DE10324570A1

DE10324570A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer metallischen Laufbahn einer Maschine mittels Plasmatechnologie

Info

Publication number: DE10324570A1
Application number: DE2003124570
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.rer.nat. Güttler; Helmut Dipl.-Ing. Schäfer (FH); Helmut Schwarz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2004-12-23

Abstract

Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch Abtragen der Stoffe Aluminium oder Aluminiumoxid von einer metallischen Laufbahn einer Maschine, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn oder Hubkolbenmaschine, mittels Plasmatechnologie, im Wesentlichen bestehend aus: DOLLAR A - einer zylinderförmigen Vakuumkammer (11), um wenigstens einen Teil der metallischen Laufbahn des Werkstückes zu evakuieren bzw. in der Vakuumkammer (11) anzuordnen, DOLLAR A - Abdichtringen (9, 10) zum Abdichten der Vakuumkammer (11), DOLLAR A - einem Vakuumanschluss (6) zum Evakuieren der Vakuumkammer (11), DOLLAR A - einem Prozessanschluss (7) zum Einbringen eines Prozessgases in die Vakuumkammer (11), DOLLAR A - einem Elektroanschluss (5) zum Aufbau einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Werkstück als Kathode und einer in der Vakuumkammer (11) angeordneten Anode (2), um einen Plasmazustand in der Vakuumkammer (11) zu erzeugen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung einer metallischen Laufbahn einer Maschine, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn einer Hubkolbenmaschine, mittels Plasmatechnologie.
In der Kraftfahrzeugtechnik wurde bisher der Zylinderblock oder das Zylinderkurbelgehäuse aus Gusseisen hergestellt. Zur Senkung des Kraftstoffverbrauches ist ein geringeres Gesamtgewicht des Kraftfahrzeuges notwendig. Aus diesem Grund werden insbesondere der Zylinderblock oder das Zylinderkurbelgehäuse in der Motorentechnologie für Ottomotoren zunehmend aus Leichtmetall, z.B. Aluminium, gefertigt, wobei zur Erhöhung der Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bevorzugt untereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen eingesetzt werden. Diese Aluminium-Legierungen weisen jedoch nicht ausreichende Gleit- und Verschleißeigenschaften im Kontakt mit Aluminiumkolben und -kolbenringen auf. Aus diesem Grund muss das Reibungsverhalten eines derartigen Zylinderblocks oder Zylinderkurbelgehäuses verbessert werden.
Hierfür gibt es zwei verschiedene Möglichkeiten: In den Zylinderblock oder das -kurbelgehäuse aus Leichtmetall wird eine tribologisch geeignete Buchse aus Grauguss oder übereutektisches Aluminium-Silizium z.B. mit einem Siliziumanteil von 25% im Laufbahnbereich eingegossen, in dem die Buchse vor dem Gießen in die Gießform eingelegt und mit der flüssigen A luminiumlegierung umgossen wird. Als zweite Lösungsmöglichkeit wird durch Beschichtungsverfahren, z.B. Elektroabscheidung, chemische oder physikalische Gasphasenabscheidung und insbesondere Spritzverfahren, beispielsweise thermisches Spritzen (z.B. Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen) oder Plasmaspritzen, auf die Laufbahn des Zylinderblocks oder -kurbelgehäuses eine Schicht aus übereutektischem Aluminium-Silizium aufgetragen. Beim thermischen Spritzen wird die geschmolzene Aluminium-Silizium-Legierung in einem Hochgeschwindigkeits-Heißgasstrahl zu kleinen Spritztröpfchen aufgeschmolzen und in Richtung der zu beschichtenden Zylinderlaufbahn beschleunigt. Beim Aufprallen erstarren die Spritztröpfchen auf der Metalloberfläche der Zylinderlaufbahn und bilden Lage für Lage eine Schicht.
Um eine ausreichende Haftung der mit Beschichtungsverfahren aufgebrachten übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung auf der Zylinderlaufbahn zu erhalten, ist eine Vorbehandlung dieser Oberfläche, z.B. mit Wasserstrahlen, mechanischem Bearbeiten oder Plasmaätzung notwendig.

Aus der EP 0 716 158 A1 ist ein derartiges Plasmaätzungsverfahren bekannt. Halogeniertes Fluid fließt durch einen elektrischen Lichtbogen, wobei ionisierte Halogenatome (Plasmastrom) freigesetzt werden. Dieser Plasmastrom wird mit einer Düse auf die Zylinderwandfläche aufgebracht, um die Aluminiumoberfläche anzugreifen und eine frische Aluminiumoberfläche mit ausreichender Rauhigkeit und Porosität zu erhalten.

Nachteilig ist hierbei, dass das Fluid neben dem Aluminium auch mit anderen Metallen, insbesondere Silizium sowie Kupfer, Magnesium und Zink reagiert, d.h. die Oberfläche einer Aluminium-Siliziumlegierung nur insgesamt aufgeraut wird und kein spezifisches Angreifen eines einzelnen Metalles erfolgt. Darüber hinaus ist die Gesamtapparatur aufwendig, teuer und eingeschränkt umweltfreundlich, weil z.B. neben dem gewöhnli chen Plasmaträger Argon ein Fluid, z.B. Freon oder Trichlormethanethylen, notwendig ist.

Die Zylinderlaufbahnoberfläche, d.h. die Buchsenoberfläche oder insbesondere die beschichtete, z.B. aufgespritzte, Aluminium-Silizium-Legierungsschicht muss zur genauen Ausrichtung bearbeitet werden, z.B. mit spanender Formung mit Werkzeugmaschinen, insbesondere Drehen und Honen.

Eine Folge dieser mechanischen Bearbeitung sind Aluminiumüberschmierungen auf den Siliziumkristallen an der Laufbahnoberfläche der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Diese insbesondere aus der mechanischen Bearbeitung resultierenden Aluminiumüberschmierungen führen zu nicht ausreichenden tribologischen Eigenschaften zwischen den Kolben bzw. Kolbenringen einerseits und der Zylinderlaufbahn andererseits während des Betriebes der Hubkolbenmaschine. Insbesondere führen derartige Aluminiumüberschmierungen zu Fresserscheinungen, so dass das Bestehen eines Kaltstart-Fresstestes nahezu unmöglich ist. Während eines Kaltstart-Fresstestes kommt es zu einer Kraftstoffanreicherung auf der Zylinderlaufbahn. Geringste Aluminiumreste über den Siliziumkristallen führen zu nicht zulässigen Fresserscheinungen zwischen Kolben bzw. Kolbenringen und Zylinderlaufbahn. Zur Vermeidung dieser tribologisch sehr ungünstigen Eigenschaften, z.B. um Fresserscheinungen beim Kaltstart auszuschließen, ist eine Entfernung der Aluminiumüberschmierungen sowie eine Freilegung der Aluminiummatrix, d.h. Erzeugung einer Zylinderlaufbahnoberfläche mit Siliziumkristallen erforderlich.

Hierfür wird der Zylinderblock bzw. das Zylinderkurbelgehäuse wässrig freigelegt bzw. mit Alkalilauge, z.B. NaOH oder KOH, geätzt d.h. das Aluminium chemisch gelöst. In der Serienfertigung erfolgt dies dadurch, dass der Zylinderblock oder das Zylinderkurbelgehäuse in ein entsprechendes Tauchbad im Rahmen der kontinuierlichen Fließbandbewegung eingetaucht wird. Eine entsprechende Verweilzeit des Werkstückes, d.h. des Zy linderblockes bzw. des Zylinderkurbelgehäuses, im Tauchbad und die Konzentration der Natronlauge bzw. der daraus resultierende pH-Wert steuert den Grad der chemischen Lösung des Aluminiums.

Nachteilig ist das aufwendige und teure Vorhalten eines großen Tauchbeckens, um diesen Fertigungsschritt in die kontinuierliche Fließbandproduktion integrieren zu können. Darüber hinaus muss die Stoffkonzentration im Tauchbecken konstant gehalten werden, um konstante Verweilzeiten der Werkstücke zu erreichen, was aufwendige Trennungsanlagen zur Abscheidung der Reaktionsprodukte erforderlich macht. Die Entsorgung der Reaktionsprodukte und ständig erforderliche Zugabe von beispielsweise Natronlauge ist kostspielig und nicht umweltfreundlich, wobei das gesamte Werkstück in das Tauchbecken eingeführt wird, so dass nicht nur im Bereich der Zylinderlaufbahn ein chemisches Lösen von Aluminium erfolgt, sondern auf der gesamten Oberfläche des Werkstückes. Dadurch fallen große Mengen an Reaktionsprodukten an und es sind auch große Mengen von Natronlauge erforderlich. Außerdem muss das Werkstück nach dem Durchführen durch das Tauchbecken in einem aufwändigen und kostspieligen Waschvorgang gereinigt werden, um den weiteren Produktionsprozess mit diesen Werkstück fortsetzen zu können.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung und eines Verfahrens, welches auf einfache, kostengünstige und umweltfreundliche Weise die Entfernung von Aluminiumüberschmierungen und das Erzeugen einer Oberfläche mit insbesondere Siliziumkristallen in einer Leichtmetalllegierung, vorzugsweise einer Aluminiumlegierung und insbesondere einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung ermöglicht, wobei es sich insbesondere um eine Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine oder eine Lauffläche eines Wankelmotors handelt. Außerdem soll die Vorrichtung und das Verfahren auch die Erhöhung des Haftungsvermögens von übereutektischen Leichtmetalllegierungen, z.B. einer Alumimium-Silizium- Legierung, beim Beschichten auf untereutektischen Leichtmetalllegierungen, z.B. einer Aluminium-Silizium-Legierung ermöglichen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist nun mit Plasmatechnologie ein einfaches, kostengünstiges und umweltfreundliches Entfernen von Leichtmetallüberschmierungen, insbesondere Aluminiumüberschmierungen, sowie eine Freilegung der Leichtmetallmatrix, z.B. Aluminiummatrix, zur Erzeugung einer Laufbahnfläche mit z.B. Siliziumkristall möglich, wobei die Tiefe dieser Freilegung im mikroskopischen Bereich, beispielsweise einer Tiefe von 0,5 μm bis 1,2 μm, liegt. Ebenfalls können auf der Oberfläche Schichten aus Aluminiumoxid Al₂O₃ problemlos entfernt werden, welche in der Praxis häufig mit einer Schichtdicke von ungefähr 0,01 μm auftreten.

Das zu bearbeitende Werkstück oder der zu bearbeitende Teil des Werkstückes wird in eine Vakuumkammer eingebracht, druckdicht verschlossen und anschließend evakuiert, wobei ein Unterdruck von vorzugsweise 10^–2 mbar erforderlich ist. Um die erforderliche Evakuierungszeit zu verringern und dadurch kürzere Prozesszeiten zu erhalten, ist vorzugsweise ein Vakuumvolumen in einem Unterdruckbehälter der eigentlichen Evakuierungsmaschine, z.B. einer Vakuumpumpe, mit entsprechenden Steuerventilen zwischengeschaltet.

Im nächsten Schritt wird in die Vakuumkammer das Prozessgas, vorzugsweise Edelgas, z.B. Argon oder ein Edelgasgemisch, in die Vakuumkammer eingeleitet. Die Materialabtragung in der Vakuumkammer erfolgt mittels Ionenbeschuss. Hierzu wird das Werkstück als Kathode geerdet und an ein elektrisches Teil als Anode von beliebiger Form, vorzugsweise aus Kupfer, ein positives Potential relativ zum Werkstück angelegt. Dieses in der Vakuumkammer angeordnete elektrische Teil weist einen Abstand von vorzugsweise ca. 5 mm bis 10 mm zum Werkstück auf. Es ist nur in dem Bereich der Oberfläche des Werkstückes mit dem ebengenannten Abstand in der Vakuumkammer ausgebildet, an welchem eine Materialabtragung erwünscht ist. Diese Anode verfügt vorzugsweise über einen auswechselbaren Kupfermantel, sofern es die geometrische Form erlaubt, um im Rahmen der Materialbeanspruchung nicht die gesamte Anode auswechseln zu müssen.

Zur Erzeugung des Plasmas wird eine bestimmte Spannung zwischen dem Werkstück als Kathode an der Anode angelegt. Beide Elektroden sind voneinander vorzugsweise durch Keramiken oder Kunststoff isoliert. Die angelegte Spannung führt abhängig vom Gasdruck in der Kammer zu einer Glimmentladung zwischen Werkstück als Kathode und der Anode. Die entstehenden Gasionen werden durch das elektrische Feld zwischen dem Werkstück als Kathode und der Anode beschleunigt, so dass sich ein Ionenstrom mit definierter Ionenstromdichte einstellt. Dabei werden die positiv geladenen Ionen des Sputtergases, z.B. Argonionen, auf das Werkstück beschleunigt und schlagen auf diesem auf, wobei das nur in dem Bereich erfolgt, in welchem die Anode entsprechend vom Werkstück beabstandet ist, z.B. in einem Abstand von 5 mm bis 10 mm. Dadurch können Atome und Moleküle aus dem Werkstück herausgehebelt werden, d.h. es erfolgt der gewünschte Materialabtrag im gewünschten Bereich am Werkstück. Handelt es sich beim Werkstück z.B. um eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung, ist ein unterschiedlicher Abtrag des Aluminiums relativ zum Silizium zu erwarten. Die Aluminiummatrix wird abgetragen, so dass Siliziumkristalle aus der Matrix herausragen. Eine gegebenenfalls auf der Oberfläche des Werkstückes vorhandene Schicht aus Aluminiumoxid Al₂O₃ wird ebenfalls entfernt.

Durch die Parameter Strom, Ionenstromdichte, Spannung, Gasdruck und Gasfluss ist die Freilegung mittels Plasma insbe sondere auch unter Großserienbedingungen prozesssicher steuerbar, was einen erheblichen wirtschaftlichen und technischen Vorteil darstellt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Materialabtrag an der Zylinderlaufbahn eines Zylinderblockes bzw. Zylinderkurbelgehäuses, wobei auch andere Anordnungsformen im Rahmen dieser Erfindung möglich sind. Vorteilhafterweise ist es nicht erforderlich, das gesamte Werkstück in eine Vakuumkammer einzuführen, sondern es wird der Abtragungsprozess lediglich lokal an der Zylinderlaufbahn ausgeführt.

Hierzu wird ein elektrisch leitender Dorn, insbesondere aus Kupfer, vorzugsweise mit einem auswechselbaren Kupfermantel in axialer Richtung in die Zylinderbohrung eingeführt und zentrisch in der Zylinderbohrung ausgerichtet, so dass sich ein zylinderförmiger Zwischenraum zwischen dem Dorn der Zylinderlaufbahn ausbildet, wobei der Abstand zwischen Dorn und Zylinderlaufbahn konstant ist und z.B. 5 mm bis 10 mm beträgt. Am oberen Ende des Dornes ist eine vorzugsweise tellerförmige Abdeckplatte angeordnet, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung. In der Abdeckplatte sind an der Oberseite wenigstens ein Elektroanschluss, z.B. als Steckverbindung, wenigstens ein Prozessgas- und Vakuumanschluss, z.B. als Kupplungsverbindung, und ein Arm oder ein Stiel zum Bewegen beispielsweise mit einem Industrieroboter. Der Dorn ist zentrisch an der Unterseite der Abdeckplatte fixiert, wobei die Ebene der Abdeckplatte senkrecht auf der Achse des Dornes steht. Daneben befindet sich an der Unterseite der vorzugsweise tellerförmigen Abdeckplatte zentrisch ein Abdichtring, d.h. konzentrisch zum Rand der Abdeckplatte, z.B. als Elastomer- oder Metalldichtung, wobei der Durchmesser des Abdichtringes größer ist als der Durchmesser der Zylinderbohrung. Am Dornende befindet sich eine spreizbare Elastomer- oder Metalldichtung, die z.B. pneumatisch oder elektromechanisch dehnbar oder spreizbar ist und sich im Honauslauf an die Zylinderlauffläche dichtend anschmiegt. Diese Bauteile, insbesondere Dorn mit Abdeckplatte, werden als Plasmaabtragungseinheit bezeichnet.

Zur Durchführung der Materialabtragung sind die nachfolgenden Arbeitsschritte erforderlich: Der Dorn mit Abdeckplatte wird zentrisch in eine Zylinderbohrung eingeführt, wobei vorzugsweise bei einem Motor mit einem Zylinderblock bzw. Zylinderkurbelgehäuse mit z.B. vier Zylindern vier Plasmaabtragungseinheiten zu einer größeren Einheit zusammengefasst sind, so dass die Plasmaabtragungseinheiten gleichzeitig an allen Zylinderbohrungen eingeführt werden können. Eine derartige größere Einheit verfügt vorzugsweise über gemeinsame Elektro-, Vakuum- und Prozessgasanschlüsse und einen gemeinsamen Stiel oder Arm zum Bewegen.

Das Einführen der Plasmaabtragungseinheit in die Zylinderbohrung erfolgt bis der Abdeckring an der Unterseite der Abdeckplatte am Zylinderblock ansteht und diesen luftdicht abdichtet. Anschließend wird die am Dornende befindliche Dichtung gespreizt, so dass sie den Honauslauf abdichtet. Dadurch entsteht ein abgedichteter zylinderförmiger Hohlraum zwischen Dorn und Zylinderlauffläche, welcher als Vakuumkammer fungiert und evakuiert wird, vorzugsweise mit einem vorgeschalteten Vakuumvolumen zur schnelleren Verfügbarkeit des Vakuums. In diesen Zwischenraum mit einem Unterdruck von vorzugsweise 10^–2 mbar wird Prozessgas, vorzugsweise Edelgas oder ein Edelgasgemisch, eingeleitet. Der Abstand zwischen Dorn und Zylinderlauffläche beträgt vorzugsweise ca. 5 mm bis 10 mm, damit sich der gewünschte Plasmazustand einstellt. Zur Erzeugung des Plasmas wird eine definierte Spannung zwischen dem geerdeten Werkstück als Kathode und dem Dorn als Anode angelegt, wobei beide Elektroden durch Keramiken oder Kunststoff voneinander isoliert sind. Die angelegte Spannung führt abhängig vom Gasdruck zur einer Glimmentladung zwischen Werkstück und Dorn. Es stellt sich ein Ionenstrom mit bestimmter Ionenstromdichte ein. Dabei werden die positiv geladenen Ionen des Sputtergases auf die Zylinderlauffläche beschleunigt.

Aufgrund der Gefügestruktur der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung erfolgt ein unterschiedlicher Abtrag des Aluminiums relativ zum Silizium. Die Aluminiummatrix wird abgetragen, so dass die Siliziumkristalle an der Matrix herausragen. Eine u. U. auf der Zylinderlauffläche vorhandene Aluminiumoxidhaut Al₂O₃ von z.B. 0,01 μm Dicke wird ebenfalls sicher von der Zylinderlaufbahnfläche entfernt.

Neben dieser Vorrichtung sind selbstverständlich auch anders aufgebaute Vorrichtungen als Teil der Erfindung möglich. Beispielsweise kann die Abdichtung am oberen Ende des Dornes durch einen zweiten dehnbaren oder spreizbaren Abdichtring statt des in die Abdeckplatte integrierten Abdichtringes erfolgen. Darüber hinaus könnte z.B. nach dem Einführen des Dornes in die Zylinderbohrung am unteren Dornende eine zweite Abdeckplatte mit einem Abdichtring fixiert werden, so dass die Abdichtung beidseitig mit einem Abdichtring in den beiden Abdeckplatten ausgeführt wird. Außerdem ist es denkbar, dass größere Teile oder der ganze Teil des Zylinderblockes in einer Vakuumkammer eingeführt werden und die Selektion des zu bearbeitenden Teils der Oberfläche des Zylinderblockes durch die Position der Anode erfolgt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnung im einzelnen beschrieben Dabei zeigt:
1 einen schematischen Längsschnitt der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Die erfindungsgemäße Plasmaabtragungseinheit 1 weist einen Dorn 2 und eine vorzugsweise tellerförmige Abdeckplatte 3 auf, wobei der zylinderförmige Dorn 2 zentrisch an der Unter seite 3a der Abdeckplatte 3 fixiert ist. Der Dorn 2 ist aus elektrisch leitendem Material, vorzugsweise Kupfer, gefertigt und verfügt vorteilhafterweise über einen auswechselbaren Kupfermantel. An der Unterseite 3a der Abdeckplatte 3 ist konzentrisch am äußeren Rand ein Abdichtring 9, z.B. als Elastomer oder Metalldichtung ausgebildet, wobei der Durchmesser des Abdichtringes 9 größer ist als der Durchmesser 15 der Zylinderbohrung. An der Oberseite 3b der Abdeckplatte 3 befinden sich Elektroanschlüsse 5, z.B. als Steckverbindungen, ein Prozessgasanschluss 7, ein Vakuumanschluss 6 sowie ein Arm bzw. Stiel 4. An diese Anschlüsse 5, 6, 7 können über entsprechende Kupplungselemente bzw. Gegensteckverbinder entsprechende Strom-, Gas- und Vakuumversorgungsleitungen angeschlossen werden. Ein Arm oder Stiel 4 dient zum Bewegen der Plasmaabtragungseinheit 1 vorzugsweise mit einem Industrieroboter. Vorteilhafterweise können mehrere Plasmaabtragungseinheiten 1, beispielsweise vier, zu einer größeren Einheit zusammengeschaltet werden, wobei diese größere Einheit über gemeinsame Anschlüsse 5, 6, 7 für die einzelnen Plasmaabtragungseinheiten 1 verfügt. Der Abdichtring 9 kann in dieser Anordnung auch als gemeinsamer in Draufsicht auf die Abdeckplatte 3 rechteckförmiger Abdichtring 9 zum Abdichten aller Zylinderbohrungen ausgebildet sein (nicht dargestellt). Am unteren Ende 16 des Dornes 2 befindet sich der untere Abdichtring 10, welcher beispielsweise pneumatisch oder mechanisch, insbesondere elektromechanisch, dehnbar oder spreizbar ist. Der Durchmesser des unteren Abdichtringes 10 ist kleiner als der Durchmesser 15 der Zylinderbohrung. Der untere Abdichtring 10 ist zwischen einem Spreizring 14, welcher am Dorn 2 fixiert ist und einer konischen Erweiterung 13 des Dornendes 16 angeordnet, d.h. in einem Nutring 17, welcher vom Spreizring 14 und der konischen Erweiterung 13 geformt wird.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Materialabtrages ist die Plasmaabtragungseinheit 1 in Vorschubrichtung 19 in die Zylinderbohrung einzuführen, bis der obere Abdichtring 9 auf der Oberseite 18 des Zylinderblockes aufliegt und diesen gasdicht abdichtet. Darauf folgend wird der untere Abdichtring 10 beispielsweise elektromechanisch gedehnt, so dass sich dieser an den Honauslauf der Zylinderlauffläche 8 dichtend anschmiegt, wobei diese im Nutring 17 zwischen dem Spreizring 14 und der konischen Erweiterung 13 des Dornendes 16 angeordnet ist und aufgrund der geometrischen Anordnung keine andere kinematische Freiheit besteht.
Dadurch ist der zylinderförmige Zwischenraum 11 zwischen Dorn 2 und der Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn 8 luftdicht abgeschlossen, d.h. stellt eine Vakuumkammer 11 dar und wird mit Hilfe des Vakuumanschlusses 6 evakuiert, wobei zwischen Vakuumpumpe und Vakuumanschluss 6 vorzugsweise ein Vakuumbehälter mit entsprechenden Ventilen geschaltet ist (nicht dargestellt), um die Evakuierungszeiten zu minimieren. Der Unterdruck im Zwischenraum 11 beträgt normalerweise ungefähr 10^–2 mbar. Der Abstand 12 zwischen Dorn 2 und der Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn 8 ist konstant und beträgt vorzugsweise 5 mm bis 10 mm zur Erzeugung des gewünschten Plasmazustandes. In den evakuierten Zwischenraum 11 wird anschließend Prozessgas, z.B. Edelgas (beispielsweise Argon) oder ein Edelgasgemisch über den Prozessgasanschluss 7 eingeleitet. Der Zylinderblock als Werkstück wird geerdet und an den Dorn 2 wird eine positive Spannung angelegt, so dass der Zylinderblock als Kathode und der Dorn 2 als Anode fungiert, d.h. der Dorn 2 gegenüber dem Zylinderblock ein positives Potential aufweist. Dabei kann die Erdung des Zylinderblockes beispielsweise durch Kontaktelemente an der Unterseite 3 der Abdeckplatte 3 (nicht dargestellt) erfolgen, welche auf der Oberseite 18 des Zylinderblockes aufliegen. Beide Elektroden sind vorzugsweise durch Keramik oder Kunststoff voneinander isoliert.
Der elektrische Potentialunterschied zwischen Dorn 2 und Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn 8 führt zu einer Glimmentladung, wobei die entstehenden Gaskationen, z.B. Argonionen, durch das elektrische Feld in Richtung der Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn 8 beschleunigt werden, so dass ein Ionenstrom entsteht. Diese Gasionen schlagen auf der Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn 8 auf und entfernen die Aluminiumatome von der Aluminium-Silizium-Zylinderaufbahn. Aufgrund der Gefügestruktur der übereutektischen Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn 8 wird das Aluminium relativ zum Silizium abgetragen, so dass die Siliziumkristalle aus der Matrix herausragen. Die Tiefe dieser Freilegung liegt im mikroskopischen Bereich bei einer Tiefe von z.B. 0,5 μm bis 1,2 μm. Vorteilhafterweise befindet sich das entfernte Aluminium in mikroskopisch kleiner Form im Edelgas bzw. Edelgasgemisch, so dass keine kompliziert zu entsorgenden Reaktionsprodukte anfallen und andererseits auch keine aufwändigen Ausscheidungsanlagen für Reaktionsprodukte erforderlich sind. Außerdem kann eine gegebenenfalls vorhandene Schicht von Aluminiumoxid Al₂O₃ ebenfalls entfernt werden.
Nach abgeschlossener Abtragung wird die Dehnung des unteren Abdichtringes 10 zurückgenommen und die Plasmaabtragungseinheit 1 in Vorschubrichtung 19 an der Zylinderbohrung herausgefahren. Nach Bereitstellung des nächsten Zylinderblockes, z.B. in einer Fertigungsstraße, erfolgt der nächste Arbeitsvorgang.
Insbesondere unter Großserienbedingungen kann durch die Parameter Strom, Ionenstromdichte, Spannung, Gasdruck und Gasfluss die Materialabtragung prozesssicher gesteuert werden, wobei ergänzend auch Sensoren an der Plasmaabtragungseinheit 1, z.B. am Dorn 2, die Abtragungsrate als Messgröße aufnehmen können, wodurch eine zusätzliche Optimierung möglich ist. Im Rahmen der rechnergestützten Steuerung eines Produktionsprozesses können diese Daten in die Gesamtsteuerung mit einfließen. Teil der Erfindung ist deshalb auch entsprechende Software in der Gesamtsteuerung des Produktionsprozesses und insbesondere auch der Maschinensteuerung im erfindungsgemäßen Produktionsteilprozess.
Insgesamt betrachtet können erfindungsgemäß mit der Vorrichtung die Laufbahnflächen an übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen in Zylinderblöcken oder Zylinderkurbelgehäusen Aluminiumüberschmierungen sowie die Aluminiummatrix zur Erzeugung einer Laufbahnfläche mit Siliziumkristallen einfach und preiswert entfernt werden. Es ist kein Vorhalten eines großen und aufwändigen Tauchbeckens in einer Produktionsanlage wie im Stand der Technik mehr erforderlich. Eine nachgeschaltete Reinigungs- bzw. Waschanlage ist ebenfalls nicht erforderlich. Besonders vorteilhaft ist, dass die Aluminiumabtragung nur dort gezielt erfolgt, wo sie tatsächlich notwendig ist und nicht am gesamten Bauteil wie im Tauchbecken im Stand der Technik. Dadurch entstehen wesentlich weniger Reaktionsprodukte, was umweltfreundlicher und kostengünstiger ist, wobei außerdem bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren als Abfallstoff lediglich mikroskopisch kleines Aluminium anfällt, welches wesentlich leichter, kostengünstiger sowie umweltfreundlicher entsorgbar ist. Bedingt durch die wesentlich bessere Steuerbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens mit verschiedenen Parametern ist eine bessere Integration dieses Fertigungsschrittes in die Gesamtsteuerung einer Produktionsanlage möglich.
Daneben kann die erfindungsgemäße Vorrichtung zusätzlich auch zur Verbesserung des Haftungsvermögens auf der Zylinderlaufbahn von Leichtmetallzylinderblöcken oder Zylinderkurbelgehäusen vor dem Beschichten, z.B. durch thermisches Spritzen, mit einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung eingesetzt werden. Gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Plasmaätzungsverfahren ist besonders vorteilhaft, dass nur ein Metall, nämlich z.B. Aluminium, abgetragen wird, was die Entsorgung der Reaktionsprodukte kostengünstiger und umweltfreundlicher macht. Außerdem ist kein Fluid notwendig und die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie das Verfahren sind besser steuerbar insbesondere in einer Großserienproduktion.

Claims

Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung durch Abtragen von Metallen oder Metallverbindungen, wie z.B. Aluminium oder Aluminiumoxid von einer metallischen Laufbahn einer Maschine, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn einer Hubkolbenmaschine, mittels Plasmatechnologie, im Wesentlichen bestehend aus: – einer Vakuumkammer (11), um wenigstens einen Teil des Werkstückes zu evakuieren bzw. in der Vakuumkammer (11) anzuordnen, – Mitteln (9, 10) zum Abdichten der Vakuumkammer (11), – Mitteln (7) zum Einbringen eines Prozessgases in die Vakuumkammer (11), – Mitteln (5) zum Aufbau einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem Werkstück als Kathode und einer in der Vakuumkammer (11) angeordneten Anode (2), um einen Plasmazustand in der Vakuumkammer (11) zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anode (2) als vorzugsweise zylinderförmiger Dorn zur Einführung in eine Zylinderbohrung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem oberen Ende des zylinderförmigen Dornes (2) eine vorzugsweise tellerförmige Abdeckplatte (3) zentrisch angeordnet ist, wobei die Ebene der Abdeckplatte 3 senkrecht auf der Achse des Dornes (2) steht.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Unterseite (3a) der Abdeckplatte (3) konzentrisch am äußeren Rand ein oberer Abdichtring (9), z.B. als Elastomer- oder Metalldichtung, ausgebildet ist, wobei der Durchmesser des Abdichtringes (9) größer ist als der Durchmesser (15) der Zylinderbohrung.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass an der Oberseite (3b) der Abdeckplatte (3) wenigstens ein Elektroanschluss (5), wenigstens ein Prozessgasanschluss (7), wenigstens ein Vakuumanschluss (6) und vorzugsweise ein Arm oder Stiel (4) zum Bewegen der Plasmaabtragungseinheit (1), bestehend aus Abdeckplatte (3) und Dorn (2), vorhanden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Dornes (2) ein unterer Abdichtring (10), z.B. als Elastomerdichtung angeordnet ist, wobei der untere Abdichtring (10) dehnbar oder spreizbar ist, z.B. pneumatisch oder mechanisch, insbesondere elektromechanisch, und der Durchmesser des Abdichtringes (10) kleiner ist als der Durchmesser (15) der Zylinderbohrung.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Abdichtring (10) in einem Nutring (17) gebildet aus einem Spreizring (14) am Dorn (2) und einer konischen Erweiterung (13) des Dornendes (16) angeordnet ist, so dass aufgrund dieser geometrischen Anordnung die Ausdehnung oder Spreizung des Abdichtringes (10) im Wesentlichen radial zur Achse des Dornes (2) erfolgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn (2) axial in die Zylinderbohrung einführbar ist, bis der obere Abdichtring (9) auf einer Oberseite (18) des Zylinderblockes aufliegt und gasdicht das obere Ende der Zylinderbohrung abdichtet, wobei der Abstand (12) zwischen Dorn (2) und der Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn (8) konstant ist und vorzugsweise 5 bis 10 mm beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass durch Dehnung oder Spreizung des unteren Abdichtringes (10) ein unteres Ende der Zylinderbohrung gasdicht abdichtbar ist, indem der Abdichtring (10) sich dicht an die Aluminium-Silizium-Zylinderlauffläche (8) anschmiegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung des unteren Abdichtringes (10) zurückdehnbar ist und die Plasmaabtragungseinheit (1) in Vorschubrichtung (18) aus der Zylinderbohrung herausfahrbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Plasmaabtragungseinheiten (1), z.B. vier, zu einer größeren Einheit zusammenschaltbar sind, um alle Zylinderbohrungen eines Zylinderblockes gleichzeitig bearbeiten zu können, wobei vorzugsweise die größere Einheit über gemeinsame Anschlüsse (5, 6, 7) verfügt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 3, 5, 6, 7, 9, 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass am Dorn (2) sowohl am unteren Ende (16) als auch am oberen Ende ein dehnbarer oder spreizbarer Abdichtring (9, 10) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass am unteren Ende des Dornes (2) eine vorzugsweise tellerförmige Abdeckplatte (3) mit einem Abdichtring (10) nach dem Einführen des Dornes (2) in die Zylinderbohrung zum Abdichten des Zwischenraumes (11) befestigbar ist.
Verfahren zur Oberflächenbehandlung durch Abtragen von Metallen oder Metallverbindungen, wie z.B. Aluminium oder Aluminiumoxid von einer metallischen Laufbahn einer Maschine, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn einer Hubkolbenmaschine, mittels Plasmatechnologie, insbesondere zur Durchführung mit einer Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, mit im Wesentlichen folgenden Schritten: – Einbringen wenigstens eines Teils der metallischen Laufbahn eines Werkstückes in eine Vakuumkammer (11), wobei wenigstens ein Teil der metallischen Laufbahn des Werkstückes zu einer Elektrode in einem bestimmten Abstand positioniert wird, – Evakuieren der Vakuumkammer (11), – Einbringen von Prozessgas in die Vakuumkammer (11), – Aufbau einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen der metallischen Laufbahn als Kathode und der Elektrode als Anode (2) zur Ionisierung des Prozessgases, wodurch die Prozessgasionen im elektrischen Feld zwischen Kathode und Anode beschleunigt werden und die Metalle oder die Metallverbindungen, wie z.B. Aluminium oder Aluminiumoxid durch die auf das Werkstück aufschlagenden Prozessgasionen entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen oder mehrere der Parameter Strom, Ionenstromdichte, Spannung, Gasdruck, Gasfluss die Materialabtragung insbesondere unter Großserienbedingungen prozesssicher gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass – ein Dorn (2) in eine zu behandelnde Zylinderbohrung eingeführt wird, bis ein obere Abdichtring (9) an einer Oberseite (18) des Zylinderblocks aufliegt und das obere Ende einer Zylinderbohrung gasdicht abdichtet, – durch Dehnung oder Spreizung eines unteren Abdichtringes (10) ein unteres Ende der Zylinderbohrung gasdicht abgedichtet wird, so dass eine Vakuumkammer (11) ensteht, – die Vakuumkammer (11) z.B. auf 10^–2 mbar evakuiert und anschließend Prozessgas, z.B. Argon, eingeleitet wird, – zwischen Dorn (2) als Anode und der Zylinderlaufbahn (8) als Kathode eine elektrische Spannung angelegt wird wodurch das Prozessgas ionisiert wird und – die Prozessgasionen im elektrischen Feld zwischen Anode und Kathode in Richtung Zylinderlaufbahn (8) beschleunigt werden und beim Aufschlagen auf der Zylin derlaufbahn (8) Aluminiumatome herausschlagen, wobei auch z.B. Aluminiumoxid Al₂O₃ entfernt wird.
Verfahren zur nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Zylinderbohrungen eines Zylinderblocks gleichzeitig behandelt werden.
Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Entfernung von Aluminium oder Aluminiumoxid in einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn (8) zur Freilegung einer Silizium-Laufbahnschicht beispielsweise in einer Tiefe von 0,5 mm bis 1,2 mm.
Verwendung der Vorrichtung oder des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 17 zur Abtragung von Aluminium oder Aluminiumoxid in einer Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn zur Erhöhung des Haftvermögens einer danach durch Beschichten aufzubringenden übereutektischen Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahnschicht.
Computerprogramm mit Programmcodemitteln, um alle Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 14 bis 17 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit durchgeführt wird.
Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln, die auf einem computerlesbaren Datenträger gespeichert sind, um ein Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17 durchzuführen, wenn das Computerprogramm auf einem Computer oder einer entsprechenden Recheneinheit ausgeführt wird.