehen, dass das Beschichtungswerkzeug 8 um die Drehachse 21 relativ zu der Mantelfläche 4, das heißt relativ zu dem die Mantelfläche 4 aufweisenden Kurbelgehäuse 1 gedreht und gleichzeitig entlang der beziehungsweise in die Bewegungsrichtung relativ zu der Mantelfläche 4 translatorisch bewegt wird, während die Mantelfläche 4 und somit die Zylinderwand 3 und das Kurbelgehäuse 1 ortsfest bleiben.
In 3 ist eine Steigung der Schraube 19 mit S bezeichnet. Insbesondere ist die Steigung S der maximale, parallel zu der Mittelachse 20 beziehungsweise parallel zu der Drehachse 21 verlaufende Abstand zwischen zwei entlang der Mittelachse 20 beziehungsweise entlang der Drehachse 21 unmittelbar benachbarten Windungen W1 und W2 der Schraube 19. Unter dem Merkmal, dass die Windungen W1 und W2 unmittelbar benachbart sind, ist insbesondere zu verstehen, dass zwischen den Windungen W1 und W2 entlang der Mittelachse 20 beziehungsweise entlang der Drehachse 21 keine weitere Windung der Schraube 19 angeordnet ist. Außerdem ist in 3 ein Radius der Schraube 19 mit R bezeichnet. Das Zweifache des Radius R entspricht dabei beispielsweise einem Durchmesser, insbesondere einem Innendurchmesser, der Mantelfläche 4 und somit des Kreiszylinders.
Vorzugsweise wird die Schicht 5 aus wenigstens oder genau zwei Teilschichten hergestellt, die insbesondere entlang der Spritzrichtung aufeinander folgen und somit aufeinander angeordnet werden. Mit anderen Worten sind die Teilschichten in vollständig hergestelltem Zustand des Kurbelgehäuses 1 entlang der Spritzrichtung beziehungsweise in radialer Richtung des Kreiszylinders aufeinander angeordnet. Zum Herstellen der Teilschichten wird während eines ersten Arbeitsschritts das Beschichtungswerkzeug 8 in die durch den Pfeil 22 veranschaulichte Bewegungsrichtung relativ zu der Mantelfläche 4 translatorisch bewegt und gleichzeitig in eine in 3 durch einen Pfeil 23 veranschaulichte Drehrichtung relativ zu der Mantelfläche 4 gedreht, während der Arbeitsstrahl 6 aus dem Beschichtungswerkzeug 8 ausgespritzt und gegen die Mantelfläche 4 gespritzt wird, wodurch während des ersten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl 6 schraubenförmig gegen die Mantelfläche 4 gespritzt und dadurch aus dem Beschichtungswerkstoff eine erste der Teilschichten der Schicht 5 hergestellt wird. Beispielsweise wird durch das relativ zu der Mantelfläche 4 erfolgende, translatorische Bewegen und Drehen des Beschichtungswerkzeugs 8 das Beschichtungswerkzeug 8 aus einer ersten Stellung in eine von der ersten Stellung unterschiedliche zweite Stellung bewegt. Mit anderen Worten wird der Arbeitsstrahl 6 ausgehend von einer ersten Stelle, gegen die der Arbeitsstrahl 6 zunächst gespritzt wird, dadurch, dass das Beschichtungswerkzeug 8 relativ zur Mantelfläche 4 gedreht und dabei translatorisch bewegt wird, zu einer von der ersten Stelle unterschiedlichen, zweiten Stelle bewegt, gegen die der Arbeitsstrahl 6 gespritzt wird.
Zeitlich nach dem ersten Arbeitsschritt wird ein zweiter Arbeitsstrahl durchgeführt, während welchem das Beschichtungswerkzeug 8 in eine der ersten Bewegungsrichtung entgegengesetzte, in 3 durch einen Pfeil 24 veranschaulichte zweite Bewegungsrichtung relativ zu der Mantelfläche 4 translatorisch bewegt und gleichzeitig in dieselbe Drehrichtung relativ zur Mantelfläche 4 gedreht wird, während der Arbeitsstrahl 6 gegen die erste Teilschicht gespritzt wird, wodurch während des zweiten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl 6 schraubenförmig gegen die zweite Teilschicht gespritzt und dadurch aus dem Beschichtungswerkstoff auf der ersten Teilschicht die zweite Teilschicht hergestellt wird. Beispielsweise wird bei dem zweiten Arbeitsschritt das Beschichtungswerkzeug 8 dadurch, dass das Beschichtungswerkzeug 8 bei einem zweiten Arbeitsschritt relativ zu der Mantelfläche 4 gedreht und translatorisch bewegt wird, aus der zweiten Stellung in eine von der zweiten Stellung unterschiedliche dritte Stellung bewegt, welche beispielsweise der ersten Stellung entspricht. Somit wird beispielsweise bei dem zweiten Arbeitsschritt beziehungsweise während des zweiten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl 6 dadurch, dass das Beschichtungswerkzeug 8 bei dem zweiten Arbeitsschritt relativ zu der Mantelfläche 4 gedreht und translatorisch bewegt wird, von der zweiten Stelle beziehungsweise ausgehend von der zweiten Stelle zu einer von der zweiten Stelle unterschiedlichen dritten Stelle bewegt, welche beispielsweise der ersten Stelle entspricht. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zwischen dem Erreichen der zweiten Stellung durch das Beschichtungswerkzeug 8 beziehungsweise zwischen dem Erreichen der zweiten Stellung durch den Arbeitsstrahl 6 und dem Bewegen des Beschichtungswerkzeugs 8 aus der zweiten Stellung in die dritte Stellung beziehungsweise dem Bewegen des Arbeitsstrahls 6 von der zweiten Stelle zur dritten Stelle eine Bewegung des Beschichtungswerkzeugs 8 in eine von der zweiten Stellung unterschiedliche, weitere Stellung beziehungsweise ein Bewegen des Arbeitsstrahls 6 an eine von der zweiten Stelle unterschiedliche, weitere Stelle unterbleibt, sodass vorzugsweise mit dem zweiten Arbeitsschritt in der zweiten Stellung des Beschichtungswerkzeugs 8 beziehungsweise an der zweite Stelle des Arbeitsstrahls 6 begonnen wird. Somit wird beispielsweise während des zweiten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl 6 gegen die erst Teilschicht entlang einer zweiten Schraube ausgespritzt, während Windungen die Windungen der Schraube 19 kreuzen. Dadurch kann auf besonders vorteilhafte, zeit- und kostengünstige Weise eine besonders große Schichtdicke der Schicht 5 realisiert werden, deren Schichtdicke in radialer Richtung des Kreiszylinders beziehungsweise entlang der Spritzrichtung verläuft.
Bezugszeichenliste

1: Kurbelgehäuse
2: Zylinder
3: Zylinderwand
4: Mantelfläche
5: Schicht
6: Arbeitsstrahl
7: Pfeil
8: Beschichtungswerkzeug
9: Öffnung
10: Kammer
11: Heizelement
12: Leitungselement
13: Leitungselement
14: Kanal
15: Düse
16: Anschluss
17: Temperatursensor
18: Drucksensor
19: Schraube
20: Mittelachse
21: Drehachse
22: Pfeil
23: Pfeil
24: Pfeil
R: Radius
S: Steigung
W1, W2: Windung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Cold Spray Coatings for Automotive Cylinder Block Application‟, F. Azarmi, et al., ITSC 2019 - Proceedings of the International Thermal Spray Conference, 26. - 29. Mai 2019, Yokohama, Japan, Seiten 433 bis 440 [0003]

Claims

Verfahren zum Versehen einer Mantelfläche (4) mit einer Schicht (5) mittels Kaltgasspritzen, bei welchem ein ein Prozessgas und ein pulverförmiger Beschichtungswerkstoff umfassender Arbeitsstrahl (6) aus einem Beschichtungswerkzeug (8) ausgespritzt und gegen die Mantelfläche (4) gespritzt wird, wodurch die Schicht (5) auf der Mantelfläche (4) aus dem Beschichtungswerkstoff hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsstrahl (6) spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche (4) gespritzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als die Mantelfläche (4) eine innenumfangsseitige Mantelfläche (4) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls (6) gegen die Mantelfläche (4) das Beschichtungswerkzeug (8) und die Mantelfläche (4) relativ zueinander gedreht und gleichzeitig relativ zueinander translatorisch bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungswerkzeug (8) und die Mantelfläche (4) mit einer Drehzahl relativ zueinander gedreht werden, die in einem Bereich von einschließlich 80 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 200 Umdrehungen pro Minute, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 120 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 200 Umdrehungen pro Minute und ganz insbesondere in einem Bereich von einschließlich 120 Umdrehungen pro Minute bis einschließlich 160 Umdrehungen pro Minute, liegt.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungswerkzeug (8) und die Mantelfläche (4) mit einer Geschwindigkeit relativ zueinander translatorisch bewegt werden, welche in einem Bereich von einschließlich 2 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 16 Millimetern pro Sekunde, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 4 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 16 Millimetern pro Sekunde, und ganz insbesondere in einem Bereich von einschließlich 4 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 12 Millimetern pro Sekunde, liegt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit in einem Bereich von einschließlich 6 Millimetern pro Sekunde bis einschließlich 12 Millimetern pro Sekunde liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während eines ersten Arbeitsschritts das Beschichtungswerkzeug (8) in eine erste Bewegungsrichtung (22) relativ zu der Mantelfläche (4) translatorisch bewegt und gleichzeitig in eine Drehrichtung (23) relativ zu der Mantelfläche (4) gedreht wird, wodurch während des ersten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl (6) spiral- oder schraubenförmig gegen die Mantelfläche (4) gespritzt und dadurch aus dem Beschichtungswerkstoff eine erste Teilschicht der Schicht (5) hergestellt wird, wobei während eines zeitlich auf den ersten Arbeitsschritt folgenden zweiten Arbeitsschritts das Beschichtungswerkzeugs (8) in eine der ersten Bewegungsrichtung (22) entgegengesetzte, zweite Bewegungsrichtung (24) relativ zu der Mantelfläche (4) translatorisch bewegt und gleichzeitig in die Drehrichtung (23) relativ zu der Mantelfläche (4) gedreht wird, wodurch während des zweiten Arbeitsschritts der Arbeitsstrahl (6) spiral- oder schraubenförmig gegen die erste Teilschicht gespritzt und dadurch aus dem Beschichtungswerkstoff auf der ersten Teilschicht eine zweite Teilschicht der Schicht (5) hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas, insbesondere in dem Beschichtungswerkzeug (8), eine Temperatur aufweist, welche in einem Bereich von einschließlich 900 Grad Celsius bis einschließlich 1600 Grad Celsius, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 1000 Grad Celsius bis einschließlich 1600 Grad Celsius, ganz insbesondere einem Bereich von einschließlich 1050 Grad Celsius bis einschließlich 1600 Grad Celsius, und ganz vorzugsweise einem Bereich von einschließlich 1050 Grad Celsius bis einschließlich 1300 Grad Celsius, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas dem Beschichtungswerkzeug (8) mit einem Druck zugeführt wird und/oder in dem Beschichtungswerkzeug (8) einen Druck aufweist, wobei der Druck in einem Bereich von einschließlich 50 bar bis einschließlich 110 bar, insbesondere in einem Bereich von einschließlich 55 bar bis einschließlich 100 bar und ganz insbesondere in einem Bereich von einschließlich 70 bar bis einschließlich 90 bar, liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls (6) gegen die Mantelfläche (4) das Beschichtungswerkzeug (8) und/oder die Mantelfläche (4) um sich selbst gedreht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum spiral- oder schraubenförmigen Spritzen des Arbeitsstrahls (6) gegen die Mantelfläche (4) das Beschichtungswerkzeug (8) und die Mantelfläche (4) um eine Drehachse (21) relativ zueinander gedreht werden, um welche sich die Mantelfläche (4) herumerstreckt.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (4) bezüglich der Drehachse (21) rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Bauteil (1), mit einer Mantelfläche (4), welche mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Schicht (5) versehen ist.