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Die vorliegende Erfindung betrifft
allgemein thermisches Spritzen bei Verbrennungsmotoren und insbesondere
ein Verfahren zur gestaffelten Richtungsumkehr des thermischen Spritzvorganges
in einer Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors gemäß den Schritten
aus dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein diese Schritte beinhaltendes
Verfahren ist aus der US-Schrift 5271967 bekannt.
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Es ist bekannt, eine Oberfläche einer
Zylinderbohrung für
eine Brennkraftmaschine zu beschichten. Im typischen Falle werden
thermische Spritzpistolen in herkömmlicher Weise so gehalten
und mit gleichmäßiger Geschwindigkeit
bewegt, daß sie
die Oberfläche
beschichten. Die thermischen Spritzpistolen tragen dabei eine Schicht
aufgespritzten Materials in einem relativ dünnen Überzug auf, um eine übermäßige Wärmekonzentration
an der Oberfläche
zu verhindern. Um nun eine größere Schichtstärke des
Materials aufzubauen, sind mehrere Durchgänge mit der thermischen Spritzpistole
nötig.
Wird die thermische Spritzpistole in ihrer gleichförmigen Bewegung
genau am Ende der Oberfläche
unmittelbar in ihrer Richtung umgekehrt, kann eine ungleichmäßige Verdickung
in der Beschichtung an diesem Umkehrrand auftreten. Im Bereich dieses
Umkehrrandes wird dadurch überschüssiges Material
aufgetragen, weil die Spritzpistole hier verzögert wird, um dann die Richtungsumkehr
auszuführen.
Diese Verdickung ist jedoch unvorteilhaft, weil (i) sie mehr Wärme in das Material
an einer solchen Verdickung einleitet, woraus sich "Hitzestellen" bzw. Restwärmespannungen
ergeben können,
(ii) die Verdickung wegen einer übermäßigen Schrumpfungszahl
der Beschichtung bei sich wieder entfernender Spritzpistole möglicherweise
zu Ablösungen
führen
kann.
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Bei einem Versuch, dieses Problem
zu lösen,
wird die Bewegungsbahn der thermischen Spritzpistole weit über die
Oberfläche
für die
Beschichtung hinaus weitergeführt
(d. h. es wird "überspritzt"), bevor die Bewegung
der thermischen Spritzpistole umgekehrt wird. Dies ergibt eine erhebliche
Verschwendung von Spritzwerkstoff.
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Beim Ausspritzen einer Brennkraftmaschine,
die keinen Spritzüberzug
außerhalb
der Oberfläche
der Zylinderbohrung zuläßt, muß man entweder
(i) teure Abdeckmasken einsetzen, um zu verhindern, daß solche anderen
Teile der Brennkraftmaschine, die nicht beschichtet werden sollen,
kontaminiert werden, oder (ii) ein Ablösemittel sowie einen aufwendigen
Reinigungsprozeß der
angrenzenden Teile anwenden, um die unerwünschte Beschichtung zu entfernen
(die Reinigung ist dabei wesentlich, um die Gefahr loser Partikel
in unmittelbarer Nähe
und außerhalb
des Randes der Zylinderbohrung zu vermeiden, welche Partikel losbrechen könnten und
andere bewegliche Teile der Brennkraftmaschine kontaminieren könnten).
Es besteht daher in der Technik ein Bedarf, Überspritzen einzugrenzen und
zu reduzieren, wenn eine Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine
thermisch ausgespritzt wird.
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Der vorliegenden Erfindung zufolge
wird ein Verfahren zum thermischen Spritzen einer Oberfläche einer
Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine gestellt, bei dem eine
thermische Spritzpistole entlang der Längsrichtung der Oberfläche bewegt
wird, und die Bewegungsrichtung der thermischen Spritzpistole innerhalb
der Zylinderbohrung umgekehrt wird, so daß eine mehrschichtige Beschichtung
auf der Oberfläche
gebildet wird, und bei dem die Bewegungsrichtung der thermischen
Spritzpistole an verschiedenen Stellen entlang der Länge der
Oberfläche
umgekehrt wird.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist, daß ein
Verfahren gestellt wird, bei dem die Richtungsumkehr der thermischen
Spritzpistole in einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine
gestaffelt wird. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung
ist, daß das
Verfahren den Umkehrpunkt der thermischen Spritzpistole bei jedem
Durchgang im Spritzvorgang der Zylinderbohrung verändert. Noch
ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren
die Bildung größerer Anhäufungen
oder "heißer Punkte" vermeidet. Noch ein
weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren
die Richtungsumkehr der thermischen Spritzpistole innerhalb der
Zylinderbohrung ermöglicht,
so daß die
Notwendigkeit von Abdeckmasken gesenkt wird, und der Zielwirkungsgrad
des Spritzwerkstoffes verbessert wird. Ein anderer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist außerdem,
daß das
Verfahren ein Überspritzen
von Spritzwerkstoff erheblich reduziert. Noch ein weiterer Vorteil
der vorliegenden Erfindung ist, daß die Änderung nur der Umkehrpunkte
eine sehr einheitliche Feinstruktur des Auftragmaterials über die
ganze Zylinderbohrung gewährleistet.
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Die Erfindung soll nun mit Bezug
auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig näher erläutert werden. Dabei zeigt:
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1:
eine Ansicht einer thermischen Spritzpistole im Aufriß, die zur
Ausführung
eines erfindungsgemäßen Verfahrens
der gestaffelten Richtungsumkehr der thermischen Spritzpistole in
einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird;
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2:
eine vergrößerte Teilansicht
eines Teils der thermischen Spritzpistole aus 1, welche darstellt, wie die thermische
Spritzbeschichtung hergestellt wird;
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3:
eine diagrammartige Ansicht, welche die gestaffelte Richtungsumkehr
beim thermischen Spritzen für
die thermische Spritzpistole in der Zylinderbohrung der Brennkraftmaschine
veranschaulicht;
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9:
einen Graphen der vertikalen Position über der Zeit beim standardmäßigen thermischen
Spritzen einer Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine; und
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5:
einen Graphen der vertikalen Position über der Zeit bei gestaffelter
Richtungsumkehr des thermischen Spritzvorganges innerhalb einer
Zylinderbohrung einer Brennkraftmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Es sei nun Bezug genommen auf die
Zeichnungen, und insbesondere auf die 1 und 2, wo eine Ausführungsform
einer zur Ausführung
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung eingesetzten thermischen
Spritzpistole 10 dargestellt ist, und zwar beim Einsatz
in bezug auf eine allgemein bei 12 angedeutete Brennkraftmaschine.
Die Brennkraftmaschine 12 hat wenigstens eine Zylinderbohrung,
vorzugsweise aber mehrere Zylinderbohrungen 14, die durch
Innenoberflächen
oder Innenwände 16 eines
Motorblockes gebildet werden. Die Zylinderbohrung 14 hat
eine obere Kante 20 der Innenfläche 16 und eine untere
Kante 22 der Innenfläche 16.
Es sei hierbei angemerkt, daß die
Brennkraftmaschine 12 herkömmlich aufgebaut und in der Technik
bekannt ist.
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Die thermische Spritzpistole 10 ist
eine elektrische Lichtbogen-Draht-Spritzpistole, vorzugsweise der Art
wie sie in der am 19. Februar 1997 angemeldeten und der Anmelderin
der vorliegenden Erfindung erteilten US-Patentschrift 5808270 beschrieben
ist. Die thermische Spritzpistole 10 hat einen all gemein
bei 23 angedeuteten Spritzpistolenkopf, der einen Strahl 24 schmelzflüssiger Metalltröpfchen 26 erzeugt,
indem ein Lichtbogen zwischen einer Kathodenelektrode 30 und
einer anodischen Düse 32 erzeugt
wird. Die Elektroden 30 und 32 werden mit elektrischem
Gleichstrom mit einer Stromstärke
im Bereich von 20–200
Amp und einer Spannung im Bereich von ca. 80–320 Volt versorgt. Ein Plasmagas 39 (wie
z. B. Luft, Stickstoff oder Argon), möglicherweise mit Wasserstoff
oder Helium unter einem Druck von 13,8–103,4 × 109 Nm–2 (20–150 psi)
vermischt, wird durch den Lichtbogen 28 geleitet und umgehend
bis auf eine Temperatur erhitzt, die einen Strom heißen, ionisierten
und elektrisch leitenden Gases erzeugt, also Plasma 36.
Zum Dehnen der Plasmaflamme wird der Lichtbogen 28 von
der Elektrode 30 über
die Düse 32 auf
eine kontinuierlich nachgeförderte
Drahtspitze 38 transferiert. Ein Sekundärgas 39, vorzugsweise
Luft mit einem Druck von ungefähr
34,5 82,7 × 10 Nm–2 (50–120 psi)
wird trichterförmig
derart um die Plasmaflamme herum geführt, daß es den Strahl 24 abdeckt
und schneidet und die Metalltröpfchen 26 beschleunigt,
zerstäubt
und abschirmt.
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Die thermische Spritzpistole beinhaltet
einen allgemein bei 40 angedeuteten Mechanismus zur Halterung
und Bewegung des Spritzpistolenkopfes 23 zum Beschichten
der inneren Oberflächen 16 der
Zylinderbohrungen 19 des Verbrennungsmotors 12.
Der Mechanismus 40 beinhaltet eine den Pistolenkopf 23 tragende Spindel 42 am
einen Ende, welche Spindel (nicht dargestellte) Nuten aufweist, über welche
dem Pistolenkopf 23 jeweils Schweißdraht, Plasmagas und Sekundärgas zugeführt werden.
Die Spindel 42 wird an ihrem gegenüberliegenden Ende 49 von
einem Drehantrieb 46 gehalten, der die Spindel 42 entweder
um die eigene Achse 98 oder um eine parallel dazu verlaufende
Achse dreht. Der Drehantrieb 46 ist seinerseits auf einem linearen
Quermechanismus oder Querschlitten 50 gelagert, der den
Drehantrieb 46 entlang einer Schiene 52 mittels
eines mechanischen Kugelumlauf-Schneckenantriebes 54 auf
und ab bewegt (wobei ein solcher Antrieb die Drehbewegung eines
Elektromotors mittels Eingriff in Schnecken in eine Linearbewegung
umwandelt). Auf diese Weise wird der Spritzkopf 23 (bei
gleichzeitiger Drehung) in der Zylinderbohrung 14 unter
Umkehr der Linearbewegung auf- und abbewegt, so daß eine mehrschichtige
Beschichtung 56 (3)
aufgebaut wird. Hierbei sei angemerkt, daß die thermische Spritzpistole 10 herkömmlich aufgebaut
und in der Technik bekannt ist.
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Ein Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung wird nun offenbart, bei dem die Richtungsumkehr des thermischen
Spritzvorganges innerhalb der Zylinderbohrung 14 der Brennkraftmaschine 12 gestaffelt
vorgenommen wird. Das Verfahren beinhaltet allgemein die Schritte
des Metall- bzw. thermischen Spritzens der Innenfläche 16 der
Zylinderbohrung 19 durch Bewegen des Pistolenkopfes 23 der
thermischen Spritzpistole über die
Länge der
Innenfläche 16,
und durch Umkehren der Bewegungsrichtung des Pistolenkopfes 23 der
thermischen Spritzpistole 10 in der Zylinderbohrung 14,
so daß ein
mehrschichtiger Überzug 56 auf
der Innenfläche 16 aufgetragen
wird, wie es in 3 veranschaulicht
ist.
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Im einzelnen beinhaltet das Verfahren
optimal den Schritt des thermischen Spritzens eines Haftgrundstoffes
vom oberen Rand 16 bis zum unteren Rand 20 der
Innenfläche 16 bei
einem ersten Durchgang des Spritzpistolenkopfes 23 der
thermischen Spritzpistole 10, der in die Zylinderbohrung 14 des
Verbrennungsmotors 12 eingreift. Der Haftgrundwerkstoff
ist eine Nickel- und Aluminiumlegierung, die mit einer Schichtdicke von
etwa 0,0051 cm (0.002 Zoll) aufgetragen wird. Es sei dabei vermerkt,
daß der
Haftgrundwerkstoff ein herkömmlicher
Stoff und in der Technik bekannt ist. Ebenso sei angemerkt, daß, bevor
der Haftgrundstoff aufgetragen wird, die Innenfläche 16 mit Producto
Chemical Nr. 5896 gereinigt wird und vorzugsweise naß oder trocken
mit Flußmittel überzogen
wird, um die Innenfläche 16 oxydfrei
zu machen und sowohl die metallurgische als auch die mechanische
Bindung zu fördern.
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Ist der Haftgrundwerkstoff aufgetragen,
beinhaltet das Verfahren die Schritte des thermischen Aufspritzens
von Deckwerkstoff auf den Haftgrundwerkstoff auf der Innenfläche 16 in
mehreren Durchgängen
des Spritzpistolenkopfes 23 der thermischen Metallspritzpistole 10 innerhalb
der Zylinderbohrung 14 der Brennkraftmaschine 12.
Das Deckmaterial ist Stahl des Typs 1010, der in einer
Schichtstärke
von ungefähr
0,00259 cm (0.001 Zoll) pro Durchgang bis auf eine Gesamtstärke von
0,0356 cm (0.014 Zoll) aufgetragen wird. Dabei ist anzumerken, daß der Deckwerkstoff
ein herkömmlicher
Stoff und in der Technik bekannt ist.
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Nach dem ersten Durchgang des Haftgrundspritzens
beinhaltet das Verfahren den Schritt der Richtungsumkehr der Bewegung
des Pistolenkopfes 23 der thermischen Spritzpistole 10 an
der unteren Kante 20 der Innenfläche 16, und die Weiterführung des
Pistolenkopfes 23 der thermischen Spritzpistole 10 entlang
der Innenfläche 16.
Der Pistolenkopf 23 der thermischen Spritzpistole 10 kehrt
seine Richtung beim ersten und beim zweiten Durchgang an der oberen
Kante 20 und an der unteren Kante 22 um. In den
Durchgängen
drei (3) bis fünfzehn
(15) kehrt der Pistolenkopf 23 der thermischen Spritzpistole 10 seine
Richtung an unterschiedlichen Punkten entlang der Oberfläche 16 um,
und zwar gestaffelt, wie es durch die Pfeile in 3 veranschaulicht ist. Der Pistolenkopf 23 hat
in bezug auf die obere Kante 20 und die untere Kante 22 die
Wendepunkte, wie sie in Tabelle I wie folgt dargestellt sind:
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Nach dem fünfzehnten Durchgang fährt der
Pistolenkopf 23 der thermischen Spritzpistole 10 wieder aus
der Zylinderbohrung 19 heraus. Es sei hierbei festgehalten,
daß sich
der Spritzpistolenkopf 23 nicht nur entlang der Längsachse
der Zylinderbohrung 14 nur auf- und abbewegt, sondern daß sich der
Spritzpistolenkopf 23 auch um eine Achse dreht, die mit
einer Achse der Zylinderbohrung 14 zusammenfällt oder
parallel dazu verläuft,
so daß eine
gleichmäßig dicke
Beschichtung oder Büchse 56 auf
der Innenfläche 16 der
Zylinderbohrung 14 aufgetragen wird. Ebenfalls sollte angemerkt
werden, daß die
Umkehrpunkte in einer (nicht dargestellten) Steuerung für die thermische
Spritzpistole 10 einprogrammiert sind, und daß ein (nicht
dargestellter) Stellungssensor in Verbindung mit der Steuerung verwendet
wird, um die Position des Spritzpistolenkopfes 23 in der
Zylinderbohrung 14 zu erfassen, und so die Umkehr des Antriebes
auszulösen.
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Mit Bezug auf 4 ist nun ein Graph der Stellung in vertikaler
Richtung des Spritzpistolenkopfes 23 der thermischen Spritzpistole 10 gegenüber der
Zeit für
den Fall des Standardprozesses dargestellt. Wie aus der Darstellung
ersichtlich ist, vollführt
der Spritzpistolenkopf 23 seine Richtungsumkehr nach Art
des Überspritzens
außerhalb
bzw. nach Überschreiten
der oberen Kante 20 und der unteren Kante 22.
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Mit Bezug auf 5 dagegen ist ein Graph der Position
in vertikaler Richtung des Spritzpistolenkopfes 23 der
thermischen Spritzpistole 10 über der Zeit dargestellt, aber
für das
Verfahren mit gestaffelter Richtungsumkehr gemäß der vorliegenden Erfindung.
Wie dargestellt kehrt der Pistolenkopf 23 seine Richtung
hier abgestuft oder gestaffelt innerhalb der Grenzen der oberen
Kante 20 und der unteren Kante 22 der Zylinderbohrung 14 um.
Daraus ergibt sich, daß die
Zeit, die der Spritzpistolenkopf 23 für die Bewegungen braucht, kleiner als
beim Standardprozeß ist,
und daß das Überspritzen
um fast achtzig Prozent (80%) reduziert wird.
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Dementsprechend ermöglicht das
Verfahren eine deutliche Senkung des Überspritzens dadurch, daß die Bewegung
des Spritzpistolenkopfes 23 der thermischen Spritzpistole 10 innerhalb
der Zylinderbohrung 19 umgekehrt werden kann. Das Verfahren
kehrt die Bewegungsrichtung an unterschiedlichen Punkten um, je nachdem,
welcher Durchgang aufgespritzt wird, so daß eine sehr einheitliche Beschichtung 56 mit
ausgezeichneter Haftung an den Rändern 20, 22 der
Zylinderbohrung 14 aufgetragen werden kann. Das Verfahren
vermindert auch die Laufzeit, indem es die Länge der Bewegungsstrecke des
Spritzpistolenkopfes der thermischen Spritzpistole 10 reduziert.
