DE19652633A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Innenbeschichten von metallischen Bauteilen - mit einer verschleiß­ beständigen Schicht - durch einen Abscheidungsprozeß für den Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase oder durch Sputtern. Zudem erfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zum Innenbeschichten
Derartige Abscheidungsprozesse sind als (physical vapor deposit) PVD-Verfahren oder (chemical vapor deposit) CVD-Ver­ fahren an sich seit längerer Zeit bekannt. Sie werden hauptsächlich zum flächigen Auftragen dünner Schichten auf Nitrid-, Oxid- oder Karbid-Basis verwendet. Auch besteht die Möglichkeit mit diesen Verfahren Metalle und/oder Metallegierungen oder deren Verbindungen abzuscheiden.
Bei solchen Abscheidungen aus der Dampfphase werden - im Falle des Nichtabdeckens eines metallischen Teils oder einer nicht zur Beschichtung vorgesehenen Oberfläche - nicht zu beschichtende Flächen mitbeschichtet, weshalb diese - nicht zu beschichtenden - Flächen sauber abgedeckt werden müssen. Dadurch erhöhen sich die relativ hohen Verfahrenskosten noch weiter.
Die WO 89/03 930 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Wärmedämmschicht geringer Dicke in einen Verbrennungsraum eines Motors eingebracht wird. Das Beschichten der Laufflächen - zur Verbesserung der Laufeigenschaften - wird in dieser Schrift nicht behandelt.
Nach US-A-4 495 907 wird eine Wärmedämmschicht aus Metalloxiden in einem Verbrennungsraum eingebracht, die auch für die Lauffläche verwendet zu werden vermag.
Zum Innenbeschichten können thermische Spritzverfahren eingesetzt werden, die aber Probleme hinsichtlich der Schichtstärke, des möglichen Beschichtungswerkstoffes, der Dichtigkeit der Schicht, ihrer Oberflächenrauhigkeit od. dgl. aufwerfen.
In Kenntnis dieses Standes der Technik soll ein Innenbeschichtungsverfahren für Hohlräume, Innenflächen von Büchsen oder größeren Bohrungen und insbesondere für Zylinderausnehmungen in Motorblöcken geschaffen werden. Zudem hat sich der Erfinder die Entwicklung einer dafür geeigneten Vorrichtung oder Anlage zum Ziel gesetzt, die bevorzugt für eine Automatisierung geeignet sein soll.
Erfindungsgemaß werden in dem/den die zu beschichtende Fläche aufweisenden Hohlraum/-räumen des Bauteils für das Beschichtungsverfahren erforderliche Prozeßbedingungen durch Veränderung der Luftzusammensetzung und/oder des Luftdruckes hergestellt, beispielsweise eine Gasatmosphäre erzeugt oder - bevorzugt - ein Vakuum.
Das Bauteil kann etwa vor dem Beschichtungsvorgang in einer Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage stationär festgelegt und dann der Beschichtung unterzogen werden.
Bei einem besonders vorteilhaften Verfahren wird der Hohlraum des Bauteils vor dem Beschichtungsvorgang durch an das Bauteil angelegte Verschlußelemente abgedichtet - und sein Innenraum entlüftet; der Hohlraum wird so selbst zu einer Vakuumkammer.
Um eine gleichmäßige Schichtdicke und Güte über die gesamte Beschichtungsfläche zu erzielen, wird bei einer Zylinderfläche wenigstens eine Stabkathode in die Zylinderausnehmung abgesenkt und der Beschichtungsvorgang bei einem Vakuum von etwa 10-4 mbar und einer Substrattemperatur von <400°C - vorzugsweise <250°C - durchgeführt.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen gegebenenfalls auch mehrere Schichten auf der Fläche aufgebaut werden, etwa eine TiAl-Schicht mit einer Hartstoffschicht.
Als günstig haben sich eine Gesamtschichtdicke zwischen 0,1 µm und 30 µm, insbesondere 0,5 µm bis 20 µm, sowie eine Rauhigkeit (RR; RL; RZ)der Beschichtung zwischen 0,1 µm und 10 µm - insbesondere 0,3 µm und 6 µm - erwiesen. Dabei soll die Ausgangsrauhigkeit vor dem Beschichten durch den Beschichtungsvorgang um weniger als 10% beeinflußt werden.
Im Rahmen der Erfindung liegt eine Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile durch einen Abscheidungsprozeß für den Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase - die vor allem zur Durchführung des oben erörterten Verfahrens geeignet sein soll - mit einer Reaktionskammer für den Abscheidevorgang in Form einer Vakuumkammer oder mehreren zusammensetzbaren Vakuumkammerteilen sowie mit wenigstens einer in dieser/diesen relativ zum Bauteil (10, 40) bewegbaren Kathode (28). In einer Ausführung soll das den Hohlraum enthaltende Bauteil in der Vakuumkammer festgelegt und die Kathode gegenüber dem Hohlraum bewegbar und in diesen einfahrbar angebracht sein. Bevorzugt wird über den Holraum des Bauteils selbst durch an dieses dicht angefügte Verschlußelemente als Vakuumkammer auszubilden und in ihr die Kathode bewegbar anzuordnen.
Dabei sollen die den Hohlraum abdichtende Verschlußelemente als Verschlußplatten ausgebildet sein, die mit Dichtflächen an Gegenflächen des Bauteils angelegt werden und mit letzterem den Hohlraum luftdicht begrenzen.
Grundsätzlich kann der Hohlraum eine beliebige Gestalt haben, bevorzugt wird aber ein - eine Mittelachse definierender - polygoner oder kreisförmiger Querschnitt, insbesondere der erwähnte zylindrische Hohlraum. Die Kathode wird dann in der Hohlraumlängsachse verfahrbar angeordnet.
Ein bevorzugter Einsatz des Verfahrens ergibt sich aufgabengemäß für Zylinderlaufbuchsenflächen in einem Motorblock aus einer Aluminiumlegierung, in dessen Zylinderausnehmungen eine verschleißfeste Schicht aufgebracht wird, ohne daß die vorher durch Honen erzeugte Oberflächengüte verloren ginge - eine Nachbearbeiten ist nicht mehr notwendig.
Die zwischen dem hohlen Bauteil sowie den Verschlußplatten erforderlichen Dichtflächen können Teil eines elastischen Dichtungselementes insbesondere aus Gummi bzw. einer Kautschukmasse oder aber aus einem - temperaturbeständi­ gen - Plastikwerkstoff sein. Jedoch liegen auch Dichtflächen in Form polierter metallischer Oberflächen innerhalb der Erfindung.
Die Verschlußelemente werden von Prozeßbeginn mittels einer Andruckeinrichtung auf die Reaktionskammerteile aufgesetzt und letztere damit abgedichtet. Der Andruck kann mechanisch erfolgen oder mittels pneumatischer oder hydraulischer Andruckeinrichtungen.
Dank der Erfindung können nunmehr die eingangs erörterten Probleme des Innenbeschichten durch ein Abscheideverfahren aus der Dampfphase gelöst und die Innenschichten mit einer guten Qualität aufgebracht werden.
Zum Erzielen einer hohen Güte der Laufflächen auf Leicht- oder anderen Substratmetallen ist eine hohe hertz′sche Schwingungsbelastung zu beachten. Dieses Problem - sowie das auftretender innerer Spannungen - kann durch das Auftragen mehrlagiger oder gradierter Schichten gelöst werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Fig. 1 eine Teilansicht eines Abschnittes eines Motorblocks mit einer diesem vorgesetzten, teilweise geschnittenen Verschlußplatte;
Fig. 2 eine Teildraufsicht auf den Motorblock;
Fig. 3 eine Skizze zu einer Beschichtungsan­ lage, deren Beschichtungskammer aus dem Motorblock selbst sowie zwei Verschluß­ platten gebildet ist;
Fig. 4 eine der Fig. 3 etwa entsprechende Skizze einer anderen Beschichtungsan­ lage mit einer den Motorblock aufneh­ menden Beschichtungskammer;
Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenan­ sicht einer weiteren Beschichtungs­ anlage mit einer Beschichtungskammer aus einer Büchse sowie zwei dieser stirnseitig zugeordneten Verschluß­ platten.
Fig. 6 eine schematische Übersicht zu mehreren Verfahrensschritten innerhalb einer Anlage;
Fig. 7 ein Teil der Anlage in Draufsicht.
In einem unteren Abschnitt eines aus einer Aluminiumlegie­ rung geformten Motorblocks 10 ist in Fig. 1 eine Zylin­ derausnehmung 12 zu erkennen, deren Lauffläche 14 aus der Dampfphase beschichtet werden soll. Dazu wird der Innenraum 16 des Motorblocks 10 beidends durch Verschlußplatten 18 geschlossen, die in Verschlußstellung mit Dichtflächen 20 entsprechenden Gegenflächen 20a des Motorblocks 10 anliegen.
Die Verschlußplatte 18 der Fig. 1 ist mit einem zentralen Anschluß 22 für eine aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigten Vakuumpumpe sowie mit einem Einlaßstutzen 24 für Reaktionsgas ausgestattet.
Einen zur Durchführung der Beschichtung jener Laufflächen 14 vorbereiteten Motorblock 10 verdeutlicht die Skizze der Fig. 3; der durch die beiden Verschlußplatten 18, 18a ver­ schlossene Innenraum 16 des Motorblocks 10 wird bei Betä­ tigung der mit den Anschlüssen 22 verbundenen Vakuumpumpe/n zu einer Vakuumkammer 26; ebenfalls sind die Zylinderaus­ nehmungen 12 dank weiterer Anschlüsse 22a Teile des Vakuumsystems.
In jeder der Zylinderachsen M hängt in der Vakuumkammer 26 eine Stabkathode 28, die für den Beschichtungsvorgang in die jeweilige Zylinderausnehmung 12 abgesenkt wird, um dort mittels des (physical vapor deposition) PVD - Verfahrens die Beschichtung vorzunehmen.
Der gleiche Beschichtungsvorgang läuft auch in der Be­ schichtungsanlage 30 nach Fig. 4 ab; hier wird der Motor­ block 10 in eine Vakuumkammer 26a der Beschichtungsanlage 30 eingeschleust. Nach diesem Einschleusen werden die Stab­ kathoden 28 in die zu beschichtenden Zylinderausnehmungen 12 des mittels Spanneinrichtungen 32 festgelegten Motor­ blocks 10 abgesenkt und deren Laufflächen 14 ebenfalls nach dem PVD-Verfahren beschichtet.
In einer anderen Innenbeschichtungsanlage 30 a nach Fig. 5 wird eine Zylinderlaufbüchse 40 beschichtet. Hier wird als Beschichtungskammer der Innenraum 42 der Büchse 40 genommen; letzterer sind ebenfalls eine untere Verschlußplatte 18 mit Vakuumanschluß 22 und Gaseinlaß 24 sowie eine obere Verschlußplatte 18 a zugeordnet. Von dieser hängt axial eine Stabkathode 28 in den Innenraum 42. Die über einen Transferarm 44 angelieferte Zylinderbüchse 40 wird in Beschichtungsposition gebracht, und die Verschlußplatten 18 bzw. 18 a werden über Anpreßköpfe 46 bzw. 46a einer Robotereinrichtung automatisch geschlossen. Nun kann der Beschichtungsvorgang durchgeführt werden.
Fig. 6 zeigt schematisch eine Anlage 50 zum konti­ nuierlichen Innenbeschichten von Motorblöcken 10 mit zwei jeweils ein Förderband 52 enthaltende Spuren S₁, S₂. Im Schritt A ist die Spur S₁ nicht bestückt, in Spur S₂ sind Verschlußplatte 18 und die als Rezipientendeckel ausgestaltete Gegenplatte 18 a - mit dem Vakuumanschluß 22 und der Stabkathode 28 - in Abstand zueinander gestellt; sie nehmen in Schritt B der Spur S₁ den Motorblock 10 zwischen sich auf. Im Schritt C wird die Verschlußplatte 18 als Rezipientenboden in den Innenraum 16 des Motorblocks 10 eingefahren und in Schritt D der Rezipientendeckel 18a aufgesetzt - der Beschichtungsvorgang wird eingeleitet. In Schritt E wird die freie Spur S₂ mit einem rohen Motorblock 10 bestückt, während in Spur S₁ das Verfahren läuft. Schließlich werden im Schritt F die Rezipiententeile 18, 18 a vom beschichteten Motorblock 10 b gelöst und zu einem neuen Motorblock 10 in Spur S₂ gebracht.
Fig. 7 bietet in Draufsicht einen beschichteten Motorblock 10 b in Spur S₁ und einen rohen Motorblock 10 in Spur S₂ an; das Umschichten dieser Motorblöcke 10, 10 b kann in einer Mehrzahl von parallelen Spuren erfolgen.

Claims (32)

1. Verfahren zum Innenbeschichten metallischer Bauteile (10, 40) durch einen Abscheidungsprozeß für einen Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase, bei dem in dem/den die zu beschichtende Fläche (14) aufweisenden Hohlraum/-räumen (12, 42) des Bauteils für das Beschichtungsverfahren erforderliche Prozeßbedin­ gungen durch Veränderung der Luftzusammensetzung und/oder des Luftdruckes hergestellt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gasatmosphäre erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuum erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (10, 40) vor dem Beschichtungsvorgang in einer Vakuumkammer (26a) festgelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (12, 42) des Bauteils (10, 40) vor dem Beschichtungsvorgang durch an das Bauteil angelegte Verschlußelemente abgedichtet und zu einer Vakuumkammer entlüftet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ein Vakuum von etwa 10-4 mbar.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Substrattemperatur für den Beschichtungsvorgang von unter 400°C, vorzugsweise von unter 250°C.
8. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (12, 42) zylindrisch ausgebildet und die Kathode (28) etwa in der Zylinderachse (M) verfahren wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch den Aufbau mehrerer Schichten auf der zu beschichtenden Fläche (14).
10. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch das Auftragen einer TiAl-Schicht sowie einer Hartstoffschicht.
11. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch das Auftragen einer Schicht mit gradiertem Hartstoffanteil.
12. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch eine Gesamtschichtdicke zwischen 0,1 µm und 30 µm, insbesondere 0,5 µm bis 20 µm.
13. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch eine Rauhigkeit der Beschichtung zwischen 0,1 µm und 10 µm.
14. Verfahren nach Anspruch 13, gekennzeichnet durch die Beeinflussung der Ausgangsrauheit nach DIN vor- der Beschichtung von weniger als 10% am Ende des Beschichtungsvorganges.
15. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Fläche (14) bzw. eine den Beschichtungswerkstoff enthaltende Kathode (28) mittels eines PVD-Verfahren behandelt wird.
16. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Fläche (14) bzw. eine den Beschichtungswerkstoff enthaltende Kathode (28) durch ein CVD-Verfahren behandelt wird.
17. Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile durch einen Abscheidungsprozeß für den Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase, insbe­ sondere zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehenden Patentansprüche, mit einer Reaktionskammer (26, 42) für den Abscheidevorgang oder mehreren zusammensetzbaren Reaktionskammerteilen sowie mit wenigstens einer in dieser/diesen relativ zum Bauteil (10, 40) bewegbaren Kathode (28), wobei der Hohlraum (12, 16, 42) des Bauteils durch an dieses dicht angefügte Verschlußelemente (18, 18 a) als Reaktionskammer ausge­ bildet und in ihr die Kathode bewegbar angeordnet ist.
18. Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile durch einen Abscheidungsprozeß für den Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase, insbe­ sondere zur Durchführung des Verfahrens nach wenigstens einem der voraufgehenden Patentansprüche, mit einer Reaktionskammer (26 a) für den Abscheidevorgang oder mehreren zusammensetzbaren Reaktionskammerteilen sowie mit wenigstens einer in dieser relativ zum Bauteil (10, 40) bewegbaren Kathode (28), wobei das den Hohlraum (12, 16, 42) enthaltende Bauteil in der Reaktionskammer festgelegt und die Kathode gegenüber dem Hohlraum bewegbar sowie in diesen einfahrbar angebracht ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschlußelemente Verschluß­ platten (18, 18 a) mit Dichtflächen (20) an Gegenflächen (20a) des Bauteils (10) angelegt sind, welche mit letzterem den Hohlraum (12, 16, 42) dicht begrenzen.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionskammer (26, 26 a, 42) bzw. die zusammensetzbaren Reaktions­ kammerteile mit den Verschlußelementen (18, 18 a) eine Vakuumkammer bildet/bilden.
21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Verschlußplatten (18, 18 a) mit einem Vakuumanschluß (22) ausgestattet ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der als Vakuumkammer dienende Hohlraum (12, 16, 42) querschnittlich polygon ausgebildet ist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der als Vakuumkammer dienende Hohlraum (12, 16, 42) querschnittlich kreisförmig, insbesondere als Zylinder ausgestaltet, ist.
24. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (28) in der Hohlraumlängsachse (M) verfahrbar angeordnet ist.
25. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 19 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das hohle Bauteil (10, 40) mit den Verschlußplatten (18, 18a) einen Rezipienten bildet und die eine Verschlußplatte als Rezipientenboden in den Hohlraum (12, 16, 42) einfahrbar angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 19 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß eine Verschlußplatte (18a) als Rezipientendeckel mit in ihm vorgesehener Stabkathode (28) ausgebildet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (20, 20a) Teil eines elastischen Dichtungsteils insbesondere aus Gummi oder aus einer Kautschukmasse hergestellt ist.
28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (20, 20 a) Teil eines Dichtungsteils aus einem Plastikwerkstoff hergestellt ist, insbesondere aus einem temperatur­ beständigen Kunststoff.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtfläche (20, 20 a) eine polierte metallische Oberfläche ist.
30. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 17 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Andruckeinrichtung (46, 46 a) zum Aufsetzen der Ver­ schlußelemente (18, 18 a) sowie zum Abdichten der Reaktionskammerteile aufweist.
31. Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine mechanische Andruckeinrichtung (46, 46 a).
32. Vorrichtung nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch eine pneumatische oder hydraulische Andruckein­ richtung (46, 46 a).
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