DE10258174B4 - Verfahren zur Herstellung einer thermisch aufgesprühten Metallbeschichtung - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer thermisch aufgesprühten Metallbeschichtung Download PDF

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Abstract

Verfahren zum thermischen Sprühbeschichten einer Zylinderwand eines Leichtmetall-Motorblocks, bei dem:
eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzeinrichtung (HVOF-Einrichtung) vorgesehen wird;
ein Zuführdraht aus einem auf Eisen basierenden Material in die HVOF-Einrichtung vorgerückt wird, um ein vorderes Ende des Drahts in einer Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu positionieren;
der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung eine Hochgeschwindigkeits-Strahlströmung eines gasförmigen Brennstoffs zugeführt wird;
der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung eine Hochgeschwindigkeits-Strahlströmung von Sauerstoff zugeführt wird und der Sauerstoff und der Brennstoff verbrannt werden, um ausreichend Wärme in der Hochtemperaturzone zu erzeugen, um das vordere Ende des Zuführdrahts in der Hochtemperaturzone aufzuschmelzen, und das aufgeschmolzene Material des Zuführdrahts auf die Oberfläche der Zylinderwand des Motorsblocks aufgesprüht wird, wodurch eine Beschichtung darauf ausgebildet wird; und
die Strömung des Sauerstoffs relativ zu der Strömung des gasförmigen Brennstoffs so gesteuert wird, dass ein Überangebot von Sauerstoff vorgesehen wird, das über den Sauerstoff hinausgeht, der für eine stöchiometrische Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs erforderlich...

Description

  • Diese Erfindung betrifft allgemein Verfahren zum Sprühbeschichten von Zylinderwänden eines Leichtmetall-Motorblocks unter Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsflammspritzsystems (HVOF-System) und insbesondere das Aufbringen von Beschichtungen, die auf Eisen basieren.
  • Es ist auf dem Fachgebiet bekannt, die Zylinderwände von Aluminiummotorblöcken unter Verwendung von Hochgeschwindigkeitsflammspritzsystemen (HVOF-Systemen) mit einem auf Eisen basierenden Material thermisch zu sprühbeschichten. Beispiele von bekannten HVOF-Systemen schließen diejenigen ein, die in den US-Patenten 5,014,916, 5,148,986, 5,275,336, 4,578,114 und 5,334,235 offenbart sind, bei denen ein Strahl aus Sauerstoff und gasförmigem Brennstoff im Inneren einer HVOF-Pistole entzündet wird, um einen Zuführdraht aus einem auf Eisen basierenden Material zu schmelzen, das durch den Strahl des brennenden Sauerstoff-Brennstoffs aus der Pistole auf die Oberfläche der Zylinderwand ausgestoßen wird. Die Aufbringungsrate ist durch die Aufschmelzrate des Zuführdrahtmaterials begrenzt.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Effizienz derartiger HVOF-Systeme zu erhöhen.
  • Ein Verfahren zum thermischen Sprühbeschichten einer Zylinderwand eines Leichtmetall-Motorblocks weist das Vorsehen einer Hochgeschwindigkeits-Sauerstoffbrennstoffeinrichtung (HVOF-Einrichtung) und das Vorrücken eines Zuführdrahts aus einem auf Eisen basierenden Material in die HVOF-Einrichtung auf, um ein vorderes Ende des Drahts in einer Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu positionieren. Hochgeschwindigkeits-Strahlströmungen von Sauerstoff und gasförmigem Brennstoff werden der Hochtemperaturzone zugeführt und verbrannt, um ausreichend Wärme zu erzeugen, um das vordere Ende des Zuführdrahts zu schmelzen und um das aufgeschmolzene Material des Zuführdrahts auf die Zylinderwand des Motorblocks zu sprühen. Gemäß einem kennzeichnenden Merkmal der Erfindung wird die Zufuhr des Sauerstoffs zu der HVOF-Einrichtung so gesteuert, dass ein Überangebot von Sauerstoff in der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung geschaffen wird, das über der Sauerstoffmenge liegt, die für eine stöchiometrische Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs liegt. Der überschüssige Sauerstoff reagiert in der Hochtemperaturzone mit einer entsprechenden zugeordneten Fraktion des auf Eisen basierenden Zuführmaterials, um die entsprechende Fraktion des Zuführmaterials als Festbrennstoffquelle zu verbrennen, um eine zusätzliche Wärmequelle in der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu erzeugen.
  • Die Erfindung hat den Vorteil, dass der HVOF-Einrichtung Sauerstoff im Überschuss zugeführt wird, so dass ein Teil des auf Eisen basierenden Zuführmaterials als Quelle von Festkörperbrennstoff verbraucht wird, so dass sich die Temperatur und die Intensität des Aufheizens in der Hochtemperaturzone erhöht, wodurch die Rate wesentlich erhöht wird, mit der das auf Eisen basierende Zuführmaterial durch die HVOF-Einrichtung in eine aufgesprühte Beschichtung auf den Zylinderwänden umgewandelt werden kann. Folglich schafft das Verfahren der vorliegenden Erfindung einen effizienteren Prozess zum thermischen Aufsprühen von auf Eisen basierenden Beschichtungen auf Zylinderwandsubstraten in einem HVOF-System, wodurch die Aufbringungsrate des Beschichtungsmaterials erhöht wird und die Anzahl von Zylinderwandoberflächen, die in einer vorgegebenen Zeit beschichtet werden können, stark erhöht wird. Außerdem ermöglicht das Verfahren der vorliegenden Erfindung, bei Verwendung des HVOF-Systems einen Zylinderblock ohne die Verwendung einer Kühlwasserströmung in dem Wassermantel des Blocks zu bearbeiten.
  • Die Erfindung hat ferner den Vorteil, dass durch die Steuerung der Sauerstoffströmung relativ zur Strömung des gasförmigen Brennstoffs eine einfache Lösung zur Erhöhung der Effizienz und der Aufbringungsrate von HVOF-Systemen bei Verwendung von Standardmaterialien geschaffen wird, nämlich bei Verwendung von standardmäßigem Sauerstoff und standardmäßigen gasförmigen Brennstoffarten und standardmäßigem, auf Eisen basierendem Zuführmaterial.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist außerdem, dass die hohe Wärmekapazität, die bei der Verbrennung der Fraktion des Zuführmaterials erzeugt wird, die Abhängigkeit von dem gasförmigen Brennstoff als der einzigen Wärmequelle zum Aufschmelzen des Zuführmaterials in der Hochtemperaturzone verringert. Die ergänzende Wärme, die durch die Verbrennung des Zuführmaterials erzeugt wird, ermöglicht es dem Anwender der vorliegenden Erfindung, aus einer Vielzahl von gasförmigen Brennstoffen auszuwählen, einschließlich einiger kostengünstiger Brennstoffe, die, jeweils für sich genommen, für eine annehmbare Leistung eines HVOF-Systems nicht genügend Wärme in dem HVOF-System bereitstellen können. Ergänzt durch die Verbrennung des Zuführmaterials als Festkörperbrennstoffquelle können diese ansonsten ungeeigneten gasförmigen Brennstoffquellen jedoch als kostengünstige Alternativen für die gasförmige Brennstoffquelle in einem HVOF-System in Betracht kommen.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass die Verbrennung einer Fraktion des auf Eisen basierenden Zuführmaterials Eisenoxide erzeugt, die als Teil der thermisch aufgesprühten Beschichtung eingebaut werden. Die Präsenz von Eisenoxidteilchen erhöht die Abriebfestigkeit der thermisch aufgesprühten Beschichtung.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung kann Aluminium zu dem auf Eisen basierenden Zuführmaterial hinzugegeben werden, um den Sauerstoffanteil in der aufgesprühten Beschichtung herabzusetzen und um die Form des Oxids von FeO in FeAl2O4 zu ändern. FeO ist eine metastabile Oxidphase, die sich im Laufe der Zeit bei Motorbetriebstemperaturen in einer Volumen expandierenden Reaktion zu Fe3O4 umwandeln kann. FeAl2O4 ist eine stabile Oxidphase, die sich bei Motorbetriebstemperaturen nicht umwandelt. Die Präsenz von Aluminium in dem Oxid verbessert die Abriebfestigkeit der thermischen aufgesprühten Beschichtung weiter, und die Beschichtung ist weniger spröde als eine Beschichtung, die FeO-Oxide aufweist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung sind Zusätze in dem auf Eisen basierenden Zuführmaterial vorgesehen, um die Versprödung aufgrund von Verunreinigungen, wie beispielsweise Schwefel, zu kontrollieren. Gemäß der Erfindung hat die Einbringung von Yttrium, Calcium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Hafnium, Cerium oder Lanthan den günstigen Effekt, dass durch diese Elemente Verunreinigungen gebunden werden, so dass deren Fähigkeit zur Segregation an Grenzflächen, wie beispielsweise Korngrenzen, eliminiert wird, wodurch eine durch solche Verunreinigungen verursachte Versprödung reduziert oder eliminiert wird.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der folgenden Beschreibung und in den beigefügten Zeichnungen offenbart, wobei:
  • 1 eine schematische isometrische Ansicht eines Motorblocks aus Gussaluminium ist, der teilweise weggebrochen und im Schnitt gezeigt ist, und den erfindungsgemäßen Prozess der Beschichtung der Wände der Zylinder darstellt; und
  • 2 eine vergrößerte fragmentarische Schnittansicht eines Zylinders des Motorblocks ist, der erfindungsgemäß beschichtet wird.
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung, teilweise im Schnitt und weggebrochen, eines Motorblocks 10 für einen Vierzylindermotor mit vier Zylinderkammern, die in dem Motorblock 10 durch Zylinderwände 12 definiert sind. Der Motorblock 10 ist aus einem Leichtmetall gegossen, wie beispielsweise Aluminium, Magnesium oder Legierungen davon.
  • Erfindungsgemäß wird ein Sprühnebel 14 aus atomisiertem Material auf Eisenbasis auf die Zylinderwände 12 aufgebracht, um auf diesen eine thermisch aufgesprühte Beschichtung 16 des Materials zu bilden. Die Zylinderwände 12 werden anfangs gereinigt, beispielsweise durch Wasserätzen gemäß einer bekannten Praxis. Die Beschichtung 16 wird unter Verwendung einer thermischen Sprüheinrichtung 18 für Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) aufgebracht, und Praktiken, die auf dem Fachgebiet im Wesentlichen bekannt aber erfindungsgemäß abgewandelt sind, werden nachfolgend beschrieben. Die HVOF-Metallsprühpistoleneinrichtung 18 weist einen oder mehrere röhrenförmige Beschichtungsköpfe 20 auf, die sich zu den Zylinderwänden 12 beabstandet in die offenen Zylinder des Motorblocks 10 hinein erstrecken, wie es in den Zeichnungen schematisch dargestellt ist. Gemäß der HVOF-Praxis werden eine Strahlströmung von Sauerstoff, die von einer Sauerstoffquelle 22 stammt, und eine Strahlströmung eines gasförmigen Brennstoffs, die von einer Gasquelle 24 stammt, durch den Beschichtungskopf 20 geleitet und entzündet, um den gasförmigen Brennstoff 24 in einer Hochtemperaturzone 26 des Beschichtungskopfes 20, die einer Austrittsdüse 28 des Beschichtungskopfes 20 benachbart ist, zu verbrennen. Sobald die Flamme des brennenden Gases einmal entzündet ist, brennt sie von selbst.
  • Material für die Beschichtung 16 wird der HVOF-Sprühpistole 18 zugeführt, in der es in der Hochtemperaturzone 26 aufgeschmolzen wird und durch den Strahl des Hochgeschwindigkeitsgases durch eine Düsenöffnung 30 aus der Düse 28 hinausgeblasen und auf der inneren Oberfläche der Zylinderwände 12 abgeschieden wird. Das auf Eisen basierende Zuführmaterial 32 wird vorzugsweise in Drahtform zugeführt und, vorzugsweise als ein einzelner Draht, nach unten durch den Beschichtungskopf 20 eingeführt, wo das untere vordere Ende des Drahts in die Hochtemperaturzone 26 eintritt und durch die brennenden Gase aufgeschmolzen wird. Der Beschichtungskopf 20 wird automatisch um den Zuführdraht 32 rotiert und in der Längsrichtung des Zylinders hin und her bewegt, wie es im Wesentlichen in dem US-Patent 5,080,056 beschrieben ist, das der Anmelderin der vorliegenden Erfindung gehört und dessen Offenbarung durch Bezug hierin mitaufgenommen wird.
  • Die Standard-HVOF-Praxis zum Aufbringen, derartiger Beschichtungen wird erfindungsgemäß wie folgt abgewandelt. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die Strömung von Sauerstoff zu der Hochtemperaturzone 26 derart gesteuert, dass das Volumen des zu der Hochtemperaturzone 26 zugeführten Sauerstoffs die Menge von Sauerstoff überschreitet, die für eine stöchiometrische Verbrennung des der Hochtemperaturzone 26 zugeführten gasförmigen Brennstoffs 24 erforderlich ist. Mit anderen Worten gibt es eine Zufuhr von der Hochtemperaturzone 26 zugeleitetem Sauerstoff, die über das hinausgeht, was für eine Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs 24 erforderlich ist. Erfindungsgemäß reagiert diese überschüssige Sauerstoffzufuhr in der Hochtemperaturzone exotherm mit dem auf Eisen basierenden Zuführmaterial 32, und der überschüssige Sauerstoff verbrennt (schmilzt nicht nur auf, sondern verbraucht) in der Temperaturzone 26 einen Teil des Zuführmaterials 32 zur Erzeugung erheblicher Wärme, so dass das auf Eisen basierende Zuführmaterial 32 sowohl als Quelle von Festkörperbrennstoff als auch als Beschichtungsmaterial dient. Die Verbrennung des Teils des Zuführmaterials im Inneren des Beschichtungskopfes 20 schafft eine zu der Verbrennung des Brennstoffgases 24 zusätzliche Wärmequelle, wodurch die Temperaturumgebung in der Hochtemperaturzone 26 stark erhöht wird. Die teilweise Verwendung des Zuführmaterials als Festkörperbrennstoff hat mehrere praktische Vorteile, die nachfolgend diskutiert werden. Damit das Zuführmaterial 32 besonders effektiv als Wärme erzeugende Festkörper brennstoffquelle dient, sollte das Überangebot von Sauerstoff ungefähr das Zweifache der Menge betragen, die für eine stöchiometrische Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs 24 erforderlich ist.
  • Es gibt mehrere Vorteile, die erreicht werden, indem man eine thermische Sprühbeschichtung von auf Eisen basierendem Material erfindungsgemäß vorbereitet und aufbringt, wobei überschüssiger Sauerstoff zugeführt wird, um einen Teil des Zuführmaterials als Festkörperbrennstoffquelle zu verbrennen. Die Temperatur, die durch die Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs 24 erzeugt wird, ist heiß genug, um das auf Eisen basierende Zuführmaterial (das einen Schmelzpunkt von weniger als ungefähr 1538°C (2800°F) aufweist) aufzuschmelzen, aber sie erreicht nicht die Siede- oder Verbrennungstemperatur von Eisen, die ungefähr 2982°C (5400°F) beträgt. Das Überangebot von Sauerstoff reagiert im Inneren des Beschichtungskopfes 20 bei hoher Temperatur mit einer Fraktion des aufgeschmolzenen, auf Eisen basierenden Zuführmaterials 32, und die exotherme Reaktion erreicht Temperaturen, die ausreichen, um die Fraktion des Zuführmaterials zu verbrennen, wodurch in der Folge Wärme freigesetzt wird und die Gesamttemperatur in der Hochtemperaturzone 26 erhöht wird. Die erhöhte Temperaturumgebung erhöht die Drahtabscheidungsrate. Bei Studien, die mit und ohne Verbrennung des auf Eisen basierenden Zuführmaterials durchgeführt wurden, fand man heraus, dass erfindungsgemäß ungefähr 7,7 kg (17 pounds) des Zuführmaterials pro Stunde abgeschieden werden, während ungefähr 3,2 kg (7 pounds) pro Stunde abgeschieden werden, wenn die Sauerstoffmengen auf einem ungefähr stöchiometrischen Niveau gehalten werden. Dementsprechend ist die Abscheidungsrate um mehr als das Zweifache erhöht.
  • Ein weiterer Vorteil der Verwendung des auf Eisen basierenden Zuführmaterials als Festbrennstoff besteht darin, dass es eine ziemlich kostengünstige Brennstoffquelle ist. Kohlenstoffarmer Stahl in Drahtform ist beispielsweise relativ kostengünstig und auf dem Markt leicht erhältlich. Zusätzlich bietet die Verwendung des auf Eisen basierenden Zuführmaterials 32 als Brennstoffquelle Möglichkeiten zur Auswahl aus gasförmigen Brennstoffquellen 24, die in einem HVOF-System sonst nicht geeignet oder ausreichend wären. Das frühere US-Patent 5,080,056 offenbart die Verwendung von Propylen als Brennstoffquelle in einem HVOF-System, das bei einer Temperatur von ungefähr 2760°C (5000°F) verbrennt. Erfindungsgemäß können andere, leichter verfügbare gasförmige Brennstoffquellen verwendet werden, wie beispielsweise Erdgas, das den meisten größeren Fabrikanlagen bereits zugeführt wird und das eine kostengünstige Alternative zu dem üblichen Propylen darstellen würde. Eine weitere leicht verfügbare, kostengünstige Alternative für einen gasförmigen Brennstoff ist Propan. Propylen weist einen höheren Wärmeinhalt als Methan oder Propan auf und wäre für sich allein genommen für übliche HVOF-Anwendungen besser geeignet. Es ist üblicherweise jedoch teurer, und der relativ hohe Wärmeinhalt muss bei dem erfindungsgemäßen HVOF-Verfahren nicht unbedingt erforderlich sein, bei dem Sauerstoff im Übermaß mit einer Rate zugeführt wird, die ausreichend ist, um einen Teil des auf Eisen basierenden Zuführmaterials als Festbrennstoffquelle zu verbrennen. Folglich können kostengünstigere, leichter verfügbare gasförmige Brennstoffe, wie unter anderem beispielsweise das voranstehend erwähnte Methan und Propan, verwendet werden, obwohl sie jeweils für sich genommen nicht den Wärmeinhalt teurerer Brennstoffe, wie beispielsweise Propylen, hätten.
  • Ein weiterer signifikanter Vorteil der Verwendung des auf Eisen basierenden Zuführmaterials als Festbrennstoffquelle ist, dass es zu einer größeren Aufbringungsrate des thermisch aufgesprühten Beschichtungsmaterials führt und dass somit eine größere Anzahl von Zylinderbohrungswänden in einer vorgegebenen Zeit beschichtet werden können, verglichen mit dem Betrieb eines HVOF-Systems ohne die Verwendung des Zuführmaterials als Festbrennstoffquelle. Ein weiterer Vorteil, der durch das vorliegende Verfahren erreicht wird, besteht darin, dass die höhere Abscheidungsrate auf den Wänden des Zylinders es erlaubt, die Beschichtung in einer kürzeren Zeitdauer aufzubringen, so dass es durch den Beschichtungsprozess eine geringere Aufheizung des Substratblockmaterials gibt, als sie verursacht wird, wenn lediglich eine gasförmige Brennstoffquelle in einem HVOF-System verwendet wird. Es ist folglich möglich, die Wände der Zylinderbuchsen zu beschichten, ohne eine zusätzliche Kühlung des Motorblocks vorzusehen.
  • Ein weiterer Vorteil der Verbrennung einer Fraktion des auf Eisen basierenden Zuführmaterials besteht darin, dass die Nebenprodukte des Verbrauchs des Festbrennstoffs Metalloxide sind, die in die Sprühbeschichtung eingebaut werden und die die Abriebfestigkeit der Beschichtung 16 erhöhen. Wenn ein kohlenstoffarmer Stahldraht als Zuführmaterial 32 verwendet wird, ist Wüstit (FeO) das vorherrschende, durch die Verbrennung des Zuführmaterials erzeugte Oxid, das in die Beschichtung 16 eingebaut wird. Es ist jedoch bevorzugt, Aluminium in den Stahldraht 32 einzubauen, was den Effekt hat, dass der Sauerstoffanteil in der Sprühbeschichtung 16 reduziert wird und dass das gebildete Oxid verändert wird. Bei einem auf Eisen basierenden Zuführdraht 32 weist die Sprühbeschichtung 16 ungefähr 8 – 12 Gew.-% FeO oder ungefähr 35 – 55 Vol.-% FeO auf, aber besonders bevorzugt 10 – 12 Gew.-% FeO. Durch Zusatz von etwa 1,5 – 3,0 Gew.-% (und vorzugsweise etwa 2,0 – 2,5 Gew.%) Aluminium zu dem auf Eisen basierenden Zuführdraht 32 ändert sich das Oxid von Wüstit (FeO) zu überwiegend Hercynit (FeAl2O4). Wenn alles andere gleich bleibt, liegt das Hercynit in einem Bereich von etwa 3 – 7 Gew.-% in der Beschichtung vor. Die Zugabe des Aluminiums weist somit zwei Vorteile auf. Erstens wird durch die Reduzierung des Sauerstoffanteils der Gesamtanteil von Metalloxid von 8 – 12 Gew.-% FeO auf 3 – 7 Gew.-% FeAl2O4 reduziert. Während Oxide günstige Abriebeigenschaften aufweisen, machen sie die Beschichtung aber auch spröder, und der Bereich von 3 – 7 Gew.-% behält günstige Abriebeigenschaften bei, während er gleichzeitig die Sprödigkeit der Sprühbeschichtung reduziert. Zweitens ist Wüstit (FeO) eine metastabile Oxidphase, die sich im Laufe der Zeit bei Motorbetriebstemperaturen mit einer entsprechenden Volumenexpansion zu Magnetit (Fe3O4) umwandeln kann. Hercynit (FeAl2O4) ist eine stabile Oxidphase (Spinel), die sich bei Motorbetriebstemperaturen nicht umwandelt.
  • Ein kohlenstoffarmer Draht mit einem Durchmesser von 4,76 mm (3/16 Inch), der dem HVOF-Beschichtungskopf 20 zugefüttert wird, in den Methan mit einer Rate von 2,83 – 4,25 Standardkubikmeter pro Stunde (100 – 150 SCFH (Standardkubikfuß pro Stunde)) eingeleitet und Sauerstoff mit einer Rate von 17,00 Standardkubikfuß pro Stunde (600 SCFH) eingeleitet wird, erzeugte eine Verbrauchsrate des Zuführdrahts von ungefähr 91,4 cm (36 Inch) pro Minute, verglichen mit einer stöchiometrischen Strömungsrate von Sauerstoff von 7,08 Standardkubikfuß pro Stunde (250 SCFH) bei der gleichen Gasströmung, die eine Verbrauchsrate des Zuführdrahtmaterials von ungefähr 35,6 cm (14 Inch) pro Minute erzeugte.
  • Die bevorzugte Beschichtung 16 weist eine Dicke von weniger als 0,2 mm und vorzugsweise im Bereich von 0,050 – 0,175 mm auf, und der Zeitzyklus für die thermische Sprühbeschichtung der Wand eines Zylinders eines Aluminiummotorblocks mit einer Dicke von 0,150 mm der fertiggestellten Beschichtung beträgt ungefähr 60 Sekunden, wenn der Zuführdraht 32 als Festbrennstoffquelle verwendet wird, verglichen mit einem Zeitzyklus von ungefähr 160 Sekunden bei einer HVOF-Beschichtung, bei der eine stöchiometrische Verbrennung von Gas eingesetzt wird.
  • Zusätzlich zu dem Aluminium können auch andere Zusätze zu dem Ausgangsmaterial des kohlenstoffarmen Eisendrahts 32 hinzugegeben werden, um eine Verunreinigungssprödigkeit der thermischen Sprühbeschichtung zu vermeiden. Wenn die aufgeschmolzenen Tröpfchen des Beschichtungsmaterials auf die Oberfläche der Zylinderwände 12 aufgesprüht werden, kühlen sie sofort ab und verfestigen sich, wobei die Tröpfchen aufeinander aufbauen, um eine dichte Beschichtung zu erzeugen. Schwefel und andere relativ große Verunreinigungsatome können als Versprödungsmittel jedoch besonders schädlich sein, wenn sie in den Beschichtungsmaterialien vorliegen, da sie dazu tendieren, an die inneren Grenzflächen der Beschichtung (wie beispielsweise Korngrenzen und die Oberflächen der einzelnen Tröpfchen) zu segregieren, was die Hafteigenschaften der Beschichtung hemmen und zu einem Absplittern führen kann. Die Versprödungseffekte derartiger Verunreinigungen können durch den Zusatz von Yttrium, Calcium, Magnesium, Titan, Zirkonium, Haffnium, Cerium und/oder Lanthan vermindert oder eliminiert werden. Beispielsweise hat man herausgefunden, dass der Zusatz von weniger als 1 Gew.-% von Yttrium ausreichend ist, um die Effekte von Schwefelversprödung bei der erfindungsgemäßen Stahlbeschichtung durch thermisches Aufsprühen zu eliminieren. Ähnliche Prozentwerte kommen für die anderen Antiversprödungsmittel in Frage. Das Aluminium und die Antiversprödungszusätze können der Hochtemperaturzone 26 des HVOF-Beschichtungskopfes als Draht 32 aus einem legierten Ausgangsmaterial zugeführt werden, als Beschichtung, die auf einen Draht aus einem Ausgangsmaterial mit geringem Kohlenstoffgehalt aufgebracht ist, oder sie können als Verbunddraht getrennt hinzugegeben werden.
  • Die offenbarten Ausführungsformen stellen derzeit bevorzugte Formen der Erfindung dar, aber sie sollen die Erfindung eher illustrieren als sie definieren. Die Erfindung ist in den Ansprüchen definiert.
  • Zusammengefasst werden die Zylinderwände eines Leichtmetall-Motorblocks unter Verwendung einer HVOF-Einrichtung mit einer auf Eisen basierenden Beschichtung thermisch sprühbeschichtet. Ein auf Eisen basierender Draht wird so in die HVOF-Einrichtung eingeführt, dass sich ein vorderes Ende des Drahts in einer Hochtemperaturzone der Einrichtung befindet. Strahlströmungen von Sauerstoff und gasförmigem Brennstoff werden in die Hochtemperaturzone eingeleitet und verbrannt, um zum Aufschmelzen des vorderen Endes Wärme zu erzeugen. Der Sauerstoff wird relativ zu dem gasförmigen Brennstoff im Überschuss zugeführt. Der überschüssige Sauerstoff reagiert mit und verbrennt einen Teil des auf Eisen basierenden Zuführdrahts in einer exothermen Reaktion, um erhebliche zusätzliche Wärme in der HVOF-Einrichtung zu erzeugen. Das aufgeschmolzene/verbrannte Metall wird durch die Strahlströmung der Gase durch die Einrichtung auf die Wände des Zylinders aufgesprüht.

Claims (11)

  1. Verfahren zum thermischen Sprühbeschichten einer Zylinderwand eines Leichtmetall-Motorblocks, bei dem: eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzeinrichtung (HVOF-Einrichtung) vorgesehen wird; ein Zuführdraht aus einem auf Eisen basierenden Material in die HVOF-Einrichtung vorgerückt wird, um ein vorderes Ende des Drahts in einer Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu positionieren; der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung eine Hochgeschwindigkeits-Strahlströmung eines gasförmigen Brennstoffs zugeführt wird; der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung eine Hochgeschwindigkeits-Strahlströmung von Sauerstoff zugeführt wird und der Sauerstoff und der Brennstoff verbrannt werden, um ausreichend Wärme in der Hochtemperaturzone zu erzeugen, um das vordere Ende des Zuführdrahts in der Hochtemperaturzone aufzuschmelzen, und das aufgeschmolzene Material des Zuführdrahts auf die Oberfläche der Zylinderwand des Motorsblocks aufgesprüht wird, wodurch eine Beschichtung darauf ausgebildet wird; und die Strömung des Sauerstoffs relativ zu der Strömung des gasförmigen Brennstoffs so gesteuert wird, dass ein Überangebot von Sauerstoff vorgesehen wird, das über den Sauerstoff hinausgeht, der für eine stöchiometrische Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs erforderlich ist, und der überschüssige Sauerstoff mit einer zugehörigen Fraktion des Zuführdrahtmaterials in der Hochtemperaturzone reagiert, um die zugehörige Fraktion des Zuführdrahtmaterials als Festbrennstoffquelle zu verbrennen, um eine zusätzliche Wärmequelle in der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu schaffen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Sauerstoff in einer überschüssigen Menge angeboten wird, die ungefähr das Zweifache dessen beträgt, was für eine stöchiometrische Verbrennung des Brennstoffs erforderlich ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das auf Eisen basierende Beschichtungsmaterial in Form eines Drahts in die HVOF-Einrichtung eingeführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das auf Eisen basierende Material mit Sauerstoff reagiert, um eine Beschichtung zu erzeugen, die 8 bis 12 Gewichtsprozent FeO aufweist.
  5. Verfahren zum thermischen Sprühbeschichten einer Zylinderwand eines Leichtmetall-Motorblocks, bei dem: eine Hochgeschwindigkeitsflammspritzeinrichtung (HVOF-Einrichtung) vorgesehen wird; ein Zuführdraht aus einem auf Eisen basierenden Material in die HVOF-Einrichtung vorgerückt wird, um ein vorderes Ende des Drahts in einer Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu positionieren; der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung eine Hochgeschwindigkeits-Strahlströmung eines gasförmigen Brennstoffs zugeführt wird; der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung eine Hochgeschwindigkeits-Strahlströmung von Sauerstoff zugeführt wird und der Sauerstoff und der Brennstoff verbrannt werden, um ausreichend Wärme in der Hochtemperaturzone zu erzeugen, um das vordere Ende des Zuführdrahts in der Hochtemperaturzone aufzuschmelzen, und das aufgeschmolzene Material des Zuführdrahts auf die Oberfläche der Zylinderwand des Motorsblocks aufgesprüht wird, wodurch eine auf Eisen basierende Beschichtung darauf ausgebildet wird; und die Strömung des Sauerstoffs relativ zu der Strömung des gasförmigen Brennstoffs so gesteuert wird, dass ein Überangebot von Sauerstoff vorgesehen wird, das über den Sauerstoff hinausgeht, der für eine stöchiometrische Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs erforderlich ist, und der überschüssige Sauerstoff mit einer zugehörigen Fraktion des Zuführdrahtmaterials in der Hochtemperaturzone reagiert, um die zugehörige Fraktion des Zuführdrahtmaterials als Festbrennstoffquelle zu verbrennen, um eine zusätzliche Wärmequelle in der Hochtemperaturzone der HVOF-Einrichtung zu schaffen; und wobei die auf Eisen basierende Beschichtung Zusätze von Aluminium aufweist.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Sauerstoff in einer überschüssigen Menge zugeführt wird, die etwa das Zweifache dessen beträgt, was für eine stöchiometrische Verbrennung mit dem Brennstoff erforderlich ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Aluminium in einer Menge zugegeben wird, die von 0,5 bis 3,0 Gewichtsprozent der auf Eisen basierenden Beschichtung reicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Aluminium in dem Bereich von 1,5 bis 2,5 Gewichtsprozent vorliegt.
  9. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Aluminium in der HVOF-Einrichtung mit der auf Eisen basierenden Beschichtung reagiert, um in der aufgebrachten Beschichtung FeAl2O4-Oxide zu erzeugen.
  10. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das auf Eisen basierende Material mit Aluminium und Sauerstoff reagiert, um in der Beschichtung FeAl2O4 zu bilden.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Beschichtung 3 bis 7 Gewichtsprozent FeAl2O4 umfasst.
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