DE69718313T2

DE69718313T2 - Beschichtung von Zylinderbohrung aus Metall für Motorblock

Info

Publication number: DE69718313T2
Application number: DE69718313T
Authority: DE
Inventors: James Richard Baughman; David James Cook; Robert Edward Dejack; Deborah Rose Pank; Oludele Olusegun Popoola; Matthew John Zaluzec
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-12-31
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2018-01-01
Also published as: US5820938A; ES2185880T3; EP0903422A1; JPH10298733A; DE69718313D1; EP0903422B1; JP4237289B2

Description

Diese Erfindung betrifft die Technologie des Sprühens von Gußzylinder-Bohrungsoberflächen (Mutter-Bohrungsmetall) von Motorblöcken mit einer schmierenden, abnutzungsbeständigen, metallischen Beschichtung, und spezieller den Trockenpulver-Fließmittelauftrag auf derartige Zylinderbohrungen, wobei dieses Flußmittel durch die Ablagerung heißgesprühter Metalltröpfchen darüber thermisch aktiviert wird, um metallurgisch an den Zylinderbohrungs- Oberflächen zu haften.
Innerhalb der Technologie zum thermischen Sprühen von Beschichtungen auf Leichtmetall- Substrate bleibt es ein Problem wie die Gußaluminium-Motorblockbohrungen kosteneffizienter vorzubereiten sind, um metallurgisch stark mit den metallischen Tröpfchen zu binden, die durch das thermische Sprühen darauf geschleudert werden. Gußaluminium-Substrate sind charakteristisch etwas porös, inhomogen und schmelzen, verglichen mit kaltgewalzten Aluminiumprodukten, bei niedrigeren Temperaturen. Dies stellt neue Anforderungen an die Art und Weise Flußmittelauftrags, um Kosteneffizienz zu erreichen.
Viele verschiedene Aufrauhtechniken wurden auf Aluminium verwendet, um eine mechanische Bindung zu schaffen welche metallurgisches Haften verbessert oder ersetzt; diese Aufrauhtechniken haben Sandstrahlen, Spiral-Maschinennuten, funkenerosives Aufrauhen und Hochdruck-Wasserstrahlen eingeschlossen. Diese Aufrauhtechniken verfehlen das Ziel der Kosteneffizienz entweder wegen der Kosten der Ausrüstung, des Risikos der Verunreinigung oder wegen der Unfähigkeit das gewünschte Ausmaß der Rauhigkeit zu steuern. Es wurden Anstrengungen unternommen um chemisches Ätzen zu verwenden, gefolgt von sofortigem thermischen Sprühen bei großer Geschwindigkeit und größeren Durchsätzen, aber die Haftung war nicht optimal und manchmal von einer Verwindung aufgrund des hohen Anteils an Wärmeübertragung begleitet.
Es wäre wünschenswert wenn chemische Flußmittel ökonomisch mit thermischer Aktivierung durch das darüber gesprühte Metall aufgebracht werden könnten, um auf die Berührung durch geschmolzene Metalltröpfchen eines derartigen Sprühvorgangs hin sofort zu funktionieren, um das Aluminiumsubstrat von jeglichen Oxiden zu befreien. Kommerzielle Flußmittel, in der Automobilindustrie jetzt zur Verbindung von Aluminiumteilen im Gebrauch, sind unzufriedenstellend wenn sie für den Flußmittelauftrag auf Gußmetallen für das thermische Sprühen angewandt werden, weil (i) sie eine Zusammensetzung besitzen die in einem Bereich schmilzt, welcher den Schmelzbereich des Gußaluminiums oder der Aluminiumlegierung überlappt; und weil sie (ii) gewöhnlich in Naßverfahren aufgebracht werden, die ein Rühren der Lösung erfordern um die Verteilung des Flußmittels beizubehalten, eine Schwierigkeit darstellen das nasse Flußmittel auf der gewünschten Zieloberfläche zu halten und Trocknungsschritte erfordern um das Flußmittel zum Gebrauch vorzubereiten. Irgendein Versuch trockene Pulver-Flußmittel zu verwenden hat nur bezüglich horizontaler Oberflächen stattgefunden, um das Pulver an Ort und Stelle zu halten.
Die Erfindung ist ein Verfahren der Beschichtung einer Reihe aneinander angrenzender Zylinderbohrungs-Oberflächen eines Gußaluminium-Motorblocks, wobei die Bohrungsoberflächen eine vorbehandelte Oberflächenrauhigkeit von weniger als 50 Mikrometer Ra aufweisen, und wobei das Verfahren umfaßt: (a) Waschen der Oberflächen mit einem nichtätzenden, alkalischen Reinigungsmittel, das Borat, Carboxylsäure und Natriumgluconat umfaßt; wobei das Mittel, welches wirkungsvoll ist um die Oberflächenenergie der vorbehandelten Oberflächen zu steigern und homogener zu machen, für 10-60 Sekunden verwendet wird (wobei das Waschen vorzugsweise in Stufen ausgeführt wird, mit einer erste Waschlösung bei einem Druck von ungefähr 1,38-6,9 · 10&sup5; Nm&supmin;²); sodann für 10-60 Sekunden eine zweite Lösung bei einem Druck von etwa 6,9 · 10&sup6; Nm&supmin;² (1000 psi); und abschließend für etwa 10-60 Sekunden erneut eine Lösung bei einem Druck von 1,38-6.9 · 10&sup5; Nm&supmin;² (20-100 psi); (b) nach Trocknung dieser Oberfläche elektrostatische Aufbringung eines trockenen, entfeuchteten, nicht korrosiven Löt-Flußmittels, das an der gewaschenen Oberfläche in einer einheitlichen Beschichtungsstärke von etwa 10 Mikrometer oder weniger haftet; und (c) thermisches Sprühen aneinander angrenzender Bohrungsoberflächen zur gleichen Zeit (mit zwei synchronisierten Thermo-Sprühpistolen, welche sich synchron in gleicher Richtung drehen, wobei die Pistolen ein Haftmetall oder eine obere Beschichtung aufbringen können; wobei die Metallbeschichtung das abgelagerte Flußmittel thermisch aktiviert um Substratoxide zu entfernen; und (d) Entfernen von Metall des zuletzt beschichteten Materials bis zu einem Oberflächen-Finish von 0,1-0,4 Mikrometer Ra. Die Pistolen verwenden einen Treibgasstrom von mindestens 72-168 m³/min (4000-6000 cfm), um die Kühlung der gekühlten Blöcke zu unterstützen und eine thermische Verwindung der Bohrungen zu vermeiden. Das elektrostatisch aufgebrachte, trockene Flußmittel besitzt eine aus eutektischen Mischungen aus KalF&sub4; und K&sub3;AlFb&sub1; bestehende Chemie mit Zusätzen von CeF- und LiF-Salzen. Das Flußmittel ist durch einen Schmelzbereich charakterisiert der niedriger ist als der Schmelzbereich für das Gußaluminium- oder Aluminiumlegierungs-Bauteil (wie etwa im Bereich 480ºC-580ºC).
Die Erfindung wird nun, anhand eines Beispiels, unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
Abb. 1 ein schematisches Fließbild ist, das die Abfolge des Verfahrens der Erfindung zeigt, und das die Schritte von Waschen, Fließmittelauftrag, Haftbeschichtung und Honen abbildet;
Abb. 2 eine Aufriß-Ansicht eines elektrostatischen Flußmittel-Sprühapparats ist, die zeigt wie der Apparat entwickelt ist um das trockene Flußmittel auf einer Zylinderbohrung eines Motorblocks aufzubringen;
Abb. 3 eine Veranschaulichung ist wie die Flußmittelpistolen-Elektroden die umgebende Luft ionisieren um eine Korona zu ergeben;
Abb. 4 ein schematisches Diagramm des elektrischen Felds zwischen der Pistole und dem Motorblock ist, und wie ein derartiges Feld durch geladene Pulverpartikel beeinflußt wird;
Abb. 5 eine Veranschaulichung der Zonen ist, durch welche die Flußmittel-Pulverpartikel elektrostatisch transportiert werden;
Abb. 6a und 6b die verschiedenen auf die geladenen Flußmittelpulver-Partikel wirkenden Kräfte zeigen; und
Abb. 7 ein schematisches Diagramm von 2 oder mehr thermischer Sprühpistolen ist, die synchronisiert sind um aneinander angrenzende Bohrungen eines Motorblocks zu besprühen.
Wie in Abb. 1 und 2 gezeigt benötigt das hierin gezeigte Verfahren des Flußmittelauftrags für thermisch gesprühte Beschichtungen (1) Vorbereitung und Säuberung der Substratoberfläche; (2) elektrostatische Ablagerung eines trockenen Flußmittelpulvers, und (3) thermische Aktivierung des trockenen Flußmittels (wenn nicht früher aktiviert) durch thermisches Sprühen geschmolzener, metallischer Tröpfchen, die gleichzeitig das Fließmittel aktivieren und eine metallische Beschichtung ablagern. Die Oberflächenvorbereitung umfaßt es mit einem gegossenen Leichtmetall-Bauteil 10 zu beginnen, wie etwa einem Aluminiumlegierungs-Motorblock, der eine Mehrzahl von Zylinderbohrungs-Oberflächen 11 besitzt. Derartige Gußzylinder-Bohrungsoberflächen 11 weisen vorzugsweise ein vorbehandeltes Oberflächenfinish von weniger als 50 Mikrometer Ra auf, wobei selbiges Finish durch herkömmliche Grobbearbeitung der Guß-Bohrungsoberflächen 11 erhalten werden kann. Derartig bearbeitete Oberflächen werden eine Porosität von ungefähr 3% und eine Schmelztemperatur im Bereich von 580ºC-660ºC besitzen.
Die vorbehandelten Oberflächen werden durch zwei Niederdruck-Waschstationen 12 und 13 bei 1,38-6,9 · 10&sup5; Nm&supmin;² (20-100 psi), getrennt durch eine Hochdruck-Waschstation 14 bei ungefähr 6,9 · 10&sup6; Nm&supmin;² (ungefähr 1000 psi) verarbeitet. Durch druckbeaufschlagte Waschdüsen werden Strahle aus einer wäßrigen Waschlösung gebildet, wobei die Waschlösung ungefähr 16 Gewichtsprozent Borat, 15% Carboxylsäure, ungefähr 2% Natriumgluconat und als Rest im wesentlichen Wasser enthält. Eine derartige Chemie der Lösung ist vorteilhaft, weil sie einzigartige Tenside enthält welche die Oberflächenenergie des Aluminiums (oder anderer Leichtmetalle) synergistisch beeinflußt, um eine gleichmäßige elektrostatische Ablagerung des trockenen Flußmittels zu erleichtern. Die Motorblöcke 10 werden durch ein Heberrad getragen während sie gesprüht werden. Oberflächenöle und jegliches Fett werden durch die ersten Niederdruck-Waschstrahlen entfernt. In den Gußporen des Blocks enthaltene Öle werden durch Hochdruckstrahlen entfernt während die Blöcke linear durch die Hochdruckstation 14 transportiert werden. Jegliche Rest- oder Oberflächenöle werden dann bei Station 13 durch die zweiten Niederdruck-Waschstrahlen entfernt, während die Blöcke auf einem Heberrad-Rahmen umlaufen. Die Blöcke werden dann herumgedreht (herumgerollt, damit die Bodenseite nach oben zeigt) und einem Trocknungsmedium ausgesetzt, etwa Heißluft bei Station 15, während sie in einem Heberrad-Rahmen getragen werden. Niederdruck-Waschung und Trocknung auf einem Heberrad ist vorteilhaft, weil es alle inneren Hohlräume gründlich von restlichen Bearbeitungsspänen, Sand und Rückständen reinigt. Die einzigartigen chemischen Tenside der Waschlösung modifizieren die Oberflächenspannung der gewaschenen Gußmetall-Oberfläche, damit sie für die Aufnahme von Flußmittelpartikeln sehr gleichmäßig und leitend ist, und damit sie eine chemische Affinität für das Flußmittelpulver aufweist.
Im zweiten Schritt des Verfahrens wird ein elektrostatischer Flußmittelauftrag durch die Verwendung einer Sprühpistole 16 ausgeführt, die eine Wolke 17 elektrostatisch geladener, trockener Pulverflußmittel-Partikel 18 zu der inneren, vorbereiteten Zylinderoberfläche 11 einbringt, welche elektrisch an Masse angeschlossen ist (wie in Abb. 2 gezeigt). Der Niederspannungs-Stromanschluß 19 zur Hauptelektrode 25 ist in Abb. 2 gezeigt; Druckluftstrom 20 stellt einen kontinuierlichen Strom von Flußmittelpulver durch Leitung 21 hindurch bereit; ein Fluidisierungsdruck 22 wird geschaffen indem man einen Teil einer Luftversorgung so lenkt um das Pulverflußmittel in Suspension und richtig gemischt zu halten; Zerstäubungsdruck 23 wird geschaffen indem man die verbleibende Luftversorgung zu der Düse über Elektrode 25 lenkt. Ein Ionen-Sammlerstab 16a wird benutzt um die Pistole von unerwünschten Ladungen abzuschinnen.
Das dem elektrostatischen Flußmittelauftrag zugrundeliegende Phänomen kann am besten verstanden werden indem man die Parameter zusammenfaßt, die angepaßt werden müssen um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. Wie in Abb. 3 gezeigt wird ein elektrisches Feld 24 zwischen der kleinen, spitzen Ladeelektrode 25 der Pistole 16 und der Ziel- Zylinderbohrungsoberfläche 11 stabilisiert. Wenn die Spannung der Elektrode 25 hoch genug ist um genug Ladung in einem kleinen Raum zu konzentrieren, wird das elektrische Feld 24 stark genug um die umgebenden Luftmoleküle zu ionisieren (d. h. um Elektronen zu entfernen), um eine Korona 26 (etwa 4 Millionen Volt pro Meter) zu bilden, die ein kaltes Plasma ist. Die Korona enthält freie Elektronen 28 und ist somit ein leitfähiger Durchgang (gewöhnlich von 2 Millimeter Durchmesser). Es besteht eine starke Abstoßung zwischen der Ladeelektrode 25 und der Korona 26, weil sie beide stark negativ geladen sind; Elektronen werden nach außen hin in die umgebende Luft hinein beschleunigt, um zur Bildung eines Ions 27 durch ein Sauerstoffmolekül 29 eingefangen zu werden. Es sind diese Ionen, welche das Flußmittelpulver tatsächlich aufladen.
Die Einbringung von Pulver-Flußmittel 18 verzerrt das elektrische Feld 24, so daß es - wie in Abb. 4 gezeigt - nahe der Partikel 18 konzentriert wird. Je größer die Pulverpartikel desto höher ist die Konzentration. Weil die Ionen 27 eine Nettoladung aufweisen wird das elektrische Feld sie beeinflussen, und wegen des Einflusses durch das verzerrte Feld von der Elektrode 25 weg und in Richtung auf die Zieloberfläche 11 drücken, um dadurch auf die Pulverpartikel 18 zu treffen und deren Ladung zu übertragen.
Daher findet in der wie in Abb. 5 gezeigten Zone 1 Ladung der Pulverpartikel und eine Musterbildung des Pulvers statt. Diese Zone befindet sich für eine Entfernung von ungefähr 2 Zentimeter direkt um das Austrittsende 30 der Sprühpistole 16 herum. Um zusammenzufassen tritt in dieser Zone folgendes auf: Die Hochspannungs-Stromversorgung lädt die Elektrode, die konzentrierte Ladung schafft ein sehr starkes elektrisches Feld, das starke Feld zersetzt die Luft und verursacht die Bildung einer Korona, die Korona sendet Elektronen aus, die Elektronen werden durch Sauerstoffmoleküle eingefangen um negative Ionen zu bilden, die Ionen werden gezwungen den Feldlinien zu folgen, die Pulverpartikel verzerren das Feld um sich selbst herum, das verzerrte Feld lenkt die Ionen auf die Pulverpartikel, und die Pulverpartikel werden durch die Ionen bombardiert um aufgeladen zu werden. Die Musterbildung in Zone 1 wird durch die Form der Düse 31, Luftabweiser 31 oder durch in die Spritzkabine eintretende und den Block umgebende Luftstrahlen geschaffen. Sie ist auch ein Bereich hoher Geschwindigkeit, durch den sich die Luft ziemlich schnell hindurch bewegt (in einer Zeitdauer von etwa 4-6 Millisekunden). Aber weil es wünschenswert wäre eine längere Verweilzeit in dieser Zone zu haben sollte der Luftstrom geregelt werden, um so klein wie möglich zu sein.
In Zone 2 von Abb. 5 wird das geladene Pulver hauptsächlich durch den Luftstrom und in kleinerem Ausmaß durch Elektrostatik zur Zieloberfläche 11 bewegt. In Zone 3 (etwa 1 Zentimeter stark) wirkt auf jedes Partikel eine Anzahl von Kräften. Erstens und wie in Abb. 6a gezeigt gibt es mehrere elektrische Feldkräfte: das Feld 40 von der Pistole, welches die Partikel zur Zylinderbohrungs-Oberfläche drückt; das Feld 34 von dem geladenen Partikel, die es zum Ziel hin ziehen; und Wechselwirkungen 33 zwischen den Feldern von den einzelnen Partikeln während sie einander abstoßen, weil alle die gleiche Ladungspolarität besitzen. Zweitens gibt es Effekte von Aerodynamik und Trägheitskräften, wie sie in Abb. 6b gezeigt sind. Es gibt den Effekt sowohl des Pistolen-Luftstroms 35 wie auch des Kabinen-Luftstroms 36 auf das Partikel. Es gibt Trägheitskräfte 37 aufgrund der Masse und des Momentes des Partikels und aufgrund der Gravitation 38. Außerdem gibt es auch die aerodynamischen Effekte 39 von der Zylinderbohrungs-Oberfläche; Partikel, welche sich in rechten Winkeln zur Bohrungsoberfläche nähern haben die besten Chancen eingefangen (elektrostatisch angezogen) zu werden, dann jene die sich parallel zur Zylinderbohrungs- Oberfläche 11 bewegen. Aufgrund der bedeutenden Abstoßungskräfte zwischen Pulverpartikeln 18 werden sich nur wenige Partikel parallel zu der Bohrungsoberfläche bewegen - außer wegen aerodynamischen Effekten, welche modifiziert werden müssen um ihren Angriffswinkel zu erhöhen (die Übertragungseffizienz beginnt zu leiden wenn die Luftgeschwindigkeit nahe der Oberfläche 30 Fuß pro Minute übersteigt).
Wendet man sich spezifischen Parametern des elektrostatischen Sprühens zu, so besteht das Flußmittelpulver aus einem Fluoridsalz, das bei einer Temperatur deutlich unterhalb jener für das Gußmetall-Substrat schmilzt (bevorzugt bei einem Temperaturunterschied von 30-80ºC unterhalb). Für Gußaluminium (wie etwa Aluminiumlegierungen 319-356, 380, 390, die Si, Cu, Mn oder Fe jeweils in Mengen von 0,5-5 Gewichtsprozent enthalten und ein Gußmetall erzeugen, das eine Schmelztemperatur von 580-660ºC hat) besitzt eine eutektische Doppelsalzmischung aus Fluoraluminium eine derartig niedrigere Schmelztemperatur bei ungefähr 560ºC. Andere gleichwertige Flußmittelpulver zur Verwendung mit Aluminium können CsF, LiF und KF einschließen. Das Flußmittelpulver daß in die Sprühpistole eingespeist wird hat vorteilhaft einen Partikeldurchmesser von weniger als 10 Mikrometer, wovon 70% im Bereich von 2-4 Mikrometer liegt. Es ist wünschenswert daß die Partikelgröße des Pulvers so groß wie möglich ist, um elektrostatische Anziehung zu erleichtern. Wie gezeigt ist das Flußmittel ausgewählt damit es ein Eutektikum ist, das ein die Phasenformel Gamma- K&sub3;AlF&sub6; + KAlF&sub4; besitzendes Fluorid-Doppelsalz ist. Ein derartiges Eutektikum enthält AlF&sub3; mit etwa 45 Molprozent des Fluorid-Doppelsalzes, wobei KF ungefähr 55 Molprozent beträgt. Das Eutektikum besitzt eine Schmelztemperatur von ungefähr 560ºC, welche ungefähr 40ºC unterhalb jener der Gußlegierung des Substrats liegt. Wenn das Doppelsalz einen bedeutend unterschiedlichen molaren Prozentsatz an AlF&sub3; besitzt (und somit kein Eutektikum ist) wird die Schmelztemperatur rapide ansteigen. Andere Fluorid-Doppelsalze, und deswegen andere Alkalimetall-Fluoride oder Fluoridsalze, können solange verwendet werden wie sie eine Schmelztemperatur besitzen die mittels Hitze aktiviert werden kann, ohne die Gußaluminium- Legierung zu stören. Chloridsalze sind nützlich aber nicht wünschenswert, weil sie darin versagen Korrosionsbeständigkeit auf dem Aluminiumprodukt bereitzustellen und möglicherweise Korngrenzen der Aluminiumlegierung angreifen.
Wenn die Spannung der Pistole ungefähr 100 kV beträgt, liegt die Geschwindigkeit des Zone 1 verlassenden Pulvers bei ungefähr 0,1-1 m/s. Die Form der Partikel 18 ist wünschenswert kugelförmig, um aerodynamischen Transport zu erleichtern. Verwendet man eine Pistole mit derartiger Spannung, so beträgt die Austrittsladung der Korona von einer solchen Pistole ungefähr 1-50 Tesla. Die trockenen, fluidisierten Flußmittelpartikel werden - wie elektrostatisch aufgeladen - unter einem Fließdruck 20 von ungefähr 1,71 · 10&sup4; Nm&supmin;² (2,5 psi), einem Zerstäubungsdruck 23 von 1,71-2,08 · 10&sup4; Nm&supmin;² (2,5-3 psi) und einem Fluidisierungsdruck 22 von ungefähr 3,4 · 10&sup4; Nm&supmin;² (5,0 psi) auf die Zylinderbohrungs-Oberfläche gesprüht. Die gesamte Oberflächenrauhigkeit der Bohrungsoberfläche 11 vor Empfang eines derartigen Flußmittels ist geringer als 50 Mikrometer, vorzugsweise aber zwischen 5-20 Mikrometer. Trockenes Flußmittel wird in einer Dichte von 3-6 Gramm pro Quadratmeter, bevorzugt ungefähr 5 Gramm pro Quadratmeter, auf die vorbereitete Oberfläche aufgesprüht. Obwohl manche der Partikel abfallen werden, wird ein erheblicher Teil am Substrat haften und als Ergebnis einer derartigen Anziehung in seiner Ladung neutralisiert werden. Dauerhaft auf der Bohrungsoberfläche zurückgehaltene Partikel tun dies durch Van der Waals-Kräfte (natürliche Anziehung zwischen geladenen Partikeln). Es wird keine Naßchemie benötigt um das Flußmittel aufzubringen und es ist keine Entfeuchtung notwendig.
Schritt 3 umfaßt gleichzeitige thermische Aktivierung des trockenen Flußmittels 18 durch Ablagerung geschmolzener Metalltröpfchen, die eine metallurgisch gebundene Beschichtung auf der mit Flußmittel beschichteten Zylinderbohrungs-Oberfläche schafft. Die Abscheidung wird durch thermisches Sprühen, und - unter Verwendung eines einzigen Draht- Einsatzmaterials - bevorzugt durch mittels Plasma übertragenen Drahtbogen (PTWA) ausgeführt, wie es in U.S.-Patent 5,442,153 offenbart ist.
Für thermisches Drahtbogen-Sprühen umfaßt es der Prozeß ein oder mehrere feste Draht- Einsatzmaterialien 41 an einer drehbaren und sich hin- und herbewegenden Lagerwelle 42 hinab zu führen, so daß die Drahtspitze 43 als eine Elektrode wirken und einen elektrischen Bogen 44 mit der Pistolendüse fördern kann, durch welchen ein Gas geschleudert werden kann. Elektrischer Strom von einer Stromquelle wird durch den Draht geleitet um einen derartigen Bogen 44 über die Lücke 48 mit der Düse hinweg zu schaffen, während druckbeaufschlagtes Gas 49 durch die Lücke gelenkt wird, um vollständig geschmolzene Tröpfchen von den Drahtspitzen 43 zu versprühen. Die Tröpfchen 50 werden als ein Ergebnis der Kraft des Gases auf das besprühte Ziel aufgesprüht.
Um eine gleichzeitige thermische Aktivierung des Flußmittels durch die Ablagerung geschmolzener Tröpfchen von dem Draht zu bewirken, müssen Parameter für die thermische Pistole verwendet werden, um einen überhitzten, geschmolzenen Sprühnebel von Partikeln 50 sicherzustellen. Dies beinhaltet einen Spannungsbereich 80-220 Volt für die thermische Sprühpistole und eine Stromstärke von 60-100 Ampere, um den Bogen in der Pistolendüse geeignet beizubehalten. Das Einsatzmaterial für die Haftbeschichtung 51 ist vorzugsweise ein aus Nickel und Aluminium bestehender Draht, der einen Durchmesser von ungefähr 0,159 cm (0,062") besitzt. Allerdings können gleichwertige Haftmaterialien Aluminiumbronze, Eisen- Aluminium oder Siliziumbronze umfassen.
Der anfängliche Kontakt der ersten Sprühnebel-Partikel, welche gewöhnlich bei einer Temperatur oberhalb von 1000ºC liegen, wird das trockene Flußmittel thermisch aktivieren, was es dazu bringt zu schmelzen und die Metalloberfläche aktiv von Oxiden zu befreien. Das thermische Sprühen wird über die thermische Aktivierung des Flußmittels hinaus fortgesetzt, um eine metallische Haftbeschichtung 51 in einer Stärke von etwa 30-70 Mikrometern abzulagern. Der Wärmeinhalt einer derartig thermisch gesprühten Haftbeschichtung wird leicht durch den gesamten Guß-Motorblock geleitet werden.
Eine abschließende, thermisch gesprühte Deckbeschichtung 52 aus einem Legierungsstahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt - oder bevorzugt einer Zusammensetzung aus Stahl und FeO - wird bereitgestellt. Wird eine Komposit-Deckbeschichtung gewünscht, so besteht das Draht- Einsatzmaterial aus einem niedriglegierten Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt, und das Sekundärgas (das die Schwade aus dem Bogen umgibt) wird gesteuert um es Sauerstoff zu erlauben mit den Tröpfchen zu reagieren, um zu oxidieren und das selektive Eisenoxid FexO zu bilden (Wüstit, ein hartes, abnutzungsbeständiges Oxid, das eine selbstschmierende Eigenschaft besitzt). Die Kompositbeschichtung kann daher sehr stark wie Gußeisen wirken, das Graphit als inhärentes Selbstschmiermittel einschließt. Der das Sauerstoff enthaltene Gasbestandteil kann zwischen 100% Luft (oder Sauerstoff und 100% Inertgas (wie etwa Argon oder Stickstoff) mit entsprechenden Ausmaßen an Oxidation des Fe variieren. Die Einsatzmaterialien für die Kompositbeschichtung schließen Einsatzmaterialien mit niedrigem Kohlenstoffgehalt, niedriglegierte Einsatzmaterialien, Einsatzmaterialien aus rostfreiem Stahl der 300er-Serie und niedriglegierte Einsatzmaterialien aus rostfreiem Stahl der 400er-Serie ein, von denen alle eine Eisenoxid-Partikel enthaltende Komposit-Beschichtung für Abnutzungs- und Verschleißbeständigkeit bereitstellen können. Die abschließende Deckbeschichtung wird eine gesprühte Stärke von typischerweise 250-600 Mikrometer haben.
Um die Produktivität zu steigern betrachtet diese Erfindung thermisches Sprühen aneinander angrenzender Zylinderbohrungen mit synchron angebundenen Sprühpistolen 45 (wie in Abb. 7 gezeigt) zur gleichen Zeit. Um übermäßige Hitzeansammlung in den Brückenbereichen 46 zwischen aneinander angrenzenden Bohrungen zu vermeiden sind die Prstolen 45 für ein derartig synchronisiertes Sprühen aneinander angebunden, um während der Aufbringung in die selbe radiale Richtung zu weisen, und dadurch einen dazwischenliegenden Brückenbereich 46 niemals gleichzeitig zu überqueren. Um dabei zu helfen derartige Brückentemperaturen reduziert zu halten ist die Plasma- und Gashülle, die verwendet wird um das thermische Sprühen auszuführen, gesteuert um einen Luftstrom 47 von 72-168 m³/min (4000-6000 cfm) durch die Bohrung hindurch bereitzustellen. Das erlaubt es der Brücke bei einer Temperatur unterhalb von 275ºC zu verbleiben, deutlich unterhalb der Schwellenwert- Temperatur bei welcher eine Verwindung auftreten kann. Ein solcher Luftstrom erleichtert auch die Bildung schmierender Phasen wie etwa FeO, wenn ein Einsatzmaterial aus Eisen oder rostfreiem Draht verwendet wird. Das synchrone thermische Sprühen aneinander angrenzender Bohrungen kann sowohl für Haft- wie auch für Deckbeschichtungen ausgeführt werden. Verglichen damit, Bohrungen durch eine einzelne Pistole in Folge zu sprühen, kann das Zeitintervall zwischen der Pistolenpositionierung um 50% verringert werden.
Nachdem die Haft- und Deckbeschichtungen aufgebracht sind, wird der beschichtete Aluminium-Motorblock mittels eines direkten Honvorganges fertiggestellt, um ein geeignetes Zylinderbohrungs-Oberflächenfinish für Motoranwendungen zu erreichen. Die Verwendung von Diamant-Honsteinen in Wasserbasis-Honflüssigkeiten wurde als darin effektiv gefunden das abschließende Finish der gehonten Oberfläche zu erreichen, vergleichbar mit oder besser als jene die mit Gußeisen-Einsätzen erreichbar sind. Der Finishing-Vorgang verringert die gesamte Beschichtungsstärke auf die von ungefähr 150 Mikron. In manchen Fällen kann es wünschenswert sein den beschichteten Motorblock einem Temperatur-Stabilisierungsschritt auszusetzen, um eine erhöhte mechanische Festigkeit bereitzustellen und geometrische Toleranzen einzuhalten.

Claims

1. Ein Verfahren der Beschichtung aneinander angrenzender Zylinderbohrungs-Oberflächen eines Aluminium-Motorblocks, wobei die Oberflächen eine die Bohrungsoberflächen trennende Brückenwand und eine vorbehandelte Oberflächenrauhigkeit von weniger als 50 Mikron Ra aufweisen, und welches umfaßt:

(a) Waschen dieser Oberflächen mit einer wäßrigen Lösung eines nichtätzenden, alkalischen Reinigungsmittels, das Borat, Carboxylsäure und Natriumgluconat umfaßt; wobei dieses Mittel wirkungsvoll ist um die Oberflächenenergie der vorbehandelten Oberflächen zu steigern und homogen zu machen;

(b) nach Trocknung dieser Oberflächen, elektrostatische Aufbringung eines trockenen, entfeuchteten, nicht korrosiven Löt-Flußmittels, das an dieser gewaschenen Oberfläche in einer einheitlichen Beschichtungsstärke von etwa 5-100 Mikrometer haftet;

(c) thermisches Sprühen dieser aneinander angrenzenden Bohrungsoberflächen zur gleichen Zeit mit einem Haftmetall, um gleichzeitig (i) dieses elektrostatisch abgelagerte, trockene Flußmittel zu aktivieren, um diese Oberflächen von Oxiden zu befreien, und (ii) dieses Haftmetall metallurgisch an die gereinigten Oberflächen zu heften;

(d) thermisches Sprühen einer Deckmetall-Beschichtung über diesem Haftmetall in jeder Bohrung, um metallurgisch daran zu haften, wobei dieses thermische Sprühen antreibende und zerstäubende Luft verwendet, die durch diese Bohrungen gepumpt wird um diesen Block zu kühlen und eine übermäßige Motorblock-Erhitzung - speziell an den Brückenwänden zwischen diesen aneinander angrenzenden Bohrungen - zu vermeiden; und

(e) Entfernen eines Teils dieser Deckbeschichtung, um diese beschichtete Oberfläche auf 0,1- 0,4 Mikrometer Ra fertig zu bearbeiten.

2. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, in welchem Schritt (b) ausgeführt wird um das trockene Flußmittel elektrostatisch bei einem Fließdruck von ungefähr 1,7 · 10&sup4; Nm&supmin;² (2,5 psi) (Zerstäubungsdruck von 2,08 · 10&sup4; Nm&supmin;² (3 psi)) zu sprühen, begleitet von einer Austrittsladung von 1-50 Tesla.

3. Ein Verfahren gemäß entweder Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem das Haftmetall aus der Gruppe aus Nickel-Aluminium, Aluminiumbronze oder Siliziumbronze gewählt ist.

4. Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem dieses thermische Sprühen des Haftmetalls durch thermisches Sprühen unter Verwendung eines Drahtbogens, Hochgeschwindigkeits-Oxykraftstoffs oder Pulverplasmas ausgeführt wird, um überhitzte Metalltröpfchen bei einer Temperatur oberhalb von 1000ºC bereitzustellen.

5. Ein Verfahren gemäß Anspruch 4, in welchem dieses Drahtbogen-Sprühen unter Verwendung einer Sprühpistole ausgeführt wird, die eine Spannung von 80-220 Volt und einen Strom von 60-100 Ampere verwendet.

6. Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem Schritt (a) in Stufen ausgeführt wird, und diese Lösung aufeinander folgend mit Druck von ungefähr 1,38- 6,9 · 10&sup5; Nm&supmin;² (20-100 psi), 6,9 · 10&sup6; Nm&supmin;² (1000 psi) und 1,38-6,9 · 10&sup5; Nm&supmin;² (20-100 psi), verwendet.

7. Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem die Stärke dieses Haftmetalls, welches auf die Bohrungsoberflächen aufgesprüht wird, im Bereich von 30-70 Mikron liegt, und dieses Haftmetall durch thermische Pistolen aufgebracht wird, die synchronisiert sind um sich in die selbe Richtung zu drehen.

8. Ein Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, in welchem Schritt (e) ausgeführt wird um einen Teil der Deckbeschichtung zu entfernen, so daß die Stärke der Gesamtbeschichtung ungefähr 150 Mikrometer beträgt.