DE112014004111T5

DE112014004111T5 - Drahtlegierung für Plasma-Lichtbogen-Beschichtung

Info

Publication number: DE112014004111T5
Application number: DE112014004111.4T
Authority: DE
Inventors: Thomas Smith
Original assignee: Mahle Industries Inc
Current assignee: Mahle International GmbH; Mahle Industries Inc
Priority date: 2013-09-05
Filing date: 2014-09-04
Publication date: 2016-06-09
Also published as: WO2015034985A1; CN105517716A; US20150060413A1; JP2016536464A

Abstract

Ein Verfahren zum Abscheiden eines korrosionsbeständigen Materials mithilfe eines thermischen Plasma-Lichtbogen-Spritzverfahrens (thermischen PTWA-Spritzverfahrens) auf die Zylinderoberfläche von Schwerlast-Diesel-Brennkraftmaschinen. Das PTWA-Verfahren verwendet einen Draht aus rostfreiem Stahl mit Hohlkern, der mit einem Metalloxid- oder Karbidpulver gefüllt ist. Das Pulver kann zu 100% Chromkarbid sein.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität gemäß 35 USC 119(e) auf die vorläufige US-Anmeldung mit der Seriennr. 61/874,069, die am 5. September 2013 eingereicht wurde und deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen wird.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft einen Draht, der in einer Beschichtung verwendet wird, die eine erhöhte Zylinderkorrosionsbeständigkeit in Schwerlast-Diesel-Brennkraftmaschinen bereitstellt. Eine Beschichtung, die mithilfe einer Einzeldraht-Plasma-Lichtbogen-Technologie (Einzeldraht-PTWA-Technologie) auf eine Oberfläche aufgebracht wird, ist in ihrer Korrosionsbeständigkeit im Vergleich zu dem Basismetall, das in gegossenen Motorblöcken von Schwerlast-Diesel-Brennkraftmaschinen verwendet wird, überlegen.
HINTERGRUND
Derzeit wird die Zylinderlauffläche eines Motorblocks durch Ausführen von Drahtspritzen mit einer Legierung beschichtet. Bekannte Drahtspritzverfahren sind Doppeldrahtspritzen (TWAS), wobei zwei Drähte einem Sprühkopf derart zugeführt werden, dass der Strom über die Drähte übertragen wird, und Plasma-Lichtbogen-Drahtspritzen (PTWA). Das PTWA-Verfahren erzeugt ein Betriebsplasma, in dem eine Kathode und ein freies Ende einer einzelnen Schmelzdrahtschmelze kontinuierlich einer Strömung von geschmolzenen Metallteilchen zugeführt werden und die Teilchen auf die Zieloberfläche gespritzt werden.
Aufgrund der extrem anspruchsvollen Betriebsbedingungen werden die heutigen Schwerlast-Diesel-Verbrennungsmotorblöcke und Zylinderlaufbuchsen normalerweise aus Gusseisen hergestellt. Ein hoher Schwefelgehalt des Dieselkraftstoffes und ein Phänomen namens Abgasrückführung innerhalb des Zylinders erzeugen gemeinsam eine extrem korrosive Umgebung innerhalb des Schwerlast-Dieselmotor-Zylinders. Ein Material, das eine bessere Korrosionsbeständigkeit als die Gusseisenoberfläche des Zylinders bereitstellt, ist für eine längere Betriebszeit des Motors erforderlich. Daher ist es vorteilhaft, die Zylinderlaufbuchsenbohrungen mithilfe des Drahtspritz-Abscheidungsverfahrens zu beschichten, das eine Beschichtung herstellt, die eine höhere Korrosionsbeständigkeit als das Gusseisenmaterial aufweist, wodurch die Betriebszeit des Motors im Vergleich zu herkömmlichen Laufbuchsen aus Graustahl-Eisenlegierungen erhöht wird.
Das Plasma-Lichtbogen-Drahtspritzen (PTWA) ist oftmals das bevorzugte Verfahren zum Beschichten der Zylinderlaufbuchse. Im PTWA-Verfahren wird ein fortlaufendes Beschickungsmaterial (normalerweise in Form eines Metalldrahtes oder -stange) mithilfe eines begrenzten Plasmalichtbogens zum Schmelzen nur der Spitze des Drahtes oder der Stange (die als anodische Elektrode angeschlossen ist) geschmolzen; die geschmolzenen Teilchen werden dann zu einer Zieloberfläche befördert. Das Plasma ist ein Hochgeschwindigkeitsstrahl aus ionisiertem Gas, das bevorzugt auf eine lineare Achse durch Durchlaufen einer Düsenöffnung stromabwärts einer Kathodenelektrode beschränkt und konzentriert ist. Der Hochstrombogen, der zwischen der Kathodenelektrode und der anodischen Düse geschlagen wird, wird zu der Drahtspitze übertragen, die auch als Anode gehalten wird, oder der Hochstrombogen wird direkt auf die Drahtspitze übertragen. Die auf die Zylinderoberfläche aufgetragene Beschichtung per PTWA-Verfahren ist im Wesentlichen aus dem gleichen Material, das den Beschickungsdraht zusammensetzt. Der Beschickungsdraht kann aus fast jedem Material zusammengesetzt sein, das über eine Zwangsgasströmung geschmolzen und beschleunigt werden kann.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Draht für die Verwendung in dem PTWA-Verfahren bereitzustellen, das eine Beschichtung erzeugt, die eine überlegene Korrosionsbeständigkeit aufweist, sodass diese in Zylinderlaufbuchsen für Schwerlast-Dieselmotoren verwendet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Draht für PTWA-Beschichtungsverfahren mit einer Außenschicht erreicht, die aus einem rostfreien Stahl mit einem hohlen inneren Kern zusammengesetzt ist. Der rostfreie Stahl ist vorzugsweise 430 rostfreier Stahl, es können aber auch andere Typen verwendet werden. Der innere Kern ist mit einem Pulver gefüllt, das aus Metalloxiden oder Karbiden besteht, insbesondere Chrom, Wolfram, Titan, Molybdän und Nickel. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlkern mit einem Pulver gefüllt, das zu 100% aus Chromkarbid besteht. Das Chromkarbid liegt vorzugsweise in Pulverform mit einer Teilchengröße von –325 mesh vor, es sind aber auch andere Teilchengrößen geeignet.
Während des Plasmaverfahrens werden die Pulvermetalle der Zusammensetzung des Drahtes aus rostfreiem Stahl zugegeben und vollständig in die Plasmaströmung aufgenommen. Dies stellt eine konsistente und gleichförmige Chemie des abgeschiedenen Materials sicher.
Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Beschichten einer Komponente unter Verwendung des PTWA-Verfahrens bereit, wobei der Draht ein Draht aus rostfreiem Stahl mit einem Hohlkern ist, der mit einem Metalloxid oder Karbid gefüllt ist. Die Komponente ist vorzugsweise eine Zylinderlaufbuchse und der Hohlkern ist vorzugsweise mit 100% Chromkarbid gefüllt. Das Ionisier- und Plasmaverfahren wird durch eine Hochspannungsbogenentladung eingeleitet, die das Plasmagas zwischen den Legierungsdrähten, dem Düsenkörper und der Kathode ionisiert.
In dem Verfahren der vorliegenden Erfindung wird der Legierungsdraht in eine Vorrichtung eingeführt, die zum Erzeugen eines Plasmas ausgestaltet ist. Außer dem Plasma wird ein Trägergas unter hohem Druck in die Plasmaströmung eingeleitet. In einer Ausführungsform dieser Erfindung wird das Ionisier- und Plasmaverfahren durch eine Hochspannungsbogenentladung eingeleitet, die das Plasmagas zwischen dem Legierungsdraht, dem Düsenkörper und der Kathode ionisiert.
Das so hergestellte Plasma fließt bei hoher Geschwindigkeit durch die Plasmadüse. In diesem Fall wird das Plasmagas zum kontinuierlich zugeführten Legierungsdraht transportiert, der senkrecht zu der Düse verläuft, wodurch der Stromkreis geschlossen wird.
In dem PWTA-Verfahren beschleunigt das Trägergas das ionisierte Metall, das aus dem Legierungsdraht hergestellt wurde, gen zu beschichtender Zieloberfläche. Die beschleunigten Metallionen treffen auf die Zieloberfläche auf und werden durch plastische Verformung mechanisch an die Zieloberfläche gebunden. Die schnelle Entschleunigung der Metallteilchen, die auf die Zieloberfläche auftreffen, setzt kinetische und thermische Energie frei. Diese freigesetzte Energie stellt die Energie bereit, die zum plastischen Verformen der Teilchen erforderlich ist. Es wurde gefunden, dass die Verwendung eines Hohlkerns aus rostfreiem Stahl, der mit einem Chromkarbid-Pulver gefüllt ist, eine außergewöhnlich korrosionsbeständige Beschichtung erzeugt, wenn diese über das PTWA-Verfahren aufgebracht wird.
Die vorliegende Erfindung stellt einen neuartigen Draht und ein Verfahren zum Beschichten von Zylinderlaufbuchsen von Schwerlast-Dieselmotoren bereit. Die Beschichtung ist hoch korrosionsbeständig und überschreitet die Lebensdauer der Zylinderlaufbuchse und des Motors.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die folgende ausführliche Beschreibung spezifischer Ausführungsformen ist am besten verständlich, wenn sie zusammen mit den angefügten Zeichnungen gelesen wird.
In den Zeichnungen, in denen ähnliche Bezugszeichen zum Bezeichnen ähnlicher Elemente verwendet werden, zeigen:
1 eine Querschnittsansicht eines äußeren Mantels des Drahtes gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Querschnittsansicht der vorliegenden Erfindung, die den soliden äußeren Mantel aus 1 zeigt und die hohle Mitte des Drahtes, der mit einer keramischen Komponente gefüllt ist; und
3 eine schematische Zeichnung eines PTWA-Spritzverfahrens.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Insbesondere mit Bezug auf die Zeichnungen zeigt 1 einen Draht 20 einer spezifischen Legierung aus rostfreiem Stahl, wobei der Draht einen Hohlraum 201 in der Mitte des Drahtlegierungsstranges 23 enthält. Der Drahtlegierungsstrang besteht vorzugsweise aus rostfreiem Stahl, und am meisten bevorzugt aus 430 rostfreiem Stahl, es können aber auch andere geeignete Stahltypen verwendet werden. 430 rostfreier Stahl ist ein nicht-härtbarer Stahl, der reines Chrom enthält und zur ferritischen Gruppe der Stähle gehört. Dieser Stahl ist aufgrund seiner guten Korrosionsbeständigkeit bekannt.
Wie in 2 dargestellt, ist der Hohlraum 201 des Drahtstranges 23 mit einem Metalloxid- oder Karbidpulver 25 gefüllt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Pulver 25 100% Chromkarbid. Das Pulver ist vorzugsweise –325 mesh, aber andere Teilchengrößen könnten ebenfalls verwendet werden.
Während des PTWA-Spritzverfahrens sind die einzelnen Elemente, z. B. der Stahl in Draht 23 und das Pulver 25, vollständig in der Plasmaströmung aufgenommen. Dies stellt eine konsistente und gleichförmige Chemie des abgeschiedenen Materials sicher.
In dem Verfahren gemäß der Erfindung wird eine Komponente, insbesondere eine Zylinderlaufbuchse einer Brennkraftmaschine, die aus Aluminium oder Gusseisen hergestellt ist, mit einer Legierung beschichtet, die während des PTWA-Verfahrens aus dem Draht 20 ausgebildet wird, wie in 3 dargestellt. In Bezug auf 3 ist eine schematische Zeichnung eines herkömmlichen thermischen PTWA-Spritzverfahrens dargestellt. Der Draht 20 wird kontinuierlich in die Wärmequelle gegeben, wo das Material zumindest teilweise geschmolzen wird. Die elektrisch bereitgestellte Wärmequelle davon ist ein Plasma oder Lichtbogen. Die PTWA weist einen Plasmaerzeuger oder einen Pistolenkopf auf, der eine Düse 10 mit einer Düsenöffnung 11, einen elektrisch leitfähigen Schmelzdraht 20, der als erste Elektrode angeschlossen ist, und eine zweite Elektrode 30 umfasst. Die zweite Elektrode 30 ist von der Düse 10 über einen Isolierkörper 32 isoliert. Strom wird über die Stromquelle U als Gleichstrom angelegt, während das positive Potential mit dem Draht 20 und das negative Potential mit einer zweiten Elektrode 30 verbunden ist.
Der Draht 20 wird der zentralen Düsenöffnung 11 der Düse 10 senkrecht zugeführt. Die zweite Elektrode 30 wird durch ein ionisiertes Gasgemisch zirkuliert, das auch als Gasplasma 16 bezeichnet wird, das von einer Plasmagasquelle 15 bereitgestellt wird. Das Plasmagas 16 verlässt die Düsenöffnung 11 als Plasmastrahl 12 bei einer hohen, vorzugsweise Überschallgeschwindigkeit und schließt den Stromkreis beim Treffen auf den Schmelzdraht 20 als erste Elektrode.
Sekundäres Transportgas 14 wird durch sekundäre Gasöffnungen 24 in die Düse 10 gegeben, die den Plasmastrahl 12 umgibt.
Das sekundäre Gas 14 arbeitet als sekundärer Zerstäuber von geschmolzenen Tröpfchen, die aus dem Draht 20 gebildet werden, und unterstützt die Übertragung der Tröpfchen als ein Metallspray 18 auf die Zieloberfläche 40. Das sekundäre Gas 14 ist vorzugsweise Druckluft.
Der Drahtzuführabschnitt 22 ist mechanisch mit der Düse 10 verbunden und innerhalb der Anordnung ausgebildet. Der Drahtzuführabschnitt 22 aus isolierendem oder nicht isolierendem Material hält den Schmelzdraht 20. Im Betrieb der Vorrichtung wird der Draht 20 konstant über im Stand der Technik bekannte Mittel zugeführt, wie Drahtzuführrollen über eine Zuführschiene. Ein freies Drahtende 21 tritt aus dem Drahtzuführabschnitt 22 und kontaktiert den Plasmastrahl 12 gegenüber der Düsenöffnung 11 zum Bilden eines Metallsprays 18. Im Betrieb wird das Metallspray 18 auf eine zu beschichtende Oberfläche 40 gerichtet. Die Oberfläche 40 ist vorzugsweise eine Gusseisen-Zylinderlaufbuchse eines Schwerlast-Dieselmotors.
Der positive Anschluss der Stromquelle ist mit dem Draht 20 verbunden und der negative Anschluss ist mit der zweiten Elektrode 30 verbunden. Gleichzeitig wird die Hochspannungsstromzufuhr für ausreichende Zeit getaktet, um einen Hochspannungslichtbogen zwischen der zweiten Elektrode 30 und der Drahtspitze 21 zu schlagen. Der so gebildete Hochspannungslichtbogen stellt einen Leiterpfad für Gleichstrom aus der Plasmastromzufuhr bereit, um aus der zweiten Elektrode 30 zum Draht 20 zu fließen. Als Ergebnis dieser elektrischen Energie wird das Plasmagas intensiv erwärmt, was bewirkt, dass das Gas, das verwirbelt ist, die Düsenöffnung 11 mit sehr hoher Geschwindigkeit verlässt und im Allgemeinen einen Überschallplasmastrahl 12 bildet, der sich von der Düsenöffnung 11 erstreckt. Der so gebildete Plasmalichtbogen ist ein erweiterter Plasmalichtbogen, der sich anfangs von der zweiten Elektrode 30 durch den Kern des verwirbelten Plasmastrahls 16 zum maximalen Erstreckungspunkt erstreckt. Der Hochgeschwindigkeitsplasmastrahl 12, der sich über den maximalen Bogenerstreckungspunkt erstreckt, stellt einen elektrisch leitfähigen Pfad zwischen der zweiten Elektrode 30 und dem freien Ende 21 des Drahtes 20 bereit.
Ein Plasma wird zwischen der zweiten Elektrode 30 zum Draht 20 gebildet, was bewirkt, dass die Drahtspitze schmilzt, während diese kontinuierlich in den Plasmastrahl 12 eingeleitet wird. Ein sekundäres Gas 14, das durch die Öffnungen 24 in die Düse 10 eintritt, z. B. Luft, wird unter Hochdruck durch die Umfangsöffnungen 26 in die Düse 10 eingeleitet. Dieses sekundäre Gas wird auf die Reihe beabstandeter Bohrungen verteilt. Der Fluss dieses sekundären Gases 14 stellt ein Mittel zum Kühlen des Drahtzuführabschnitts 22 und der Düse 10 bereit und stellt auch einen im Wesentlichen kegelförmigen Gasfluss bereit, der den erweiterten Plasmastrahl 12 umgibt. Dieser kegelförmige Fluss aus Hochgeschwindigkeitssekundärgas überschneidet sich mit dem erweiterten Plasmastrahl 12 stromabwärts des freien Endes 21 des Drahtes 20 und stellt somit ein zusätzliches Mittel zum Zerstäuben und Beschleunigen der geschmolzenen Teilchen bereit, die durch das Schmelzen des Drahtes 20 ausgebildet werden und das Metallspray 18 erzeugen.
Durch das Verwenden des Drahtes 20 gemäß der Erfindung, der aus rostfreiem Stahl mit einem inneren Kern aus 100% Chromkarbid-Pulver ausgebildet ist, kann eine sehr effektive korrosionsbeständige Beschichtung erzeugt werden. Das Pulver mischt sich während des Plasmaspritzverfahrens vollständig mit dem rostfreien Stahl und erzeugt eine vollends gleichförmige korrosionsbeständige Beschichtung auf der Oberfläche 40.

Claims

Ein Draht für die Verwendung in Plasma-Lichtbogen-Beschichtungsverfahren, wobei der Draht aus rostfreiem Stahl mit einem hohlen inneren Kern ausgebildet ist, der mit einem Metallpulver gefüllt ist, das zu 100% aus Chromkarbid besteht.
Draht nach Anspruch 1, wobei der rostfreie Stahl 430 rostfreier Stahl ist.
Draht nach Anspruch 1, wobei das Metallpulver eine Teilchengröße von etwa –325 mesh aufweist.
Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit einer Metalllegierung, umfassend das Durchführen eines thermischen Spritzbeschichtungsverfahrens auf der Oberfläche, wobei das Beschichtungsverfahren mithilfe eines Drahtes durchgeführt wird, der aus rostfreiem Stahl ausgebildet ist und einen hohlen inneren Kern aufweist, der mit einem Metallpulver gefüllt ist, das zu 100% aus Chromkarbid besteht.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das thermische Spritzverfahren ein Plasma-Lichtbogen-Verfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der rostfreie Stahl rostfreier Stahl 430 ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Pulver eine Teilchengröße von etwa –325 mesh aufweist.