EP1147239A1 - Verfahren zum thermischen beschichten von flächen eines innenraumes, insbesondere von zylinderlaufflächen eines zylinderkurbelgehäuses einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verfahren zum thermischen beschichten von flächen eines innenraumes, insbesondere von zylinderlaufflächen eines zylinderkurbelgehäuses einer verbrennungskraftmaschine

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Publication number
EP1147239A1
EP1147239A1 EP99963376A EP99963376A EP1147239A1 EP 1147239 A1 EP1147239 A1 EP 1147239A1 EP 99963376 A EP99963376 A EP 99963376A EP 99963376 A EP99963376 A EP 99963376A EP 1147239 A1 EP1147239 A1 EP 1147239A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
cylinder
coated
coating
sandblasting
crankcase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
EP99963376A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Udo Schlegel
Reinhard Vogelsang
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19910578A external-priority patent/DE19910578A1/de
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP1147239A1 publication Critical patent/EP1147239A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C23C4/14—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying for coating elongate material
    • C23C4/16—Wires; Tubes

Definitions

  • the invention relates to a method for the thermal coating of surfaces of an interior with the features mentioned in the preamble of claim 1.
  • thermal coating for example a plasma coating
  • a coating material in particular a metal
  • a flame melted in it and deposited on a substrate.
  • coatings with different properties in particular with desired sliding properties, hardness properties, layer thicknesses or the like, can be achieved.
  • thermal coating for example in the treatment of cylinder liners in cylinder crankcases of internal combustion engines. It is also known to use such thermal coating in connecting rod eyes to achieve a bearing layer. In such applications, it is important that the applied thermal coating has a special quality, since the running properties of pistons moving in the cylinder crankcases or in the connecting rod eyes, for example crankshafts, depend crucially on the coating. It is particularly important that the coating adheres to the surface to be coated with a defined adhesive tensile strength. It is also important that the coating material of the coating material is as homogeneous as possible so that internal stresses are avoided. Such stresses can lead to the formation of microcracks, flaking or the like.
  • micro-pressure chamber system which serves as a lubricant reservoir, is formed by a defined oxide and pore formation during the coating and subsequent mechanical processing.
  • the invention has for its object to provide a method of the generic type with which a thermal coating with defined adhesive tensile strength can be achieved in a simple manner.
  • this object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1.
  • the combination of the defined mean roughness of preferably 10 to 12 ⁇ m depending on a substrate alloy and the areal distribution of the heights and depths of 50% each over the entire surface to be coated leads to a homogeneous distribution of the thermal coating to be subsequently applied and its uniform minimum adhesive tensile strength the entire coated area.
  • the surface is roughened by sandblasting, preferably aluminum oxide grains Al 2 O 3 with a preferred grain size between 0.18 and 1.18 mm depending on the substrate alloy.
  • sandblasting preferably aluminum oxide grains Al 2 O 3 with a preferred grain size between 0.18 and 1.18 mm depending on the substrate alloy.
  • the process according to the invention prevents the formation of vortices during the application of the coating, at least reduces it to such an extent that the formation of uncontrolled oxygen inclusions is avoided. Due to the high adhesive tensile strength achieved, a subsequent post-processing of the coating, for example a surface treatment by honing, fine spindles or the like, is furthermore considerably simplified since layer detachments are reliably avoided during this post-treatment.
  • the pretreatment of the surface to be coated is carried out by sandblasting beyond an edge region of the interior to be coated.
  • an edge surrounding the interior is also pre-treated.
  • This pretreatment of the edge area ensures that it is also coated during the subsequent coating.
  • this makes it possible to provide post-processing of the coated surfaces in such a way that an inlet chamfer is structured and edge detachments of the thermal coating in the edge / edge region are avoided during the structuring of the inlet chamfer. This is possible because the coating of the cylinder running surface does not stop at the end of the essentially vertical surface, but passes into the later run-in chamfer.
  • Figure 1 is a schematic view of a processing station for thermal
  • Figure 2 is a schematic side view of a processing section of the
  • Figure 3 is a schematic plan view of the machining section according to
  • Figure 4 is a detailed view of a coated surface
  • Figure 5 is a detailed view of a pretreated surface.
  • FIG. 1 schematically shows a processing station 10 for the thermal coating of cylinder running surfaces of cylinder crankcases 12. Only one cylinder crankcase 12 is indicated in each case, this also only having indicated cylinder bores 14, here four. The walls delimiting the cylinder bores 14, that is to say the cylinder running surfaces, are to be coated by means of the processing station 10. The coating is done using a plasma coating technique. In the context of the present description, the actual process of plasma coating is not dealt with in more detail, since this is known.
  • the cylinder crankcases 12 are moved through the processing station 10 by means of a transport path 16, for example a roller conveyor or the like.
  • the processing station 10 comprises processing sections 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 and 36. The individual processing sections will be briefly discussed below.
  • FIG. 1 details such as drives, locks, inlets and outlets for gases, electrical energy or other media, control and monitoring devices or the like have been omitted for reasons of clarity.
  • the processing section 18 comprises a feed station at which the cylinder crankcase 12 are transferred to the processing station 10.
  • the cylinder crankcases 12 have already been manufactured in a manner not to be considered in detail here and are mechanically finished with all the necessary functional elements, such as, for example, cylinder bores, coolant channels, fitting bores or the like.
  • the processing section 20 comprises a washing or cleaning station, within which the cylinder crankcases are completely washed free of chips and oil. Furthermore, the cylinder running surfaces to be coated are dried and degreased absolutely. The absence of chips and oil is achieved, for example, by an injection flood wash, with critical areas, such as undercuts, bores, cavities or the like, being cleaned at high pressure by targeted injection of a wash liquor.
  • Degreasing is carried out, for example, by superheated steam, which is conducted, for example, by appropriately designed lances onto the cylinder surfaces of the cylinder crankcase 12.
  • the superheated steam for example, has a temperature of 130 ° C to 160 ° C and is introduced at a pressure of approximately 150 to 180 mbar.
  • the subsequent drying of the cylinder crankcase 12 is preferably carried out under vacuum, for example at a negative pressure of 80 to 120 mbar.
  • the previously cleaned and dried cylinder crankcase 12 is provided with a cover template 38.
  • the cover template 38 has openings 40 indicated here.
  • the openings 40 are aligned with the cylinder bores 14, so that when the cover template 38 is applied, the cylinder bores 14 remain accessible from above through the openings 40.
  • the cover template 38 is designed such that all other areas of the cylinder crankcase 12 are covered by the latter. This applies in particular to coolant channels, fitting bores or the like.
  • the cover template 38 can be placed on the cylinder crankcase 12 manually or by a corresponding gripper or the like.
  • the cover template 38 has an exact flat underside, which rests on the cylinder head surface of the cylinder crankcase 12 that has already been ground or milled. To fix the cover template 38, this can have fixing pins, not shown in detail here, which engage, for example, in fitting holes provided anyway in the cylinder crankcase 12, for example for later attachment of a cylinder head.
  • the cover template 38 is made of a material that is resistant to the subsequent processing. In particular, this has a sufficiently high strength against a sandblast attack and against a plasma treatment and the like.
  • the cover template 38 here lies only on the cylinder crankcase 12 due to its own weight.
  • Sandblasting of the cylinder bores 14 takes place in the machining section 24. This sandblasting is carried out in order to achieve a roughness of the cylinder running surfaces so that the plasma coating taking place in the machining section 32 obtains the necessary adhesive tensile strength.
  • at least one blasting lance possibly two or more blasting lances, is introduced into the cylinder bores 14 simultaneously or in succession. The lances reach through the openings 40 of the cover template 38.
  • Sandblasting is carried out, for example, with aluminum oxide Al 2 O 3 with a grain size of 0.18 to 1.18 mm, depending on the required surface roughness, based on the substrate alloy of the cylinder crankcase or adhesive tensile strength of the subsequent plasma coating.
  • the sandblasting is preferably carried out using a double sandblasting unit which has two sandblasting lances.
  • the simultaneous sandblasting of the cylinder bores 1 and 3 takes place, that is to say cylinder bores 14 which are not immediately adjacent. This makes better handling possible in the case of relatively cramped available space conditions, which depend on the pitch of the cylinder bores 14. This also halves the machining for a complete cylinder crankcase, since two cylinder bores are machined simultaneously.
  • either the cylinder crankcase 12 or the sandblasting unit is moved by the pitch of the cylinder bore 14, so that the cylinder bores 2 and 4 can then be sandblasted.
  • the sandblasting takes place through the openings 40 of the cover templates 38, that is, the blasting lances are introduced through the cover template 38 into the cylinder bores 14. All other areas of the cylinder crankcase 12 are protected by the cover template 38 so that they do not come into contact with the sandblasting agent applied under pressure, so that the surfaces thereof are not impaired in any way.
  • the action of the sandblasting takes place exclusively on the cylinder running surfaces of the cylinder bores 14.
  • the sandblasted cylinder crankcase 12 is then cleaned in the machining section 26 by removing dust, in particular very fine dust, from the cylinder bores 14 by the sandblasting. This can be done, for example, by cleaned, de-oiled and water-free compressed air, for example at a pressure of approximately 5 to 6 bar, with simultaneous suction of the dusts.
  • all cylinder bores 14 are cleaned, that is, blown out and suctioned out, at the same time.
  • the cylinder crankcase 12 is measured, in particular a roughness measurement of the cylinder running surfaces.
  • the measurement can be carried out fully automatically by means of suitable devices, for example photogrammetry. In this case, all cylinder bores 14 or a sample of only one of the cylinder bores 14 or a cylinder bore 14 of each nth cylinder crankcase 12 can be measured. After measuring the cylinder crankcase 12, they are transferred to the processing section 30, within which the cylinder crankcase 12 is marked. If the measurement shows that the roughness lies outside the specified tolerances, the corresponding cylinder crankcase 12 can be sorted out and, if necessary, fed back to the sandblasting station. However, the number of the maximum possible blasting processes is limited. If a faulty cylinder crankcase is determined, the frequency of the roughness measurement can be increased.
  • the cylinder crankcases are transferred to the machining section 32, in which the actual thermal coating of the cylinder running surfaces takes place.
  • the plasma coating is carried out in a manner known per se, in that a coating material, in particular a metal, is fed to a flame, melted out in the flame and deposited on the cylinder running surfaces.
  • a coating atmosphere for example oxygen and / or nitrogen or another process gas, is supplied to stabilize the flame and / or to regulate the oxide content in the plasma layer.
  • the plasma coating of the cylinder running surfaces can be carried out individually for each of the cylinder bores 14 or, similarly to sandblasting, by means of a double plasma unit, by means of which the cylinder bores 1 and 3 and then the cylinder bores 2 and 4 are coated first.
  • the covering template 38 which is still located on the cylinder crankcase 12, reliably prevents impairment, in particular contamination, of areas of the cylinder crankcase 12 that are not to be coated.
  • the cylinder crankcases are transferred to the processing section 34. This can optionally be part of a cooling zone. According to a further exemplary embodiment, a separate cooling zone is provided between the plasma coating in the processing section 32 and the processing section 34.
  • the cover template 38 is removed. This is removed from the cylinder crankcase 12 either manually or by auxiliary devices. Since the cover template 38 rests only on the cylinder crankcase 12 due to its own weight, additional measures for removing the cover template 38 are not necessary. Finally, the cylinder crankcase 12 is removed in a machining section 36 of the machining station 10 and fed to further machining, for example honing the plasma-coated cylinder bores 14, to attaching an inlet chamfer to the cylinder bores 14.
  • the cylinder crankcase 12 can be marked in the section 36.
  • the cylinder crankcase 12 is marked, for example, by a serial number or the like.
  • the openings 40 of the cover template 38 are slightly larger than the cylinder bores 14, so that a corresponding edge coating of the edge regions of the cylinder crankcase 12 surrounding the cylinder bores 14 takes place. It is hereby advantageously achieved that the later chamfer area has a correspondingly high adhesive tensile strength against cutting forces of the chamfering tool and the plasma coating is not damaged during the chamfering.
  • the stenciling of the cylinder crankcase 12 is maintained throughout the entire passage through the processing sections 24, 26, 28, 30 and 32.
  • masking templates are applied in the processing section 22 and removed in the processing section 34.
  • the covering templates 38 used in accordance with this exemplary embodiment must therefore be suitable both for sandblasting in the processing section 24 and for plasma coating in the processing section 32. Since on the one hand it is a material-removing process and on the other hand it is a material-applying process, the cover template 38 has to do justice to both mutually opposing processes.
  • the stenciling of the cylinder crankcase 12 is illustrated in a further exemplary embodiment with reference to FIGS. 2 and 3.
  • a schematic side view and a schematic top view of the machining section 24 or the machining section 32 are shown.
  • the basic structure within the processing sections 24 and 32 is the same. The only differences are the sandblasting devices as tools and the plasma coating devices as tools. However, this will not be dealt with in more detail in the context of the present description.
  • the stenciling of the cylinder crankcase 12 is decisive both in the case of sandblasting in the machining section 24 and in the case of plasma coating in the machining section 32.
  • a cylinder crankcase 12 is arranged on a lifting table 42.
  • the lifting table 42 is integrated in the transport path 16. This is done in such a way that the cylinder crankcase 12 is transported by means of the transport path 16 into the respective processing sections 24 and 32 and can be transferred there into its respective processing position by means of the lifting tables 42.
  • a machining tool 44 each having a lance or, according to the exemplary embodiments already explained, two or more lances 46.
  • the lances 46 are designed accordingly either for sandblasting in the processing section 24 or for plasma coating in the processing section 32.
  • the processing stations 24 and 32 further comprise a device, designated here overall with 50, for stenciling the cylinder crankcase 12.
  • a device designated here overall with 50
  • the device 50 comprises a turntable 52, which by means of a Drive 54 is rotatable about its axis of rotation 56 in defined steps.
  • the turntable 52 has, as the schematic plan view in FIG. 3 better illustrates, receptacles 58 for one cover template each. From the top view it is clear that the cover templates 38 only have the openings 40, which are each assigned to the cylinder bores 14.
  • the turntable 52 can be rotated step by step in a defined manner by means of the drive 54. In the exemplary embodiment shown, four templates 38 are arranged on the turntable 52, so that it can be rotated step by step in each case by 90 °.
  • the device 50 is associated with an indicated cleaning device 62, which may have a milling cutter 64, for example.
  • a device for exchanging wear sleeves which are arranged in the template 38, can also be provided.
  • suction devices 66 and 68 which are indicated here, are also provided.
  • the device 50 shown in FIGS. 2 and 3 has the following function:
  • Exactly one cover template 38 is always brought into a processing position by means of the drive 54.
  • the cover template 58 has reached its exact position, which is defined by the stops 60, the cylinder crankcase 12 is moved upward, that is to say against the cover templates 38, by means of the lifting table 42.
  • the openings in the cover template 38 and the cylinder bores 14 of the cylinder crankcase 12 come into an aligned position.
  • either tools are used for sandblasting according to processing section 24 or piasma coating according to processing section 32.
  • a next cover template 38 is in a transition position and a cover template 38 is in a position assigned to the cleaning device 62 (sleeve exchange device).
  • Another cover template 38 is located between the cleaning position and the processing position. It is hereby achieved that at the same time, when a cover template 38 assumes its covering function, a second cover template 38, namely this cover template 38 which is exactly offset by 180 °, is cleaned by means of the device 62.
  • the milling device 64 can, for example, restore the dimensions of the openings 40 of the cover templates 38. This can be impaired, for example, by deposits during the plasma coating. The Dimensional accuracy of the openings can also be achieved by replacing appropriate wear sleeves in the cover templates.
  • the turntable 52 is rotated through 90 ° in each case, so that each cylinder crankcase 12 is assigned a new (cleaned) cover template 38. This ensures a constant processing quality during sandblasting or plasma coating.
  • the arrangement of the cleaning device 62 can be dispensed with in the processing station 24, since there is no additional material application that could impair the dimensional accuracy of the openings 40. Merely because of the material removal, covering templates 38 or wear sleeves that are no longer true to size can be replaced.
  • FIG. 4 shows a schematic enlargement of a section of the cylinder crankcase 12 in the area of a cylinder bore 14.
  • the schematic enlargement is intended to clarify that the surface 70 to be coated was provided with a roughening 72 in the processing section 24 and with a coating 74 in the processing section 32.
  • the cover template 38 is arranged on the cylinder crankcase 12 and has the through opening 40 in the region of the cylinder bore 14.
  • the through opening 40 is - seen in diameter - slightly larger than the cylinder bore 14, so that an edge 76 is not covered by the cover template 38.
  • the edge 76 is, for example, between 2 and 3 mm.
  • edge 76 By forming the edge 76 it is achieved that during the sandblasting in the processing section 24 and the thermal coating in the processing section 32, the edge 76 is also treated, that is to say roughened and coated. This results in a very good coating also in the area of the edge 76. In particular for a subsequent - not explained here - attachment of an inlet chamfer to the cylinder bores 14 is achieved, that a coating 74 with a sufficiently high adhesive tensile strength is also arranged on the cylinder crankcase 12 in the area of the later run-in chamfer.
  • the cylinder crankcase 12 is made of an aluminum alloy and has the prepared cylinder bores 14. These cylinder bores 14 are finely spindleed in accordance with predetermined tolerances.
  • the tolerances are preferably for the roundness ⁇ 10 ⁇ m, the straightness ⁇ 10 ⁇ m, the cylindrical shape ⁇ 10 ⁇ m and the parallelism ⁇ 10 ⁇ m.
  • the initial value of the surface roughness of the cylinder running surfaces not yet pretreated and coated in the processing station 10 is ⁇ 15 ⁇ m for the average roughness depth RZ.
  • the tolerances and surface roughness values mentioned are obtained by leveling the raw, cast cylinder bore 14 and subsequent fine spindles.
  • drilling heads are preferably used, the cutting inserts of which have a cutting radius of ⁇ 0.8 mm and have a chip breaker.
  • a cutting speed in the leveling and fine spindles is selected such that a processing emulsion or the like is not included in the surface 70 to be coated subsequently, since this could be released during sandblasting of the leveled and finely spindle surface 70 and could lead to subsequent layer detachments of the thermal coating 74.
  • the cylinder crankcase 12 is brought into contact with a pivoted-in cover template 38 by means of the lifting table 42.
  • a lifting plate of the lifting table 42 is cut out in the area of the crank chamber of the cylinder crankcase 12, so that the blasting material can be safely extracted by means of the suction 68 (FIG. 2).
  • a return funnel which opens directly into a blasting material return, is arranged below the lifting table 42. Vagabonding dusts and blasting material are avoided as far as possible.
  • the suction 68 can be connected to a main suction line via flexible suction lines.
  • the machining section 24, in which the cylinder bores 14 are sandblasted, is assigned a blasting unit which comprises the tool 44 and one, preferably two, blasting lances 46 (FIG. 2).
  • a blasting unit which comprises the tool 44 and one, preferably two, blasting lances 46 (FIG. 2).
  • the blasting material which has a grain size of 0.18 mm to 1.18 mm, preferably 0.35 mm to 0.70 mm, depending on the substrate alloy of the cylinder crankcase.
  • a defined surface roughness 72 of the surface 70 is obtained by means of such sandblasting.
  • the surface 70 is roughened in such a way that the surface center roughness RA is between 10 and 12 ⁇ m and the average roughness depth RZ is> 70 ⁇ m.
  • the view of a surface 70 which has the roughening 72 is illustrated on the basis of the schematic view in FIG.
  • the jet lances 46 are moved over the axial length of the cylinder bores 14 and rotate at the same time.
  • a speed of rotation of the jet lances 46 is between 100 to 300 rpm, in particular approximately 200 rpm.
  • the blasting of the cylinder bores 14 takes place only after the blasting lance 46 has been immersed so far in the covering template 38, that is to say in the through opening 40, that contamination of the cylinder crankcase 12 with blasting material is avoided.
  • the height of the cover template 38 is, for example, approximately 6 cm.
  • Sandblasting is carried out, for example, at a rate of approximately 1100 g per min and a pressure of approximately 5 to 6 bar.
  • the required grit size of the blasting material is set by a screening device upstream of the blasting unit.
  • the grit is sieved to a grain size of> 0.16 mm to ⁇ 0.7 mm depending on the grit size used.
  • Fine dust produced during blasting which is created, for example, by the aluminum oxide particles of the blasting material bursting, is screened out by the sieve lines. Furthermore, due to the upper limitation of the screening, larger-sized grains of the blasting material or impurities are reliably screened out.
  • the beam lances remain active in a second beam path after the downward movement during the subsequent upward movement, so that the surface 70 is blasted twice. It is thus possible to break peaks designated 78 in FIG. 5 in order to set the required values for the center roughness and the average roughness depth RA or RZ.
  • the defined pretreatment of the surface 70 in the working section 24 ensures that the turbulence 80 indicated schematically in FIG adjacent peaks 78 of the blasted surface 70, which form so-called microturbulences, can be avoided.
  • These eddies 80 arise when the coating 74 is applied in the processing section 32.
  • the coating material is deposited on the roughened surface 70 with the plasma flame at speeds of approximately 400 to 600 m / s.
  • the vortices 80 would form, which lead to oxygen inclusions, so that uncontrolled oxide formation and unmelted particles of the coating material could occur in the region of these oxygen inclusions.
  • the defined pretreatment of the surface 70 largely avoids the formation of these eddies 80 or minimizes them to such an extent that they have no negative effects on the coating 70.
  • a cylinder crankcase with four cylinder bores has been assumed. It goes without saying that the machining of the cylinder running surfaces according to the invention by means of appropriately adapted tools can also take place in the case of cylinder crankcases with fewer or more cylinder bores.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei durch eine Öffnung des Innenraumes (Zylinderbohrung) eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Flächen erfolgt und anschliessend die vorbehandelten Flächen thermisch beschichtet werden. Es ist vorgesehen, dass die zu beschichtende Fläche aufgerauht wird, wobei ein definierter Mittenrauhigkeitswert und eine Flächenverteilung von Höhen (Peaks) und Tiefen (Täler) der aufgerauhten Fläche von zirka 50 % zu 50 % eingestellt wird.

Description

Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraυmes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine
Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen.
Es ist allgemein bekannt, mittels einer thermischen Beschichtung eine Oberflächenvergütung zu erzielen. Bei einer derartigen thermischen Beschichtung, beispielsweise einer Plasmabeschichtung, wird ein Beschichtungsmaterial, insbesondere ein Metall, in Pulver- oder Stabform einer Flamme zugeführt, in dieser aufgeschmolzen und auf einem Substrat niedergeschlagen. Je nach verwendetem Beschichtungsmaterial und eingesetzter Umgebungsatmosphäre können Beschichtungen mit unterschiedlichen Eigenschaften, insbesondere mit gewünschten Gleiteigenschaften, Härteeigenschaften, Schichtdicken oder dergleichen, erzielt werden.
Bekannt ist, eine derartiges thermisches Beschichten beispielsweise bei der Behandlung von Zylinderlaufflächen in Zylinderkurbelgehäusen von Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen. Ferner ist bekannt, ein derartiges thermisches Beschichten in Pleuelaugen zum Erzielen einer Lagerschicht zu verwenden. Bei derartigen Verwendungen ist wichtig, daß die aufgebrachte thermische Beschichtung eine besondere Güte besitzt, da die Laufeigenschaften von in den Zylinderkurbelgehäusen sich bewegenden Kolben oder in den Pleuelaugen gelagerten Wellen, beispielsweise Kurbelwellen, entscheidend von der Beschichtung abhängen. Insbesondere ist wichtig, daß die Beschichtung mit einer definierten Haftzugfestigkeit auf der zu beschichtenden Fläche haftet. Ferner ist wichtig, daß innerhalb der Beschichtung eine möglichst homogene Beschichtung des Beschichtungsmaterials vorliegt, damit innere Spannungen vermieden werden. Derartige Spannungen können zur Ausbildung von Mikrorissen, Abplatzungen oder dergleichen führen. Ferner ist bekannt, daß bei der Ausbildung derartiger Beschichtungen als Lagerflächen oder Laufflächen in diesen durch eine definierte Oxid- und Porenbildung während der Beschichtung und nachfolgenden mechanischen Bearbeitung ein sogenanntes Mikrodruckkammersystem entsteht, das als Schmiermittelreservoir dient. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art zu schaffen, mit dem in einfacher Weise eine thermische Beschichtung mit definierter Haftzugfestigkeit erzielbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß die zu beschichtende Fläche aufgerauht wird, wobei ein definierter Mittenrauhigkeitswert und eine Flächenverteilung von Höhen und Tiefen der aufgerauhten Fläche von zirka 50 % zu 50 % eingestellt wird, wurde überraschenderweise gefunden, daß eine reproduzierbare Haftzugfestigkeit von > 30 N pro mm2 der nachfolgend aufzubringenden thermischen Beschichtung erzielbar ist. Insbesondere die Kombination der definierten Mittenrauhigkeit von vorzugsweise 10 bis 12 μm in Abhängigkeit einer Substratlegierung und die flächenmäßige Verteilung der Höhen und Tiefen zu je 50 % über die gesamte anschließend zu beschichtende Fläche führt zu einer homogenen Verteilung der anschließend aufzubringenden thermischen Beschichtung und deren gleichmäßige Mindesthaftzugfestigkeit über die gesamte beschichtete Fläche.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Aufrauhen der Fläche durch Sandstrahlen erfolgt, wobei vorzugsweise Aluminiumoxid-Körner AI2O3 mit einer bevorzugten Korngröße zwischen 0,18 bis 1,18 mm in Abhängigkeit der Substratlegierung eingesetzt werden. Durch Verwendung derartigen Strahlgutes in Verbindung mit einer im wesentlichen gleichmäßigen Beaufschlagung der zu beschichtenden Fläche mit dem Strahlgut wird näherungsweise das Flächenverhältnis von 50 % zu 50 % der von Höhen (Peaks) belegten Flächen und der von Tiefen (Täler) belegten Fläche erhalten. Insbesondere durch Wahl der Korngröße in Abhängigkeit der Substratlegierung wird erreicht, daß zunächst relativ große Körner platzen und die zu behandelnde Fläche mit den geplatzten, dann kleineren - in der Regel scharfkantigen Körnern - gleichzeitig mitbearbeitet wird, so daß eine Einebnung der Fläche mit einer definierten Mittenrauhigkeit eingestellt werden kann. Hierdurch ergibt sich eine besonders gute Haftzugfestigkeit der nachfolgenden thermischen Beschichtung und eine homogene Verteilung des Beschichtungsmaterials über die gesamte beschichtete Fläche.
Insbesondere wird durch die Einhaltung der definierten Mittenrauhigkeit erzielt, daß während des Beschichtens nicht Bereiche mit unterschiedlich starken Turbulenzen während des Aufbringens des Beschichtungsmaterials entstehen. Das Beschichtungsmaterial wird in einer Flamme aufgeschmolzen und durch diese mit Geschwindigkeiten zwischen 400 bis 600 m/s auf die zu beschichtende Fläche beschleunigt. Hierbei bilden die Peaks der Oberflächenrauhigkeit Verwirbelungsbereiche aus, die beispielsweise zu einem Sauerstoffeinschluß und unaufgeschmolzenen Partikeln durch Verwirbelung erkaltender Schmelze führen könnten. Derartige Sauerstoffeinschlüsse führen zu einer übermäßigen Oxidbildung in der Beschichtung, die einerseits zu einer Inhomogenität in der Beschichtung und andererseits zu einer niederen Haftzugfestigkeit der Beschichtung führt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird die Wirbelbildung während des Aufbringens des Beschichtens verhindert, zumindest soweit reduziert, daß das Entstehen unkontrollierter Sauerstoffeinschlüsse vermieden wird. Durch die hohe erzielte Haftzugfestigkeit wird weiterhin vorteilhaft eine nachfolgende Nachbearbeitung der Beschichtung, beispielsweise eine Oberflächenbehandlung durch Honen, Feinspindeln oder dergleichen, wesentlich vereinfacht, da Schichtablösungen während dieser Nachbehandlung sicher vermieden werden.
Ferner ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Vorbehandlung der zu beschichtenden Fläche durch Sandstrahlen über einen Kantenbereich des zu beschichtenden Innenraumes hinaus erfolgt. Hierdurch wird ein den Innenraum umgebender Rand mit vorbehandelt. Durch diese Vorbehandlung des Randbereiches wird erreicht, daß dieser während des nachfolgenden Beschichtens mitbeschichtet wird. Einerseits wird hierdurch möglich, eine Nachbearbeitung der beschichteten Flächen derart vorzusehen, daß eine Einlauffase strukturiert wird und Kantenablösungen der thermischen Beschichtung im Rand-/Kantenbereich während der Strukturierung der Einlauffase vermieden werden. Dies ist möglich, da die Beschichtung der Zylinderlauffläche nicht am Ende der im wesentlichen senkrechten Fläche aufhört, sondern in die spätere Einlauffase übergeht.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer Bearbeitungsstation zum thermischen
Beschichten von Zylinderlaufflächen in Zylinderkurbelgehäusen; Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungsabschnittes der
Bearbeitungsstation;
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf den Bearbeitungsabschnitt gemäß
Figur 2;
Figur 4 eine Detailansicht einer beschichteten Fläche und
Figur 5 eine Detailansicht einer vorbehandelten Fläche.
Figur 1 zeigt schematisch eine Bearbeitungsstation 10 zum thermischen Beschichten von Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelgehäusen 12. Hierbei ist lediglich teilweise jeweils ein Zylinderkurbelgehäuse 12 angedeutet, wobei dieses ebenfalls lediglich angedeutete Zylinderbohrungen 14, hier vier, aufweist. Mittels der Bearbeitungsstation 10 sollen die, die Zylinderbohrungen 14 begrenzenden Wände, also die Zylinderlaufflächen, beschichtet werden. Die Beschichtung erfolgt mittels einer Plasmabeschichtungstechnik. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung wird auf den eigentlichen Vorgang des Plasmabeschichtens nicht näher eingegangen, da dieses bekannt ist.
Die Zylinderkurbelgehäuse 12 werden mittels einer Transportstrecke 16, beispielsweise einer Rollenbahn oder dergleichen, durch die Bearbeitungsstation 10 bewegt. Die Bearbeitungsstation 10 umfaßt Bearbeitungsabschnitte 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30, 32, 34 und 36. Nachfolgend soll auf die einzelnen Bearbeitungsabschnitte kurz eingegangen werden.
In der Figur 1 wurde auf die Darstellung von Details, wie Antriebe, Schleusen, Zu- beziehungsweise Abführungen für Gase, elektrische Energie beziehungsweise anderer Medien, Steuer- und Überwachungseinrichtungen oder dergleichen, aus Gründen der Übersichtlichkeit verzichtet.
Der Bearbeitungsabschnitt 18 umfaßt eine Zuführstation, bei der die Zylinderkurbelgehäuse 12 der Bearbeitungsstation 10 übergeben werden. Die Zylinderkurbelgehäuse 12 sind in hier nicht näher zu betrachtender Weise bereits gefertigt und mit allen notwendigen Funktionselementen, wie beispielsweise Zylinderbohrungen, Kühlmittelkanälen, Paßbohrungen oder dergleichen, fertig mechanisch bearbeitet. Der Bearbeitungsabschnitt 20 umfaßt eine Wasch- beziehungsweise Reinigungsstation, innerhalb der die Zylinderkurbelgehäuse spänefrei und ölfrei komplett gewaschen werden. Ferner erfolgt eine Trocknung und eine absolute Entfettung der zu beschichtenden Zylinderlaufflächen. Die Späne- und Ölfreiheit wird beispielsweise durch eine Injektions-Flut-Waschung erreicht, wobei kritische Bereiche, wie Hinterschnei- dungen, Bohrungen, Hohlräume oder dergleichen, durch ein gezieltes Injizieren einer Waschlauge mit Hochdruck gereinigt werden. Das Entfetten erfolgt beispielsweise durch Heißdampf, der beispielsweise durch entsprechend ausgebildete Lanzen auf die Zylinderlaufflächen des Zylinderkurbelgehäuses 12 geleitet wird. Der Heißdampf besitzt beispielsweise eine Temperatur von 130 °C bis 160 °C und wird bei einem Druck von zirka 150 bis 180 mbar eingebracht. Die anschließende Trocknung der Zylinderkurbelgehäuse 12 erfolgt vorzugsweise unter Vakuum, beispielsweise bei einem Unterdruck von 80 bis 120 mbar.
Im Bearbeitungsabschnitt 22 erfolgt ein sogenanntes Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12. Hier werden die zuvor gereinigten und getrockneten Zylinderkurbelgehäuse 12 mit einer Abdeckschablone 38 versehen. Die Abdeckschablone 38 besitzt hier angedeutete Öffnungen 40. Die Öffnungen 40 fluchten mit den Zylinderbohrungen 14, so daß bei Aufbringen der Abdeckschablone 38 die Zylinderbohrungen 14 durch die Öffnungen 40 von oben zugänglich bleiben. Die Abdeckschablone 38 ist so ausgebildet, daß sämtliche weiteren Bereiche der Zylinderkurbelgehäuse 12 durch diese abgedeckt sind. Dies betrifft insbesondere Kühlmittelkanäle, Paßbohrungen oder dergleichen. Die Abdeckschablone 38 kann hierbei manuell oder durch einen entsprechenden Greifer oder dergleichen auf die Zylinderkurbelgehäuse 12 aufgelegt werden. Hierbei besitzt die Abdeckschablone 38 eine exakte plane Unterseite, die auf der bereits plan geschliffenen oder gefrästen Zylinderkopffläche des Zylinderkurbelgehäuses 12 aufliegt. Zur Fixierung der Abdeckschablone 38 kann diese hier im einzelnen nicht dargestellte Fixierstifte aufweisen, die beispielsweise in im Zylinderkurbelgehäuse 12 sowieso vorhandenen Paßbohrungen, beispielsweise zum späteren Befestigen eines Zylinderkopfes, eingreifen. Die Abdeckschablone 38 besteht aus einem Material, das gegenüber der nachfolgenden Bearbeitung resistent ist. Diese besitzt insbesondere eine genügend große Festigkeit gegenüber einem Sandstrahlangriff und gegenüber einer Plasmabehandlung und dergleichen. Die Abdeckschablone 38 liegt hierbei lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 auf. Durch die sich gegenüberliegenden, planen Seiten wird jedoch eine dichte Auflage erreicht, so daß ein Spalt zwischen der Zylinderkopffläche des Zylinderkurbelgehäuses 12 und der Unterseite der Abdeckschablone 38 im wesentlichen dichtend ausgebildet ist. Nach diesem Schablonieren in dem Bearbeitungsabschnitt 22 wird das mit der Abdeckschablone 38 versehene Zylinderkurbelgehäuse 12 durch die nachfolgenden Bearbeitungsabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 geführt.
Im Bearbeitungsabschnitt 24 erfolgt ein Sandstrahlen der Zylinderbohrungen 14. Dieses Sandstrahlen erfolgt, um eine Rauhigkeit der Zylinderlaufflächen zu erzielen, damit die in dem Bearbeitungsabschnitt 32 erfolgende Plasmabeschichtung die notwendige Haftzugfestigkeit erhält. Zum Sandstrahlen wird wenigstens eine Strahllanze, gegebenenfalls zwei oder auch mehr Strahllanzen, gleichzeitig oder nacheinander in die Zylinderbohrungen 14 eingeführt. Hierbei greifen die Lanzen durch die Öffnungen 40 der Abdeckschablone 38 durch. Das Sandstrahlen erfolgt beispielsweise mit Aluminiumoxid AI2O3 mit einer Körnung von 0,18 bis 1 ,18 mm je nach geforderter Oberflächenrauhigkeit, bezogen auf die Substratlegierung der Zylinderkurbelgehäuse beziehungsweise Haftzugfestigkeit der späteren Plasmabeschichtung. Bei Zylinderkurbelgehäusen mit vier Zylinderbohrungen 14 erfolgt das Sandstrahlen vorzugsweise mit einer Doppel-Sandstrahleinheit, die zwei Sandstrahllanzen aufweist. Hierbei erfolgt beispielsweise das gleichzeitige Sandstrahlen der Zylinderbohrungen 1 und 3, das heißt nicht unmittelbar benachbarter Zylinderbohrungen 14. Hierdurch wird eine bessere Handhabung bei relativ beengt zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen, die sich nach dem Stichmaß der Zylinderbohrungen 14 richten, möglich. Ferner wird hierdurch die Bearbeitung für ein komplettes Zylinderkurbelgehäuse halbiert, da zwei Zyiinderbohrungen gleichzeitig bearbeitet werden. Sind die Zylinderbohrungen 1 und 3 gestrahlt, wird entweder das Zylinderkurbelgehäuse 12 oder die Sandstrahleinheit um das Stichmaß der Zylinderbohrung 14 verfahren, so daß dann die Zylinderbohrungen 2 und 4 sandgestrahlt werden können. Das Sandstrahlen erfolgt hierbei durch die Öffnungen 40 der Abdeckschablonen 38 hindurch, das heißt, die Strahllanzen werden durch die Abdeckschablone 38 hindurch in die Zylinderbohrungen 14 eingeführt. Durch die Abdeckschablone 38 werden alle weiteren Bereiche der Zylinderkurbelgehäuse 12 geschützt, so daß diese nicht mit dem unter Druck eingebrachten Sandstrahlmittel in Berührung gelangen, so daß deren Oberflächen keinerlei Beeinträchtigung erfahren. Die Einwirkung der Sandstrahlung erfolgt ausschließlich auf die Zylinderlaufflächen der Zylinderbohrungen 14. Anhand der Figuren 4 und 5 wird noch näher auf das Sandstrahlen der zu beschichtenden Flächen eingegangen. Anschließend werden die sandgestrahlten Zylinderkurbelgehäuse 12 in dem Bearbeitungsabschnitt 26 gereinigt, indem durch das Sandstrahlen sich abgesetzter Staub, insbesondere Feinststaub, aus den Zylinderbohrungen 14 entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch gereinigte, entölte und wasserfreie Druckluft, beispielsweise mit einem Druck von zirka 5 bis 6 bar, bei gleichzeitigem Absaugen der Stäube erfolgen. Hierbei erfolgt ein gleichzeitiges Reinigen, das heißt Ausblasen und Absaugen, aller Zylinderbohrungen 14.
In dem Bearbeitungsabschnitt 28 erfolgt ein Ausmessen der Zylinderkurbelgehäuse 12, insbesondere eine Rauhigkeitsmessung der Zylinderlaufflächen. Die Messung kann mittels geeigneter Einrichtungen, beispielsweise der Fotogrammetrie, vollautomatisch erfolgen. Hierbei kann eine Messung aller Zylinderbohrungen 14 oder stichprobenweise lediglich einer der Zylinderbohrung 14 oder eine Zylinderbohrung 14 jedes n-ten Zylinderkurbelgehäuses 12 erfolgen. Nach Messung der Zylinderkurbelgehäuse 12 werden diese in den Bearbeitungsabschnitt 30 überführt, innerhalb dem eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 erfolgt. Ergibt die Messung, daß die Rauhigkeit außerhalb der vorgegebenen Toleranzen liegt, kann das entsprechende Zylinderkurbelgehäuse 12 aussortiert und gegebenenfalls nochmals der Sandstrahlstation zugeführt werden. Allerdings ist die Anzahl der maximal möglichen Strahlvorgänge begrenzt. Wird ein fehlerhaftes Zylinderkurbelgehäuse ermittelt, kann die Häufigkeit der Rauhigkeitsmessung erhöht werden.
Schließlich werden die Zylinderkurbelgehäuse in den Bearbeitungsabschnitt 32 überführt, in dem die eigentliche thermische Beschichtung der Zylinderlaufflächen erfolgt. Die Plasmabeschichtung erfolgt in an sich bekannter Weise, indem ein Beschichtungswerkstoff, insbesondere ein Metall, einer Flamme zugeführt wird, in dieser ausgeschmolzen und auf den Zylinderlaufflächen niederschlägt. Zusätzlich zu dem Beschichtungswerkstoff wird noch eine Beschichtungsatmosphäre, beispielsweise Sauerstoff und/oder Stickstoff oder ein anderes Prozeßgas, zur Stabilisierung der Flamme und/oder zur Regelung des Oxidanteils in der Plasmaschicht zugeführt. Die Plasmabeschichtung der Zylinderlaufflächen kann hierbei für jede der Zylinderbohrungen 14 einzeln erfolgen oder, ähnlich wie beim Sandstrahlen, durch eine Doppel-Plasmaeinheit, mittels der zunächst die Zylinderbohrungen 1 und 3 und anschließend die Zylinderbohrungen 2 und 4 beschichtet werden. Durch die sich noch auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 befindliche Abdeckschablone 38 wird eine Beeinträchtigung, insbesondere Verunreinigung, von nicht zu beschichtenden Bereichen der Zylinderkurbelgehäuse 12 sicher vermieden. Nach der Plasmabeschichtung der Zylinderlaufflächen werden die Zylinderkurbelgehäuse in den Bearbeitungsabschnitt 34 überführt. Dieser kann gegebenenfalls Bestandteil einer Kühlzone sein. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Plasmabeschichten in dem Bearbeitungsabschnitt 32 und dem Bearbeitungsabschnitt 34 eine separate Kühlzone vorgesehen.
Im Bearbeitungsabschnitt 34 erfolgt eine Entnahme der Abdeckschablone 38. Diese wird entweder manuell oder durch Hilfseinrichtungen von dem Zylinderkurbelgehäuse 12 entnommen. Da die Abdeckschablone 38 lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 aufliegt, sind zusätzliche Maßnahmen zur Entnahme der Abdeckschablone 38 nicht notwendig. Schließlich wird das Zylinderkurbelgehäuse 12 in einem Bearbeitungsabschnitt 36 der Bearbeitungsstation 10 entnommen und einer weiteren Bearbeitung, beispielsweise einem Honen der plasmabeschichteten Zylinderbohrungen 14, einem Anbringen einer Einlauffase an die Zylinderbohrungen 14 zugeführt.
Ferner kann eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 in den Abschnitt 36 erfolgen. Eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 erfolgt beispielsweise durch eine laufende Nummer oder dergleichen. Durch die Zuordnung einer laufenden Nummer jeder der Zylinderkurbelgehäuse 12 wird es möglich, neben einer Qualitätsüberwachung alle relevanten Prozeßparameter der Bearbeitungsstation 10 der laufenden Nummer des Zylinderkurbelgehäuses 12 zuzuordnen und diese in einem Anlagenrechner zu protokollieren. Mittels der protokollierten Prozeßparameter und der eindeutigen Zuordnung zu den Zylinderkurbelgehäusen 12 über die laufende Nummer ist eine spätere Fehleranalyse bei Beanstandungen jederzeit lückenlos möglich. In im Rahmen der vorliegenden Beschreibung nicht näher zu betrachtender Weise kann vorgesehen sein, daß die Öffnungen 40 der Abdeckschablone 38 geringfügig größer sind als die Zylinderbohrungen 14, so daß eine entsprechende Kantenbeschichtung der die Zylinderbohrungen 14 umgebenden Randbereiche des Zylinderkurbelgehäuses 12 erfolgt. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß der spätere Fasenbereich eine entsprechend große Haftzugfestigkeit gegenüber Schnittkräften des Fasenwerkzeuges aufweist und die Plasmabeschichtung beim Fasen nicht geschädigt wird.
Bei dem zu Figur 1 erläuterten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen worden, daß die Schablonierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 während des gesamten Durchlaufes durch die Bearbeitungsabschnitte 24, 26, 28, 30 und 32 aufrechterhalten ist. Die Abdeckschablonen werden hierzu in dem Bearbeitungsabschnitt 22 aufgebracht und im Bearbeitungsabschnitt 34 entnommen. Somit müssen die gemäß diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Abdeckschablonen 38 sowohl für das Sandstrahlen im Bearbeitungsabschnitt 24 und für das Plasmabeschichten im Bearbeitungsabschnitt 32 geeignet sein. Da es sich einerseits um ein materialabtragendes und andererseits um ein materialauftragendes Verfahren handelt, muß die Abdeckschablone 38 beiden an sich gegensätzlichen Verfahren gerecht werden.
Anhand der Figuren 2 und 3 wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel das Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12 verdeutlicht. Hierbei ist jeweils eine schematische Seitenansicht und eine schematische Draufsicht des Bearbeitungsabschnittes 24 oder des Bearbeitungsabschnittes 32 dargestellt. Der grundsätzliche Aufbau innerhalb der Bearbeitungsabschnitte 24 und 32 ist gleich. Unterschiedlich sind lediglich einmal die Sandstrahleinrichtungen als Werkzeuge und andererseits die Plasmabeschichtungseinrichtungen als Werkzeuge. Im Rahmen der vorliegenden Beschreibung soll jedoch hierauf nicht näher eingegangen werden. Entscheidend ist die Schablonierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 sowohl beim Sandstrahlen im Bearbeitungsabschnitt 24 als auch beim Plasmabeschichten im Bearbeitungsabschnitt 32.
Gleiche Teile wie in Figur 1 sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
In der schematischen Seitenansicht in Figur 2 ist ein Zylinderkurbelgehäuse 12 auf einem Hubtisch 42 angeordnet. Der Hubtisch 42 ist in die Transportstrecke 16 integriert. Dies erfolgt derart, daß die Zylinderkurbelgehäuse 12 mittels der Transportstrecke 16 in die jeweiligen Bearbeitungsabschnitte 24 beziehungsweise 32 transportiert werden und dort mittels der Hubtische 42 in ihre jeweilige Bearbeitungsposition überführbar sind. Angedeutet ist ferner ein Bearbeitungswerkzeug 44, das jeweils eine Lanze oder nach den bereits erläuterten Ausführungsbeispielen zwei oder auch mehr Lanzen 46 aufweist. Die Lanzen 46 sind entweder zum Sandstrahlen bei dem Bearbeitungsabschnitt 24 oder zum Plasmabeschichten bei dem Bearbeitungsabschnitt 32 entsprechend ausgebildet. Die Bearbeitungsstationen 24 beziehungsweise 32 umfassen ferner eine hier insgesamt mit 50 bezeichnete Einrichtung zum Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in Figur 1 erfolgt hier das Schablonieren bearbeitungsbezogen einerseits in der Bearbeitungsstation 24 und andererseits in der Bearbeitungsstation 32. Die Einrichtung 50 umfaßt einen Drehteller 52, der mittels eines Antriebes 54 um seine Drehachse 56 in definierten Schritten verdrehbar ist. Der Drehteller 52 besitzt, wie die schematische Draufsicht in Figur 3 besser verdeutlicht, Aufnahmen 58 für jeweils eine Abdeckschablone. Anhand der Draufsicht wird deutlich, daß die Abdeckschablonen 38 lediglich die Öffnungen 40 aufweisen, die jeweils den Zylinderbohrungen 14 zugeordnet sind. Mittels des Antriebes 54 ist der Drehteller 52 definiert schrittweise verdrehbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind vier Schablonen 38 auf dem Drehteller 52 angeordnet, so daß dieser jeweils um 90° schrittweise verdrehbar ist. Der Einrichtung 50 ist eine angedeutete Reinigungseinrichtung 62, die beispielsweise einen Fräser 64 aufweisen kann, zugeordnet. Anstelle der Reinigungseinrichtung kann auch eine Einrichtung zum Austausch von Verschleißhülsen, die in der Schablone 38 angeordnet sind, vorgesehen sein. Ferner sind noch hier angedeutete Absaugungen 66 beziehungsweise 68 vorgesehen.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Einrichtung 50 zeigt folgende Funktion:
Mittels des Antriebes 54 wird immer genau eine Abdeckschablone 38 in eine Bearbeitungsposition gebracht. Hat die Abdeckschablone 58 ihre exakte Position erreicht, die über die Anschläge 60 definiert ist, wird mittels des Hubtisches 42 das Zylinderkurbelgehäuse 12 nach oben, das heißt gegen die Abdeckschablonen 38, verfahren. Hierdurch kommen die Öffnungen in der Abdeckschablone 38 und die Zylinderbohrungen 14 des Zylinderkurbelgehäuses 12 in eine fluchtende Position. Entsprechend dieser Position erfolgt mittels der Werkzeuge 44 entweder das Sandstrahlen gemäß Bearbeitungsabschnitt 24 oder das Piasmabeschichten gemäß Bearbeitungsabschnitt 32.
Wie Figur 3 verdeutlicht, befinden sich in dem Moment, wo eine Abdeckschablone 38 in ihrer Bearbeitungsposition ist, - in Uhrzeigersinn betrachtet - eine nächste Abdeckschablone 38 in einer Übergangsposition und eine Abdeckschablone 38 in einer der Reinigungseinrichtung 62 (Hülsenaustauscheinrichtung) zugeordneten Position. Eine weitere Abdeckschablone 38 befindet sich zwischen der Reinigungsposition und der Bearbeitungsposition. Hierdurch wird erreicht, daß gleichzeitig, wenn eine Abdeckschablone 38 ihre Abdeckfunktion übernimmt, eine zweite, nämlich dieser genau um 180° versetzt angeordnete Abdeckschablone 38, mittels der Einrichtung 62 gereinigt wird. Durch die Fräseinrichtung 64 kann beispielsweise eine Maßhaltigkeit der Öffnungen 40 der Abdeckschablonen 38 wiederhergestellt werden. Diese kann beispielsweise durch Ablagerungen während des Plasmabeschichtens beeinträchtigt sein. Die Maßhaltigkeit der Öffnungen kann auch durch Austausch entsprechender Verschleißhülsen in den Abdeckschablonen erreicht werden.
Nach erfolgtem Sandstrahlen beziehungsweise Plasmabeschichten eines Zylinderkurbelgehäuses 12 wird der Drehteller 52 jeweils um 90° verdreht, so daß jedes Zylinderkurbelgehäuse 12 eine neue (gereinigte) Abdeckschablone 38 zugeordnet bekommt. Hierdurch wird eine gleichbleibende Bearbeitungsqualität während des Sandstrahlens beziehungsweise Plasmabeschichtens sichergestellt.
Bei der Bearbeitungsstation 24 kann auf die Anordnung der Reinigungseinrichtung 62 verzichtet werden, da hier kein zusätzlicher Materialauftrag, der die Maßhaltigkeit der Öffnungen 40 beeinträchtigen könnte, erfolgt. Lediglich durch den Materialabtrag nicht mehr maßhaltige Abdeckschablonen 38 beziehungsweise Verschleißhülsen können ausgetauscht werden.
Durch die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Einrichtung 50 wird in einfacher Weise ein automatisches Schablonieren der Zylinderkurbelgehäuse 12 möglich. Insbesondere wenn die Einrichtung 50 mit einem Anlagenrechner gekoppelt ist, kann ein exaktes, definiertes Positionieren der Abdeckschablonen 38 erfolgen, so daß eine gleichbleibende Qualität beim Sandstrahlen beziehungsweise beim Plasmabeschichten erzielbar ist.
In der Figur 4 ist in einer schematischen Vergrößerung das Zylinderkurbelgehäuse 12 ausschnittsweise im Bereich einer Zylinderbohrung 14 gezeigt. Anhand der schematischen Vergrößerung soll verdeutlicht werden, daß die zu beschichtende Fläche 70 in dem Bearbeitungsabschnitt 24 mit einer Aufrauhung 72 und in dem Bearbeitungsabschnitt 32 mit einer Beschichtung 74 versehen wurde. Auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 ist die Abdeckschablone 38 angeordnet, die im Bereich der Zylinderbohrung 14 die Durchgangsöffnung 40 aufweist. Die Durchgangsöffnung 40 ist - im Durchmesser gesehen - geringfügig größer als die Zylinderbohrung 14, so daß ein Rand 76 durch die Abdeckschablone 38 nicht abgedeckt ist. Der Rand 76 beträgt beispielsweise zwischen 2 und 3 mm. Durch Ausbildung des Randes 76 wird erreicht, daß während des Sandstrahlens im Bearbeitungsabschnitt 24 und dem thermischen Beschichten im Bearbeitungsabschnitt 32 der Rand 76 mitbehandelt, das heißt mitaufgerauht und beschichtet, wird. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Beschichtung auch im Bereich des Randes 76. Insbesondere für eine nachfolgende - hier nicht näher erläuterte - Anbringung einer Einlauffase an den Zylinderbohrungen 14 wird erreicht, daß im Bereich der späteren Einlauffase ebenfalls eine Beschichtung 74 mit genügend großer Haftzugfestigkeit am Zylinderkurbelgehäuse 12 angeordnet ist.
Nachfolgend soll insbesondere auf das Vorbereiten der Zylinderbohrungen 14, insbesondere der Flächen 70, für die thermische Beschichtung eingegangen werden. Das Zylinderkurbelgehäuse 12 besteht aus einer Aluminium-Legierung und besitzt die vorbereiteten Zylinderbohrungen 14. Diese Zylinderbohrungen 14 sind entsprechend vorgegebener Toleranzen fein gespindelt. Die Toleranzen betragen vorzugsweise für die Rundheit < 10 μm, die Geradheit < 10 μm, die Zylinderform < 10 μm und die Parallelität < 10 μm. Der Ausgangswert der Oberflächenrauhigkeit der in der Bearbeitungsstation 10 noch nicht vorbehandelten und beschichteten Zylinderlaufflächen beträgt für die ge- mittelte Rauhtiefe RZ < 15 μm. Die genannten Toleranzen und Oberflächenrauhigkeitswerte werden durch Egalisieren der rohen, gegossenen Zylinderbohrung 14 und nachfolgendem Feinspindeln erhalten. Hierzu werden vorzugsweise Bohrköpfe eingesetzt, deren Messerplatten einen Schneidradius von < 0,8 mm aufweisen und eine Spanleitstufe aufweisen. Eine Schnittgeschwindigkeit beim Egalisieren und Feinspindeln ist so gewählt, daß eine Bearbeitungsemulsion oder ähnliches in der anschließend zu beschichtenden Fläche 70 nicht eingeschlossen wird, da diese beim Sandstrahlen der egalisierten und feingespindelten Fläche 70 freigesetzt werden könnte und zu nachfolgenden Schichtablösungen der thermischen Beschichtung 74 führen könnte.
Während des Sandstrahlens der Zylinderbohrungen 14 im Bearbeitungsabschnitt 24 werden die Zylinderkurbelgehäuse 12 mittels des Hubtisches 42 in Anlagekontakt mit einer eingeschwenkten Abdeckschablone 38 gebracht. Eine Hubplatte des Hubtisches 42 ist im Bereich des Kurbelraumes der Zylinderkurbelgehäuse 12 ausgeschnitten, so daß ein sicheres Absaugen des Strahlgutes mittels der Absaugung 68 (Figur 2) erfolgen kann. Zusätzlich ist unterhalb des Hubtisches 42 ein Rückführtrichter, welcher direkt in eine Strahlgutrückführung mündet, angeordnet. Vagabundierende Stäube und Strahlgut werden so weitestgehend vermieden. Die Absaugung 68 kann über flexible Saugleitungen mit einer Hauptabsaugleitung verbunden sein.
Dem Bearbeitungsabschnitt 24, in dem das Sandstrahlen der Zylinderbohrungen 14 erfolgt, ist eine Strahleinheit zugeordnet, die das Werkzeug 44 und eine, vorzugsweise zwei Strahllanzen 46 umfaßt (Figur 2). Mittels dieser sogenannten Doppel-Strahleinheit werden zwei Zylinderbohrungen gleichzeitig gestrahlt. Als Strahlgut wird Aluminiumoxid eingesetzt, das eine Korngröße von 0,18 mm bis 1 ,18 mm, vorzugsweise 0,35 mm bis 0,70 mm, in Abhängigkeit der Substratlegierung der Zylinderkurbelgehäuse aufweist. Mittels eines derartigen Sandstrahlens wird eine definierte Oberflächenrauhigkeit 72 der Fläche 70 erhalten. Hierbei wird die Fläche 70 derart aufgerauht, daß die Oberflächenmittenrauhigkeit RA zwischen 10 und 12 μm und die gemittelte Rauhtiefe RZ > 70 μm beträgt.
Anhand der schematischen Ansicht in Figur 5 ist die Ansicht einer die Aufrauhung 72 besitzenden Fläche 70 verdeutlicht. Die Strahllanzen 46 werden über die axiale Länge der Zylinderbohrungen 14 bewegt und rotieren gleichzeitig. Eine Drehzahl der Strahllanzen 46 beträgt zwischen 100 bis 300 U/min, insbesondere zirka 200 U/min. Das Strahlen der Zylinderbohrungen 14 erfolgt erst, nachdem die Strahllanze 46 soweit in die Abdeckschablone 38, das heißt in die Durchgangsöffnung 40, eingetaucht ist, daß eine Verschmutzung des Zylinderkurbelgehäuses 12 mit Strahlgut vermieden wird. Um dies zu erreichen, beträgt die Höhe der Abdeckschablone 38 beispielsweise zirka 6 cm. Das Sandstrahlen erfolgt beispielsweise mit einer Menge von zirka 1100 g pro min und einem Druck von zirka 5 bis 6 bar. Die benötigte Körnung des Strahlgutes wird durch eine der Strahleinheit vorgelagerte Siebeinrichtung eingestellt. Hierbei wird über hintereinandergeschaltete Grobsiebe und Feinsiebe das Strahlgut auf eine Körnung von > 0,16 mm bis < 0,7 mm je nach eingesetzter Strahlgutkörnung gesiebt. Während des Strahlens anfallende Feinstäube, die beispielsweise durch Zerplatzen der Aluminiumoxid-Partikel des Strahlgutes entstehen, werden durch die Sieblinien ausgesiebt. Ferner werden durch die Oberbegrenzung der Siebung auch größer dimensionierte Körner des Strahlgutes oder Verunreinigungen sicher ausgesiebt.
Um eine möglichst gleichbleibende Aufrauhung 72 der Flächen 70 zu erzielen, kann vorgesehen sein, daß quasi in einem zweiten Strahlgang die Strahllanzen nach der Abwärtsbewegung während der nachfolgenden Aufwärtsbewegung aktiv bleiben, so daß die Fläche 70 zweimal gestrahlt wird. So ist es möglich, in Figur 5 mit 78 bezeichnete Spitzen (Peaks) zu brechen, um die erforderlichen Werte für die Mittenrauhigkeit und die gemittelte Rauhtiefe RA beziehungsweise RZ einzustellen.
Ferner kann vorgesehen sein, die Kante zwischen der Fläche 70 und dem Rand 76 zu entgraten (brechen). Hierdurch wird sichergestellt, daß die Kante keine Kerbwirkung in der nachfolgend aufgebrachten Beschichtung 74 entfaltet.
Durch die definierte Vorbehandlung der Fläche 70 in dem Arbeitsabschnitt 24 wird erreicht, daß in Figur 5 schematisch angedeutete Verwirbelungen 80 zwischen benachbarten Spitzen 78 der gestrahlten Oberfläche 70, die sogenannte Mikroturbulenzen bilden, vermieden werden. Diese Verwirbelungen 80 entstehen beim Aufbringen der Beschichtung 74 in dem Bearbeitungsabschnitt 32. Der Beschichtungswerkstoff wird mit der Plasmaflamme mit Geschwindigkeiten von zirka 400 bis 600 m/s auf die aufgerauhte Fläche 70 niedergeschlagen. Entsprechend den überstehenden Spitzen 78 würden sich die Wirbel 80 bilden, die zu Sauerstoffeinschlüssen führen, so daß im Bereich dieser Sauerstoffeinschlüsse unkontrollierte Oxidbildungen und unaufgeschmolzene Partikel des Beschichtungswerkstoffes auftreten könnten. Diese beeinträchtigen die Haftzugfestigkeit der Beschichtung 74 auf der aufgerauhten Fläche 70. Durch die definierte Vorbehandlung der Fläche 70 wird jedoch das Entstehen dieser Verwirbelungen 80 weitgehend vermieden beziehungsweise soweit minimiert, daß diese keine negativen Einwirkungen auf die Beschichtung 70 haben.
Im Ausführungsbeispiel ist von einem Zylinderkurbelgehäuse mit vier Zylinderbohrungen ausgegangen worden. Es ist selbstverständlich, daß die erfindungsgemäße Bearbeitung der Zylinderlaufflächen mittels entsprechend angepaßter Werkzeuge auch bei Zylinderkurbelgehäusen mit weniger oder mehr Zylinderbohrungen erfolgen kann.

Claims

P A T E N TA N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum thermischen Beschichten von Flächen eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses für eine Verbrennungskraftmaschine, wobei durch eine Öffnung des Innenraumes (Zylinderbohrung) eine Vorbehandlung der zu beschichtenden Flächen erfolgt und anschließend die vorbehandelten Flächen thermisch beschichtet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Fläche aufgerauht wird, wobei ein definierter Mittenrauhigkeitswert und eine Flächenverteilung von Höhen (Peaks) und Tiefen (Täler) der aufgerauhten Fläche von zirka 50 % zu 50 % eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Aufrauhen der Flächen durch Sandstrahlen erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sandstrahlen mit Aluminiumoxid(AI2O3)-Körnern erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Korngröße des Strahlgutes zwischen 0,18 mm bis 1 ,18 mm, insbesondere zwischen 0,35 und 0,70 mm, in Abhängigkeit des zu strahlendes Substrates beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittenrauhigkeit der vorbehandelten Fläche von 10 bis 12 μm eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemittelte Rauhtiefe von > 70 μm eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Aufrauhung der zu beschichtenden Fläche auch auf einen den Innenraum umgebenden Rand erfolgt. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtenden Innenräume vor dem Aufrauhen feingespindelt werden, wobei die Toleranzen für die Rundheit <10μm, die Geradheit <10μm, die Zylinderform <10μm, die Parallelität <10μm und die gemittelte Rauhtiefe < 15 μm betragen.
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