EP0320902B1 - Vorrichtung zum Erzeugen von Dispersionsschichten - Google Patents

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EP0320902B1
EP0320902B1 EP19880120895 EP88120895A EP0320902B1 EP 0320902 B1 EP0320902 B1 EP 0320902B1 EP 19880120895 EP19880120895 EP 19880120895 EP 88120895 A EP88120895 A EP 88120895A EP 0320902 B1 EP0320902 B1 EP 0320902B1
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cylinder
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
    • C25D15/00—Electrolytic or electrophoretic production of coatings containing embedded materials, e.g. particles, whiskers, wires
    • C25D15/02—Combined electrolytic and electrophoretic processes with charged materials

Definitions

  • the invention relates to a device of the type specified in the preamble of the first claim.
  • EP-A-0 190 539 describes a device for increasing the rate of incorporation of solid particles in surfaces to be coated.
  • a flow body which has two annular chambers.
  • the lower annular chamber is connected to the inlet of the electrolyte.
  • a turbulent flow is generated there.
  • the upper annular chamber of the flow body is in contact with the surface to be coated and has a laminar flow of the electrolyte.
  • the change in flow is achieved by partitions between the lower chamber and the upper chamber. It is thereby achieved that the electrolyte slowly flows upwards in a spiral movement on the inner surface to be coated without eddy formation, so that a long contact time with the inner surface to be coated is ensured. This results in a regular dispersion layer with a high build-up rate.
  • the object of the present invention is to develop a device of the type mentioned at the outset in such a way that, in a single processing step, differently dense installation rates of the wear-reducing solid particles are made possible in a controlled manner.
  • this object is achieved by the characterizing features of the first claim.
  • the invention is based on the finding that the installation rate of the wear-reducing solid particles can be increased significantly in the presence of a turbulent flow. It is therefore only necessary to ensure that a turbulent flow of the electrolyte is maintained in the area in which an increased installation rate is required. In the other areas, which allow a reduced incorporation rate of the solid particles, a laminar flow - as is known in the prior art - is maintained. As a result, two differently thick dispersion layers can be achieved in a single operation. This is particularly economical because, on the one hand, only a single processing step is necessary and, on the other hand, the more wear-resistant, concentrated layers can only be produced where they are absolutely necessary.
  • Claim 2 describes a flow body with which a turbulent and then a laminar flow can be achieved on the surfaces to be coated at the inlet.
  • Claims 4-6 describe preferred embodiments of the flow body.
  • the flow body described here is preferably suitable for use on cylinder running surfaces of reciprocating piston internal combustion engines. This ensures that only the cylinder surfaces that are to be coated are also coated. All other parts of the crankcase forming the cylinder running surfaces are not coated unnecessarily.
  • crankcase 1 of an internal combustion engine is shown schematically in cross section.
  • 2 denotes the cylinder bore in which a piston carries out an oscillating movement in the fully assembled internal combustion engine.
  • An anode 3 is located in the cylinder bore 2 and is held by a flow body 4.
  • the flow body 4 has an annular channel 5, which - as shown in Fig. 2 - is designed spirally, so that the fluid guided through the inlet 6 into the annular channel 5 experiences an increase in speed with increasing flow.
  • Overflow channels 7 run from the annular channel 5 into a swirl chamber 8.
  • the overflow channels 7 are oriented obliquely towards the cylinder axis 9 and are also arranged in a ring, so that the liquid entering the annular channel 5 can enter the overflow channels 7 at any point.
  • the overflow channels 7 are connected to the swirl chamber 8, which is also arranged circumferentially. In cross section, it has an annular contour. From there, the fluid reaches the annular gap 10, which is formed between the cylinder bore 2 and the outer circumference of the anode 3.
  • the anode 3 sits on an anode holder 11, which has a central bore 12, which serves as an overflow and drain for the fluid transported in the annular gap 10.
  • the swirl chamber 8 is formed in its lower part by the flow body 4 or the anode holder 11.
  • the upper part of the swirl chamber is through formed a partial circumference of the anode 3 and a part of the wall of the crankcase 1 to be coated.
  • a turbulent flow is generated in this area according to the invention. Due to the spiral channel 5, the flow in the overflow channel 7 is broken down into two main components, namely once in a vertically ascending part and in a tangential part. Because of this division, a turbulent flow now arises in the swirl chamber 8, which increasingly directs the solid bodies to be stored against the upper region 14 of the cylinder bore 2.
  • This area is delimited by the deflection nose 15, which is formed by the annular segment of the anode 3 and its vertically running peripheral wall. The fluid flow is laminar in the direction of flow of the fluid above this deflection nose. This means a lower installation rate.
  • the surface to be coated adjoining the region 14 is coated with a solid particle layer in a lower concentration, which corresponds to a lower wear resistance.
  • the length of the layer with the higher layer density is limited here by the position of the deflection nose 15.
  • Silicon carbides are preferably used as wear-reducing solid particles if aluminum is provided as the base material.
  • Suitable electrolytes are generally known.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung der im Oberbegriff des ersten Anspruchs angegebenen Art.
  • Die EP-A-0 190 539 beschreibt eine Vorrichtung zum Erhöhen der Einbaurate von Feststoffpartikeln in zu beschichtenden Flächen. Hierzu wird vorgeschlagen, einen Strömungskörper zu verwenden, welcher zwei Ringkammern aufweist. Die untere Ringkammer ist mit dem Zulauf des Elektrolyts verbunden. Dort wird eine turbulente Strömung erzeugt. Die obere Ringkammer des Strömungskörpers steht mit der zu beschichtenden Fläche in Kontakt und weist eine laminare Strömung des Elektrolyten auf. Die Änderung der Strömung wird durch Zwischenwände zwischen der unteren Kammer und der oberen Kammer erzielt. Damit wird erreicht, daß das Elektrolyt in einer spiralförmigen Bewegung langsam an der zu beschichtenden Innenfläche hochfließt ohne Wirbelbildung, so daß eine lange Kontaktzeit mit der zu beschichtenden Innenfläche gewährleistet ist. Dadurch wird eine regelmäßige Dispersionsschicht mit großer Aufbaurate erzielt.
  • Untersuchungen an Zylinderlaufflächen von Hubkolbenbrennkraftmaschinen haben ergeben, daß im Bereich des oberen Umkehrpunktes des Kolbens ein erhöhter Verschleiß an den Zylinderlaufflächen auftritt. Um diesen Verschleiß zu verringern, könnte man nun mit der bekannten Vorrichtung auf die gesamte Zylinderlauffläche eine erhöhte Einbaurate der verschleißverhindernden Feststoffpartikel vorsehen. Dies ist jedoch nur für Kleinserien sinnvoll. Bei Großserien und/oder vielzylindrigen großvolumigen Brennkraftmaschinen bedeutet dies jedoch eine sehr unwirtschaftliche Vorgehensweise, da entsprechend viele verschleißvermindernde Festkörper an Flächen angelagert werden müßten, und zwar in einer solchen Stärke, die nicht notwendig ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß in einem einzigen Bearbeitungsgang gezielt gesteuert unterschiedlich dichte Einbauraten der verschleißvermindernden Festkörperpartikel ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Anspruchs gelöst. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Einbaurate der verschleißvermindernden Feststoffpartikel bei Vorliegen einer turbulenten Strömung wesentlich erhöht werden kann. Es ist deshalb nur dafür Sorge zu tragen, daß in dem Bereich, in dem eine erhöhte Einbaurate gefordert wird, eine turbulente Strömung des Elektrolyts aufrechterhalten wird. In den übrigen Bereichen, die eine verringerte Einbaurate der Feststoffpartikel erlauben, wird eine laminare Strömung - wie beim Stand der Technik bekannt - aufrechterhalten. Dadurch erreicht man in einem einzigen Arbeitsgang zwei unterschiedlich starke Dispersionsschichten. Dies ist besonders wirtschaftlich, da zum einen nur ein einziger Bearbeitungsgang notwendig ist und zum anderen die verschleißfesteren, konzentrierteren Schichten nur dort erzeugt werden können, wo sie unbedingt notwendig sind.
  • Anspruch 2 beschreibt einen Strömungskörper mit dem am Einlauf eine turbulente und anschließend eine laminare Strömung an den zu beschichtenden Flächen erzielt werden kann.
  • Durch die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 3 kann eine genau definierte und reproduzierbare Grenze zwischen den unterschiedlichen Konzentrationen der verschleißfesten Schichten erzielt werden. Diese Grenze wird markiert vom Umschlagen der turbulenten auf die laminare Strömung.
  • Die Ansprüche 4 - 6 beschreiben bevorzugte Ausführungsformen des Strömungskörpers. Der hier beschriebene Strömungskörper eignet sich bevorzugt zur Verwendung an Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen. Hierbei ist sichergestellt, daß nur die Zylinderlaufflächen, die beschichtet werden sollen, auch beschichtet werden. Alle übrigen Teile des die Zylinderlaufflächen bildenden Kurbelgehäuses werden nicht unnötigerweise beschichtet.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher dargestellt.
    Es stellen dar:
    • Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß aufgebaute Beschichtungsvorrichtung mit Teilen eines Kurbelgehäuses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine;
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch den Strömungskörper nach Fig. 1;
    • Fig. 3 den Strömungsverlauf in der Wirbelkammer.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Kurbelgehäuse 1 einer Brennkraftmaschine im Querschnitt dargestellt. Hierbei ist mit 2 die Zylinderbohrung bezeichnet, in der bei der fertigmontierten Brennkraftmaschine ein Kolben eine oszillierende Bewegung ausführt.
  • In der Zylinderbohrung 2 befindet sich eine Anode 3, die von einem Strömungskörper 4 gehalten wird.
  • Der Strömungskörper 4 weist einen Ringkanal 5 auf, welcher - wie in Fig. 2 dargestellt - spiralförmig ausgeführt ist, so daß das durch den Einlauf 6 in den Ringkanal 5 geführte Fluid mit zunehmendem Durchfluß eine Geschwindigkeitssteigerung erfährt.
  • Von dem Ringkanal 5 verlaufen Überströmkanäle 7 in eine Wirbelkammer 8. Die Überströmkanäle 7 sind schräg auf die Zylinderachse 9 hin ausgerichtet und sind ebenfalls ringförmig angeordnet, so daß die in den Ringkanal 5 eintretende Flüssigkeit an jeder Stelle in die Überströmkanäle 7 eintreten kann.
  • Die Überströmkanäle 7 sind mit der Wirbelkammer 8 verbunden, die ebenfalls umlaufend angeordnet ist. Im Querschnitt weist sie eine kreisringförmige Kontur auf. Von dort gelangt das Fluid in den Ringspalt 10, welcher zwischen der Zylinderbohrung 2 und dem Außenumfang der Anode 3 gebildet wird.
  • Die Anode 3 sitzt auf einem Anodenhalter 11, welcher eine Zentralbohrung 12 aufweist, der als Überlauf und Abfluß für das in dem Ringspalt 10 transportierte Fluid dient.
  • Zwischen dem Strömungskörper 4 und dem Kurbelgehäuse 1 befindet sich noch eine Dichtung 13.
  • Mit Hilfe der Fig. 3 soll nun die Wirkung der erfindungsgemäßen Vorrichtung näher erläutert werden.
  • Wie insbesondere Fig. 3, die einen vergrößerten Ausschnitt einer Hälfte des Strömungskörpers 4 zeigt, darstellt, wird die Wirbelkammer 8 in ihrem unteren Teil von dem Strömungskörper 4 bzw. dem Anodenhalter 11 gebildet. Der obere Teil der Wirbelkammer wird durch einen Teilumfang der Anode 3 gebildet sowie einen Teil der zu beschichtenden Wand des Kurbelgehäuses 1. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, daß aufgrund der schräg einwärts gerichteten Überströmkanäle 7 die Aufprallfläche für die hier durch geleitete Strömung von der Anode 3 gebildet wird, so daß diese sowieso verschleißbehaftet, in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden kann.
  • Um nun im oberen Teil der Zylinderbohrung 2, der in Fig. 3 mit 14 bezeichnet ist, eine verstärkte Schicht von verschleißmindernden Feststoffparktikeln anlagern zu können, wird in diesem Bereich erfindungsgemäß eine turbulente Strömung erzeugt. Aufgrund des Spiralkanals 5 wird in dem Überströmkanal 7 die Strömung in zwei Hauptkomponenten zerlegt, nämlich einmal in einen vertikal aufwärts steigenden Anteil und in einen tangentialen Anteil. Aufgrund dieser Aufteilung entsteht nun in der Wirbelkammer 8 eine turbulente Strömung, die die einzulagernden Festkörper verstärkt gegen den oberen Bereich 14 der Zylinderbohrung 2 lenkt. Begrenzt wird dieser Bereich von der Umlenknase 15, die gebildet wird von dem kreisringförmigen Segment der Anode 3 und deren vertikal verlaufenden Umfangswand. In Strömungsrichtung des Fluids oberhalb dieser Umlenknase ist die Fluidströmung laminar ausgebildet. Dies bedeutet eine geringere Einbaurate. Dadurch wird die sich an dem Bereich 14 anschließende zu beschichtende Fläche mit einer Feststoffpartikelschicht in geringerer Konzentration beschichtet, was einer geringeren Verschleißfestigkeit entspricht.
  • Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Ausbildung des Ringkanals sowie des Überströmkanals und der Wirbelkammer kann in einem einzigen Bearbeitungsvorgang eine unter schiedliche Konzentration von Feststoffpartikeln an der Wand der Zylinderbohrung 2 erzielt werden.
  • Die Länge der Schicht mit der höheren Schichtdichte, also die Höhe des Bereiches 14 wird hierbei begrenzt von der Lage der Umlenknase 15.
  • Als verschleißvermindernde Feststoffpartikel werden bevorzugt Siliziumkarbide verwendet, wenn als Grundmaterial Aluminium vorgesehen ist. Geeignete Elektrolyte sind allgemein bekannt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Erzeugen von Dispersionsschichten auf Innenflächen von zumindest einseitig offenen Hohlzylindern, insbesondere Laufflächen in Zylindern für Brennkraftmaschinen, wobei ein Elektrolyt mit den anzulagernden Festkörperpartikeln über die zu beschichtenden Flächen am Außenumfang einer zentral in der Zylinderachse angeordneten Anode geleitet und das Elektrolyt mit Hilfe eines drallerzeugenden Strömungskörpers, der die Strömung in einen laminaren und einen turbulenten Anteil aufteilt, in den Zylinder geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der drallerzeugende Strömungskörper (4) derart in dem Hohlzylinder angeordnet wird, daß in einem bevorzugten Bereich die turbulente Strömung, in den übrigen Bereichen die laminare Strömung mit der zu beschichtenden Innenfläche in Kontakt gelangt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (4) in der Ebene des Zuflusses einen spiralförmigen Ringkanal (5) für das Elektrolyt aufweist, der über einen schräg zur Holzylinderlängsache (9) angeordneten Überströmkanal (7) mit einer Wirbelkammer (8) in Verbindung steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (8) als umlaufender Ringkanal mit kreisringförmigem Querschnitt mit einer in Strömungsrichtung gesehenen anlaufenden Umlenknase (15) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (4) außerhalb des Hohlzylinders angeordnet ist und dichtend mit diesem verbunden ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungskörper (4) zugleich als Anodenhalter (11) ausgebildet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelkammer (8) zweiteilig ausgebildet ist, wobei der untere mit den Überströkanälen (7) verbundene Teil vom Strömungskörper (4) und der obere Teil von der Anode (3) gebildet wird.
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