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Die
Erfindung betrifft eine Abdeckmaske mit Verschleißring zum
Einsatz in der Plasmabeschichtung von Zylinderbohrungen in Kurbelgehäusen aus Aluminium,
welche in Verbrennungsmotoren zum Einsatz kommen.
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Thermische
Beschichtungsverfahren, wie das Plasmabeschichten werden vorzugsweise
zur Oberflächenvergütung von
thermisch und mechanisch hoch beanspruchten Oberflächen eingesetzt. So
müssen
die Innenflächen
von Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren aus Aluminium Oberflächeneigenschaften
besitzen, die besonders verschleißfest sind und eine hohe Lebensdauer
aufweisen. Auch soll die im Beschichtungsverfahren aufgetragene
Schicht die Ausbildung eines reibungsarmen Schmiermittelfilms auf
der Oberfläche
Zylinderbohrungen während
des Motorenbetriebs ermöglichen. Zur
Herstellung solcher definierter Schichtsysteme kommen die bekannten
Verfahren der Plasmabeschichtung von Oberflächen zum Einsatz. Dazu werden
die Beschichtungsmaterialien, wie ein bestimmtes Metall in Pulver-
oder Stabform einer Beschichtungsflamme zugeführt, aufgeschmolzen und auf
der zu beschichtenden Oberfläche
der Zylinderbohrung abgeschieden. Die Flamme des Plasmabrenners kann
dabei zu ihrer Stabilisierung und dem gleichmäßigeren Materialauftrag von
einem inerten Gasstrom flankiert werden. Durch die Variation von
Verfahrensparametern und Beschichtungsmaterial während der Beschichtung können bestimmte
Schichteigenschafen gezielt herstellbar.
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Beispielsweise
kann eine begrenzte Porenbildung durch die Einlagerung von Gasbläschen während des
Abscheidungsprozesses zum Abbau von Materialspannungen in dem Beschichtungswerkstoff
führen.
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Um
die gewünschte
feste Verbindung zwischen Beschichtungsmaterial und den Zylinderbohrungen
zu erhalten, wird deren Oberfläche
in einem vorgeschalteten Arbeitsgang gesandstrahlt. Dadurch wird
die erforderliche Oberflächenrauhigkeit
erzielt, welche insbesondere die Haftfestigkeit des Beschichtungsmaterials
verbessert.
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In
beiden Verfahren zur Bearbeitung der Innenflächen Zylinderbohrungen, sowohl
mit der Sandstrahldüse,
als auch mit dem in den Zylinderinnenraum vordringenden Plasmabrenner
müssen
Maßnahmen
getroffen werden, welche die anderen nicht zu bearbeitenden Bereiche
der Zylinderkopffläche und
die oberen Ringflächen
der Zylinderbohrungen vor den Einwirkungen der verwendeten aggressiven Medien
schützt.
Auch alle anderen Zwecken dienenden Bohrungen und Öffnungen
müssen
vor dem Eindringen von Beschichtungsmaterial geschützt werden.
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Dazu
werden in bekannter Weise Abdeckmasken verwendet, welche aus einem
gegen Wärme und
mechanischen Einwirkungen widerstandsfähigen Material bestehen und
auf die Zylinderkopfoberfläche
aufgelegt werden. Die Haftung und Abdichtung der Abdeckmaske auf
der Zylinderkopfoberfläche
erfolgt meist durch ihr Eigengewicht und deren gute Auflage auf
der glatten Aluminiumoberfläche. Dabei
sind an den entsprechenden Stellen der Zylinderbohrungen, gering
vergrößerte Öffnungen
in der Abdeckmaske vorgesehen, in die geometrisch angepasste Verschleißringe passgerecht
in die Zylinderbohrung eingesetzt werden.
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Diese
austauschbaren Verschleißringe
dienen dem Oberflächenschutz
vor Sandstrahlung und Plasmabeschichtung. Besonders die an der Oberfläche der
Zylinderbohrung befindlichen Öffnungen
für die
Zirkulation des Kühlmediums
müssen
vor dem Eindringen des Strahlgutes geschützt werden.
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Solche
Bohrungen im Zylinderkurbelgehäuse
werden oft schon in einem vorgeschaltetem Verfahren gesandstrahlt
werden, wozu regelmäßig aber auch
eine gesonderte Abdeckmaske, auf die hier nicht weiter eingegangen
wird, verwendet wird.
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Auch
alle anderen nicht zu beschichtende Bereiche der Zylinderkopfoberfläche werden
durch das Auflegen der Abdeckmaske wirksam geschützt.
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Sowohl
das Sandstrahlen mit einer Sandstrahllanze, wie auch das Plasmabeschichten
der Innenfläche
mit dem Brenner erfolgt durch die Öffnungen der Abdeckmaske und
des Verschleißrings
hindurch in den Zylinderinnenraum. Durch Verwendung einer Abdeckmaske
ist es möglich,
den Beschichtungsvorgang vorteilhaft schon außerhalb der Zylinderbohrung
zu beginnen, was im Ergebnis zu einer gleichmäßigeren Beschichtung der Innenfläche führt.
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Gegenwärtig bekannte
Bauarten von Verschleißringen
für die
Plasmabeschichtung werden als Drehteile aus Aluminium gefertigt
und verfügen über einen
Passungsbund der sie gegen Durchfallen in den Zylinderkopf sichert.
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Um
gute Kondensations- und Ablagerungseigenschaften des Beschichtungsmaterials
auf der Innenfläche
des Aluminiumrings zu gewährleisten,
ist es erforderlich, dass dessen Innenfläche eine entsprechende Rautiefe
aufweist. Daher wird im gleichen Arbeitsgang mit dem bekannten Sandstrahlverfahren
der Zylinderbohrungen auch die Innenfläche der Verschleißringe aufgeraut.
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Diese
bekannten Verschleißringe
aus einer Aluminiumlegierung haben allerdings eine recht geringe
Lebensdauer und müssen
in der Regel schon nach dreimaliger Verwendung in der Abdeckmaske ausgetauscht
werden.
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Eine
erfinderische Neuentwicklung des Verschleißrings war darauf gerichtet,
dass Sandstrahlen zur Aufrauung dessen Innenfläche überflüssig zu machen. Dieses Ziel
konnte durch die komplette chemischen Vernicklung des Aluminium-Verschleißrings erreicht
werden. Die vernickelte Oberfläche
des Aluminium-Verschleißrings
zeigte dabei wesentlich bessere Anlagerungseigenschaften für die Beschichtungsmaterialien,
als der bekannte Aluminiumring. Durch die verbesserte Haftung des
Plasmabeschichtungsmaterials, kann dieser neuentwickelte vernickelte
Verschleißring
für mindestens
6 Beschichtungsvorgänge
in die Abdeckmaske eingesetzt werden.
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Nachteilig
bei dieser Neuentwicklung ist hier allerdings der höhere Aufwand
und die höheren
Kosten, die durch die Vernicklung entstehen. So liegt beispielsweise
der Einkaufspreis für
vernickelte Aluminium-Verschleißringe
um etwa 30 % höher
als für
unbeschichtete Aluminiumringe.
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Daraus
leitet sich die erfinderische Aufgabe ab, Verschleißringe für die bekannten
Abdeckmasken so weiterzubilden, dass sie die guten Eigenschaften
der vernickelten Ausführungsform
besitzen, also ohne Sandstrahlen der Innenfläche auszukommen und dennoch
eine gute Haftung des Beschichtungsmaterials aufzuweisen. Weiterhin
sollten sie eine geringe, durch deren Anwendung verursachte Verformbarkeit
aufweisen und beim Einsetzen und Herausnehmen leichter handhabbar
sein als die bekannten Aluminiumringe.
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Ein
weiterer Nachteil beim beschichteten Aluminiumring, besteht in der
geringen Festigkeit des Werkstoffs. Durch das mehrfache Beschichten
entstehen zwischen dem Verschleißring und der aufgebrachten
Beschichtung erhebliche Spannungen. Diese führen zu einer Verformung der
Ringform des Aluminium-Verschleißringes, was dessen Handhabung und
sachgemäße Verwendung
sehr erschwert. Besonders das Ausbauen der benutzten Ringe wird kompliziert
und gelingt of nur unter Verwendung eines geeigneten Dorns zum austreiben.
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs
gelöst.
In den Unteransprüchen
sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
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Erfindungsgemäß besteht
der neue Verschleißring
aus Stahlblech, welches erheblich bessere Haftungseigenschaften
als die für
die bekannten Verschleißringe
verwendeten Materialien aufweist. Die als preiswertes Rohmaterial
zur Anwendung kommenden Stahlblechstreifen, werden nach dem passenden
Zuschnitt an ihren Enden miteinander verschweißt und bilden so einen Verschleißring der
in die Öffnungen
der erfindungsgemäßen Abdeckmaske
dichtend einsetzbar ist. Alternativ kann Stahlblech als Rohrmaterial
eingesetzt werden.
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Um
ein Durchfallen des Verschleißrings
zu verhindern, wird die Abdeckmaske erfindungsgemäß mit einer
Bohrung 5 und einem Gewinde in Richtung Umfang der Öffnungen 6 zur
Aufnahme der Stahlblech-Verschleißringe 2 versehen,
in die ein Druckstück 4 einschraubbar
ist.
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Durch
Einschrauben des jeweiligen Druckstücks 4 wird der Verschleißring 2 sicher
in der gewünschten
Position der Zylinderbohrung und der Abdeckmaske gehalten. Dabei
erfolgt die Fixierung der Abdeckmaske gegen Verstellung durch federnde Druckstücke mit
Kugel und Konterschraube.
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Da
der erfindungsgemäße Verschleißring keinen
Passungsbund gegen Durchfallen in die Zylinderbohrung aufweist,
wie die vorbekannten Aluminiumringe, kann er um 180° gedreht
noch einmal für die
gleiche Anzahl von Beschichtungsvorgängen eingesetzt werden. Dadurch
verdoppelt sich Anzahl der möglichen Beschichtungsvorgänge pro
Ring, was im Ergebnis zu einer vorteilhaften Halbierung der Kosten
führt.
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Auch
die Herstellungskosten für
die erfindungsgemäßen Stahlblech-Verschleißringe liegen erheblich
unter denen für
Verschleißringe
aus Aluminium-Drehteilen. Sie sind im Schnitt um 40 % geringer.
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Im
Gegensatz zu dem neuen Verschleißring aus Stahlblech, kann
der Aluminiumring schon wegen des angeformten Passbundes nicht gedreht
werden. Da er sich aber auch währen
der Beschichtung verformt und die Einpasstoleranzen in der Regel
sehr gering gewählt
werden müssen,
kann der Aluminiumring nicht, oder nur unter großem Aufwand wieder gedreht
und kosten sparend erneut verwendet werden.
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Abdeckmaske 1 mit
einem eingesetztem angedeuteten Verschleißring 2 aus Stahlblech.
Zum Schutz gegen Durchfallen der Ringe 2 in den Zylinderkolben
weist die Abdeckmaske 1 eine zur Öffnung gerichtete Bohrung 5 auf,
welche ein Druckstück 4 oder
ein anderes geeignetes Arretiermittel zur Arretierung des Verschleißrings 2 in
der Maskenöffnung 6 aufnehmen kann.
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Da
der Verschleißring 2 keine
entsprechende Ausformung zum Schutz gegen Durchfallen an einer Ringseite
mehr aufweist und symmetrisch ausgebildet ist (2),
kann er nach Benutzung einer Seite gedreht und noch einmal für die gleiche
Anzahl von Beschichtungsdurchläufen
verwendet werden.
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Der
Beschichtungsprozess startet zirka in der Mitte der Verschleißringe,
so dass die obere Hälfte
nicht beschichtet wird.
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2 zeigt
sowohl den Blechstreifen 7 des Ausgangsmaterials, als ist
auch den fertig verschweißten
Verschleißring 2.
Als Stahlblech kann beispielsweise ST12 mit einer Stärke von
1,2 mm verwendet werden. Es können
auch fertige Rohrabschnitte verwendet werden.
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Der
erfindungsgemäße neue
Verschleißring aus
Stahlblech verformt sich auch nach mehr als zehn Beschichtungsvorgängen nicht
spürbar,
was zu einer längeren
Lebensdauer führt.
Dabei können
die Toleranzen in den Abmessungen so gewählt werden, dass ein leichtes
ein- und ausbauen gewährleistet
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
eine erhebliche Einsparung von Kosten durch die nun mögliche Vielfachverwendung
der neuen Verschleißringe.
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Dadurch
können
etwa 40 % der Kosten gegenüber
den bekannten Lösungen
eingespart werden, was beispielsweise bei einem durchschnittliche Monatsbedarf
von 8000 bis 10000 Stück
von erheblicher Bedeutung für
den Verwender ist.
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- 1
- Abdeckmaske
- 2
- Verschleißring aus
Stahlblech
- 3
- Öffnungen
für Fixierstifte
- 4
- Druckstück
- 5
- Bohrung
für Druckstück
- 6
- Öffnungen
für Verschleißringe