DE19929247A1 - Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses von Verbrennungskraftmaschinen, mittels einer bewegten Flamme, die von einem Brenner gebildet wird und die von einem nicht brennbaren ersten Gasstrom flankiert wird, wobei ein oxidierbarer Beschichtungswerkstoff beschleunigt, von der Flamme erhitzt und auf die Fläche abgeschieden wird, und der Innenraum mit einer Spülluft beaufschlagt wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß die zu beschichtende Fläche mit einem zweiten, ein Inertgas, insbesondere Stickstoff enthaltenden Gasstrom, beaufschlagt wird, der in etwa parallel zu der zu beschichtenden Fläche gerichtet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und eine Anordnung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Merkmalen.

Verfahren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. 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 der zu beschichtenden Fläche 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, eine derartige thermische Beschichtung, beispielsweise zu einer Oberflächenvergütung bei Zylinderlaufflächen von Kurbelgehäusen von Brennkraftmaschinen oder von Lagerbereichen von Pleuelaugen einzusetzen.

Bekannt ist, die Flamme durch einen ersten Gasstrom zu flankieren, der einerseits eine Kühlung des Brenners und andererseits eine Stabilisierung, das heißt Ausrichtung, der Flamme übernimmt.

Während des Abscheidens des Beschichtungsmaterials auf der Fläche ist eine definierte Oxidation eines Teils des Beschichtungsmaterials erwünscht, um definiert Oxide in die entstehende Beschichtung einzuschließen. Die Oxidation hängt insbesondere vom eingesetzten Beschichtungsmaterial, von der Zusammensetzung des Gasstromes und einer Sinkgeschwindigkeit einer Spülluft entlang der zu beschichtenden Fläche ab. Die in die Beschichtung eingeschlossenen Oxide beeinflussen einerseits die Mikrohärte der Beschichtung und bilden andererseits eine Porösität aus. Diese Porösität ist zum Teil erwünscht, beispielsweise zur Ausbildung eines Mikrodruckkammersystems, zur Bindung eines Schmiermittelfilms in einem Gleitlager oder an Zylinderlaufflächen. Die Bildung der Oxide hängt wesentlich von einem Sauerstoffgehalt der Umgebungsluft ab. Nur bei Beschichten unter Vakuum wird der Sauerstoff abgepumpt und in einer Schutzgasatmosphäre gearbeitet. Dies ist jedoch einerseits sehr kostenintensiv und andererseits nicht gewünscht, da so auf die definierte Porösität der Beschichtung durch Einschluß von Oxiden kein Einfluß nehmbar ist.

Um jedoch Plasmaschichten mit geringem Oxidanteil, insbesondere an laminaren Oxiden, welche zu einem lockeren Schichtverbund führen können, herzustellen, ist es erforderlich, den Luftsauerstoff, insbesondere während des Schmelzprozesses des injizierten Beschichtungsmaterials, in der Plasmaflamme, während der Flugphase der geschmolzenen Partikel und der Verschmelzungsphase der Partikel auf der zu beschichtenden Fläche, weitestgehend zu reduzieren. Ein kompletter Ausschluß des Luftsauerstoffes, beispielsweise bei Arbeiten unter Vakuum, hat neben der kompletten Ausschließung der Oxidbildung den Nachteil, daß die aufgebrachte Plasmaschicht sehr kompakt und dicht ist, so daß keinerlei Verzüge und/oder Spannungen des beschichteten Materials aufnehmbar sind. Hierdurch kann es zur Rißbildung oder partiellen Absprengung von beziehungsweise in der Beschichtung kommen. Werden derartige Beschichtungen beispielsweise zur Ausbildung von Zylinderlaufflächen oder von Pleuelaugen eingesetzt, besteht die Gefahr des Auftretens sogenannter Kolben­ beziehungsweise Lagerfresser.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels dem in einfacher Weise eine definierte Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre möglich ist und eine Anordnung zur einfachen Durchführung des Verfahrens zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß die zu beschichtende Fläche mit einem zweiten, ausschließlich ein Inertgas, insbesondere Stickstoff enthaltenem Gasstrom beaufschlagt wird, der in etwa parallel zu der zu beschichtenden Fläche gerichtet ist, kann über diesen zweiten Gasstrom der Sauerstoffanteil in der Schutzgasatmosphäre, insbesondere kurz bevor beziehungsweise während des Auftreffens des aufgeschmolzenen Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Fläche, exakt eingestellt werden.

In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Volumenstrom des zweiten Gasstromes variabel eingestellt werden kann. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, entsprechend den Gegebenheiten, insbesondere den Eigenschaften der zu beschichtenden Fläche und/oder den Eigenschaften des Beschichtungsmaterials und/oder einer Beschichtungstemperatur und/oder einer Zusammensetzung des ersten Gasstromes und/oder einer Spülluft, exakte Luftsauerstoffverhältnisse an der zu beschichtenden Fläche einzustellen, so daß die gewünschte Menge und die gewünschte Größe der in die Beschichtung einzuschließenden Oxide einstellbar ist. Insbesondere kann durch eine Dosierung des zweiten Gasstromes erreicht werden, daß eine Differenz der Elastizitätsmodule der Beschichtung und des Materials der zu beschichtenden Fläche exakt aufeinander einstellbar sind, insbesondere eine vorgebbare Differenz zwischen den Elastizitätsmodulen einstellbar ist. Hierdurch wird erreicht, daß ein zu hoher Anstieg des Elastizitätsmodules der Beschichtung vermieden wird, da ansonsten die Gefahr einer Versprödung der Beschichtung oder des Auftretens zu hoher Eigen­ spannungen innerhalb der Beschichtung besteht. Hierdurch würde die latente Gefahr von Abplatzungen oder einer zu geringen Haftzugfestigkeit der Beschichtung auf der zu beschichtenden Fläche bestehen. Andererseits kann durch die Einstellung der Differenz der Elastizitätsmodule sichergestellt werden, daß innerhalb des zu beschichtenden Materials auftretende Verzüge und/oder Spannungen von der Beschichtung gerade noch abgefangen werden können, ohne daß es zu Rißbildungen, Abplatzungen oder dergleichen in der Beschichtung kommt.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als erster Gasstrom, der die Brennerflamme flankiert, ein Inertgas, gegebenenfalls ausschließlich Stickstoff, eingesetzt wird. Hierdurch wird eine noch exaktere Einstellung einer Atmosphäre an beziehungsweise kurz vor der zu beschichtenden Fläche möglich, die exakt reproduzierbar einen gewissen Restanteil an Sauerstoff aus der Spülluft aufweist. Dieser Restanteil Sauerstoff resultiert aus der das zu beschichtende Werkstück umgebenden Luftatmosphäre. Insbesondere kann hierdurch die Entstehung laminarer Oxide, die zu einem relativ lockeren Schichtverbund der Beschichtung führen würden, verhindert werden.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweite Gasstrom von oberhalb der zu beschichtenden Fläche in den Innenraum eingespült wird, wobei vorzugsweise der zweite Gasstrom gleichmäßig verteilt über die gesamte Fläche eingebracht wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, insbesondere während der Bewegung des Brenners und somit der Flamme, daß an allen Bereichen der zu beschichtenden Fläche sich die gleichen Verhältnisse hinsichtlich des verbleibenden Sauerstoffanteils in der Atmosphäre einstellen. Somit wird eine homogene gleichmäßige Beschichtung mit gleichbleibend hoher Qualität, das heißt mit im wesentlichen gleicher Porösität und gleichem Elastizitätsmodul, möglich.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer Mehrzahl von zu beschichtenden Innenraumflächen, insbesondere bei nebeneinander angeordneten Zylinderbohrungen eines Zylinderkurbelgehäuses, der zweite Gasstrom kontinuierlich in alle zu beschichtenden Innenräume geleitet wird, während die Zuführung des Beschichtungsmaterials während der Überführung des Brenners von einem zu beschichtenden Innenraum zu dem nächsten zu beschichtenden Innenraum unterbrochen wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß bei Einführen des Brenners in den nächsten zu beschichtenden Innenraum sofort die benötigte Gasatmosphäre vorhanden ist, so daß ein Zeitraum zum Einstellen der Gasatmosphäre, der den Durchlauf einer die Beschichtung durchführenden Anlage verlängern würde, vermieden wird.

Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß eine weitere Einrichtung zum Zuführen eines zusätzlichen zweiten Gasstromes in den Innenraum vorgesehen ist, läßt sich eine gezielte Schutzgasatmosphäre in dem Innenraum während des thermischen Beschichtens einstellen. Somit ist die Atmosphäre sowohl über den ersten Gasstrom, die Spülluft und den zusätzlichen zweiten Gasstrom beeinflußbar. Insbesondere, wenn die Einrichtung zum Zuführen des zweiten Gasstromes aus einem Leitungssystem besteht, das vorzugsweise die Mündungen der die zu beschichtenden Flächen aufweisenden Innenräume umgreift, läßt sich in einfacher Weise der zweite Gasstrom in die Innenräume leiten.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zum Zuführen des zweiten Gasstromes auf einer Abdeckschablone angeordnet ist, mittels der die die zu beschichtenden Innenräume aufweisenden Werkstücke, insbesondere die Zylinderkurbelgehäuse, abgedeckt werden, läßt sich diese zusätzliche Einrichtung in einfacher Weise exakt positionieren, wobei durch die definierte Positionierung der Abdeckschablone gleichzeitig eine Positionierung der Einrichtung zum Zuführen des zweiten Gasstromes erfolgt. Zusätzliche Justageschritte sind somit nicht notwendig. Ferner kann so in einfacher Weise erreicht werden, daß die Einrichtung unmittelbar den zu beschichtenden Innenräumen zugeordnet ist, so daß ein Einleiten des zweiten Gasstromes sicher erfolgt.

Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die die zusätzliche Einrichtung tragende Abdeckschablone eine Mindesthöhe aufweist, die derart gewählt ist, daß während des thermischen Beschichtens innerhalb der Abdeckschablone die Zuführung des Beschichtungsmaterials zu der Brennerflamme erfolgt. Hierdurch wird es möglich, daß ein mit Beginn der Zuführung des Beschichtungsmaterials einsetzender Stabilisierungsvorgang innerhalb der Abdeckschablone erfolgt, so daß bei weiterem Absenken des Brenners, insbesondere eines Brennerkopfes, in den Innenraum die das Beschichtungsmaterial beschleunigende Flamme bereits stabilisiert ist, so daß ein optimales, definiertes Beschichten des Innenraumes von der obersten Kante beginnend erfolgen kann.

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 Zylinderkopfbohrungen;

Fig. 2 eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungsabschnittes der Bearbeitungsstation;

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

Fig. 4 eine Perspektivansicht einer Abdeckschablone und

Fig. 5 eine perspektivische Schnittdarstellung einer Beschichtungsphase.

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 Wänden, also die Zylinderlaufflächen, beschichtet werden. Die Beschichtung erfolgt mittels einer Plasmabeschichtungstechnik. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann mittels der Bearbeitungsstation 10 auch die Beschichtung von Pleuelaugen erfolgen. Die Bearbeitungsstation ist dann konstruktiv an die Besonderheiten von Pleuelaugen angepaßt.

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 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 - mit Ausnahme einer abschließenden Schlichtung von Flächen - 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 Waschemulsion gereinigt werden. Das Entfetten erfolgt beispielsweise durch Heißdampf, der beispielsweise durch entsprechend ausgebildete Lanzen in die Hohlräume des Zylinderkurbelgehäuses 12 eingeleitet wird. Der Heißdampf besitzt beispielsweise eine Temperatur von 160°C und wird bei einem Druck von zirka 150 bis 180 mbar eingebracht. Die anschließende Trocknung der Zylinderkurbelgehäuse 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. Vorzugsweise sind die Öffnungen 40 geringfügig größer als die Zylinderbohrungen 14, so daß ein Rand der die Zylinderbohrungen 14 umgebenden Fläche (Zylinderkopffläche) freiliegt. Die Abdeckschablone 38 ist so ausgebildet, daß sämtliche weiteren Bereiche der Zylinderkurbelgehäuse 12 durch diese abgedeckt sind. Dies betrifft insbesondere Kühlmittelkanäle, Paßbohrungen oder dergleichen. Die Abdeckschablone 38 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 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. Die Abdeckschablone 38 liegt hierbei lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 auf. Durch die sich gegenüberliegenden, plan geschliffenen 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 0,3 bis 0,7 mm oder 0,5 bis 1 mm je nach geforderter Oberflächenrauhigkeit 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 Zylinder­ bohrungen 14. Hierdurch wird eine bessere Handhabung bei relativ beengt zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen, die sich nach dem Stichmaß der Zylinderbohrungen 14 richten, möglich. 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 ge­ schützt, 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.

Anschließend werden die sandgestrahlten Zylinderkurbelgehäuse 12 in dem Bearbeitungsabschnitt 26 gereinigt, indem durch das Sandstrahlen sich absetzender Staub, insbesondere Feinststaub, aus den Zylinderbohrungen 14 entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch 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 der Zylinderbohrungen 14, auf deren Maßhaltigkeit. Neben der Maßhaltigkeit kann eine Rauhigkeitsmessung der Zylinderlaufflächen erfolgen. 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. 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 Zylinderkurbelgehäuses 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.

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 erzeugt. 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 auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 befindliche Abdeckschablone 38 wird eine Beeinträchtigung, insbesondere Verunreinigung, von nicht zu beschichtenden Bereichen der Zylinderkurbelgehäuse 12 sicher vermieden. Auf die Plasmabeschichtung wird noch anhand der Fig. 4 und 5 näher eingegangen.

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 und einem Anbringen einer Einlauffase an die Zylinderbohrungen 14 zugeführt.

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 bei einem beispielsweise nachfolgenden Anfasen der Zylinderbohrung 18 auch die dann vorhandene Fase eine entsprechende Plasmabeschichtung aufweist.

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 der Bearbeitungsabschnitte 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. 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 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 Öffnungen 40 der Abdeckschablonen 38 wiederhergestellt werden. Diese kann beispielsweise durch Ablagerungen während des Plasmabeschichtens oder durch Staubablagerungen während des Sandstrahlens beeinträchtigt sein. Nach erfolgtem Sandstrahlen beziehungsweise Plasmabeschichten eines Zylinderkurbelgehäuses 12 wird der Drehteller 52 jeweils um 90° verdreht, so daß jedes Zylinderkurbelgehäuse 12 eine 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.

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.

Der Fig. 4 ist zu entnehmen, daß der Abdeckschablone 38 eine Einrichtung 70 zum Zuführen eines zweiten Gasstromes während der Plasmabehandlung im Bearbeitungsabschnitt 32 zugeordnet ist. Die Einrichtung 70 besteht aus einem Leitungssystem 72, das über einen Anschluß 74 mit dem zweiten Gasstrom beaufschlagbar ist. Der Anschluß 74 ist an eine Quelle für den Gasstrom anschließbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß als zweiter Gasstrom Stickstoff eingesetzt wird. Somit ist der Anschluß 74 an eine Stickstoffquelle anschließbar. Dieses Anschließen an die Stickstoffquelle kann innerhalb des Bearbeitungsabschnittes 32 erfolgen. Je nachdem, ob die Abdeckschablonen 38 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 mit den Zylinderkurbelgehäusen 12 mittransportiert werden oder ob die Abdeckschablonen 38 gemäß dem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb des Bearbeitungsabschnittes 32 zu den Zylinderkurbelgehäusen 12 positioniert werden, ist die entsprechende Anschlußmöglichkeit mit der Stickstoffquelle ausgebildet.

Das Leitungssystem 72 ist verzweigt ausgeführt, das heißt, einzelne Leitungsabschnitte 76 umgreifen hierbei die Öffnungen 40 in der Abdeckschablone 38. Die Leitungsabschnitte 76 sind ringförmig ausgebildet, so daß die Öffnungen 40 annähernd über den gesamten Umfang von dem Leitungssystem 72 umgriffen werden. Die unmittelbar um die Öffnungen 40 verlaufenden Leitungsabschnitte 76 besitzen Düsenöffnungen 78 (Fig. 5), die über den Umfang der Öffnung 40 beabstandet zueinander angeordnet sind. Der Abstand und die Größe der Düsenöffnungen 78 ist so gewählt, daß entsprechend vorgegebener Prozeßparameter ein wählbarer Volumenstrom an Stickstoff aus den Düsenöffnungen 78 austreten kann. Der Stickstoff wird vorzugsweise in einem Druckbereich zwischen 2 und 5 bar in das Leitungssystem 72 eingespeist.

In Fig. 5 ist in einer schematischen Perspektivansicht eine Schnittdarstellung durch ein Zylinderkurbelgehäuse 12 im Bereich einer zu beschichtenden Zylinderbohrung 14 gezeigt. Die Darstellung gemäß Fig. 5 entspricht einem gerade durchgeführten Plasmabeschichten innerhalb des Bearbeitungsabschnittes 32. Gleiche Teile wie in vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.

Das Bearbeitungswerkzeug 44 umfaßt einen Brennerschaft 80, der einerseits senkrecht verlagerbar gemäß dem Doppelpfeil 82 und andererseits rotierbar gemäß dem Pfeil 84 angeordnet ist. Dem Brennerschaft 80 ist eine Zuführung 86 für ein Beschichtungsmaterial zugeordnet. Das Beschichtungsmaterial kann beispielsweise pulverförmig, stabförmig oder auf andere geeignete Weise zugeführt werden. Eine Plasmaflamme 88 wird durch einen elektrisch gezündeten Lichtbogen unter Zuführung von Plasmagasen, vorzugsweise Argon oder ein Gemisch aus Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff, gebildet. Die Plasmagase können innerhalb des Brennerschaftes 80 zugeführt werden. Eine Brenntemperatur erreicht hierbei beispielsweise Temperaturen oberhalb 10000°C, zum Beispiel 15000 bis 30000°C. In die gezündete Plasmaflamme 88 wird über die Zuführung 86 das Beschichtungsmaterial eingebracht. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial aufgeschmolzen und auf beispielsweise 400 bis 600 m/s beschleunigt und innerhalb eines Pulverschweifes 90 auf die Zylinderlauffläche der Zylinderbohrung 14 abgeschieden. Während des Beschichtens rotiert der Brennerschaft 80 entsprechend dem Pfeil 84 und wird entsprechend dem Doppelpfeil 82 horizontal verlagert. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Beschichten der gesamten Fläche der Zylinderbohrung 14 erreicht. Eine Rotationsgeschwindigkeit liegt beispielsweise zwischen 10 und 500 U/min. vorzugsweise zwischen 100 und 300 U/min.

Die Plasmaflamme 88 wird von einem ersten Gasstrom 92 flankiert, der die Plasmaflamme 88 lenkt und führt. Ferner wird von dem ersten Gasstrom 92 eine Kühlung des Brennerschaftes 80 übernommen. Über in den Brennerschaft 80 integrierte Zuführungen 94 erfolgt eine Bereitstellung des ersten Gasstromes 92. Dieser besteht aus Stickstoff N₂. Dadurch, daß Austrittsöffnungen 96 für den ersten Gasstrom 92 am Brennerschaft 80 angeordnet sind, rotiert dieses entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit mit. Hierdurch wird erreicht, daß auch bei relativ schnell rotierender Plasmaflamme 88 diese geführt werden kann.

Eine Höhe h der Abdeckschablone 38 ist so gewählt, daß beim Eintauchen des Brenners in die Zylinderbohrung 14 die Zufuhr des Beschichtungsmaterials im Bereich der Abdeckschablone 38 erfolgt. Der Brenner selber bleibt beim Wechsel zwischen den Zylinderbohrungen 14 eingeschaltet (Verringerung des Elektrodenverschleißes). Hierdurch findet die Stabilisierung der Flamme nach Zufuhr des Beschichtungsmaterials in der Abdeckschablone statt, so daß beginnend mit dem Rand der Zylinderöffnungen 14 eine homogene Beschichtung erfolgt.

Dieser erste Gasstrom 92 wird durch einen zweiten Gasstrom 98 überlagert. Dieser zweite Gasstrom 98 wird über die in Fig. 4 gezeigte Einrichtung 70 in die Zylinderbohrung 14 eingeführt. Der ebenfalls aus Stickstoff N₂ bestehende Gasstrom 98 wird im wesentlichen parallel zu der zu beschichtenden Fläche 14 geführt.

Anstelle der Verwendung von Stickstoff für den ersten Gasstrom 92 und den zweiten Gasstrom 98 eignen sich auch andere Inertgase, beispielsweise Argon.

Durch die Überlagerung der Gasströme 92 und 98 an der zu beschichtenden Fläche der Zylinderbohrungen 14, insbesondere an und in der Nähe des Pulverschweifes 90, mit in die Zylinderbohrungen 14 eingeleiteter, beispielsweise eingesaugter Spülluft, wird erreicht, daß eine Oxidation des Beschichtungsmaterials in exakt definierten Grenzen eingestellt werden kann. Somit läßt sich erfindungsgemäß eine Porösität der Beschichtung und ein Elastizitätsmodul der Beschichtung einstellen. Insbesondere in Abhängigkeit eines Materials des Zylinderkurbelgehäuses 12 läßt sich so eine Differenz zwischen den Elastizitätsmodulen des Zylinderkurbelgehäuses 12 und der Beschichtung einstellen.

Während des Plasmabeschichtens wird das Zylinderkurbelgehäuse 12 durch die in Fig. 2 angedeutete Absaugung 68 mit einem Unterdruck beaufschlagt, so daß sich zusätzlich eine Luftspülung mit der Luftatmosphäre einstellt. Diese Luftspülung besitzt eine Strö­ mungsgeschwindigkeit (Luftsinkgeschwindigkeit) von 3 bis 15 m/s, insbesondere von 8 bis 12 m/s, und dient einerseits dem Heranführen von Luftsauerstoff zum Erzielen der gewünschten, definierten Oxidbildung in der Beschichtung und andererseits zum Kühlen der Plasmabeschichtung. Diese Spülluft wird durch den zweiten Gasstrom 98 überlagert. Dieser wird mit einem Druck von 2 bis 5 bar in die Einrichtung 70 eingespeist, so daß sich eine Sinkgeschwindigkeit des zweiten Gasstromes von zirka 30% bis 70% der Spülluft ergibt. Entsprechend einer eingestellten Differenz zwischen der Luftsinkgeschwindigkeit der Spülluft und der Sinkgeschwindigkeit des zweiten Gas­ stromes 98 (Stickstoff N₂) kann eine definierte Anwesenheit von Luftsauerstoff an beziehungsweise kurz vor der zu beschichtenden Fläche der Zylinderbohrung 14 einge­ stellt werden. Diese definierte Anwesenheit von Luftsauerstoff führt zu dem gewollten, definierten Einstellen eines Elastizitätsmoduls der Beschichtung und der gewollten Einschließung von Oxiden.

In einem nachfolgenden, hier nicht näher erläuterten Verfahrensschritt wird die Plasmabeschichtung nachbearbeitet, so daß die eingeschlossenen Oxide an der Oberfläche freigelegt und geöffnet werden, so daß es zur Ausbildung eines Mikrodruckkammersystems kommt, das in an sich bekannter Weise der Schmierung eines in den Zylinderbohrungen 14 geführten Kolbens dient.

Claims (14)

1. Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses von Verbrennungskraftmaschinen, mittels einer bewegten Flamme, die von einem Brenner gebildet wird und die von einem nicht brennbaren ersten Gasstrom flankiert wird, wobei ein oxidierbarer Beschichtungswerkstoff beschleunigt, von der Flamme erhitzt und auf die Fläche abgeschieden wird, und der Innenraum mit einer Spülluft beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Fläche mit einem zweiten, ein Inertgas, insbesondere Stickstoff enthaltenden Gasstrom beaufschlagt wird, der in etwa parallel zu der zu beschichtenden Fläche gerichtet ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom in seinem Volumenstrom variabel eingestellt werden kann.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom von oberhalb der zu beschichtenden Innenräume in diese eingebracht wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom über den gesamten Umfang des Innenraumes eingebracht wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom mit einem Druck zwischen 2 bar und 5 bar in den Innenraum eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom mit einer Sinkgeschwindigkeit von zirka 30% bis 70% einer Luftsinkgeschwindigkeit der Spülluft eingeleitet wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gasstrom ausschließlich ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, enthält.

8. Anordnung zum thermischen Beschichten von Innenräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Brenner, dessen Brennerkopf in den Innenraum verlagerbar ist, mit einer Einrichtung zum Zuführen eines Beschichtungswerkstoffes und mit einer Einrichtung zum Einbringen eines ersten Gasstromes sowie einer Einrichtung zum Einbringen einer Spülluft in den Innenraum, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Einrichtung (70) zum Zuführen eines zusätzlichen zweiten Gasstromes (98) in den Innenraum (14) vorgesehen ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (70) aus einem Leitungssystem (72) besteht, das die Innenräume (14) an ihren Mündungen umgreift, durch die der Brenner (44) in den Innenraum (14) verlagerbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (72) des Leitungssystems (70) die Mündungen formschlüssig umgreifen.

11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (72) Düsenöffnungen (78) besitzen, die in Richtung der Innenräume (14) gerichtet sind, und die über den Umfang der Innenräume (14) beabstandet zueinander angeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (70) auf einer Abdeckschablone (38) angeordnet ist, mittels der die Zylinderkurbelgehäuse (12) zumindest während des thermischen Beschichtens abgedeckt sind.

13. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abdeckschablone (38) ein Leitungssystem (72) aufweist, das mit den Abdeckschablonen positioniert wird.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungssysteme (72) an eine stationäre Quelle für das Inertgas, insbesondere Stickstoff, angeschlossen sind.