DE19705628B4

DE19705628B4 - Verfahren und Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Bohrungen

Info

Publication number: DE19705628B4
Application number: DE19705628A
Authority: DE
Inventors: Horst Dipl.-Ing. Lindner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1997-02-14
Filing date: 1997-02-14
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2017-02-15
Also published as: DE19705628A1

Abstract

Verfahren zum thermischen Beschichten von Bohrungen, insbesondere von Zylinderbohrungen von Zylindergehäusen von Hubkolbenmaschinen, bei dem mittels eines in die Bohrung eintauchenden Brenners ein pulverförmiges Material schmelzflüssig auf die Bohrungsoberfläche aufgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (32) von dem einen Bohrungsende aus mit einem Schutzgas gespült wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Bohrungen, insbesondere von Zylinderlaufbahnen von Zylindern von Hubkolbenmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein gattungsgemäßes Verfahren beschreibt die nicht vorveröffentlichte DE 196 01 793 A1 bei dem die Oberflächen bzw. Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen durch Aufspritzen eines pulverförmigen Verbundwerkstoffes mit Al, Fe und Si mittels eines Plasmabrenners beschichtet werden.

Aufgabe der Erfindung ist die Weiterentwicklung dieses Verfahrens für den großserientauglichen Einsatz bei verbesserten Kohäsionseigenschaften der Beschichtung, sowie die Schaffung einer baulich und fertigungstechnisch günstigen Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Die verfahrensgemäße Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Weiterbildungen des Verfahrens sind den weiteren Verfahrensansprüchen entnehmbar.

Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die zu beschichtende Bohrung von dem einen Bohrungsende aus mit einem Schutzgas, insbesondere Stickstoff, zu spülen. Durch diese bevorzugt Stickstoff-Spülung wird sauerstoffhaltige Luft aus der Bohrung verdrängt, so daß Oxydablagerungen und insbesondere Oxydationsprozesse vermieden werden. Da bei den thermischen Spritzverfahren nicht das gesamte eingesetzte Metallpulver zur festen Abscheidung auf dem Substrat führt, sondern einen Anteil aus dem z. B. Plasmastrahl ausgeschieden wird, können diese Pulveranteile zudem mit der Stickstoffströmung aus der Bohrung herausgefördert, ohne daß ggf. exotherme Reaktionen auftreten. Auch die auf dem Substrat bei dem ersten Beschichtungsvorgang noch leicht und ungebunden anhaftenden z. B. Aluminium-Partikel werden vor deren bei dem nächsten Beschichtungsdurchgang auftretender Verschmelzung vor Oxydation geschützt, so daß die Beschichtung als solches eine hervorragende Bindung mit dem Grundmaterial bzw. eine hervorragende Kohäsion und Homogenität aufweist.

Ferner wird vorgeschlagen, die Bohrungsoberfläche vor der thermischen Beschichtung, bevorzugt einer Plasmabeschichtung z. B durch Feinspindeln maßhaltig zu bearbeiten, anschließend die Bohrungen wie beschrieben mit Stickstoff zu fluten und unter Stickstoffatmosphäre mit einem oberflächenabziehendem Werkzeug, insbesondere mit Honbürsten (mit Diamant oder Korund besetzt) zu bearbeiten. Hierbei wird die sich zwischen Feinspindeln und Stickstoff-Flutung gebildete feine Oxydhaut abgetragen. Die Stickstoffatmosphäre schützt die Oberfläche vor einer erneuten Oxydation. Bei der Plasmabeschichtung kann dann in diesem Fall die übliche mechanische Verklammerung der Plasma-Spritzschicht durch eine metallische Verbindung wesentlich höherer Haftung zum Substrat ersetzt werden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Kennzeichen des Anspruches 6 weist einenends der Bohrung eine Zuführkonsole für das Schutzgas auf, die an die Bohrung dicht angesetzt wird und durch die hindurch das Schutzgas eingeblasen wird. Das Schutzgas kann dabei über eine Ausstromdüse und mittels eines Lochbleches mit tangentialen Abströmöffnungen so in die Bohrung eingebracht werden, daß eine zuverlässige Spülung unter vollständiger Entfernung sauerstoffhaltiger Anteile sichergestellt ist.

Besonders vorteilhaft kann der Brenner mit einer den Durchströmquerschnitt der Bohrung außerhalb des Beschichtungsbereiches vermindernden Blende versehen sein, die die Stickstoffspülung in dem Beschichtungsbereich ablenkt bzw. die Strömungsgeschwindigkeit und damit die Wirksamkeit der Stickstoff-Flutung erhöht.

Der Brenner kann ein in der Bohrung rotierender Plasmabrenner sein, der mit einer entsprechenden, vorgenannten Blende versehen ist.

Zur großserientauglichen Herstellung der Zylinderkurbelgehäuse von Hubkolbenmaschinen bzw. Brennkraftmaschinen in einer entsprechenden Fertigungseinrichtung kann die Zuführkonsole für das Schutzgas eine Transportpalette sein, auf die das Zylinderkurbelgehäuse aufgesetzt wird, so daß z. B. von der Unterseite her die Stickstoffspülung erfolgt, während in der entgegengesetzten Richtung der Plasmabrenner eingefahren und die Zylinderlaufflächen entsprechend beschichtet werden. Dieser Ablauf kann in fertigungstechnisch entsprechender Verkettung auf einem automatischen Transportband als ineinandergreifende Arbeitsfolgen durchgeführt werden.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die schematische Zeichnung zeigt in
1 einen Querschnitt durch eine Fertigungseinrichtung für ein Zylinderkurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschine mit einer Transportpalette mit Stickstoffanschluß;
2 einen Schnitt entlang einer Zylinderbohrung des Zylinderkurbelgehäuses und teilweise durch die Transportpalette gemäß Linie II-II der 1; und
3 einen weiteren Querschnitt entlang der Linie III-III durch das Zylinderkurbelgehäuse gemäß 2.
In der 1 ist ein Abschnitt einer Fertigungseinrichtung für Zylinderkurbelgehäuse 10 von mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschinen dargestellt, wobei die Zylinderkurbelgehäuse 10 jeweils auf einer als Transportpalette 12 ausgebildeten Zuführkonsole aufgesetzt sind. Die Transportpalette 12 ist auf einem Förderband 14 positioniert.
In der Transportpalette 12 sind Kanäle 16,18 angeordnet, über die über einem flexiblen Schlauch 20 und ein elektrisch ansteuerbares Magnetventil 22 Schutzgas bzw. Stickstoff N₂ aus einer nicht dargestellten Versorgungsquelle in eine eine Ausströmdüse 24 aufweisenden Abströmkammer 26 geleitet wird. Die Düsenbohrungen 28 der Ausströmdüse 24 sind dabei senkrecht zur Bohrungsachse bzw. zur Mittelachse 30 der im dargestellten Querschnitt ersichtlichen Zylinderbohrung 32 des Zylinderkurbelgehäuses 10 ausgerichtet.
Die Abströmkammer 26 ist überdeckt von einer Lochplatte 34, an die sich eine Abstandplatte 36 mit je Zylinderbohrung 32 des Zlinderkurbelgehäuses 10 einer kreisförmigen, dem Durchmesser der Zylinderbohrung 32 etwa entsprechenden Ausnehmung 38 anschließt. An den jeweils planen Anschlußflächen zwischen Transportpalette 12, Lochplatte 34, Abstandsplatte 36 und Zylinderkurbelgehäuse 10 sind Dichtringe (einheitlich mit 40 bezeichnet) zur dichten Anlage aneinander vorgesehen.
In der Lochplatte 34 sind die im Bereich der Abströmkammer (26) eingearbeiteten Durchströmöffnungen 42 (vgl. 2) derart ausgerichtet, daß das Schutzgas nicht in axialer Richtung, sondern tangential und eine Rotation in der Zylinderbohrung 32 erzeugend überströmt.
Bei der Plasmabeschichtung der Zylinderbohrung 32 bzw. der Zylinderlaufbahnen für die Kolben der Brennkaftmaschine beispielsweise mit einer Beschichtung gemäß DE 196 01 793 A1 der Anmelderin wird der nur teilweise dargestellte Plasmabrenner in die Zylinderbohrung 32 eingefahren, wobei deren im Betrieb rotierender Brennerarm 44 einen Plasmastrahl 46 unter schmelzflüssiger Abstrahlung des pulverförmigen Beschichtungsmaterials (z. B. AISi 30) auf die Bohrungsoberfläche richtet.
An den Brennerarm 44 ist erfindungsgemäß eine den Bohrungsquerschnitt (vgl. 3) der Zylinderbohrung 32 des Zylinderkurbelgehäuses 10 teilweise abdeckende metallische Blende 48 befestigt, die mit schrägen Abströmflächen 50 den Schutzgasstrom in den Beschichtungsbereich des Plasmastrahles 46 ablenkt.
Der Beschichtungsvorgang der Zylinderlaufbahnen bzw. der Zylinderbohrungen 32 des Zylinderkurbelgehäuses 10 erfolgt wie nachstehend ausgeführt:
Zunächst wird über eine Fördereinrichtung das Zylinderkurbelgehäuse 10 auf die Transportpalette 12 mit der Abstandplatte 36 aufgesetzt. In einem vorhergehenden Arbeitsgang wurden die Zylinderbohrungen 32 in einem Bohrwerk auf ein definiertes Maß feingespindelt.
Mit dem Aufsteuern des Magnetventiles 22 wird nunmehr der Zylinderbohrung 32 Schutzgas bzw. Stickstoff N₂ zugeführt und zugleich von dem offe nen Ende (auf der Zeichnung von oben) der Zylinderbohrung 32 ein Werkzeug zum Bürsthonen (mit Diamant oder Korund besetzte Honbürsten) eingefahren, so daß auf der nach dem Feinspindeln der Zylinderbohrungen 32 angelagerte Oxyde abgetragen und mit dem Schutzgas nach oben ausgeblasen werden (ggf. kann auch ein Werkzeug mit Honleisten eingesezt werden).
Danach wird das Werkzeug unter ständiger, weiterer Zufuhr von Schutzgas aus der Zylinderbohrung 32 ausgefahren und der Plasmabrenner 44 eingefahren und gezündet. Der Beschichtungsvorgang beginnt dabei zweckmäßig am unteren Ende der Zylinderbohrung 32, wobei durch die Abstandplatte 36 bzw. deren Ausnehmung 38 der nötige Freigang des Brennerarmes 44 sichergestellt ist.
Das durch den Brennerarm 44 zugeführte pulverförmige Beschichtungsmaterial wird schmelzflüssig über den Plasmastrahl 46 ausgetragen und auf die Zylinderoberfläche abgelagert, wobei aufgrund der oxydfreien Bohrungsoberfläche und der unmittelbaren Stickstoffumgebung eine hervorragende Kohäsion aufgrund einer nahezu stoffschlüssigen Verbindung zwischen Zylinderoberfläche und Beschichtungsmaterial herstellbar ist.
Durch Drehen und mehrmaliges Auf- und Abfahren des Brennerarmes 44 bei ständiger Schutzgasspülung wird die Beschichtung z. B. in einer Beschichtungsstärke von 500 μm aufgetragen.
Die der Zylinderbohrung 32 zuzuführende N₂-Menge muß der Gasmenge entsprechen oder bevorzugt höher sein, als die durch die thermische Wirkung des Plasmabrenners 44 bewirkte Volumenverdrängung, so daß keine Rückströmung von Luft (damit O₂) in die Zylinderbohrung 32 erfolgt. Ferner werden dadurch zuverlässig ggf. sich nicht auf der Zylinderbohrung 32 ablagernde Beschichtungspartikel über den Stickstoffstrom ohne jegliche schädliche Reaktionen ausgeblasen.

Claims

Verfahren zum thermischen Beschichten von Bohrungen, insbesondere von Zylinderbohrungen von Zylindergehäusen von Hubkolbenmaschinen, bei dem mittels eines in die Bohrung eintauchenden Brenners ein pulverförmiges Material schmelzflüssig auf die Bohrungsoberfläche aufgespritzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (32) von dem einen Bohrungsende aus mit einem Schutzgas gespült wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzgas Stickstoff (N₂) verwendet wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas tangential in die Bohrung (32) eingeblasen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas über eine Lochplatte (34) strömungsberuhigt eingeblasen wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1–4, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzgas durch gezielte Strömungsquerschnittsverengung in der Bohrung im Beschichtungsbereich (46) beschleunigt wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Schutzgasspülung die Bohrungsoberfläche mechanisch gereinigt, insbesondere mittels Honbürsten gebürstet und unmittelbar danach beschichtet wird.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, daß einenends der Bohrung (32) eine Zuführkonsole (12) für das Schutzgas dicht angesetzt wird, durch die hindurch das Schutzgas eingeblasen wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Zuführkonsole (12) zumindest eine in Strömungsrichtung quer zur Bohrungsachse (30) verlaufende Auströmdüse (24) vorgesehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch die Zwischenschaltung einer strömungsrichtenden Lochplatte (34).
Vorrichtung nach den Ansprüchen 7–9, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchströmöffnungen (42) der Lochplatte (34) eine eine tangentiale Abströmung des Schutzgases ergebende Ausrichtung haben.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (44) mit einer den Durchströmquerschnitt der Bohrung (32) außerhalb des Beschichtungsbereiches (46) vermindernden Blende (48) versehen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (48) ca. 2/3 des Bohrungsquerschnittes abdeckt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (48) strömungsdynamisch so gestaltet ist, daß sie bei geringen Strömungsverlusten den Schutzgasstrom in den Beschichtungsbereich (46) umlenkt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 7–13, dadurch gekennzeichnet, daß der Brenner (44) ein in der Bohrung (32) rotierender Plasmabrenner ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7–14, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführkonsole für das Schutzgas eine das Zylinderkurbelgehäuse (10) einer Hubkolbenmaschine in einer Fertigungseinrichtung (14) aufnehmende Transportpalette (12) ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 7–15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Zuführkonsole (12) und dem Bohrungsgehäuse (10) eine einen definerten Abstand zwischen der Bohrung (32) und der Zuführkonsole (12) sicherstellende, zumindest eine der Bohrung (32) entsprechende Ausnehmung (38) aufweisende Abstandsplatte (36) vorgesehen ist.