DE19847608B4

DE19847608B4 - Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche auf der Innenwand eines Zylinders

Info

Publication number: DE19847608B4
Application number: DE19847608A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-10-15
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: DE19847608A1

Abstract

Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche (13) auf einer Innenwand (11) eines Zylinders (10), insbesondere der Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine, mit einem kontinuierlich entlang der zu beschichtenden Oberfläche der Innenwand (11) bewegten Pulverauftragsbrenner (14) zur Beschichtung der Oberfläche eines Grundmaterials (10) durch Anschmelzen und thermisches Aufspritzen pulverförmiger Zusatzstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauftragsbrenner (14) um eine Achse (20), die der Längsmittelachse des Zylinders (10) entspricht, drehbar und entlang der Achse (20) mit einem Vorschub bewegbar angeordnet ist und dem Pulverauftragsbrenner (14) – diesem mit demselben Vorschub nachlaufend – eine, um ihre Längsachse (15) drehbar gelagerte Walze oder Rolle (16) zugeordnet ist, welche die Beschichtung (24) im Anschluss an das Aufspritzen auf der Oberfläche (11) des Grundmaterials (10) durch Walzen verdichtet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum Stand der Technik werden die DE 195 49 403 A1 und die DE 197 31 625 A1 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.
Die DE 26 56 203 C2 , die EP 03 02 072 B1 und die EP 0 119 036 B1 offenbaren zur Herstellung von Gleitflächen das thermische Aufspritzen pulverförmiger Zusatzstoffe mit einer anschließenden Verdichtung durch Walzen.
Aufgabe der Erfindung ist es, mit vergleichsweise geringem Aufwand wirksame Maßnahmen zum einfachen Auftragen derartiger Beschichtungen an Zylinderinnenwänden zu treffen.
Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung enthalten die Patentansprüche 2 bis 9.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung veranschaulicht, die nachstehend näher erläutert werden.
Es zeigt (jeweils schematisch):
1 im vertikalen Längsschnitt – eine Ausführungsform einer Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche an der Innenwand eines Zylinders,
2 eine teilweise Darstellung des Gegenstands von 1,
3 im Vertikalschnitt und stark vergrößert – eine auf eine Oberfläche aufgebrachte Beschichtung zur Bildung einer Gleitfläche, vor einer mechanischen Verdichtung, und
4 die Beschichtung aus 3, nach einer mechanischen Verdichtung.
In 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 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 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 – vorzugsweise – konisch (siehe 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 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 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 (2) auf der Zylinderinnenwand 11 abbildet. Die Beschichtung 24 weist jedoch keine homogene Struktur auf, wie die vergrößerten Darstellungen in 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 3 ersichtliche vergleichsweise großporige Struktur. Durch den Einsatz der zylindrischen, kugelförmigen oder – vorzugsweise – konischen Rolle oder Walze 16 (1 und 2), wird nun die Beschichtung 24 mechanisch verdichtet (siehe insbesondere 2), wodurch sie die aus 4 ersichtliche Struktur erhält. Die verdichtete Beschichtung ist in 2 und 4 jeweils mit 24a bezeichnet. Insbesondere ein Vergleich von 3 und 4 macht deutlich, dass die verdichtete Beschichtung 24a (4) sich gegenüber der unverdichteten Beschichtung 24 (3) durch eine geringere Porosität zwischen den einzelnen Fladen 25 auszeichnet.
Bei konischer Ausbildung der Walze oder Rolle 16 (2) ergibt sich – ausgehend von dem untersten Andruckpunkt 27 (beziehungsweise 28, 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 (1) knapp oberhalb des vom Pulverauftragsbrenner 14 erzeugten Pulver–Aufsprühkegels 23 zu liegen kommt.
4 macht deutlich, dass infolge der mechanischen Verdichtung die Porosität der Beschichtung 24a gegenüber ihrem unverdichteten Zustand (24, 2 und 3) stark reduziert wird. Dadurch werden Mikrokanalsysteme, wie sie durch die großen Poren 26 bei einer unverdichteten Beschichtung (24, 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

Vorrichtung zur Herstellung einer Gleitfläche (13) auf einer Innenwand (11) eines Zylinders (10), insbesondere der Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine, mit einem kontinuierlich entlang der zu beschichtenden Oberfläche der Innenwand (11) bewegten Pulverauftragsbrenner (14) zur Beschichtung der Oberfläche eines Grundmaterials (10) durch Anschmelzen und thermisches Aufspritzen pulverförmiger Zusatzstoffe, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauftragsbrenner (14) um eine Achse (20), die der Längsmittelachse des Zylinders (10) entspricht, drehbar und entlang der Achse (20) mit einem Vorschub bewegbar angeordnet ist und dem Pulverauftragsbrenner (14) – diesem mit demselben Vorschub nachlaufend – eine, um ihre Längsachse (15) drehbar gelagerte Walze oder Rolle (16) zugeordnet ist, welche die Beschichtung (24) im Anschluss an das Aufspritzen auf der Oberfläche (11) des Grundmaterials (10) durch Walzen verdichtet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Pulverauftragsbrenner (14) und die Walze oder Rolle (16) ein gemeinsames Aggregat (12) bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, dass der Druck der Walzen oder Rollen (16) zur Verdichtung der Beschichtung (24) derart bemessen ist, dass in der Beschichtung (24a) eine für ein Mikrodruckkammersystem geeignete Mikroporosität erhalten bleibt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, 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° bis 200°, dem Pulverauftragsbrenner (14) nachläuft.
Vorrichtung nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Walze oder Rolle (16) zylindrisch oder kugelförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze oder Rolle (16) kegelförmig ausgebildet ist, derart, dass sich ihr Durchmesser entgegen der axialen Vorschubrichtung (21) linear vergrößert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walze oder Rolle (16) wassergekühlt ist.