DE69311626T2

DE69311626T2 - Device and method for pressure jet cleaning of metallic surfaces

Info

Publication number: DE69311626T2
Application number: DE1993611626
Authority: DE
Inventors: Lewis L Vankuiken
Original assignee: Progressive Technologies Inc
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 1992-04-28
Filing date: 1993-04-27
Publication date: 1997-10-02
Anticipated expiration: 2013-04-28
Also published as: CA2094954C; JP2586986B2; EP0568315B1; DE69311626D1; CA2094954A1; EP0568315A1; JPH06297331A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Strahlen der Zylinderwände von Aluminiummotorblöcken, zur Vorbereitung für die Beschichtung derselben mit einem abnutzungsfesten Beschichtungsmaterial. Sie bezieht sich im weiteren auch auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Strahlen anderer Produkte für die folgende Behandlung.The invention relates to a device and a method for blasting the cylinder walls of aluminum engine blocks in preparation for coating them with a wear-resistant coating material. It also relates to a device and a method for blasting other products for subsequent treatment.

In den letzten Jahren sind Aluminiumkolben und Aluminiummotorblöcke in Automobilmotoren eingesetzt worden, jedoch hat die Reibung und Abnutzung aufgrund der Bewegung zwischen dem Kolben und der Zylinderwand ein Problem erzeugt. Dieses Problem und Anstrengungen es zu lösen, sind in der US-A-5, 080, 056 beschrieben, die ein Verfahren zur Bildung einer reibungs- und abnutzungsfesten Auskleidung in einem Aluminiumlegierunggußmotorblock mit einem relativ niedrigen Siliziumgehalt lehrt. Es offenbart, daß der Motorblockguß einer geeigneten Aluminiumregierung mit geringem Siliziumgehalt, wie die Aluminium 319 Legierung, einfach in einen Motorblock gegossen wird und Aluminium-Bronze-Legierungszusammensetzungen durch einen Thermalsprühprozeß auf den inneren Durchmesser der Zylinderbohrungen des Aluminiumguß aufgetragen werden. Das Patent offenbart, daß vor dem Auftragen der thermal gespritzten Zusammensetzungen auf die Zylinderbohrung diese gründlich gereinigt und entfettet wird, um sie in einen geeigneten Zustand für die Thermalspritzbeschichtung zu bringen, die an den Wänden der Zylinderbohrung haften soll.In recent years, aluminum pistons and aluminum engine blocks have been used in automobile engines, however, friction and wear due to the movement between the piston and the cylinder wall has created a problem. This problem and efforts to solve it are described in US-A-5,080,056 which teaches a method of forming a friction and wear resistant lining in an aluminum alloy cast engine block having a relatively low silicon content. It discloses that engine block casting of a suitable low silicon aluminum alloy such as aluminum 319 alloy is simply poured into an engine block and aluminum bronze alloy compositions are applied to the inner diameter of the cylinder bores of the aluminum casting by a thermal spray process. The patent discloses that before applying the thermally sprayed compositions to the cylinder bore, the cylinder bore is thoroughly cleaned and degreased to bring it into a suitable condition for the thermal spray coating to adhere to the walls of the cylinder bore.

Der Inhaber der US-A-5, 080, 056 trat an die vorliegenden Anmelder heran, um eine Vorrichtung für die Vorbereitung der Oberfläche des Zylinderbohrungsbereiches des Gußstückes für das Auftragen des Thermalspritzbeschichtungsmaterial zu entwickeln. Man glaubte, daß das offensichtliche Verfahren zur Vorbereitung der Oberflächen ein Trocken- oder Schlammspritzen eines Strahlsandes, wie z.B. kleingemahlener Stücke Glas, Aluminiumoxyd, Siliziumkarbid, etc. sei, welches die Oberfläche des Zylinderbohrungsbereiches aufrauen würde, auf den die Beschichtung fest aufgebracht und gehalten werden könnte. Z.B. JP-A-63162160 beschreibt das Mattieren der Oberfläche einer Walze, die für die Vorbereitung von Stahlblechen für das Lackieren durch das Besprühen der Oberfläche mit Wasser eingesetzt wird, welches ein Mattiermittel, wie z.B. Eisensand, Stahlgries oder Siliziumsand enthält, wobei der Wasserdruck zwischen 100 und 1500 kgf/cm ² (9,8 MPa und 147,2 MPa) liegt. Der Einsatz von Stahlgries erzeugt das Problem der Sicherstellung, daß der gesamte Gries von dem Motorblock entfernt wird, um zu vermeiden, daß der Gries oder Abrieb Teile des Motors verunreinigt. Darüber hinaus könnte der Gries selbst in Spalten des Motorblocks oder der Zylinderbohrungsfläche selbst zurückbleiben. Deshalb macht der Einsatz von Gries oder Schleifmitteln zum Aufrauhen der Oberflächen eine folgende Reinigung des gesamten Bereiches notwendig, wo der Gries sein könnte, was eine zeitraubende Tätigkeit ist. Darüber hinaus besteht auch keine Sicherheit, daß der gesamte Gries vollständig herausgewaschen wurde. In der Tat ist es fast unmöglich sicherzustellen, daß der gesamte Gries aus den Bereichen entfernt wurde, wo er als Resultat des Strahlvorgangs liegen könnte.The assignee of US-A-5,080,056 approached the present applicants to develop an apparatus for preparing the surface of the cylinder bore area of the casting for application of the thermal spray coating material. It was believed that the obvious method of preparing the surfaces was dry or slurry spraying of a grit such as finely ground pieces of glass, aluminum oxide, silicon carbide, etc. which would roughen the surface of the cylinder bore area to which the coating was to be firmly applied and held. For example, JP-A-63162160 describes matting the surface of a roller used for preparing steel sheets for painting by spraying the surface with water containing a matting agent such as iron sand, steel grit or silicon sand, the water pressure being between 100 and 1500 kgf/cm² (9.8 MPa and 147.2 MPa). The use of steel grit creates the problem of ensuring that all the grit is removed from the engine block to avoid the grit or debris contaminating parts of the engine. Moreover, the grit itself might remain in crevices of the engine block or the cylinder bore surface itself. Therefore, the use of grit or abrasives to roughen the surfaces necessitates subsequent cleaning of the entire area where the grit might be, which is a time-consuming operation. Furthermore, there is no assurance that all the grit has been completely washed out. In fact, it is almost impossible to ensure that all the grit has been removed from the areas where it might be as a result of the blasting process.

Ein weiterer Nachteil der Verwendung von Gries oder Schleifmittelschlämmen ist, daß das Schleifmittel oder der Gries sogar die behandelte Fläche verschmutzten kann und obwohl in vielen Fällen die aufgerauhte Fläche für das Tragen der Beschichtung geeignet ist, ist eine gesteigerte Festigkeit der aufgerauhten Fläche erwünscht. In Übereinstimmung mit den bevorzugten Ausführungen der Erfindung werden diese Probleme auf eine wirtschaftlichere Weise gelöst, als der Fachmann jemals annehmen würde.A further disadvantage of using grit or abrasive slurries is that the abrasive or grit may even contaminate the surface being treated and although in many cases the roughened surface is suitable for supporting the coating, increased strength of the roughened surface is desirable. In accordance with the preferred embodiments of the invention, these problems are solved in a more economical manner than those skilled in the art would ever imagine.

Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Vorbereitung einer Metallfläche für das folgende Auftragen einer Beschichtung, wobei das Metall ein mattierbares, duktiles Metall ist: die Erzeugung von Wasserstrahlen, die nur aus Wasser mit Drücken bestehen, die zumindest 173 MPa (25, 000 psi) betragen und Richten der Strahlen gegen die zu reinigenden Flächen und Erodieren der Flächen, um unregelmäßige Flächen mit hinterschnittenen Bereichen vorzusehen, wobei derartige unregelmäßige Flächen erhöhte Adhäsionseigenschaften haben.According to one aspect of the present invention, a method of preparing a metal surface for subsequent application of a coating, wherein the metal is a mattable, ductile metal, comprises: generating water jets consisting only of water at pressures of at least 173 MPa (25,000 psi) and directing the jets against the surfaces to be cleaned and eroding the surfaces to provide irregular surfaces with undercut regions, such irregular surfaces having increased adhesion properties.

Entsprechend einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Vorbereitung der Flächen der Zylinderwandbereiche der Zylinderbohrung eines Motorblocks, für das Auftragen einer abnutzungsfesten Beschichtung, umfassend: eine Hochdruckwasserpumpe; eine Fluidversorgung, welches nur aus Wasser besteht, die mit dem Einlaß der Pumpe verbunden ist; ein Element, welches mit dem Auslaß der Pumpe verbunden ist und Öffnungen zur Erzeugung von Wasserstrahlen hat, die nur aus Wasser bestehen, und Drücke zwischen 173 MPa und 414 MPa (25, 000 und 60, 000 psi) haben, vorzugsweise ungefähr 345 MPa (50, 000 psi), um die Oberflächen der Zylinderwandbereiche zu reinigen und zu erodieren, um eine unregelmäßige Oberfläche mit hinterschnittenen Bereichen derselben zu schaffen, um die Adhäsionseigenschaften derselben zu erhöhen; wobei das Element um eine Achse drehbar ist und Einrichtungen besitzt, um die Strahlen in eine im wesentlichen radial nach außen von der Achse gehende Richtung zu richten, gegen die Oberflächen der Zylinderwandbereiche; und eine bewegliche Halterung, um das Element in der Zylinderbohrung zu bewegen, um die Strahlen gegen die Oberflächen der Zylinderwandbereiche zu richten, um die Oberflächen zusammenhängend zu reinigen und zu erodieren, um die unregelmäßigen Oberflächen mit verbesserten Adhäsionseigenschaften vorzusehen.According to another aspect of the present invention, an apparatus for preparing the surfaces of the cylinder wall portions of the cylinder bore of an engine block for the application of a wear resistant coating, comprising: a high pressure water pump; a fluid supply consisting only of water connected to the inlet of the pump; an element connected to the outlet of the pump and having orifices for generating jets of water consisting only of water and having pressures between 173 MPa and 414 MPa (25,000 and 60,000 psi), preferably about 345 MPa (50,000 psi) to clean and erode the surfaces of the cylinder wall portions to create an irregular surface with undercut areas thereof to increase the adhesion properties thereof; the element being rotatable about an axis and having means for directing the jets in a direction substantially radially outward from the axis against the surfaces of the cylinder wall portions; and a movable mount for moving the element in the cylinder bore to direct the jets against the surfaces of the cylinder wall portions to continuously clean and erode the surfaces to provide the irregular surfaces with improved adhesion properties.

Auf diese Weise werden die Oberflächen vorbereitet, unter Einsatz von im wesentlichen reinem Wasser als Strahlmedium; reines Wasser bedeutet, daß kein Gries und fast keine anderen Materialien dem Wasser zugesetzt werden.In this way, the surfaces are prepared using essentially pure water as the blasting medium; pure water means that no grit and almost no other materials are added to the water.

Die Drücke der Wasserstrahlen übertreffen 173 MPa und kann zwischen 173 MPa und 414 MPa (25, 000 und 60, 000 pounds per square inch -psi) liegen und vorzugsweise ungefähr 345 MPa (50, 000 psi), insbesondere für die besten Resultate bei der Vorbereitung von Aluminium 319 Legierungen zur Beschichtung, wie in US-A-5, 080, 056 beschrieben.Water jet pressures exceed 173 MPa and can range from 173 MPa to 414 MPa (25,000 to 60,000 pounds per square inch -psi) and preferably about 345 MPa (50,000 psi), especially for best results in preparing aluminum 319 alloys for coating, as described in US-A-5,080,056.

Wir haben entdeckt, das Wasserstrahlen die Oberfläche der Aluminiumzylinderbohrungen aufrauhen und zur selben Zeit reinigen wird. Die Wasserstrahlen rauhen die Oberfläche nicht nur auf, um den Oberflächenbereich zu vergrößern, an dem die Thermalspritzzusammensetzung befestigt werden kann, sondern greift auch die Poren der Mikrostruktur an, d.h. die Lücken des Metalls, um Hinterschnitte zu bilden, die eine überlegen Adhäsion für die Beschichtung im Vergleich zu bekannten Verfahren bieten. Auf diese Weise reinigen die Prozesse der Erfindung die Oberfläche, um jedes bestehende verunreinigte Material auf den Oberflächen zu eliminieren und um die Oberfläche zu ätzen, um eine verbesserte Adhäsion für die Beschichtung zu bieten, ohne selbst schädigende Rückstände zurückzulassen.We have discovered that water blasting will roughen the surface of the aluminum cylinder bores and clean them at the same time. Water jets not only roughen the surface to increase the surface area to which the thermal spray composition can be attached, but also attack the pores of the microstructure, i.e. the gaps of the metal, to form undercuts that provide superior adhesion for the coating compared to known methods. In this way, the processes of the invention clean the surface to eliminate any existing contaminated material on the surfaces and to etch the surface to provide improved adhesion for the coating without leaving behind self-damaging residues.

Die Erfindung kann auf unterschiedliche Weisen umgesetzt werden, wobei zwei Formen der Vorrichtung und ihres Verfahrens zum Betrieb, alle in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, nun exemplarisch mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, darin zeigt:The invention may be carried into effect in various ways, two forms of apparatus and its method of operation, all in accordance with the present invention, will now be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

Figur 1 eine perspektivische, geschnittene, schematische Ansicht eines gegossenen Vierzylinder-Aluminiummotorblocks mit dem größten Teil der Vorrichtung in den Zylindern, um die Erfindung zu illustrierten;Figure 1 is a perspective, sectioned, schematic view of a cast four-cylinder aluminum engine block with most of the device in the cylinders to illustrate the invention;

Figur 2 eine perspektivische, geschnittene Ansicht eines Zylinders mit dem größten Teil der Vorrichtung darin;Figure 2 is a perspective, sectional view of a cylinder with the major part of the device therein;

Figur 3 eine perspektivische, geschnittene Ansicht eines Zylinders, welche den Schritt zeigt, wo die Beschichtung thermisch auf die Innenfläche der Zylinder gespritzt wird, wobei die Fläche vorher wie in Figuren 2 und 3 illustriert vorbereitet wurde;Figure 3 is a perspective, cut-away view of a cylinder showing the step where the coating is thermally sprayed onto the inner surface of the cylinder, the surface having previously been prepared as illustrated in Figures 2 and 3;

Figur 4 a, 4 b und 4 c den abfolgenden Zustand einer Metallfläche, die in Übereinstimmung mit der Erfindung behandelt und dann beschichtet wird; wobei Figur 4 a die unbehandelte Fläche zeigt; Figur 4 b die Fläche nach der Behandlung und Figur 4 c die beschichtete Fläche zeigt;Figures 4a, 4b and 4c show the sequential state of a metal surface which is treated in accordance with the invention and then coated; where Figure 4a shows the untreated surface; Figure 4b shows the surface after treatment and Figure 4c shows the coated surface;

Figur 5 und 6 eine andere Form von Vorrichtung, die zur Behandlung einer ebenen Fläche anstelle einer zylindrischen Fläche eingesetzt wird; undFigures 5 and 6 show another form of device used to treat a flat surface instead of a cylindrical surface; and

Figur 7 eine Vorrichtung zur Bewegung einer der beiden rotierenden Köpfe, gezeigt in Figur 1, 2, 3 und 5.Figure 7 shows a device for moving one of the two rotating heads, shown in Figures 1, 2, 3 and 5.

Die Figuren 1 und 2 zeigen eine schematische Darstellung eines gegossenen Aluminiummotors 1 mit vier Zylinderkammern 2, von denen eine freigeschnitten ist, um die Zylinderwände 3 freizulegen. Der Motorblock 1 ist ein Gußstücke aus einer geeigneten Aluminiumlegierung, wie der Aluminium 319 Legierung, die als Legierung bekannt ist, welche einfach in komplexe Konfigurationen wie Motorblöcke gegossen werden kann. Die Aluminium 319 Legierung ist eine Aluminiumlegierung mit geringem Siliziumgehalt, welche die Zusammensetzung und Eigenschaften wie in dem Metallhandbuch, 8. Ausgabe, America Society of Metals, beschrieben hat. Sie enthält nicht nur 90,2 Gewichts % Aluminium, 6,3 Gewichts % Silizium und 3,5 Gewichts % Kupfer, sondern ist ein mattierbares, duktiles Metall, mit einer Oberflächenharte von Brinell 70-95. Obwohl die 319 Aluminiumregierung das einzige Metall ist, welches uns als einfach in einen Motorblock zu gießen bekannt ist, und das durch unser Verfahren und Vorrichtung behandelt werden kann, um die Gegenstände und Vorteile unserer Erfindung hervorzubringen, ist davon auszugehen, daß andere mattierbare, duktile Metalle durch unser Verfahren behandelt werden können, um die selben Gegenstände und Vorteile hervorzubringen. Es ist anzunehmen, daß das notwendige Kriterium für eine richtige Behandlung der Oberfläche ein Metall voraussetzt, welches eine Brinellhärte zwischen ungefähr 50 bis 100 hat. Diese Legierungen umfassen die Zinklegierung AG40A, die eine Zusammensetzung von 95,96% Zink, 4% Aluminium und 0,04% Magnesium sowie eine Brinellhärte von 82 hat; kupfergehärtetes, gewalztes Zink, mit einer Zusammensetzung von 99% Zink und 1% Kupfer sowie einer Brinellhärte von 60; eine gewalzte Zinklegierung, mit einer Zusammensetzung von 98,99% Zink, 1% Kupfer und 0,010% Magnesium sowie einer Brinellhärte von 80; eine Magnesiumlegierung AM100A, mit einer Zusammenstellung von 89,9% Magnesium, 10% Aluminium und 0,1% Mangan sowie einer Brinellhärte von 52-69; eine Magnesiumlegierung AZ63A, mit einer Zusammensetzung von 90,8% Magnesium, 6% Aluminium, 3% Zink und 0,2% Mangan, mit einer Brinellhärte von 50 bis 73; eine Magnesiumiegierung AZ92A, mit einer Zusammensetzung von 88,9% Magnesium, 9% Aluminium, 2% Zink und 0,1% Mangan sowie einer Brinellhärte von 63 bis 81; und die Magnesiumlegierung AZ31B, mit einer Zusammensetzung von 95,8% Magnesium, 3% Aluminium, 1% Zink und 0,2% Mangan, mit einer Brinellhärte von 49 bis 73. Die einzige Zusammensetzung, die wir getestet haben, ist die 319 Aluminiumlegierung, obwohl wir glauben, daß das Verfahren und die Vorrichtung die oben angegebenen anderen Legierung richtig behandeln wird.Figures 1 and 2 show a schematic representation of a cast aluminum engine 1 having four cylinder chambers 2, one of which is cut away to expose the cylinder walls 3. The engine block 1 is a casting of a suitable aluminum alloy such as aluminum 319 alloy, which is known as an alloy which can be easily cast into complex configurations such as engine blocks. Aluminum 319 alloy is a low silicon aluminum alloy which has the composition and properties described in the Metals Handbook, 8th Edition, America Society of Metals. In addition to containing 90.2 weight percent aluminum, 6.3 weight percent silicon and 3.5 weight percent copper, it is a mattable, ductile metal having a surface hardness of Brinell 70-95. Although 319 aluminum alloy is the only metal known to us to be easily cast into an engine block and which can be treated by our process and apparatus to produce the objects and advantages of our invention, it is believed that other matteable, ductile metals can be treated by our process to produce the same objects and advantages. It is believed that the necessary criterion for proper surface treatment requires a metal having a Brinell hardness between about 50 to 100. These alloys include zinc alloy AG40A, which has a composition of 95.96% zinc, 4% aluminum and 0.04% magnesium and a Brinell hardness of 82; copper-hardened rolled zinc, having a composition of 99% zinc and 1% copper and a Brinell hardness of 60; a rolled zinc alloy, having a composition of 98.99% zinc, 1% copper and 0.010% magnesium and a Brinell hardness of 80; a magnesium alloy AM100A, with a composition of 89.9% magnesium, 10% aluminium and 0.1% manganese and a Brinell hardness of 52-69; a magnesium alloy AZ63A, with a composition of 90.8% magnesium, 6% aluminum, 3% zinc and 0.2% manganese, with a Brinell hardness of 50 to 73; a magnesium alloy AZ92A, with a composition of 88.9% magnesium, 9% aluminum, 2% zinc and 0.1% manganese, and a Brinell hardness of 63 to 81; and the magnesium alloy AZ31B, with a composition of 95.8% magnesium, 3% aluminum, 1% zinc and 0.2% manganese, with a Brinell hardness of 49 to 73. The only composition we have tested is the 319 aluminum alloy, although we believe the method and apparatus will properly handle the other alloys specified above.

Wie in den Figuren 1 und 2 kurz dargestellt, wird Wasser mit hohem Druck durch die rotierende Leitung 4 zu dem zylindrischen Kopf 5 gepumpt, der zusammen mit der Leitung 4 rotiert. Der Kopf 5 hat eine Vielzahl von Öffnungen 6; einen sehr kleinen Durchmesser, vorzugsweise zwischen 0,127 und 0,152 mm (,005 und,006 Zoll). Der Druck des durch die Leitung 4 und aus den Öffnungen 6 herausgedrückten Wassers bildet eine Reihe von Wasserstrahlen 7, die einen Druck von zumindest 173 MPa fünfundzwanzigtausend pounds per square inch, 25, 000 psi) haben sowie bis 414 MPa (60,000 psi) oder höher. Der bevorzugte Druck der Wasserstrahlen 7 liegt bei 345 MPa (fünfzigtausend pounds per square inch, 50,000 psi). Während die Leitung 4 und der Kopf rotiert, werden diese auf und ab bewegt, so daß die Wasserstrahlen die zu behandelnden Oberflächen 8 treffen. Bei der Behandlung einer 319 Aluminiumzylinderbohrungsoberfläche haben wir herausgefunden, daß die Rotationsgeschwindigkeit zwischen 500 bis 1500 U/min mit einer Traversenbewegung des Kopfes mit einer Rate von 127 mm (5,0 Zoll) pro Minute ein befriedigendes Resultat liefert, wenn zwei Durchgänge gemacht werden; wobei jeder Durchgang ungefähr 140 mm (5,5 Zoll) beträgt. Die ideale Abstandsdistanz, d.h. der Abstand von der Kante des Kopfes zu der Wand der Zylinderbohrung, betrug 12,7 bis 25,4 mm (einhalb bis ein Zoll). Es ist offensichtlich, daß die Variablen der Abstandsdistanz, der Rotationsgeschwindigkeit und der Traversenbewegung variieren werden, abhängig von dem zu behandelnden Metall, dem Ausmaß der gewünschten aggressiven Oberfläche und dem Druck der Wasserstrahlen. Größere Wasserstrahldrücke und/oder Zunahmen der Behandlungszeit erzeugen aggressivere Oberflächen.As briefly shown in Figures 1 and 2, water is pumped at high pressure through the rotating conduit 4 to the cylindrical head 5 which rotates with the conduit 4. The head 5 has a plurality of orifices 6 of very small diameter, preferably between 0.127 and 0.152 mm (.005 and .006 inches). The pressure of the water forced through the conduit 4 and out of the orifices 6 forms a series of water jets 7 having a pressure of at least 173 MPa (twenty-five thousand pounds per square inch, 25,000 psi) and up to 414 MPa (60,000 psi) or higher. The preferred pressure of the water jets 7 is 345 MPa (fifty thousand pounds per square inch, 50,000 psi). As the pipe 4 and head rotate, they are moved up and down so that the water jets strike the surfaces 8 to be treated. In treating a 319 aluminum cylinder bore surface, we have found that rotation speeds of between 500 to 1500 rpm with traverse movement of the head at a rate of 127 mm (5.0 inches) per minute give satisfactory results when two passes are made; each pass being approximately 140 mm (5.5 inches). The ideal standoff distance, i.e. the distance from the edge of the head to the wall of the cylinder bore, was 12.7 to 25.4 mm (one-half to one inch). It is obvious that the variables of standoff distance, rotation speed and traverse movement will vary depending on the metal being treated, the extent of the aggressive surface desired and the pressure of the water jets. Greater water jet pressures and/or increases in treatment time produce more aggressive surfaces.

Nach dem die Oberfläche 8 wie oben beschrieben behandelt und vorbereitet ist, wird die Oberfläche 8 oder Teile derselben durch das in der US-A-5 080 056 beschriebene Verfahren beschichtet. In Kürze wird eine Aluminium- Bronzelegierung in der Form eines Drahtes 16 der Mitte des Beschichtungskopfes zugeführt, der auf einer Spule vorgesehen ist. Eine kommerziell verfügbare Thermalspritzpistolenvorrichtung wird eingesetzt, um den Zylinder zu beschichten. Dies erfolgt durch den Einsatz eines Hochgeschwindigkeits Oxy-Fuel Thermalspritzverfahrens. Eine Verbrennungsmischung aus Propylen und Sauerstoff (HVOF), die mit Überschallgeschwindigkeit strömt, wird entlang der Mitte des Beschichtungskopfes 17 eingeführt und durch den Einsatz eines elektrischen Funken (nicht gezeigt) mit hoher Spannung und wenig Amper innerhalb der Spitze des Beschichtungskopfes 17 gezündet. Einmal gezündet, ist die Flamme selbsterhaltend. Die Aluminium-Bronzelegierung wird geschmolzen und als Nebel durch das Hochgeschwindigkeitsgas des Kopfes 17 ausgeblasen und auf der Innenfläche 8 der Zylinderwand 3 abgelagert. Die Metallspritzpistolenvorrichtung rotiert den Beschichtungskopf 17 automatisch um den Draht 16 und richtet die Tropfen 18 des geschmolzenen Drahtmateriales gegen die Zylinderwandfläche 8, indem der Kopf auf und ab entlang der Achse der Zylinderwand bewegt wird.After the surface 8 is treated and prepared as described above, the surface 8 or portions thereof are coated by the process described in US-A-5 080 056. Briefly, an aluminum-bronze alloy in the form of a wire 16 is fed to the center of the coating head which is provided on a spool. A commercially available thermal spray gun apparatus is used to coat the cylinder. This is done by using a high velocity oxy-fuel thermal spray process. A combustible mixture of propylene and oxygen (HVOF) flowing at supersonic speed is introduced along the center of the coating head 17 and ignited by using a high voltage, low amperage electrical spark (not shown) within the tip of the coating head 17. Once ignited, the flame is self-sustaining. The aluminum-bronze alloy is melted and blown out as a mist by the high-velocity gas of the head 17 and deposited on the inner surface 8 of the cylinder wall 3. The metal spray gun device automatically rotates the coating head 17 around the wire 16 and directs the drops 18 of the molten wire material against the cylinder wall surface 8 by moving the head up and down along the axis of the cylinder wall.

Figur 7 zeigt einen Robotermechanismus um die in Verbindung mit Figuren 1 und 2 beschriebenen Bewegungen zu erzeugen. In Figur 7 bezeichnet das Bezugszeichen 4 die Leitung 4, wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt. Diese wird durch einen Antriebsmechanismus 10 mit einer rotierenden Lanze gedreht. Ein Motor 11 treibt die Lanze 12 an, an der die Leitung 4 und der Zylinderkopf 5 mit dieser drehbar befestigt sind. Die Einheit 10 umfaßt ein Durchgangselement, das sich von einer Seite erstreckt, an dem eine Wasserleitung 13 angeschlossen ist. Eine Hochdruckpumpe 14 der als Ultra-Hochdruckwasserintensivierer bekannten Art, die durch die Flow Systems International als Modell 12XT verkauft wird, ist mit der Leitung 13 verbunden, um unter Druck stehendes Wasser an die rotierende Leitung 4 und den Zylinderkopf 5 zu liefern.Figure 7 shows a robotic mechanism for producing the movements described in connection with Figures 1 and 2. In Figure 7, reference numeral 4 designates the conduit 4 as shown in Figures 1 and 2. This is rotated by a drive mechanism 10 with a rotating lance. A motor 11 drives the lance 12 to which the conduit 4 and the cylinder head 5 are rotatably mounted. The unit 10 comprises a passage member extending from one side to which a water conduit 13 is connected. A high pressure pump 14 of the type known as an ultra high pressure water intensifier, sold by Flow Systems International as model 12XT, is connected to the conduit 13 to supply pressurized water to the rotating conduit 4 and cylinder head 5.

Die Einheit 10 ist an dem unteren Ende einer Mastanordnung 20 befestigt, die sich nach oben durch das Dach der Kammer 21 erstreckt und für eine Auf- und Abbewegung, wie durch die Pfeile 22 beschrieben, ausgebildet ist. Dies wird erreicht, indem der Mast mit einer Schraube 23 verbunden ist, die durch den Motor 24 gedreht wird. Die Betätigung dieses Mastes in einer vertikalen Auf- und Abrichtung ähnelt der in der US-A-5 067 285 beschriebenen.The unit 10 is attached to the lower end of a mast assembly 20 which extends upwardly through the roof of the chamber 21 and is adapted for up and down movement as indicated by arrows 22. This is achieved by connecting the mast to a screw 23 which is rotated by motor 24. The operation of this mast in a vertical up and down direction is similar to that described in US-A-5 067 285.

Obwohl es nicht nötig ist, wenn die seitliche Position der Leitung 4 und des Zylinderkopfes 5 eingestellt wurde, diese seitliche Position bei der Behandlung eines Zylinders zu ändern, wenn ein Kopf 5 eingesetzt werden soll, um verschiedene Zylinder, wie die in den Figuren 1 und 7 gezeigten, zu behandeln, ist es wünschenswert, die gesamte Einheit 10 und den Mast 20 seitlich von rechts nach links zu bewegen, wie in Figur 7 zu sehen. Hierzu ist ein Schlitten 30 vorgesehen, der an einer Mutter 31 befestigt ist, die zur Bewegung an einer Schraube 32 montiert ist. Die Schraube 32 wird durch einen Motor 33 betätigt, so daß die Drehung der Schraube 32 die Mutter 31 und den Schlitten 33 bewegt. Ein Beispiel dieser Art von Vorrichtung ist in der US-A-5 067 285 beschrieben. Die Figuren 4a, 4b und 4c illustrieren das ungewöhnliche Resultat, welches man durch das vorliegende Verfahren und die Vorrichtung erzielt. Figur 4a zeigt eine Oberfläche, wie z.B. einen sehr kleinen Bereich der Oberfläche 8 von einem der Zylinder 2. Sie zeigt eine relativ glatte Oberfläche, die wie in der US-A-5 080 056 beschrieben vorbereitet wurde. Figur 4b zeigt die Oberfläche 8, nachdem sie mit dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung behandelt wurde. Es ist festzustellen, daß die Hochdruckwasserstrahlen in der Tat die Oberfläche erodiert haben. Sie haben nicht in die Oberfläche geschnitten, wie es mit Gries, z.B. Glaspartikeln, passieren könnte, sondern haben tatsächlich erodiert und hinterschnittene Bereiche 9a, 9b und 9c gebildet. Es wird glaubhaft, daß einige Metalstrukturen eine Porösität haben, die durch das Erodieren der Oberfläche freigelegt wird, was eine Oberfläche zurückläßt, die hinterschnitten ist. Das Hinzufügen der Hinterschnitte in der Oberfläche verbessert die Adhäsionseigenschaften der Oberfläche. Die Erosion erhöht auch deutlich den Oberflächenbereich. Daher bietet die Konfiguration der unregelmäßigen Oberfläche 8 nach der Behandlung durch unser Verfahren und die Vorrichtung eine überlegene Adhäsion. Dies wird durch Figur 4c illustriert, die die Beschichtung 40 zeigt, welche durch den vergrößerten Oberflächenbereich und insbesondere durch die Hinterschnitte 9a, 9b, 9c und andere nicht besonders bezeichnete befestigt und zurückgehalten wird.Although once the lateral position of the conduit 4 and cylinder head 5 has been adjusted it is not necessary to change that lateral position when treating a cylinder, if a head 5 is to be used to treat different cylinders such as those shown in Figures 1 and 7, it is desirable to move the entire unit 10 and mast 20 laterally from right to left as seen in Figure 7. For this purpose a carriage 30 is provided which is attached to a nut 31 which is mounted for movement on a screw 32. The screw 32 is actuated by a motor 33 so that rotation of the screw 32 moves the nut 31 and carriage 33. An example of this type of device is described in US-A-5 067 285. Figures 4a, 4b and 4c illustrate the unusual result achieved by the present method and apparatus. Figure 4a shows a surface such as a very small portion of the surface 8 of one of the cylinders 2. It shows a relatively smooth surface prepared as described in US-A-5 080 056. Figure 4b shows the surface 8 after it has been treated with the method and apparatus described. It will be noted that the high pressure water jets have in fact eroded the surface. They have not cut into the surface as might happen with grit, e.g. glass particles, but have in fact eroded and formed undercut areas 9a, 9b and 9c. It is believed that some metal structures have porosity which is exposed by eroding the surface, leaving a surface which is undercut. The addition of the undercuts in the surface improves the adhesion properties of the surface. The erosion also significantly increases the surface area. Therefore, the configuration of the irregular surface 8 after treatment by our method and apparatus provides superior adhesion. This is illustrated by Figure 4c which shows the coating 40 secured and retained by the increased surface area and in particular by the undercuts 9a, 9b, 9c and others not specifically designated.

Obwohl das Verfahren und die Vorrichtung bezüglich der Behandlung der Zylinderwände eines Aluminiummotorblocks beschrieben wurde, indem die Wände Wasserstrahlen mit extrem hohem Druck ausgesetzt werden, ist es ebenso möglich, daß Verfahren und die Vorrichtung für ebene Stücke oder andere Formen von Metall einzusetzen, insbesondere mattierbare, duktile Metalle, die eine Oberflächenhärte wie diejenige der oben bezeichneten Aluminium 319 Legierung haben. Die Figuren 5 und 6 zeigen die Schemata einer Vorrichtung zur Behandlung derartiger Oberflächen.Although the method and apparatus have been described with respect to treating the cylinder walls of an aluminum engine block by subjecting the walls to extremely high pressure water jets, it is equally possible to use the method and apparatus for flat pieces or other forms of metal, particularly mattable, ductile metals having a surface hardness such as that of the aluminum 319 alloy referred to above. Figures 5 and 6 show schematics of an apparatus for treating such surfaces.

Figur 5 zeigt eine röhrenförmige Wasserleitung 104, die mit einem zylindrischen Kopf 105 verbunden ist. Der Kopf hat eine Vielzahl von Öffnungen 106 mit derselben Größe wie die Öffnungen der Figuren 1 und 2. Die Öffnungen 106 sind an der Bodenfläche des Zylinders 105 angeordnet. Damit werden die Strahlen 107 abwärts auf die Oberfläche 108 gerichtet. Der Abstand zwischen dem Boden des Zylinderkopfes 105 beträgt ungefähr 12,7 bis 25,4 mm (einhalb bis ein Zoll). Es sei verstanden, daß die Rotationsgeschwindigkeit der Leitung 104 und des Kopfes 105, der Druck der Wasserstrahlen 107 und die Abstandsdistanz, d.h., der Abstand zwischen der Bodenseite des Kopfes 105 und der Oberfläche 108, vorzugsweise gleich denjenigen der vorhergehend mit Bezug auf die Figuren 1 und 2 beschriebenen sind, obwohl derartige Parametern sich abhängig von vielen Umständen, wie oben beschrieben, ändern können.Figure 5 shows a tubular water conduit 104 connected to a cylindrical head 105. The head has a plurality of openings 106 of the same size as the openings of Figures 1 and 2. The openings 106 are located on the bottom surface of the cylinder 105. This directs the jets 107 downwards onto the surface 108. The distance between the bottom of the cylinder head 105 is approximately 12.7 to 25.4 mm (one-half to one inch). It is understood that the rotational speed of the conduit 104 and head 105, the pressure of the water jets 107 and the standoff distance, i.e., the distance between the bottom of the head 105 and the surface 108, are preferably equal to those previously described with reference to Figures 1 and 2, although such parameters may vary depending on many circumstances as described above.

Die Leitung 104 und der Kopf 105 werden durch eine Vorrichtung wie die in Figur 7 beschriebene bewegt. Die Leitung 104 wäre daher an der Lanze 12 befestigt und anstelle des Mdtorblocks 1 würde das Werkstück 100 vorliegen. Alle die Vorteile, die oben mit Bezug auf Figur 1 und 2 aufgezählt wurden, würden auch auf einem ebenen oder konturierten Stück, wie zum Beispiel dem Werkstück 100 der Figuren 5 und 6, erzielt.The conduit 104 and the head 105 are moved by a device such as that described in Figure 7. The conduit 104 would therefore be attached to the lance 12 and the workpiece 100 would be present instead of the mold block 1. All the advantages enumerated above with reference to Figures 1 and 2 would also be achieved on a flat or contoured piece such as the workpiece 100 of Figures 5 and 6.

Claims

1. A method of preparing a metal surface for subsequent application of a coating, wherein the metal is a malleable, ductile metal, comprising:

Generating water jets consisting solely of water having pressures of at least 173 MPa (25,000 psi) and directing the jets against the surfaces to be cleaned and eroding the surfaces to create irregular surfaces having undercut areas, such irregular surfaces having improved adhesive properties.

2. A method according to claim 1, wherein the pressures of the jets are between 173 MPa and 414 MPa (60,000 psi) and preferably around 345 MPa (50,000 psi).

3. A method according to any one of claims 1 or 2, wherein the surface has a Brinell surface hardness between 50 and 100, more preferably a Brinell surface hardness of about 70 to 95.

4. A method according to any one of claims 1, 2 or 3, which is followed by the application of a wear-resistant coating material to the prepared surfaces (8) to fill the undercuts and to mechanically, adhesively attach the coating to the surface.

5. The method of claim 4, wherein the step of applying the coating is carried out by thermal spraying.

6. A method according to any one of claims 1 to 5, wherein the malleable, ductile metal is an aluminum alloy or a magnesium alloy.

7. Method according to one of claims 1 to 6, wherein the metal surface is a cylindrical wall part (3) of an engine block.

8. Apparatus for preparing the surfaces (8) of the cylindrical wall portion (3) of the cylindrical bore of an engine block for the application of a wear resistant coating, comprising: a high pressure water pump (14); a supply of a fluid consisting only of water connected to the inlet of the pump; a portion (5) connected to the outlet of the pump and having openings (6) for generating water jets (7) consisting only of water at pressures between 173 MPa and 414 MPa (25,000 and 60,000 psi), preferably about 345 MPa (50,000 psi), to clean and erode the surfaces (8) of the cylinder wall portions to create an irregular surface with undercut areas to increase the adhesive characteristics thereof; the member (5) being rotatable about an axis and having means (6) for directing the jets in a direction substantially radially outward from said axis against the surfaces of the cylinder wall members; and a movable support (10, 20) for moving the member in the cylindrical bore to direct the jets (7) against the surfaces (8) of the cylinder wall members to simultaneously clean and erode the surfaces to provide the irregular surfaces with improved adhesive characteristics.

9. The apparatus of claim 8, wherein the openings have diameters between 0.127 and 0.152mm (.005 and .006 inches).