DE19847608A1 - Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Bei einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche (13), insbesondere der Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine, mittels Beschichtung der Oberfläche (11) eines Grundmaterials (10) durch Anschmelzen und thermisches Aufspritzen pulverförmiger Zusatzstoffe (17) wird die Beschichtung (24) im Anschluß an das Aufspritzen auf der Oberfläche (11) des Grundmaterials (10) durch Walzen verdichtet, wobei einem Pulverauftragsbrenner (14) - diesem mit demselben Vorschub nachlaufend - eine Walze oder Rolle (16) zugeordnet ist. DOLLAR A Durch diese Maßnahmen gelingt es, u. a. die Verschleißfestigkeit derartiger Beschichtungen wesentlich zu erhöhen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4.

Zum Stand der Technik werden die DE 195 49 403 A1 die DE 196 37 041 A1 und die DE 197 31 625 genannt.

Danach ist es bekannt, Gleitflächen, die in der Lage sind, hohen mechanischen und/oder thermischen Beanspruchungen standzuhalten, durch Anschmelzen und Aufsprühen geeigneter Zusatzstoffe herzustellen. Die angeschmolzenen, aufgesprühten pulverförmigen Zusatzstoffe bilden sich an der zu beschichtenden Werkstückoberfläche als sogenannte Fladen ab. Bei diesen auf- und aneinanderliegenden Fladen handelt es sich um eine mehr oder minder tribologisch geeignete Schicht, die eine beträchtliche Porosität aufweist.

Aufgrund der vergleichsweise hohen Porosität kann sich in der Beschichtung (den Fladen) ein unter sich kommunizierendes Mikrokanalsystem ausbilden, welches - sofern es sich um geschmierte Flächen handelt - einen hohen Schmiermittelverbrauch zur Folge hat. Auch bieten nach bekannten Verfahren hergestellte Beschichtungen der in Rede stehenden Art Angriffsflächen für Korrosion und Oxidation sowie Auswaschungen.

Handelt es sich bei den Beschichtungen um Kolbenlaufflächen von Brennkraftmaschinen, so kann es infolge der Porosität und des Verbrennungsdrucks zu Sprengwirkungen innerhalb der Beschichtung kommen.

Alle diese Erscheinungen tragen dazu bei, daß die Beschichtung, ungeachtet der an sich gegebenen Widerstandsfähigkeit der verwendeten Zusatzstoffe, vorzeitigem Verschleiß unterliegt.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit vergleichsweise geringem Aufwand wirksame Maßnahmen zur Verbesserung der Verschleißfestigkeit derartiger Beschichtungen zu treffen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einem Verfahren nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 durch die aus dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 entnehmbaren Verfahrensschritte gelöst.

Bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 4 wird die Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen des verfahrensmäßigen beziehungsweise des gegenständlichen Teils der Erfindung enthalten die Patentansprüche 2 und 3 beziehungsweise die Patentansprüche 4-9.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung veranschaulicht, die nachstehend näher erläutert werden.

Es zeigt (jeweils schematisch):

Fig. 1 im vertikalen Längsschnitt - eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche an der Innenwand eines Zylinders,

Fig. 2 eine teilweise Darstellung des Gegenstands von Fig. 1,

Fig. 3 im Vertikalschnitt und stark vergrößert - eine auf eine Oberfläche aufgebrachte Beschichtung zur Bildung einer Gleitfläche, vor einer mechanischen Verdichtung, und

Fig. 4 die Beschichtung aus Fig. 3, nach einer mechanischen Verdichtung.

In Fig. 1 und 2 bezeichnet 10 einen Zylinder, zum Beispiel von einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, und 11 die Innenwand des Zylinders 10. Im Inneren des Zylinders 10 ist eine insgesamt mit 12 bezifferte Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche 13 (siehe Fig. 2) angeordnet. Die Gleitfläche 13 zeichnet sich gegenüber dem Grundmaterial des Zylinders 10 beziehungsweise dessen Innenwand 11 durch eine erhöhte thermische und/oder mechanische Verschleißfestigkeit aus.

Die Vorrichtung 12 besteht im wesentlichen aus einem Pulverauftragsbrenner 14 und einer um ihre Längsachse 15 drehbar gelagerten Walze oder Rolle 16. Zur Beschickung des Pulverauftragsbrenners 14 mit pulverförmigem Zusatzmaterial 17 dient eine Pulverzuführvorrichtung 18.

Die Vorrichtung 12 zur Herstellung der Gleitfläche 13 ist - wie in Fig. 1 durch einen Pfeil 19 angedeutet - um eine Achse 20, die der Längsmittelachse des Zylinders 10 entspricht, drehbar angeordnet. Hierbei wird auch die Walze oder Rolle 16 entsprechend in Drehung versetzt. Gleichzeitig mit der Rotation um die Zylinderlängsachse 20 führt die Vorrichtung 12 auch eine axiale Vorschubbewegung in Pfeilrichtung 21 aus.

Walze oder Rolle 16 und Pulverauftragsbrenner 14 sind einander so zugeordnet, daß die Walze oder Rolle 16 dem Pulverauftragsbrenner 14 stets in einem Winkel von 40-320°, vorzugsweise 45-200°, nachläuft.

Die Walze oder Rolle 16 kann zylinderförmig, kugelig, ballig oder - vorzugs­ weise - konisch (siehe Fig. 2) ausgebildet sein. Während der Rotations- und Vorschubbewegung der Vorrichtung 12 beziehungsweise der Walze oder Rolle 16 übt die Walze oder Rolle 16 radialen Druck (siehe Pfeil 22 in Fig. 2) auf die soeben vom Pulverauftragsbrenner 14 auf die Zylinderinnenwand 11 aufgebrachte Beschichtung zur Bildung der Gleitfläche 13 aus. Dies führt zu einer vorteilhaften Verdichtung der Struktur der Beschichtung (siehe hierzu Fig. 3 und 4 und die nachstehende Beschreibung).

Das Beschichtungsverfahren läuft im einzelnen wie folgt ab.

Das in dem Trichter 18 oder einer Dosiervorrichtung befindliche pulverförmige Zusatzmaterial 17, bei dem es sich zum Beispiel um ein Gemisch von Metallkomponenten unter Verwendung eines Stahls und Molybdän handeln kann, gelangt in den Pulverauftragsbrenner 14, der das Pulver 17 thermisch auf die Zylinderinnenwand 11 aufspritzt. In dem sich hierbei bildenden Aufsprühkegel 23 wird das pulverförmige Zusatzmaterial 17 so angeschmolzen, daß es sich als Beschichtung 24 (Fig. 2) auf der Zylinderinnenwand 11 abbildet. Die Beschichtung 24 weist jedoch keine homogene Struktur auf, wie die vergrößerten Darstellungen in Fig. 3 und 4 erkennen lassen. Vielmehr setzt sich die Beschichtung 24 aus einer Vielzahl neben- und übereinander liegender sogenannter Fladen 25 zusammen, zwischen denen mehr oder weniger große Poren 26 ausgebildet sind. In noch unverdichtetem Zustand hat die Beschichtung 24 die aus Fig. 3 ersichtliche vergleichsweise großporige Struktur. Durch den Einsatz der zylindrischen, kugelförmigen oder - vorzugsweise - konischen Rolle oder Walze 16 (Fig. 1 und 2), wird nun die Beschichtung 24 mechanisch verdichtet (siehe insbesondere Fig. 2), wodurch sie die aus Fig. 4 ersichtliche Struktur erhält. Die verdichtete Beschichtung ist in Fig. 2 und 4 jeweils mit 24a bezeichnet. Insbesondere ein Vergleich von Fig. 3 und 4 macht deutlich, daß die verdichtete Beschichtung 24a (Fig. 4) sich gegenüber der unverdichteten Beschichtung 24 (Fig. 3) durch eine geringere Porosität zwischen den einzelnen Fladen 25 auszeichnet.

Bei konischer Ausbildung der Walze oder Rolle 16 (Fig. 2) ergibt sich - ausgehend von dem untersten Andruckpunkt 27 (beziehungsweise 28, Fig. 1) eine zunehmende Verdichtung der Beschichtung 24a in Pfeilrichtung 29. Die Walze oder Rolle 16 wird hierbei - zweckmäßigerweise - so positioniert, daß ihr unterster Andruckpunkt 27 beziehungsweise 28 (Fig. 1) knapp oberhalb des vom Pulverauftragsbrenner 14 erzeugten Pulver-Aufsprühkegels 23 zu liegen kommt.

Fig. 4 macht deutlich, daß infolge der mechanischen Verdichtung die Porosität der Beschichtung 24a gegenüber ihrem unverdichteten Zustand (24, Fig. 2 und 3) stark reduziert wird. Dadurch werden Mikrokanalsysteme, wie sie durch die großen Poren 26 bei einer unverdichteten Beschichtung (24, Fig. 2 und 3) möglich sind, vorteilhaft vermieden.

Allerdings sollte die Verdichtung nur so weit erfolgen, daß in der Beschichtung 24a noch eine gewisse Mikroporosität, die für ein Mikrodruckkammersystem geeignet ist, erhalten bleibt.

Die Vorteile einer solcher Art verdichteten Beschichtung 24a bestehen des weiteren darin, daß die Haftzugwerte erhöht werden und spätere Ablösungen (Auswaschungen) vermieden werden.

Durch den nach dem thermischen Aufsprühen des Zusatzmaterials 17 zunächst noch teigigen Zustand der Fladen 25 wird nicht nur eine Strukturverdichtung der Beschichtung 24 (24a) mit der günstigen Folge einer Porositätsverringerung, sondern darüber hinaus noch ein Planplattierung der Beschichtungsoberfläche 13 erzielt. Hierbei wird die Haut, die sich unter Umständen an der Außenseite der Fladen 25 gebildet hat aufgebrochen, und es kommt zu einer Verschmelzung der einzelnen Fladen 25 untereinander, begünstigt durch die in den Fladen 25 noch enthaltene Wärmeenergie und den durch die Walze oder Rolle 16 aufgebrachten Verdichtungsdruck.

Die Oberfläche 13 der Beschichtung 24a wird dadurch sehr glatt, was ihrer Verwendung als Gleitfläche sehr zugute kommt (geringer Reibungskoeffizient). Es ergeben sich weniger Angriffsflächen für Korrosion und Oxidation, und die Gefahr von Auswaschungen wird minimiert.

Aufgrund der stark reduzierten Porosität der Beschichtung 24a wird eine Sprengwirkung (bei Verwendung der Gleitfläche im Zylinder einer Brennkraftmaschine) praktisch vermieden. Zugleich bedeutet dies einen geringeren Schmiermittelverbrauch.

Alle diese Vorteile ergeben insgesamt eine entsprechend hohe Verschleißfestigkeit der Beschichtung 24a beziehungsweise der durch diese hergestellten Gleitfläche 13.

Claims (9)

1. Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche, insbesondere der Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine, mittels Beschichtung der Oberfläche eines Grundmaterials durch Anschmelzen und thermisches Aufspritzen pulverförmiger Zusatzstoffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (24) im Anschluß an das Aufspritzen auf der Oberfläche (11) des Grundmaterials (10) durch Walzen verdichtet wird (24a).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Aufbringen der Beschichtung (24) und anschließendes Walzen fortlaufend kontinuierlich erfolgen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung der Beschichtung (24) durch Walzen unter einem derart bemessenen Druck (22) vorgenommen wird, daß in der Beschichtung (24a) eine für ein Mikrodruckkammersystem geeignete Mikroporosität erhalten bleibt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, 2 oder 3, mit einem kontinuierlich entlang der zu beschichtenden Oberfläche entlang bewegten Pulverauftragsbrenner, dadurch gekennzeichnet, daß dem Pulverauftragsbrenner (14) - diesem mit demselben Vorschub nachlaufend - eine Walze oder Rolle (16) zugeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Pulverauftragsbrenner (14) und Walze oder Rolle (16) ein gemeinsames Aggregat (12) bilden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet durch eine derartige Zuordnung von Pulverauftragsbrenner (14) und Walze oder Rolle (16), daß die Walze oder Rolle (16) in einem Winkel von 40° bis 320°, vorzugsweise 45°-200°, dem Pulverauftragsbrenner (14) nachläuft.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet daß die Walze oder Rolle (16) zylindrisch oder kugelförmig ausgebildet ist.

8 Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze oder Rolle (16) kegelförmig ausgebildet ist, derart, daß sich ihr Durchmesser entgegen der axialen Vorschubrichtung (21) linear vergrößert (Fig. 2).

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze oder Rolle (16) wassergekühlt ist.