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Die Erfindung betrifft eine Maske zum Auflegen auf eine Zylinderkopftrennfläche eines wenigstens eine Zylinderbohrung aufweisenden Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors während einer thermischen Beschichtung der Zylinderbohrung nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
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Eine solche Maske kann eingesetzt werden, um während einer thermischen Beschichtung einer Zylinderbohrung, beispielsweise mittels eines Verfahrens wie es grundlegend aus der
DE 10 2009 061 274 B3 bekannt ist, die Zylinderkopftrennfläche vor Overspray zu schützen. Alternative Ausgestaltungen von Masken sind dabei ebenso denkbar und werden beispielsweise in der
DE 10 2018 006 283 A1 oder auch der
DE 10 2008 028 959 A1 entsprechend beschrieben.
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Insbesondere die Maske aus dem eingangs genannten Stand der Technik hat sich in der Praxis bewährt. Sie ist so konstruiert, dass sie durch den Hohlraum im Auflagebereich, welcher um eine verlängerte Achse der Zylinderbohrung herum umlaufend ausgebildet ist, eine sehr gute Aufnahme von Overspray erlaubt und gleichzeitig ein Anhaften der Maske über eine zwischen der Zylinderbohrung und der Maske durchlaufende Beschichtung effizient verhindert.
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Zwischenzeitlich hat sich jedoch gezeigt, dass der der Maske zugewandte Bereich der Zylinderbohrung, also der obere Bereich, welcher später dem Zylinderkopf zugewandt ist, hinsichtlich der Qualität der Beschichtung von anderen Abschnitten der Beschichtung nachteilig abweicht. Insbesondere in diesem Bereich, welcher beim späteren Einsatz in dem Verbrennungsmotor der Bereich ist, in dem der Zylinder in der Zylinderbohrung seinen oberen Totpunkt erreicht, sind immer wieder hohe Porositäten, Lamellen, Intersplatgrenzen und ähnliche Defekte in der Beschichtung festzustellen. Diese ist dadurch in ihrer Anhaftung an dem Substrat der Zylinderbohrung teilweise beeinträchtigt. Gleichzeitig stellt der Bereich des oberen Totpunkts den im Betrieb am höchsten belasteten Bereich der Zylinderbohrung dar, sodass die dort verringerte Qualität der Beschichtung einen gravierenden Nachteil darstellt.
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Die Aufgabe der hier vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, eine Maske anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet und eine homogenere Beschichtung der Zylinderbohrung mit einer insbesondere im Bereich des oberen Totpunkts qualitativ hochwertigen Beschichtung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Maske mit den Merkmalen im Anspruch 1, und hier insbesondere im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den hiervon abhängigen Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemäße Maske ist im Wesentlichen so aufgebaut, wie die im eingangs beschriebenen Stand der Technik genannten Maske und weist einen umlaufenden Hohlraum auf. Den Erfindern hat sich nun gezeigt, dass die oben beschriebenen Nachteile vor allem mit dem Aufbau und der Geometrie der Maske zusammenhängen. Die von den Erfindern entwickelte Maske ist deshalb so ausgebildet, dass erfindungsgemäß der Hohlraum in Richtung der verlängerten Achse der Zylinderbohrung radial über seine gesamte Höhe offen ausgebildet ist. Anstelle eines Hohlraum, der nach unten zur Zylinderkopftrennfläche hin geöffnet ist und in die Zylinderkopfbohrung ragt und somit eine strömungstechnische Störkontur darstellt, haben die Erfinder nun eine Maske konstruiert, welche einen in Richtung der verlängerten Achse der Zylinderbohrung offenen Hohlraum aufweist. Dadurch ist es gelungen, eine deutlich bessere Qualität der Beschichtung im oberen Bereich der Zylinderkopfbohrung, welcher der Maske zugewandt ist, zu erreichen. Dies hat den entscheidenden Vorteil, dass durch die Verbesserung der Beschichtungsqualität in diesem hochbelasteten Bereich, in welchem der obere Totpunkt des Zylinders beim Einsatz in einer Verbrennungskraftmaschine liegt, eine sehr viel hochwertigere und langlebigere Beschichtung erzielt werden konnte.
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Untersuchungen der Erfinder haben belegt, dass im Gegensatz zu der bisher eingesetzten im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Maske der Sauerstoffgehalt während der Beschichtung in eben diesem oberen Bereich der Zylinderbohrung durch die neuartige Form der Hohlräume in der erfindungsgemäßen Maske deutlich reduziert werden kann. Durch diese Reduktion des Sauerstoffgehalts in diesem Bereich, sodass der beispielsweise beim Lichtbogendrahtspritzen mit dem Gasstrom des Partikelfreistrahls eingetragene Stickstoff - oder auch eine alternatives Inertgas - sich besser in diesem oberen Bereich der Zylinderbohrung hält, lässt sich die Oxidation der flüssigen noch nicht erstarrten Partikel soweit reduzieren, dass ein sehr viel homogeneres Schichtgefüge entsteht, wobei die so aufgetragene Beschichtung eine um bis zu 300% größere Haftzugfestigkeit als bisherige Beschichtungen aufweist. Außerdem wird die Oberflächenporosität deutlich geringer, was auf den deutlich verbesserten und homogeneren Schichtaufbau der gesamten Beschichtung zurückzuführen ist.
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Eine außerordentlich günstige Weiterbildung der erfindungsgemäßen Maske kann es dabei vorsehen, dass der Hohlraum im radialen Querschnitt mit einer gebogenen Kontur ausgebildet ist. Insbesondere eine solche gebogene Kontur, welche beispielsweise tropfenförmig, mit einer Begrenzungslinie in der Art einer Ellipse, einer Parabel oder dergleichen ausgebildet ist, erlaubt es den Effekt eines lange verbleibenden Stickstoffpolsters im Bereich des Übergangs zwischen der Zylinderbohrung und der Maske besonders effizient umzusetzen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung dieser Idee sieht es dabei vor, dass der Hohlraum im radialen Querschnitt kreissegmentförmig ausgebildet ist. Bereits ein Viertelkreis kann dabei deutliche Vorteile gegenüber dem Aufbau aus dem Stand der Technik erzielen. Besonders vorteilhaft wird es, wenn die Kontur durch einen kreisförmigen Bogen begrenzt wird, welcher durch eine parallel oder leicht schräg zur verlängerten Achse der Zylinderbohrung laufende Sehne begrenzt wird. Insbesondere bei einem solchen Aufbau der Kontur des Hohlraums lassen sich besonders vorteilhafte Effekte bezüglich einer langen Verweilzeit des Stickstoffs im oben beschriebenen Sinn erreichen.
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Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung dieser Idee kann es dabei vorgesehen sein, dass die Höhe des Kreissegments in etwa ein Drittel des Durchmessers der Zylinderbohrung beträgt. Gemäß einer außerordentlich günstigen Weiterbildung kann außerdem die Tiefe des Kreissegments zwischen der Sehne und dem der Sehne am entferntesten liegenden Punkt des Kreisbogens, also die sogenannte Segmenthöhe, in etwa ein Viertel des Durchmessers der Zylinderbohrung beträgt. Diese Abmessungen haben sich in den praktischen Versuchen und Simulationen besonders bewährt und erlauben ein sehr gutes Polster des Stickstoffes oder eines anderen alternativ dazu eingesetzten inerten Gases zum Transport und zum Schutz vor Oxidation der bei der thermischen Beschichtung aufgetragenen aufgeschmolzenen Partikel der späteren Beschichtung.
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Eine weitere sehr günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Maske kann es ferner vorsehen, dass der Durchmesser der Maske oberhalb, also auf der der Zylinderkopftrennfläche abgewandten Seite des Hohlraums, in etwa dem Durchmesser der Zylinderbohrung, auf welche sie aufgesetzt wird, entspricht, während der Durchmesser der Maske zwischen dem Hohlraum und der Zylinderkopfbohrung etwas größer als dieser Durchmesser gewählt ist.
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Dennoch kann in diesem Bereich, anders als bei den Masken gemäß dem Stand der Technik, ein, insbesondere zylindrischer, Abschnitt der Maske vorgesehen sein, welcher zusammen mit dem etwas größeren Durchmesser und dem sich dann unmittelbar anschließenden Hohlraum zu einer idealen Pufferung von Schutzgasen im Übergangsbereich zwischen der Zylinderbohrung und der Maske während des Beschichtungsprozesses führt. Durch das Zurückversetzen gegenüber dem Durchmesser der Zylinderbohrung kann so aber dennoch eine Anhaften der Maske an der Zylinderbohrung aufgrund einer durchlaufenden Beschichtung verhindert werden.
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Die oben bereits eingesprochene kreissegmentförmige Ausgestaltung des Hohlraums wäre in diesem Fall so gewählt, dass im radialen Querschnitt gesehen die Sehne, welche das Kreissegment zusammen mit dem Kreisbogen umrandet, in Richtung der Zylinderkopftrennfläche schräg verläuft, also zwischen der verlängerten Achse der Zylinderbohrung und der Sehne eine entsprechender Winkel eingeschlossen ist, welcher vorzugsweise in der Größenordnung von weniger als 10-15° liegt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maske ergeben sich auch aus den Ausführungsbeispielen, welche nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren näher beschrieben sind.
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Dabei zeigen:
- 1 eine Schnittdarstellung einer Maske gemäß dem Stand der Technik mit eingezeichneter Sauerstoffverteilung während der thermischen Beschichtung;
- 2 eine Maske in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung in einer Darstellung analog zu der in 1; und
- 3 eine alternative Ausgestaltung einer Maske gemäß der Erfindung in einer Darstellung analog zu der in den 1 und 2.
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Das erfindungsgemäße Ausführungsbeispiel beschäftigt sich mit einer thermischen Beschichtung in Form eines sogenannten Lichtbogendrahtspritzens, welches auch als LDS bezeichnet wird.
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Bei dieser Beschichtungstechnik kommen die auch im eingangs genannten Stand der Technik beschriebenen Masken 4, welche entsprechend diesem Stand der Technik auch in 1 nochmals dargestellt sind, zum Einsatz. Dabei ist ein Ausschnitt aus einem Kurbelgehäuse 1 mit einer darin angebrachten Zylinderbohrung 2 schematisch dargestellt. Auf eine Zylinderkopftrennfläche 3 ist eine Maske 4 gemäß dem Stand der Technik mit einem Auflagebereich 10 aufgesetzt. Diese weist einen Hohlraum 5 auf, welcher umlaufend um eine zentrale über die Zylinderbohrung 2 hinaus verlängerten Achse 6 angeordnet ist. In dem dargestellten Abschnitt der Zylinderbohrung 2 befindet sich ein mit 7 bezeichneter Lichtbogendrahtbrenner, in welchem in an sich bekannter Art und Weise zwei Drähte mit dem Material des gewünschten Beschichtungswerkstoffs aufgeschmolzen und über einen Gasstrahl auf die Oberfläche der Zylinderbohrung transportiert werden. Dieser Transport findet dabei mit einem inerten Gas statt. Dieses inerte Gas, welches auch als Schutzgas bezeichnet werden könnte, kann beispielsweise Stickstoff sein. Der Stickstoff dient dabei einerseits zum Transport der im Lichtbogen aufgeschmolzenen Partikel auf die zu beschichtende Oberfläche in einem hier schematisch angedeuteten sogenannten Partikelfreistrahl 8. Außerdem bildet der Stickstoff in gewissen Bereichen der Zylinderbohrung 2 und innerhalb der Maske 4 ein Gaspolster aus, in dem der Gehalt an Sauerstoff deutlich unter 10 Vol.-% liegt. Dieser Bereich ist in der Darstellung der Figur durch eine Kreuzschraffur entsprechend angedeutet. Der lediglich schrägschraffierte Bereich zeigt dabei einen Sauerstoffgehalt von mehr als 10 Vol.-%, insbesondere handelt es sich dabei um Luft, welche aus der umgebenden Atmosphäre hinzuströmt und dort ganz oder mit dem Schutzgas vermischt vorliegt, sodass sich der deutlich höhere Sauerstoffgehalt als im Bereich des Schutzgaspolsters einstellt.
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In der Darstellung der 1 ist nun zu erkennen, dass der Bereich mit dem relativ geringen Sauerstoffgehalt sich im Wesentlichen auf die unmittelbare Umgebung des Partikelfreistrahls 8, den Hohlraum 5 sowie einen kleinen Bereich entlang der beschichteten Oberfläche sowie auf der Rückseite des in der Zylinderbohrung 2 rotierenden und sich auf und ab bewegenden Brenners 7 beschränkt. Dies führt letzten Endes zu einer Beschichtung, welche in einem Schliffbild zahlreiche Lamellenstrukturen und Intersplatgrenzen erkennen lässt, und welche einen relativ inhomogenen Schichtaufbau mit einer Oberflächenporosität von bis zu 1000 µm3/mm2 oder noch größer aufweist.
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Variiert man nun den Hohlraum 5 im erfindungsgemäßen Sinn, sodass dieser über seine gesamte Höhe H in Richtung der verlängerten Achse 6 der Zylinderbohrung 2 offen ausgebildet ist, erhält man beispielsweise die in 2 dargestellte Kontur der Maske 4 mit einem Hohlraum 5, welcher im hier dargestellten radialen Querschnitt im Wesentlichen viertelkreisförmig ist. Dies führt zu einer deutlich günstigeren Verteilung des Sauerstoffgehalts während der Beschichtung. So ist in der Darstellung der 2 wiederum derselben Schematik wie in der Darstellung der 1 folgend in der Kreuzschraffur der Bereich mit einem Sauerstoffgehalt von weniger als 10 Vol.-% und in der schrägen Schraffur derjenige Bereich mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 10 Vol.-% entsprechend angedeutet. Deutlich ist zu erkennen, dass weitaus mehr Stickstoff im eigentlichen Bereich der Beschichtung gepuffert wird als beim Einsatz einer Maske mit einem Hohlraum 5 in der Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik.
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Den Erfindern ist es nun gelungen, diese in Richtung der Achse 6 offene Struktur des Hohlraums 5 über dessen gesamte Höhe H noch weiter zu optimieren. Dieser Aufbau ist in der Darstellung der 3 zu erkennen. Die Maske 4 weist den in Richtung der Achse 6 offenen Hohlraum 5 nun in der Art eines Kreissegments auf, und zwar mit einer Höhe H und einer Tiefe T zwischen dem Durchmesser der Maske 4 oberhalb des Hohlraums und dem Punkt des radial größten Durchmessers des Hohlraums 4. Insgesamt ist dabei auf der der Zylinderkopftrennfläche 3 zugewandten Seite der Durchmesser eines das Kreissegment begrenzenden, hier insbesondere zylindrischen, Abschnitts 9 der Maske 4 etwas größer als die Zylinderbohrung 2 selbst, während der Durchmesser auf der der Zylinderkopftrennfläche 3 abgewandten Seite des Hohlraums in etwa dem der Zylinderbohrung 2 entspricht. Die Höhe h dieses zylindrischen Abschnitts 9, welcher also vorteilhafterweise einen etwas größeren Durchmesser als die Zylinderbohrung 2 bzw. die Maske 4 im oberen Bereich aufweist, ist dabei sehr viel kleiner als die Höhe H des Hohlraums 5. Insbesondere liegt sie bei weniger als einem Viertel, besonders bevorzugt bei weniger als einem Sechstel der Höhe H des Hohlraums 5.
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Die Höhe H des über seine gesamte Höhe H offenen Aufbaus des Hohlraums 5 ist nun in etwa in der Größenordnung von einem Drittel des Durchmessers der Zylinderbohrung 2 die bereits angesprochene Tiefe T des Hohlraums 5, die geometrisch auch als Segmenthöhe bezeichnet wird, liegt bei in etwa einem Viertel des Durchmessers der Zylinderbohrung 2. Mit dieser geometrischen Ausgestaltung lässt sich nun um den gesamten Partikelfreistrahl 8 und das gesamte untere Ende des Lichtbogendrahtbrenners 7 herum während des Beschichtungsprozesses ein Polster aus Gasen halten, deren Sauerstoffgehalt deutlich kleiner als 10 Vol.-% ist. Auch dies ist hier wieder durch die kreuzschraffierte Darstellung im Gegensatz zur schraffierten Darstellung der Gase der Bereiche mit einem Sauerstoffgehalt von mehr als 10 Vol.-% entsprechend angedeutet.
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Dabei ist bereits hier sehr gut zu erkennen, dass im gesamten Bereich, in dem die Beschichtung aufgetragen wird und in dem die für die Beschichtung vorgesehenen Partikel flüssig unterwegs sind, ein sehr geringer Sauerstoffgehalt vorliegt. Die Gefahr einer Oxidation der Partikel, verbunden mit der Gefahr der Ausbildung von Lamellen, Intersplatgrenzen und großen Poren, lässt sich so deutlich reduzieren. Dies führt in der Folge zu einem sehr homogenen Schichtaufbau in dieser quasi sauerstofffreien oder zumindest sauerstoffarmen Atmosphäre. In einem Schliffbild einer solchen Beschichtung lassen sich kaum noch Lamellenstrukturen mehr erkennen, die Porosität ist auf das gewünschte Maß reduziert und tritt in Form von relativ gleichmäßigen Poren und weitgehend ohne Intersplatgrenzen auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008028960 A1 [0002]
- DE 102008028964 [0002]
- DE 102008028962 A1 [0002]
- DE 102009061274 B3 [0003]
- DE 102018006283 A1 [0003]
- DE 102008028959 A1 [0003]
