DE19910578A1 - Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei durch eine Öffnung des Innenraumes (Zylinderbohrung) eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Fläche erfolgt und anschließend die vorbehandelten Flächen thermisch beschichtet werden. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß die zu beschichtende Fläche aufgerauht wird, wobei ein definierter Mittenrauhigkeitswert und eine Flächenverteilung von Höhen (Peaks) und Tiefen (Täler) der aufgerauhten Fläche von zirka 50% zu 50% eingestellt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.

Es ist allgemein bekannt, mittels einer thermischen Beschichtung eine Oberflächenvergütung zu erzielen. Bei einer derartigen thermischen Beschichtung, beispielsweise einer Plasmabeschichtung, wird ein Beschichtungsmaterial, insbesondere ein Metall, in Pulver- oder Stabform einer Flamme zugeführt, in dieser aufgeschmolzen und auf einem Substrat niedergeschlagen. Je nach verwendetem Beschichtungsmaterial und eingesetzter Umgebungsatmosphäre können Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere mit gewünschten Gleiteigenschaften, Härteeigenschaften, Schichtdicken oder dergleichen, erzielt werden.

Bekannt ist, ein derartiges thermisches Beschichten beispielsweise bei der Behandlung von Zylinderlaufflächen in Zylinderkurbelgehäusen von Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen. Ferner ist bekannt, ein derartiges thermisches Beschichten in Pleuelaugen zum Erzielen einer Lagerschicht zu verwenden. Bei derartigen Verwendungen ist wichtig, daß die aufgebrachte thermische Beschichtung eine besondere Güte besitzt, da die Laufeigenschaften von in den Zylinderkurbelgehäusen sich bewegenden Kolben oder in den Pleuelaugen gelagerten Wellen, beispielsweise Kurbelwellen, entscheidend von der Beschichtung abhängen. Insbesondere ist wichtig, daß die Beschichtung mit einer definierten Haftzugfestigkeit auf der zu beschichtenden Fläche haftet. Ferner ist wichtig, daß innerhalb der Beschichtung eine möglichst homogene Beschichtung des Beschichtungsmaterials vorliegt, damit innere Spannungen vermieden werden. Derartige Spannungen können zur Ausbildung von Mikrorissen, Abplatzungen oder dergleichen führen. Ferner ist bekannt, daß bei der Ausbildung derartiger Beschichtungen als Lagerflächen oder Laufflächen in diesen durch eine definierte Oxid- und Porenbildung während der Beschichtung und nachfolgenden mechanischen Bearbeitung ein sogenanntes Mikrodruckkammersystem entsteht, das als Schmiermittelreservoir dient.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem in einfacher Weise eine thermische Beschichtung mit definierter Haftzugfestigkeit erzielbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß die zu beschichtende Fläche aufgerauht wird, wobei ein definierter Mittenrauhigkeitswert und eine Flächenverteilung von Höhen und Tiefen der aufgerauhten Fläche von zirka 50% zu 50% eingestellt wird, wurde überraschenderweise gefunden, daß eine reproduzierbare Haftzugfestigkeit von < 30 N pro mm² der nachfolgend aufzubringenden thermischen Beschichtung erzielbar ist. Insbesondere die Kombination der definierten Mittenrauhigkeit von vorzugsweise 10 bis 12 µm in Abhängigkeit einer Substratlegierung und die flächenmäßige Verteilung der Höhen- und Tiefen zu je 50% über die gesamte anschließend zu beschichtende Fläche führt zu einer homogenen Verteilung der anschließend aufzubringenden thermischen Beschichtung und deren gleichmäßige Mindesthaftzugfestigkeit über die gesamte beschichtete Fläche.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Aufrauhen der Fläche durch Sandstrahlen erfolgt, wobei vorzugsweise Aluminiumoxid-Körner Al₂O₃ mit einer bevorzugten Korngröße zwischen 0,18 bis 1,18 mm in Abhängigkeit der Substrat­ legierung eingesetzt werden. Durch Verwendung derartigen Strahlgutes in Verbindung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Beaufschlagung der zu beschichtenden Fläche mit dem Strahlgut wird näherungsweise das Flächenverhältnis von 50% zu 50% der von Höhen (Peaks) belegten Flächen und der von Tiefen (Täler) belegten Fläche erhalten. Insbesondere durch Wahl der Korngröße in Abhängigkeit der Substrat­ legierung wird erreicht, daß zunächst relativ große Körner platzen und die zu behandelnde Fläche mit den geplatzten, darin kleineren - in der Regel scharfkantigen Körnern - gleichzeitig mitbearbeitet wird, so daß eine Einebnung der Fläche mit einer definierten Mittenrauhigkeit eingestellt werden kann. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Haftzugfestigkeit der nachfolgenden thermischen Beschichtung und eine homogene Verteilung des Beschichtungsmaterials über die gesamte beschichtete Fläche.

Insbesondere wird durch die Einhaltung der definierten Mittenrauhigkeit erzielt, daß während des Beschichtens nicht Bereiche mit unterschiedlich starken Turbulenzen während des Aufbringens des Beschichtungsmaterials entstehen. Das Beschichtungsmaterial wird in einer Flamme aufgeschmolzen und durch diese mit Geschwindigkeiten zwischen 400 bis 600 m/s auf die zu beschichtende Fläche beschleunigt. Hierbei bilden die Peaks der Oberflächenrauhigkeit Verwirbelungsbereiche aus, die beispielsweise zu einem Sauerstoffeinschluß und unaufgeschmolzenen Partikeln durch Verwirbelung erkaltender Schmelze führen könnten. Derartige Sauerstoffeinschlüsse führen zu einer übermäßigen Oxidbildung in der Beschichtung, die einerseits zu einer Inhomogenität in der Beschichtung und andererseits zu einer niederen Haftzugfestigkeit der Beschichtung führt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Wirbelbildung während des Aufbringens des Beschichtens verhindert, zumindest soweit reduziert, daß das Entstehen unkontrollierter Sauerstoffeinschlüsse vermieden wird. Durch die hohe erzielte Haftzugfestigkeit wird weiterhin vorteilhaft eine nachfolgende Nachbearbeitung der Beschichtung, beispielsweise eine Ober­ flächenbehandlung durch Honen, Feinspindeln oder dergleichen, wesentlich vereinfacht, da Schichtablösungen während dieser Nachbehandlung sicher vermieden werden.

Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Vorbehandlung der zu beschichtenden Fläche durch Sandstrahlen über einen Kantenbereich des zu beschichtenden Innenraumes hinaus erfolgt. Hierdurch wird ein den Innenraum umgebender Rand mit vorbehandelt. Durch diese Vorbehandlung des Randbereiches wird erreicht, daß dieser während des nachfolgenden Beschichtens mitbeschichtet wird. Einerseits wird hierdurch möglich, eine Nachbearbeitung der beschichteten Flächen derart vorzusehen, daß eine Einlauffase strukturiert wird und Kantenablösungen der thermischen Beschichtung im Rand-/Kantenbereich während der Strukturierung der Einlauffase vermieden werden. Dies ist möglich, da die Beschichtung der Zylinderlauffläche nicht am Ende der im wesentlichen senkrechten Fläche aufhört, sondern in die spätere Einlauffase übergeht.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsstation zum thermischen Beschichten von Zylinderlaufflächen in Zylinderkurbelgehäusen;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungsabschnittes der Bearbeitungsstation;

Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf den Bearbeitungsabschnitt gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine Detailansicht einer beschichteten Fläche und

Fig. 5 eine Detailansicht einer vorbehandelten Fläche.

Fig. 1 zeigt schematisch eine Bearbeitungsstation 10 zum thermischen Beschichten von Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen 12. Hierbei ist lediglich teilweise jeweils ein Zylinderkurbelgehäuse 12 angedeutet, wobei dieses ebenfalls lediglich angedeutete Zylinderbohrungen 14, hier vier, aufweist. Mittels der Bearbeitungsstation 10 sollen die, die Zylinderbohrungen 14 begrenzenden Wände, also die Zylinderlaufflächen, beschichtet werden. Die Beschichtung erfolgt mittels einer Plasmabeschichtungstechnik. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird auf den eigentlichen Vorgang des Plasmabeschichtens nicht näher eingegangen, da dieses bekannt ist.

Die Zylinderkurbelgehäuse 12 werden mittels einer Transportstrecke 16, beispielsweise einer Rollenbahn oder dergleichen, durch die Bearbeitungsstation 10 bewegt. Die Bearbeitungsstation 10 umfaßt Bearbeitungsabschnitte 18, 20, 22, 24; 26, 28, 30, 32, 34 und 36. Nachfolgend soll auf die einzelnen Bearbeitungsabschnitte kurz eingegangen werden.

In der Fig. 1 wurde auf die Darstellung von Details, wie Antriebe, Schleusen, Zu- beziehungsweise Abführungen für Gase, elektrische Energie beziehungsweise anderer Medien, Steuer- und Überwachungseinrichtungen oder dergleichen, aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.

Der Bearbeitungsabschnitt 18 umfaßt eine Zuführstation, bei der die Zylinderkurbelgehäuse 12 der Bearbeitungsstation 10 übergeben werden. Die Zylinderkurbelgehäuse 12 sind in hier nicht näher zu betrachtender Weise bereits gefertigt und mit allen notwendigen Funktionselementen, wie beispielsweise Zylinderbohrungen, Kühlmittelkanälen, Paßbohrungen oder dergleichen, fertig mechanisch bearbeitet.

Der Bearbeitungsabschnitt 20 umfaßt eine Wasch- beziehungsweise Reinigungsstation, innerhalb der die Zylinderkurbelgehäuse spänefrei und ölfrei komplett gewaschen werden. Ferner erfolgt eine Trocknung und eine absolute Entfettung der zu beschichtenden Zylinderlaufflächen. Die Späne- und Ölfreiheit wird beispielsweise durch eine Injektions-Flut-Waschung erreicht, wobei kritische Bereiche, wie Hinterschnei­ dungen, Bohrungen, Hohlräume oder dergleichen, durch ein gezieltes Injizieren einer Waschlauge mit Hochdruck gereinigt werden. Das Entfetten erfolgt beispielsweise durch Heißdampf, der beispielsweise durch entsprechend ausgebildete Lanzen auf die Zylinderlaufflächen des Zylinderkurbelgehäuses 12 geleitet wird. Der Heißdampf besitzt beispielsweise eine Temperatur von 130°C bis 160°C und wird bei einem Druck von zirka 150 bis 180 mbar eingebracht. Die anschließende Trocknung der Zylinderkurbelgehäuse 12 erfolgt vorzugsweise unter Vakuum, beispielsweise bei einem Unterdruck von 80 bis 120 mbar.

Im Bearbeitungsabschnitt 22 erfolgt ein sogenanntes Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12. Hier werden die zuvor gereinigten und getrockneten Zylinderkurbelgehäuse 12 mit einer Abdeckschablone 38 versehen. Die Abdeckschablone 38 besitzt hier angedeutete Öffnungen 40. Die Öffnungen 40 fluchten mit den Zylinderbohrungen 14, so daß bei Aufbringen der Abdeckschablone 38 die Zylinderbohrungen 14 durch die Öffnungen 40 von oben zugänglich bleiben. Die Abdeckschablone 38 ist so ausgebildet, daß sämtliche weiteren Bereiche der Zyünderkurbelgehäuse 12 durch diese abgedeckt sind. Dies betrifft insbesondere Kühlmittelkanäle, Paßbohrungen oder dergleichen. Die Abdeckschablone 18 kann hierbei manuell oder durch einen entsprechenden Greifer oder dergleichen auf die Zylinderkurbelgehäuse 12 aufgelegt werden. Hierbei besitzt die Abdeckschablone 38 eine exakte plane Unterseite, die auf der bereits plan geschliffenen oder gefrästen Zylinderkopffläche des Zylinderkurbelgehäuses 12 aufliegt. Zur Fixierung der Abdeckschablone 38 kann diese hier im einzelnen nicht dargestellte Fixierstifte aufweisen, die beispielsweise in im Zylinderkurbelgehäuse 12 sowieso vorhandenen Paßbohrungen, beispielsweise zum späteren Befestigen eines Zylinderkopfes, eingreifen. Die Abdeckschablone 38 besteht aus einem Material, das gegenüber der nachfolgenden Bearbeitung resistent ist. Diese besitzt insbesondere eine genügend große Festigkeit gegenüber einem Sandstrahlangriff und gegenüber einer Plasmabehandlung und dergleichen. Die Abdeckschablone 38 liegt hierbei lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 auf. Durch die sich gegenüberliegenden, planen Seiten wird jedoch eine dichte Auflage erreicht, so daß ein Spalt zwischen der Zylinderkopffläche des Zylinderkurbelgehäuses 12 und der Unterseite der Abdeckschablone 38 im wesentlichen dichtend ausgebildet ist. Nach diesem Schablonieren in dem Bearbeitungsabschnitt 22 wird das mit der Abdeckschablone 38 versehene Zylinderkurbelgehäuse 12 durch die nachfolgenden Bearbeitungsabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 geführt.

Im Bearbeitungsabschnitt 24 erfolgt ein Sandstrahlen der Zylinderbohrungen 14. Dieses Sandstrahlen erfolgt, um eine Rauhigkeit der Zylinderlaufflächen zu erzielen, damit die in dem Bearbeitungsabschnitt 32 erfolgende Plasmabeschichtung die notwendige Haftzug­ festigkeit erhält. Zum Sandstrahlen wird wenigstens eine Strahllanze, gegebenenfalls zwei oder auch mehr Strahllanzen, gleichzeitig oder nacheinander in die Zylinderbohrungen 14 eingeführt. Hierbei greifen die Lanzen durch die Öffnungen 40 der Abdeckschablone 38 durch. Das Sandstrahlen erfolgt beispielsweise mit Aluminiumoxid Al₂O₃ mit einer Körnung von 0,18 bis 1,18 mm je nach geforderter Oberflächenrauhigkeit, bezogen auf die Substratlegierung der Zylinderkurbelgehäuse beziehungsweise Haftzugfestigkeit der späteren Plasmabeschichtung. Bei Zylinderkurbelgehäusen mit vier Zylinderbohrungen 14 erfolgt das Sandstrahlen vorzugsweise mit einer Doppel-Sandstrahleinheit, die zwei Sandstrahllanzen aufweist. Hierbei erfolgt beispielsweise das gleichzeitige Sandstrahlen der Zylinderbohrungen 1 und 3, das heißt nicht unmittelbar benachbarter Zylinderbohrungen 14. Hierdurch wird eine bessere Handhabung bei relativ beengt zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen, die sich nach dem Stichmaß der Zylinderbohrungen 14 richten, möglich. Ferner wird hierdurch die Bearbeitung für ein komplettes Zylinderkurbelgehäuse halbiert, da zwei Zylinderbohrungen gleichzeitig bearbeiten werden. Sind die Zylinderbohrungen 1 und 3 gestrahlt, wird entweder das Zylinderkurbelgehäuse 12 oder die Sandstrahleinheit um das Stichmaß der Zylinderbohrung 14 verfahren, so daß dann die Zylinderbohrungen 2 und 4 sandgestrahlt werden können. Das Sandstrahlen erfolgt hierbei durch die Öffnungen 40 der Abdeckschablonen 38 hindurch, das heißt die Strahllanzen werden durch die Abdeckschablone 38 hindurch in die Zylinderbohrungen 14 eingeführt. Durch die Abdeckschablone 38 werden alle weiteren Bereiche der Zylinderkurbelgehäuse 12 geschützt, so daß diese nicht mit dem unter Druck eingebrachten Sandstrahlmittel in Berührung gelangen, so daß deren Oberflächen keinerlei Beeinträchtigung erfahren. Die Einwirkung der Sandstrahlung erfolgt ausschließlich auf die Zylinderlaufflächen der Zylinderbohrungen 14. Anhand der Fig. 4 und 5 wird noch näher auf das Sandstrahlen der zu beschichtenden Flächen eingegangen.

Anschließend werden die sandgestrahlten Zylinderkurbelgehäuse 12 in dem Bearbeitungsabschnitt 26 gereinigt, indem durch das Sandstrahlen sich abgesetzter Staub, insbesondere Feinststaub, aus den Zylinderbohrungen 14 entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch gereinigte, entölte und wasserfreie Druckluft, beispielsweise mit einem Druck von zirka 5 bis 6 bar, bei gleichzeitigem Absaugen der Stäube erfolgen. Hierbei erfolgt ein gleichzeitiges Reinigen, das heißt Ausblasen und Absaugen, aller Zylinderbohrungen 14.

In dem Bearbeitungsabschnitt 28 erfolgt ein Ausmessen der Zylinderkurbelgehäuse 12, insbesondere eine Rauhigkeitsmessung der Zylinderlaufflächen. Die Messung kann mittels geeigneter Einrichtungen, beispielsweise der Fotogrammetrie, vollautomatisch erfolgen. Hierbei kann eine Messung aller Zylinderbohrungen 14 oder stichprobenweise lediglich einer der Zylinderbohrung 14 oder eine Zylinderbohrung 14 jedes n-ten Zylinderkurbelgehäuses 12 erfolgen. Nach Messung der Zylinderkurbelgehäuse 12 werden diese in den Bearbeitungsabschnitt 30 überführt, innerhalb dem eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 erfolgt. Ergibt die Messung, daß die Rauhigkeit außerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegt, kann das entsprechende Zylinderkurbelgehäuse 12 aussortiert und gegebenenfalls nochmals der Sandstrahlstation zugeführt werden. Allerdings ist die Anzahl der maximal möglichen Strahlvorgänge begrenzt. Wird ein fehlerhaftes Zylinderkurbelgehäuse ermittelt, kann die Häufigkeit der Rauhigkeitsmessung erhöht werden.

Schließlich werden die Zylinderkurbelgehäuse in den Bearbeitungsabschnitt 32 überführt, in dem die eigentliche thermische Beschichtung der Zylinderlaufflächen erfolgt. Die Plasmabeschichtung erfolgt in an sich bekannter Weise, indem ein Beschichtungswerkstoff, insbesondere ein Metall, einer Flamme zugeführt wird, in dieser ausgeschmolzen und auf den Zylinderlaufflächen niederschlägt. Zusätzlich zu dem Be­ schichtungswerkstoff wird noch eine Beschichtungsatmosphäre, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff oder ein anderes Prozeßgas, zur Stabilisierung der Flamme und/oder zur Regelung des Oxidanteils in der Plasmaschicht zugeführt. Die Plasmabeschichtung der Zylinderlaufflächen kann hierbei für jede der Zylinderbohrungen 14 einzeln erfolgen oder, ähnlich wie beim Sandstrahlen, durch eine Doppel-Plasmaeinheit, mittels der zunächst die Zylinderbohrungen 1 und 3 und anschließend die Zylinderbohrungen 2 und 4 beschichtet werden. Durch die sich noch auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 befindliche Abdeckschablone 38 wird eine Beeinträchtigung, insbesondere Verunreinigung, von nicht zu beschichtenden Bereichen der Zylinderkurbelgehäuse 12 sicher vermieden.

Nach der Plasmabeschichtung der Zylinderlaufflächen werden die Zylinderkurbelgehäuse in den Bearbeitungsabschnitt 34 überführt. Dieser kann gegebenenfalls Bestandteil einer Kühlzone sein. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Plasmabeschichten in dem Bearbeitungsabschnitt 32 und dem Bearbeitungsabschnitt 34 eine separate Kühlzone vorgesehen.

Im Bearbeitungsabschnitt 34 erfolgt eine Entnahme der Abdeckschablone 38. Diese wird entweder manuell oder durch Hilfseinrichtungen von dem Zylinderkurbelgehäuse 12 entnommen. Da die Abdeckschablone 38 lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 aufliegt, sind zusätzliche Maßnahmen zur Entnahme der Abdeckschablone 38 nicht notwendig. Schließlich wird das Zylinderkurbelgehäuse 12 in einem Bearbeitungsabschnitt 36 der Bearbeitungsstation 10 entnommen und einer weiteren Bearbeitung, beispielsweise einem Honen der plasmabeschichteten Zylinderbohrungen 14, einem Anbringen einer Einlauffase an die Zylinderbohrungen 14 zugeführt.

Ferner kann eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 in den Abschnitt 36 erfolgen. Eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 erfolgt beispielsweise durch eine laufende Nummer oder dergleichen. Durch die Zuordnung einer laufenden Nummer jeder der Zylinderkurbelgehäuse 12 wird es möglich, neben einer Qualitätsüberwachung alle relevanten Prozeßparameter der Bearbeitungsstation 10 der laufenden Nummer des Zylindeckurbelgehäuses 12 zuzuordnen und diese in einem Anlagenrechner zu protokollieren. Mittels der protokollierten Prozeßparameter und der eindeutigen Zuordnung zu den Zylinderkurbelgehäusen 12 über die laufende Nummer ist eine spätere Fehleranalyse bei Beanstandungen jederzeit lückenlos möglich.

In im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher zu betrachtender Weise kann vorgesehen sein, daß die Öffnungen 40 der Abdeckschablone 38 geringfügig größer sind als die Zylinderbohrungen 14, so daß eine entsprechende Kantenbeschichtung der die Zylinderbohrungen 14 umgebenden Randbereiche des Zylinderkurbelgehäuses 12 erfolgt. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß der spätere Fasenbereich eine entsprechend große Haftzugfestigkeit gegenüber Schnittkräften des Fasenwerkzeuges aufweist und die Plasmabeschichtung beim Fasen nicht geschädigt wird.

Bei dem zu Fig. 1 erläuterten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen worden, daß die Schablonierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 während des gesamten Durchlaufes durch die Bearbeitungsabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 aufrechterhalten ist. Die Abdeckschablonen werden hierzu in dem Bearbeitungsabschnitt 22 aufgebracht und im Bearbeitungsabschnitt 34 entnommen. Somit müssen die gemäß diesem Ausführungs­ beispiel verwendeten Abdeckschablonen 38 sowohl für das Sandstrahlen im Bearbeitungsabschnitt 24 und für das Plasmabeschichten im Bearbeitungsabschnitt 32 geeignet sein. Da es sich einerseits um ein materialabtragendes und andererseits um ein materialauftragendes Verfahren handelt, muß die Abdeckschablone 38 beiden an sich gegensätzlichen Verfahren gerecht werden.

Anhand der Fig. 2 und 3 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel das Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12 verdeutlicht. Hierbei ist jeweils eine schematische Seitenansicht und eine schematische Draufsicht des Bearbeitungsabschnittes 24 oder des Bearbeitungsabschnittes 32 dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau innerhalb der Bearbeitungsabschnitte 24 und 32 ist gleich. Unterschiedlich sind lediglich einmal die Sandstrahleinrichtungen als Werkzeuge und andererseits die Plasmabeschichtungseinrichtungen als Werkzeuge. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll jedoch hierauf nicht näher eingegangen werden. Entscheidend ist die Schablonierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 sowohl beim Sandstrahlen im Bearbeitungsabschnitt 24 als auch beim Plasmabeschichten im Bearbeitungsabschnitt 32.

Gleiche Teile wie in Fig. 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

In der schematischen Seitenansicht in Fig. 2 ist ein Zylinderkurbelgehäuse 12 auf einem Hubtisch 42 angeordnet. Der Hubtisch 42 ist in die Transportstrecke 16 integriert. Dies erfolgt derart, daß die Zylinderkurbelgehäuse 12 mittels der Transportstrecke 16 in die jeweiligen Bearbeitungsabschnitte 24 beziehungsweise 32 transportiert werden und dort mittels der Hubtische 42 in ihre jeweilige Bearbeitungsposition überführbar sind. Angedeutet ist ferner ein Bearbeitungswerkzeug 44, das jeweils eine Lanze oder nach den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen zwei oder auch mehr Lanzen 46 aufweist. Die Lanzen 46 sind entweder zum Sandstrahlen bei dem Bearbeitungsabschnitt 24 oder zum Plasmabeschichten bei dem Bearbeitungsabschnitt 32 entsprechend ausgebildet. Die Bearbeitungsstationen 24 beziehungsweise 32 umfassen ferner eine hier insgesamt mit 50 bezeichnete Einrichtung zum Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Fig. 1 erfolgt hier das Schablonieren bearbeitungsbezogen einerseits in der Bearbeitungsstation 24 und andererseits in der Bearbeitungsstation 32. Die Einrichtung 50 umfaßt einen Drehteller 52, der mittels eines Antriebes 54 um seine Drehachse 56 in definierten Schritten verdrehbar ist. Der Drehteller 52 besitzt, wie die schematische Draufsicht in Fig. 3 besser verdeutlicht, Aufnahmen 58 für jeweils eine Abdeckschablone. Anhand der Draufsicht wird deutlich, daß die Abdeckschablonen 38 lediglich die Öffnungen 40 aufweisen, die jeweils den Zylinderbohrungen 14 zugeordnet sind. Mittels des Antriebes 54 ist der Drehteller 52 definiert schrittweise verdrehbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Schablonen 38 auf dem Drehteller 52 angeordnet, so daß dieser jeweils um 90° schrittweise verdrehbar ist. Der Einrichtung 50 ist eine angedeutete Reinigungseinrichtung 62, die beispielsweise einen Fräser 64 aufweisen kann, zugeordnet. Anstelle der Reinigungseinrichtung kann auch eine Einrichtung zum Austausch von Verschleißhülsen, die in der Schablone 38 angeordnet sind, vorgesehen sein. Ferner sind noch hier angedeutete Absaugungen 66 beziehungsweise 68 vorgesehen.

Die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Einrichtung 50 zeigt folgende Funktion:

Mittels des Antriebes 54 wird immer genau eine Abdeckschablone 38 in eine Bearbeitungsposition gebracht. Hat die Abdeckschablone 58 ihre exakte Position erreicht, die über die Anschläge 60 definiert ist, wird mittels des Hubtisches 42 das Zylinderkurbelgehäuse 12 nach oben, das heißt gegen die Abdeckschablonen 38, verfahren. Hierdurch kommen die Öffnungen in der Abdeckschablone 38 und die Zylinderbohrungen 14 des Zylinderkurbelgehäuses 12 in eine fluchtende Position. Entsprechend dieser Position erfolgt mittels der Werkzeuge 44 entweder das Sandstrahlen gemäß Bearbeitungsabschnitt 24 oder das Plasmabeschichten gemäß Bearbeitungsabschnitt 32.

Wie Fig. 3 verdeutlicht, befinden sich in dem Moment, wo eine Abdeckschablone 38 in ihrer Bearbeitungsposition ist, - in Uhrzeigersinn betrachtet - eine nächste Abdeckschablone 38 in einer Übergangsposition und eine Abdeckschablone 38 in einer der Reinigungseinrichtung 62 (Hülsenaustauscheinriehtung) zugeordneten Position. Eine weitere Abdeckschablone 38 befindet sich zwischen der Reinigungsposition und der Bearbeitungsposition. Hierdurch wird erreicht, daß gleichzeitig, wenn eine Abdeckschablone 38 ihre Abdeckfunktion übernimmt, eine zweite, nämlich dieser genau um 180° versetzt angeordnete Abdeckschablone 38, mittels der Einrichtung 62 gereinigt wird. Durch die Fräseinrichtung 64 kann beispielsweise eine Maßhaltigkeit der Öff­ nungen 40 der Abdeckschablonen 38 wiederhergestellt werden. Diese kann beispiels­ weise durch Ablagerungen während des Plasmabeschichtens beeinträchtigt sein. Die Maßhaltigkeit der Öffnungen kann auch durch Austausch entsprechender Verschleißhülsen in den Abdeckschablonen erreicht werden.

Nach erfolgtem Sandstrahlen beziehungsweise Plasmabeschichten eines Zylinderkurbelgehäuses 12 wird der Drehteller 52 jeweils um 90° verdreht, so daß jedes Zylinderkurbelgehäuse 12 eine neue (gereinigte) Abdeckschablone 38 zugeordnet bekommt. Hierdurch wird eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität während des Sandstrahlens beziehungsweise Plasmabeschichtens sichergestellt.

Bei der Bearbeitungsstation 24 kann auf die Anordnung der Reinigungseinrichtung 62 verzichtet werden, da hier kein zusätzlicher Materialauftrag, der die Maßhaltigkeit der Öffnungen 40 beeinträchtigen könnte, erfolgt. Lediglich durch den Materialabtrag nicht mehr maßhaltige Abdeckschablonen 38 beziehungsweise Verschleißhülsen können ausgetauscht werden.

Durch die in den Fig. 2 und 3 dargestellte Einrichtung 50 wird in einfacher Weise ein automatisches Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12 möglich. Insbesondere wenn die Einrichtung 50 mit einem Anlagenrechner gekoppelt ist, kann ein exaktes, defi­ niertes Positionieren der Abdeckschablonen 38 erfolgen, so daß eine gleichbleibende Qualität beim Sandstrahlen beziehungsweise beim Plasmabeschichten erzielbar ist.

In der Fig. 4 ist in einer schematischen Vergrößerung das Zylinderkurbelgehäuse 12 ausschnittsweise im Bereich einer Zylinderbohrung 14 gezeigt. Anhand der schematischen Vergrößerung soll verdeutlicht werden, daß die zu beschichtende Fläche 70 in dem Bearbeitungsabschnitt 24 mit einer Aufrauhung 72 und in dem Bearbeitungsabschnitt 32 mit einer Beschichtung 74 versehen wurde. Auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 ist die Abdeckschablone 38 angeordnet, die im Bereich der Zylinderbohrung 14 die Durchgangsöffnung 40 aufweist. Die Durchgangsöffnung 40 ist - im Durchmesser gesehen - geringfügig größer als die Zylinderbohrung 14, so daß ein Rand 76 durch die Abdeckschablone 38 nicht abgedeckt ist. Der Rand 76 beträgt beispielsweise zwischen 2 und 3 mm. Durch Ausbildung des Randes 76 wird erreicht, daß während des Sandstrahlens im Bearbeitungsabschnitt 24 und dem thermischen Beschichten im Bearbeitungsabschnitt 32 der Rand 76 mitbehandelt, das heißt mitaufgerauht und beschichtet, wird. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Beschichtung auch im Bereich des Randes 76. Insbesondere für eine nachfolgende - hier nicht näher erläuterte - Anbringung einer Einlauffase an den Zylinderbohrungen 14 wird erreicht, daß im Bereich der späteren Einlauffase ebenfalls eine Beschichtung 74 mit genügend großer Haftzugfestigkeit am Zylinderkurbelgehäuse 12 angeordnet ist.

Nachfolgend soll insbesondere auf das Vorbereiten der Zylinderbohrungen 14, insbesondere der Flächen 70, für die thermische Beschichtung eingegangen werden. Das Zylinderkurbelgehäuse 12 besteht aus einer Aluminium-Legierung und besitzt die vorbereiteten Zylinderbohrungen 14. Diese Zylinderbohrungen 14 sind entsprechend vorgegebener Toleranzen fein gespindelt. Die Toleranzen betragen vorzugsweise für die Rundheit < 10 µm, die Geradheit < 10 µm, die Zylinderform < 10 µm und die Parallelität < 10 µm. Der Ausgangswert der Oberflächenrauhigkeit der in der Bearbeitungsstation 10 noch nicht vorbehandelten und beschichteten Zylinderlaufflächen beträgt für die ge­ mittelte Rauhtiefe RZ < 15 µm. Die genannten Toleranzen und Oberflächenrauhigkeitswerte werden durch Egalisieren der rohen, gegossenen Zylinderbohrung 14 und nachfolgendem Feinspindeln erhalten. Hierzu werden vorzugsweise Bohrköpfe eingesetzt, deren Messerplatten einen Schneidradius von 0,8 mm aufweisen und eine Spanleitstufe aufweisen. Eine Schnittgeschwihdigkeit beim Egalisieren und Feinspindeln ist so gewählt, daß eine Bearbeitungsemulsion oder ähn­ liches in der anschließend zu beschichtenden Fläche 70 nicht eingeschlossen wird, da diese beim Sandstrahlen der egalisierten und feingespindelten Fläche 70 freigesetzt werden könnte und zu nachfolgenden Schichtablösungen der thermischen Beschichtung 74 führen könnte.

Während des Sandstrahlens der Zylinderbohrungen 14 im Bearbeitungsabschnitt 24 werden die Zylinderkurbelgehäuse 12 mittels des Hubtisches 42 in Anlagekontakt mit einer eingeschwenkten Abdeckschablone 38 gebracht. Eine Hubplatte des Hubtisches 42 ist im Bereich des Kurbelraumes der Zylinderkurbelgehäuse 12 ausgeschnitten, so daß ein sicheres Absaugen des Strahlgutes mittels der Absaugung 68 (Fig. 2) erfolgen kann. Zusätzlich ist unterhalb des Hubtisches 42 ein Rückführtrichter, welcher direkt in eine Strahlgutrückführung mündet, angeordnet. Vagabundierende Stäube und Strahlgut werden so weitestgehend vermieden. Die Absaugung 68 kann über flexible Saug­ leitungen mit einer Hauptabsaugleitung verbunden sein.

Dem Bearbeitungsabschnitt 24, in dem das Sandstrahlen der Zylinderbohrungen 14 erfolgt, ist eine Strahleinheit zugeordnet, die das Werkzeug 44 und eine, vorzugsweise zwei Strahllanzen 46 umfaßt (Fig. 2). Mittels dieser sogenannten Doppel-Strahleinheit werden zwei Zylinderbohrungen gleichzeitig gestrahlt. Als Strahlgut wird Aluminiumoxid eingesetzt, das eine Korngröße von 0,18 mm bis 1,18 mm, vorzugsweise 0,35 mm bis 0,70 mm, in Abhängigkeit der Substratlegierung der Zylinderkurbelgehäuse aufweist. Mittels eines derartigen Sandstrahlens wird eine definierte Oberflächenrauhigkeit 72 der Fläche 70 erhalten. Hierbei wird die Fläche 70 derart aufgerauht, daß die Oberflächenmittenrauhigkeit RA zwischen 10 und 12 µm und die gemittelte Rauhtiefe RZ < 70 µm beträgt.

Anhand der schematischen Ansicht in Fig. 5 ist die Ansicht einer die Aufrauhung 72 besitzenden Fläche 70 verdeutlicht. Die Strahllanzen 46 werden über die axiale Länge der Zylinderbohrungen 14 bewegt und rotieren gleichzeitig. Eine Drehzahl der Strahllanzen 46 beträgt zwischen 100 bis 300 U/min. insbesondere zirka 200 U/min. Das Strahlen der Zylinderbohrungen 14 erfolgt erst, nachdem die Strahllanze 46 soweit in die Abdeckschablone 38, das heißt in die Durchgangsöffnung 40, eingetaucht ist, daß eine Verschmutzung des Zylinderkurbelgehäuses 12 mit Strahlgut vermieden wird. Um dies zu erreichen, beträgt die Höhe der Abdeckschablone 38 beispielsweise zirka 6 cm. Das Sandstrahlen erfolgt beispielsweise mit einer Menge von zirka 1100 g pro min und einem Druck von zirka 5 bis 6 bar. Die benötigte Körnung des Strahlgutes wird durch eine der Strahleinheit vorgelagerte Siebeinrichtung eingestellt. Hierbei wird über hintereinandergeschaltete Grobsiebe und Feinsiebe das Strahlgut auf eine Körnung von < 0,16 mm bis ≦ 0,7 mm je nach eingesetzter Strahlgutkörnung gesiebt. Während des Strahlens anfallende Feinstäube, die beispielsweise durch Zerplatzen der Aluminiumoxid-Partikel des Strahlgutes entstehen, werden durch die Sieblinien ausgesiebt. Ferner werden durch die Oberbegrenzung der Siebung auch größer dimensionierte Körner des Strahlgutes oder Verunreinigungen sicher ausgesiebt.

Um eine möglichst gleichbleibende Aufrauhung 72 der Flächen 70 zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß quasi in einem zweiten Strahlgang die Strahllanzen nach der Abwärtsbewegung während der nachfolgenden Aufwärtsbewegung aktiv bleiben, so daß die Fläche 70 zweimal gestrahlt wird. So ist es möglich, in Fig. 5 mit 78 bezeichnete Spitzen (Peaks) zu brechen, um die erforderlichen Werte für die Mittenrauhigkeit und die gemittelte Rauhtiefe RA beziehungsweise RZ einzustellen.

Ferner kann vorgesehen sein, die Kante zwischen der Fläche 70 und dem Rand 76 zu entgraten (brechen). Hierdurch wird sichergestellt, daß die Kante keine Kerbwirkung in der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung 74 entfaltet.

Durch die definierte Vorbehandlung der Fläche 70 in dem Arbeitsabschnitt 24 wird erreicht, daß in Fig. 5 schematisch angedeutete Verwirbelungen 80 zwischen benachbarten Spitzen 78 der gestrahlten Oberfläche 70, die sogenannte Mikroturbulenzen bilden, vermieden werden. Diese Verwirbelungen 80 entstehen beim Aufbringen der Beschichtung 74 in dem Bearbeitungsabschnitt 32. Der Beschichtungswerkstoff wird mit der Plasmaflamme mit Geschwindigkeiten von zirka 400 bis 600 m/s auf die aufgerauhte Fläche 70 niedergeschlagen. Entsprechend den überstehenden Spitzen 78 würden sich die Wirbel 80 bilden, die zu Sauerstoffeinschlüssen führen, so daß im Bereich dieser Sauerstoffeinschlüsse unkontrollierte Oxidbildungen und unaufgeschmolzene Partikel des Beschichtungswerkstoffes auftreten könnten. Diese beeinträchtigen die Haftzugfestigkeit der Beschichtung 74 auf der aufgerauhten Fläche 70. Durch die definierte Vor­ behandlung der Fläche 70 wird jedoch das Entstehen dieser Verwirbelungen 80 weitgehend vermieden beziehungsweise soweit minimiert, daß diese keine negativen Einwirkungen auf die Beschichtung 70 haben.

Im Ausführungsbeispiel ist von einem Zylinderkurbelgehäuse mit vier Zylinderbohrungen ausgegangen worden. Es ist selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße Bearbeitung der Zylinderlaufflächen mittels entsprechend angepaßter Werkzeuge auch bei Zylinder­ kurbelgehäusen mit weniger oder mehr Zylinderbohrungen erfolgen kann.

Claims (8)

1. Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei durch eine Öffnung des Innenraumes (Zylinderbohrung) eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Flächen erfolgt und anschließend die vorbehandelten Flächen thermisch beschichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Fläche aufgerauht wird, wobei ein definierter Mittenrauhigkeitswert und eine Flächenverteilung von Höhen (Peaks) und Tiefen (Täler) der aufgerauhten Fläche von zirka 50% zu 50% eingestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufrauhen der Flächen durch Sandstrahlen erfolgt.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandstrahlen mit Aluminiumoxid(Al₂O₃)-Körnern erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korngröße des Strahlgutes zwischen 0,18 mm bis 1,18 mm, insbesondere zwischen 0,35 und 0,70 mm, in Abhängigkeit des zu strahlendes Substrates beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittenrauhigkeit der vorbehandelten Fläche von 10 bis 12 µm eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemittelte Rauhtiefe von < 70 µm eingestellt wjrd.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Aufrauhung der zu beschichtenden Fläche auch auf einen den Innenraum umgebenden Rand erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Innenräume vor dem Aufrauhen feingespindelt werden, wobei die Toleranzen für die Rundheit < 10 µm, die Geradheit < 10 µm, die Zylinderform < 10 µm, die Parallelität < 10 µm und die gemittelte Rauhtiefe < 15 µm betragen.