EP1147240A1 - Verfahren zum thermischen beschichten einer fläche eines innenraumes und anordnung zur durchführung des verfahrens - Google Patents

Verfahren zum thermischen beschichten einer fläche eines innenraumes und anordnung zur durchführung des verfahrens

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EP1147240A1
EP1147240A1 EP99959377A EP99959377A EP1147240A1 EP 1147240 A1 EP1147240 A1 EP 1147240A1 EP 99959377 A EP99959377 A EP 99959377A EP 99959377 A EP99959377 A EP 99959377A EP 1147240 A1 EP1147240 A1 EP 1147240A1
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EP
European Patent Office
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interior
cylinder
gas stream
coating
coated
Prior art date
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EP99959377A
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English (en)
French (fr)
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EP1147240B1 (de
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Udo Schlegel
Reinhard Vogelsang
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Publication of EP1147240B1 publication Critical patent/EP1147240B1/de
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    • 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 a surface of an interior with the features mentioned in the preamble of claim 1 and an arrangement with the features mentioned in the preamble of claim 8.
  • thermal coating for example a plasma coating
  • a coating material in particular a metal, in powder or rod form is fed to a flame, melted in it and deposited on the surface to be coated.
  • coatings with different properties in particular with desired sliding properties, hardness properties, layer thicknesses or the like, can be achieved.
  • a thermal coating of this type for example for a surface coating on cylinder running surfaces of crankcases of internal combustion engines or of bearing areas of connecting rod eyes.
  • a defined oxidation of a part of the coating material is desired in order to include defined oxides in the resulting coating and thus to achieve a certain ductility of the layer.
  • the oxidation depends in particular on the coating material used, on the composition of the gas stream and on the coating atmosphere during coating.
  • the coating atmosphere influences the microhardness on the one hand by the enclosed oxides and on the other hand the enclosed pores, which are created by air / oxygen inclusions. This porosity is partially desirable, for example to form a Micro pressure chamber system, for binding a lubricant film in a plain bearing or on cylinder surfaces.
  • the formation of the oxides essentially depends on an oxygen content in the coating atmosphere.
  • the invention has for its object to provide a method of the generic type, by means of which a defined generation of a protective gas atmosphere is possible in a simple manner and to provide an arrangement for simple implementation of the method.
  • this object is achieved by a method having the features mentioned in claim 1. Because the surface to be coated is acted upon by a second gas stream containing only an inert gas, in particular nitrogen, which is directed approximately parallel to the surface to be coated, a quasi protective gas atmosphere can be created via this second gas stream, in particular during the melting process during the impact of the melted coating material on the surface to be coated, can be set exactly.
  • a quasi protective gas atmosphere can be created via this second gas stream, in particular during the melting process during the impact of the melted coating material on the surface to be coated, can be set exactly.
  • the volume flow of the second gas flow can be set variably. This makes it advantageous possible to set exact atmospheric oxygen ratios on the surface to be coated in accordance with the circumstances, in particular the properties of the surface to be coated and / or the properties of the coating material and / or a coating temperature and / or a composition of the first gas stream and / or a purge air, so that the desired amount and the desired size of the oxides and pores to be included in the coating are adjustable.
  • metering the second gas flow it can be achieved that a difference between the elasticity modules of the coating and the material of the surface to be coated can be adjusted to one another within certain limits, in particular a predefinable difference between the elasticity modules can be adjusted.
  • an inert gas possibly exclusively nitrogen, is used as the first gas stream flanking the burner flame.
  • the second gas stream is flushed into the interior from above the surface to be coated, the second gas stream preferably being introduced uniformly distributed over the entire surface.
  • the second gas stream is continuously passed into all the interior spaces to be coated, while the supply of the coating material during the transfer of the burner from one interior to be coated is interrupted to the next interior to be coated.
  • a targeted protective gas atmosphere can be set in the interior during the thermal coating.
  • the atmosphere can thus be influenced both via the first gas stream, the purge air and the additional second gas stream.
  • the device for supplying the second gas stream consists of a line system which preferably encompasses the mouths of the interior spaces having the surfaces to be coated, the second gas stream can be directed into the interior spaces in a simple manner.
  • the device for supplying the second gas stream is arranged on a cover template, by means of which the workpieces to be coated, in particular the cylinder crankcase, are covered, this additional device can be precisely positioned in a simple manner , wherein the positioning of the device for supplying the second gas flow takes place simultaneously through the defined positioning of the cover template. Additional adjustment steps are therefore not necessary. Furthermore, it can be achieved in a simple manner that the device is assigned directly to the interiors to be coated, so that the second gas stream is reliably introduced. Furthermore, it is provided in a preferred embodiment of the invention that the cover template carrying the additional device has a minimum height which is selected such that the coating material is supplied to the burner flame within the cover template during thermal coating.
  • Figure 1 is a schematic view of a processing station for the thermal coating of cylinder surfaces in a cylinder crankcase
  • FIG. 2 shows a schematic side view of a processing section of the processing station
  • FIG. 3 shows a schematic plan view of the processing section according to FIG. 2;
  • Figure 4 is a perspective view of a cover template
  • Figure 5 is a perspective sectional view of a
  • 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.
  • the coating is done using a plasma coating technique.
  • the connecting rod eyes can also be coated by means of the processing station 10.
  • the machining station is then structurally adapted to the special features of connecting rod eyes.
  • 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 crankcases are transferred to the processing station 10.
  • the cylinder crankcase 12 are already manufactured in a manner not to be considered in detail here and are mechanically finished with all the necessary functional elements, such as cylinder bores, coolant channels, fitting bores or the like, with the exception of a final arbitration of surfaces.
  • 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 takes place, for example, by superheated steam, which is introduced, for example, by appropriately designed lances onto the cylinder running surfaces of the cylinder crankcase 12.
  • the superheated steam for example, has a temperature of 130 to 160 ° C and is introduced at a pressure of approximately 150 to 180 mbar.
  • the subsequent drying of the The cylinder crankcase is preferably 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 openings 40 are preferably slightly larger than the cylinder bores 14, so that an edge of the surface surrounding the cylinder bores 14 (cylinder head surface) is exposed.
  • 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 milled flat.
  • 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.
  • 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 jet lance possibly two or more jet lances, is injected into the at the same time or in succession Cylinder bores 14 introduced. 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 0.3 to 1.18 mm, depending on the surface roughness required, based on the respective substrate roughness 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.
  • the processing time per cylinder crankcase is halved. If the cylinder bores 1 and 3 are blasted, 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 (particle-free), de-oiled and water-free compressed air, for example with 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, in particular the cylinder bores 14, is measured for dimensional accuracy.
  • a roughness measurement of the cylinder running surfaces can be carried out.
  • the measurement can be carried out fully automatically by means of suitable devices, for example photogrammetry.
  • a measurement of all cylinder bores 14 or only one of the cylinder bores 14 or a cylinder bore 14 can be carried out on a random basis every nth cylinder crankcase 12 take place.
  • 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. In addition to the coating material, a coating atmosphere is also created.
  • 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 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 plasma coating will be discussed in more detail with reference to FIGS. 4 and 5.
  • the cylinder crankcases are transferred to the processing section 34.
  • This can optionally be part of a cooling zone.
  • 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 subjected to further machining, for example honing the plasma-coated cylinder bores 14 and an attachment of an inlet chamfer to the cylinder bores 14 are supplied.
  • 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 covering 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 processing sections 24 or the processing 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.
  • 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.
  • the stenciling takes place here in a processing-related manner on the one hand in the processing station 24 and on the other hand in the processing station 32.
  • the device 50 comprises a turntable 52, which can be rotated about its axis of rotation 56 in defined steps by means of a drive 54.
  • 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.
  • the device 50 is assigned an indicated cleaning device 62, which can have, for example, a milling cutter 64 or a sleeve insertion and ejection station.
  • 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 in accordance with processing section 24 or plasma coating in accordance with processing section 32.
  • a cover template 38 As illustrated in FIG. 3, at the moment when a cover template 38 is in its processing position, viewed clockwise, 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. 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 the corresponding 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.
  • covering templates 38 or wear sleeves that are no longer true to size can be replaced.
  • automatic stenciling of the cylinder crankcase 12 is possible in a simple manner.
  • the masking templates 38 can be positioned precisely, so that a constant quality can be achieved with sandblasting or with plasma coating.
  • the cover template 38 is assigned a device 70 for supplying a second gas stream during the plasma treatment in the processing section 32.
  • the device 70 consists of a line system 72 which can be acted upon via a connection 74 with the second gas stream.
  • the connection 74 can be connected to a source for the gas flow. In the present exemplary embodiment, it is assumed that nitrogen is used as the second gas stream.
  • the connection 74 can thus be connected to a nitrogen source. This connection to the nitrogen source can take place within the processing section 32.
  • the cover templates 38 according to the exemplary embodiment in FIG. 1 are also transported along with the cylinder crankcases 12 or whether the cover templates 38 according to the exemplary embodiment shown in FIGS. 2 and 3 are positioned within the processing section 32 relative to the cylinder crankcases 12, the corresponding connection option is also available the nitrogen source.
  • the line system 72 is of branched design, that is to say that individual line sections 76 encompass the openings 40 in the cover template 38.
  • the line sections 76 are ring-shaped so that the openings 40 are encompassed by the line system 72 over almost the entire circumference.
  • the line sections 76 running directly around the openings 40 have nozzle openings 78 (FIG. 5) which are arranged at a distance from one another over the circumference of the opening 40.
  • the distance and the size of the nozzle openings 78 is selected such that a selectable volume flow of nitrogen can emerge from the nozzle openings 78 in accordance with predetermined process parameters.
  • the nitrogen is preferably fed into the line system 72 in a pressure range between 2 and 5 bar depending on the required air sink rate.
  • FIG. 5 shows a schematic perspective view of a sectional view through a cylinder crankcase 12 in the region of a cylinder bore 14 to be coated.
  • the representation according to FIG. 5 corresponds to a just performed pias mabe slaughteren within the processing section 32.
  • the same parts as in previous figures are given the same reference numerals and not explained again.
  • the machining tool 44 comprises a torch shaft 80 which is arranged on the one hand vertically displaceable according to the double arrow 82 and on the other hand rotatable according to the arrow 84.
  • a feed 86 for a coating material is assigned to the burner shaft 80.
  • the coating material can, for example, be supplied in powder form, rod form or in another suitable manner.
  • a plasma flame 88 is formed by an electrically ignited arc with the supply of plasma gases, preferably argon or a mixture of argon, helium, nitrogen and hydrogen.
  • the plasma gases can be supplied within the torch shaft 80.
  • a firing temperature in this case reaches temperatures above 10,000 ° C, for example 15,000 to 30,000 ° C.
  • the coating material is introduced into the ignited plasma flame 88 via the feed 86.
  • the coating material is melted and the melted particles are accelerated to, for example, 80 to 150 m / s and deposited on the cylinder running surface of the cylinder bore 14 within a powder tail 90.
  • the burner shaft 80 rotates in accordance with arrow 84 and is displaced horizontally in accordance with double arrow 82.
  • a rotational speed is, for example, between 10 and 500 rpm, preferably between 100 and 300 rpm.
  • the plasma flame 88 is flanked by a first gas stream 92 which directs and guides the plasma flame 88. Furthermore, the burner shaft 80 is cooled by the first gas stream 92. The first gas stream 92 is made available via feeders 94 integrated in the burner shaft 80. This stream consists of nitrogen N 2 . Because outlet openings 96 for the first gas stream 92 are arranged on the burner shaft 80, the latter also rotates in accordance with the rotational speed. This ensures that the plasma flame 88 can be guided even when the plasma flame is rotating relatively rapidly.
  • a height h of the cover template 38 is selected such that the coating material is supplied in the region of the cover template 38 when the burner is immersed in the cylinder bore 14.
  • the burner itself remains switched on when changing between the cylinder bores 14 (reduction of electrode wear).
  • the flame is stabilized after the coating material has been supplied in the cover template, so that a homogeneous coating takes place starting with the edge of the cylinder openings 14.
  • This first gas stream 92 is overlaid by a second gas stream 98.
  • This second gas stream 98 is introduced into the cylinder bore 14 via the device 70 shown in FIG.
  • the gas stream 98 which also consists of nitrogen N 2 , is guided essentially parallel to the surface 14 to be coated.
  • inert gases for example argon, are also suitable.
  • oxidation of the coating material is achieved within precisely defined limits can be adjusted.
  • a porosity of the coating and a modulus of elasticity of the coating can thus be set according to the invention.
  • a difference can be set between the elasticity modules of the cylinder crankcase 12 and the coating.
  • the cylinder crankcase 12 is subjected to a vacuum by the suction 68 indicated in FIG. 2, so that an additional air purge with the air atmosphere is established.
  • This air rinsing has a flow rate (air sink rate) of 3 to 15 m / s, in particular 8 to 12 m / s, and is used for the targeted extraction of the overspray particles during the coating process.
  • This purge air is superimposed by the second gas stream 98. This is fed into the device 70 at a pressure of 2 to 5 bar, so that there is a sinking rate of the second gas flow of approximately 30% to 70% of the purge air.
  • a defined presence of atmospheric oxygen can be set on or shortly before the surface of the cylinder bore 14 to be coated.
  • This defined presence of atmospheric oxygen leads to the desired, defined setting of a modulus of elasticity in the coating and the desired inclusion of oxides and the formation of pores.
  • the plasma coating is reworked so that the enclosed pores are exposed on the surface, so that a micro-pressure chamber system is formed which, in a manner known per se, serves to lubricate a piston guided in the cylinder bores 14 .

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses von Verbrennungskraftmaschinen, mittels einer bewegten Flamme, die von einem Brenner gebildet wird und die von einem nicht brennbaren ersten Gasstrom flankiert wird, wobei ein oxidierbarer Beschichtungswerkstoff beschleunigt, von der Flamme erhitzt und auf die Fläche abgeschieden wird, und der Innenraum mit einer Spülluft beaufschlagt wird. Es ist vorgesehen, daß die zu beschichtende Fläche mit einem zweiten, ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, enthaltenden Gasstrom beaufschlagt wird, der in etwa parallel zu der zu beschichtenden Fläche gerichtet ist.

Description

Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Merkmalen und eine Anordnung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 8 genannten Merkmalen.
Verfahren der gattungsgemäßen Art sind bekannt. 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 der zu beschichtenden Fläche 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 derartige thermische Beschichtung, beispielsweise zu einer Oberflächenvergütung bei Zylinderlaufflächen von Kurbelgehäusen von Brennkraftmaschinen oder von Lagerbereichen von Pleuelaugen einzusetzen.
Bekannt ist, die Flamme durch einen ersten Gasstrom zu flankieren, der einerseits eine Kühlung des Brenners und andererseits eine Stabilisierung, das heißt Ausrichtung, der Flamme, insbesondere bei rotierendem Brenner, übernimmt.
Während des Abscheidens des Beschichtungsmaterials auf der Fläche ist eine definierte Oxidation eines Teils des Beschichtungsmaterials erwünscht, um definiert Oxide in die entstehende Beschichtung einzuschließen und damit eine gewisse Duktilität der Schicht zu erreichen. Die Oxidation hängt insbesondere vom eingesetzten Beschichtungsmaterial, von der Zusammensetzung des Gasstromes und der Beschichtungsatmosphäre beim Beschichten ab. Die Beschichtungsatmosphäre beeinflußt einerseits die Mikrohärte durch die eingeschlossenen Oxide sowie andererseits die eingeschlossenen Poren, welche durch Luft-/Sauerstoffeinschlüsse entstehen. Diese Porosität ist zum Teil erwünscht, beispielsweise zur Ausbildung eines Mikrodruckkammersystems, zur Bindung eines Schmiermittelfilms in einem Gleitlager oder an Zylinderlaufflächen. Die Bildung der Oxide hängt wesentlich von einem Sauerstoffgehalt der Beschichtungsatmosphäre ab. Nur bei Beschichten unter Vakuum wird der Sauerstoff abgepumpt und in einer Schutzgasatmosphäre gearbeitet. Dies ist jedoch einerseits sehr kostenintensiv und andererseits nicht gewünscht, da so auf die definierte Porosität der Beschichtung durch Einschluß von Oxiden kein Einfluß nehmbar ist.
Um jedoch Plasmaschichten mit geringem Oxidanteil, insbesondere an laminaren Oxiden, welche zu einem duktilen Schichtverbund führen können, herzustellen, ist es erforderlich, den Luftsauerstoff, insbesondere während des Schmelzprozesses des injizierten Beschichtungsmaterials, in der Plasmaflamme, während der Flugphase der geschmolzenen Partikel und der Verschmelzungsphase der Partikel auf der zu beschichtenden Fläche, weitestgehend zu reduzieren. Ein kompletter Ausschluß des Luftsauerstoffes, beispielsweise bei Arbeiten unter Vakuum, hat neben der kompletten Ausschließung der Oxidbildung den Nachteil, daß die aufgebrachte Plasmaschicht sehr kompakt und dicht ist, so daß keinerlei Verzüge und/oder Spannungen durch das Beschichtungsmaterial aufnehmbar sind. Hierdurch kann es zur Rißbildung oder partiellen Absprengung in der Beschichtung kommen. Werden derartige Beschichtungen beispielsweise zur Ausbildung von Zylinderlaufflächen oder von Pleuelaugen eingesetzt, besteht die Gefahr des Auftretens sogenannter Kolben- beziehungsweise Lagerfresser.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels dem in einfacher Weise eine definierte Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre möglich ist und eine Anordnung zur einfachen Durchführung des Verfahrens zu schaffen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß die zu beschichtende Fläche mit einem zweiten, ausschließlich ein Inertgas, insbesondere Stickstoff enthaltenem Gasstrom beaufschlagt wird, der in etwa parallel zu der zu beschichtenden Fläche gerichtet ist, kann über diesen zweiten Gasstrom eine quasi Schutzgasatmosphäre, insbesondere beim Schmelzvorgang während des Auftreffens des aufgeschmolzenen Beschichtungsmaterials auf die zu beschichtende Fläche, exakt eingestellt werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Volumenstrom des zweiten Gasstromes variabel eingestellt werden kann. Hierdurch wird es vorteilhaft möglich, entsprechend den Gegebenheiten, insbesondere den Eigenschaften der zu beschichtenden Fläche und/oder den Eigenschaften des Beschichtungsmaterials und/oder einer Beschichtungstemperatur und/oder einer Zusammensetzung des ersten Gasstromes und/oder einer Spülluft, exakte Luftsauerstoffverhältnisse an der zu beschichtenden Fläche einzustellen, so daß die gewünschte Menge und die gewünschte Größe der in die Beschichtung einzuschließenden Oxide und Poren einstellbar sind. Insbesondere kann durch eine Dosierung des zweiten Gasstromes erreicht werden, daß eine Differenz der Elastizitätsmodule der Beschichtung und des Materials der zu beschichtenden Fläche in gewissen Grenzen aufeinander einstellbar sind, insbesondere eine vorgebbare Differenz zwischen den Elastizitätsmodulen einstellbar ist. Hierdurch wird erreicht, daß ein zu hoher Anstieg des Elastizitätsmodules der Beschichtung vermieden wird, da ansonsten die Gefahr einer Versprödung der Beschichtung oder des Auftretens zu hoher Eigenspannungen innerhalb der Beschichtung besteht. Hierdurch würde die latente Gefahr von Abplatzungen oder einer zu geringen Haftzugfestigkeit der Beschichtung auf der zu beschichtenden Fläche bestehen. Andererseits kann durch die Einstellung der Differenz der Elastizitätsmodule sichergestellt werden, daß innerhalb des zu beschichtenden Materials auftretende Verzüge und/oder Spannungen von der Beschichtung gerade noch abgefangen werden können, ohne daß es zu Rißbildungen, Abplatzungen oder dergleichen in der Beschichtung kommt.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß als erster Gasstrom, der die Brennerflamme flankiert, ein Inertgas, gegebenenfalls ausschließlich Stickstoff, eingesetzt wird. Hierdurch wird eine noch exaktere Einstellung einer Atmosphäre an beziehungsweise kurz vor der zu beschichtenden Fläche möglich, die exakt reproduzierbar einen gewissen Restanteil an Sauerstoff aus der Spülluft aufweist. Dieser Restanteil Sauerstoff resultiert aus der das zu beschichtende Werkstück umgebenden Luftatmosphäre. Insbesondere kann hierdurch die Entstehung laminarer Oxide, die zu einem relativ lockeren Schichtverbund der Beschichtung führen würden, verhindert werden.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweite Gasstrom von oberhalb der zu beschichtenden Fläche in den Innenraum eingespült wird, wobei vorzugsweise der zweite Gasstrom gleichmäßig verteilt über die gesamte Fläche eingebracht wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, insbesondere während der Bewegung des Brenners und somit der Flamme, daß an allen Bereichen der zu beschichtenden Fläche sich die gleichen Verhältnisse hinsichtlich des verbleibenden Sauerstoffanteils in der Atmosphäre einstellen. Somit wird eine homogene gleichmäßige Beschichtung mit gleichbleibend hoher Qualität, das heißt mit im wesentlichen gleicher Porosität und gleichem Elastizitätsmodul, möglich.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei einer Mehrzahl von zu beschichtenden Innenraumflächen, insbesondere bei nebeneinander angeordneten Zylinderbohrungen eines Zylinderkurbelgehäuses, der zweite Gasstrom kontinuierlich in alle zu beschichtenden Innenräume geleitet wird, während die Zuführung des Beschichtungsmaterials während der Überführung des Brenners von einem zu beschichtenden Innenraum zu dem nächsten zu beschichtenden Innenraum unterbrochen wird. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, daß bei Einführen des Brenners in den nächsten zu beschichtenden Innenraum sofort die benötigte Gasatmosphäre vorhanden ist, so daß ein Zeitraum zum Einstellen der Gasatmosphäre, der den Durchlauf einer die Beschichtung durchführenden Anlage verlängern würde, vermieden wird.
Die Aufgabe wird ferner erfindungsgemäß durch eine Anordnung mit den im Anspruch 8 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, daß eine weitere Einrichtung zum Zuführen eines zusätzlichen zweiten Gasstromes in den Innenraum vorgesehen ist, läßt sich eine gezielte Schutzgasatmosphäre in dem Innenraum während des thermischen Beschichtens einstellen. Somit ist die Atmosphäre sowohl über den ersten Gasstrom, die Spülluft und den zusätzlichen zweiten Gasstrom beeinflußbar. Insbesondere, wenn die Einrichtung zum Zuführen des zweiten Gasstromes aus einem Leitungssystem besteht, das vorzugsweise die Mündungen der die zu beschichtenden Flächen aufweisenden Innenräume umgreift, läßt sich in einfacher Weise der zweite Gasstrom in die Innenräume leiten.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Einrichtung zum Zuführen des zweiten Gasstromes auf einer Abdeckschablone angeordnet ist, mittels der die die zu beschichtenden Innenräume aufweisenden Werkstücke, insbesondere die Zylinderkurbelgehäuse, abgedeckt werden, läßt sich diese zusätzliche Einrichtung in einfacher Weise exakt positionieren, wobei durch die definierte Positionierung der Abdeckschablone gleichzeitig eine Positionierung der Einrichtung zum Zuführen des zweiten Gasstromes erfolgt. Zusätzliche Justageschritte sind somit nicht notwendig. Ferner kann so in einfacher Weise erreicht werden, daß die Einrichtung unmittelbar den zu beschichtenden Innenräumen zugeordnet ist, so daß ein Einleiten des zweiten Gasstromes sicher erfolgt. Femer ist in bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die die zusätzliche Einrichtung tragende Abdeckschablone eine Mindesthöhe aufweist, die derart gewählt ist, daß während des thermischen Beschichtens innerhalb der Abdeckschablone die Zuführung des Beschichtungsmaterials zu der Brennerflamme erfolgt. Hierdurch wird es möglich, daß ein mit Beginn der Zuführung des Beschichtungsmaterials einsetzender Stabilisierungsvorgang innerhalb der Abdeckschablone erfolgt, so daß bei weiterem Absenken des Brenners, insbesondere eines Brennerkopfes, in den Innenraum die das Beschichtungsmaterial beschleunigende Flamme bereits stabilisiert ist, so daß ein optimales, definiertes Beschichten des Innenraumes von der obersten Kante der zu beschichtenden Bohrung (Innenraum) beginnend erfolgen kann.
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 einem Zylinderkurbelgehäuse;
Figur 2 eine schematische Seitenansicht eines Bearbeitungsabschnittes der Bearbeitungsstation;
Figur 3 eine schematische Draufsicht auf den Bearbeitungsabschnitt gemäß Figur 2;
Figur 4 eine Perspektivansicht einer Abdeckschablone und
Figur 5 eine perspektivische Schnittdarstellung einer
Beschichtungsphase.
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 Wänden, also die Zylinderlaufflächen, beschichtet werden. Die Beschichtung erfolgt mittels einer Plasmabeschichtungstechnik. Nach einem weiteren Ausführungsbeispiel kann mittels der Bearbeitungsstation 10 auch die Beschichtung von Pleuelaugen erfolgen. Die Bearbeitungsstation ist dann konstruktiv an die Besonderheiten von Pleuelaugen angepaßt.
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 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 - mit Ausnahme einer abschließenden Schlichtung von Flächen - 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 Beriche, wie Hinterschneidungen, 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 eingeleitet wird. Der Heißdampf besitzt beispielsweise eine Temperatur von 130 bis 160 °C und wird bei einem Druck von zirka 150 bis 180 mbar eingebracht. Die anschließende Trocknung der Zylinderkurbelgehäuse 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. Vorzugsweise sind die Öffnungen 40 geringfügig größer als die Zylinderbohrungen 14, so daß ein Rand der die Zylinderbohrungen 14 umgebenden Fläche (Zylinderkopffläche) freiliegt. 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 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. Die Abdeckschablone 38 liegt hierbei lediglich durch ihr Eigengewicht auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 auf. Durch die sich gegenüberliegenden, plan geschliffenen 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 0,3 bis 1 ,18 mm je nach geforderter Oberflächenrauhigkeit bezogen auf die jeweilige Substratrauhigkeit 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 Bearbeitungszeit pro Zylinderkurbelgehäuse halbiert. Sind die Zylinderbohrungen 1 und 3 gestrahlt, wird entweder das Zylinderkurbelgehäuse 12 oder die Sandstrahieinheit 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.
Anschließend werden die sandgestrahlten Zylinderkurbelgehäuse 12 in dem Bearbeitungsabschnitt 26 gereinigt, indem durch das Sandstrahlen sich absetzender Staub, insbesondere Feinststaub, aus den Zylinderbohrungen 14 entfernt wird. Dies kann beispielsweise durch gereinigte (partikelfreie), 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 der Zylinderbohrungen 14, auf deren Maßhaltigkeit. Neben der Maßhaltigkeit kann eine Rauhigkeitsmessung der Zylinderlaufflächen erfolgen. 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 erzeugt. 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 auf dem Zylinderkurbelgehäuse 12 befindliche Abdeckschablone 38 wird eine Beeinträchtigung, insbesondere Verunreinigung, von nicht zu beschichtenden Bereichen der Zylinderkurbelgehäuse 12 sicher vermieden. Auf die Plasmabeschichtung wird noch anhand der Figuren 4 und 5 näher eingegangen.
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 Zylinder- bohrungen 14 und einem Anbringen einer Einlauffase an die Zylinderbohrungen 14 zugeführt.
Ferner kann eine Markierung der Zylinderkurbelgehäuse 12 in dem 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 der Bearbeitungsabschnitte 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 oder eine Hülsenein- und Auswurfstation aufweisen kann, zugeordnet. 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 Plasmabeschichten 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 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.
Der Figur 4 ist zu entnehmen, daß der Abdeckschablone 38 eine Einrichtung 70 zum Zuführen eines zweiten Gasstromes während der Plasmabehandlung im Bearbeitungsabschnitt 32 zugeordnet ist. Die Einrichtung 70 besteht aus einem Leitungssystem 72, das über einen Anschluß 74 mit dem zweiten Gasstrom beaufschlagbar ist. Der Anschluß 74 ist an eine Quelle für den Gasstrom anschließbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß als zweiter Gasstrom Stickstoff eingesetzt wird. Somit ist der Anschluß 74 an eine Stickstoffquelle anschließbar. Dieses Anschließen an die Stickstoffquelle kann innerhalb des Bearbeitungsabschnittes 32 erfolgen. Je nachdem, ob die Abdeckschablonen 38 gemäß dem Ausführungsbeispiel in Figur 1 mit den Zylinderkurbelgehäusen 12 mittransportiert werden oder ob die Abdeckschablonen 38 gemäß dem in den Figuren 2 und 3 gezeigten Ausführungsbeispiel innerhalb des Bearbeitungsabschnittes 32 zu den Zylinderkurbelgehäusen 12 positioniert werden, ist die entsprechende Anschlußmöglichkeit mit der Stickstoffquelle ausgebildet.
Das Leitungssystem 72 ist verzweigt ausgeführt, das heißt, einzelne Leitungsabschnitte 76 umgreifen hierbei die Öffnungen 40 in der Abdeckschablone 38. Die Leitungsabschnitte 76 sind ringförmig ausgebildet, so daß die Öffnungen 40 annähernd über den gesamten Umfang von dem Leitungssystem 72 umgriffen werden. Die unmittelbar um die Öffnungen 40 verlaufenden Leitungsabschnitte 76 besitzen Düsenöffnungen 78 (Figur 5), die über den Umfang der Öffnung 40 beabstandet zueinander angeordnet sind. Der Abstand und die Größe der Düsenöffnungen 78 ist so gewählt, daß entsprechend vorgegebener Prozeßparameter ein wählbarer Volumenstrom an Stickstoff aus den Düsenöffnungen 78 austreten kann. Der Stickstoff wird vorzugsweise in einem Druckbereich zwischen 2 und 5 bar in Abhängigkeit der erforderlichen Luftsinkgeschwindigkeit in das Leitungssystem 72 eingespeist.
In Figur 5 ist in einer schematischen Perspektivansicht eine Schnittdarstellung durch ein Zylinderkurbelgehäuse 12 im Bereich einer zu beschichtenden Zylinderbohrung 14 gezeigt. Die Darstellung gemäß Figur 5 entspricht einem gerade durchgeführten Pias- mabeschichten innerhalb des Bearbeitungsabschnittes 32. Gleiche Teile wie in vorhergehenden Figuren sind mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert.
Das Bearbeitungswerkzeug 44 umfaßt einen Brennerschaft 80, der einerseits senkrecht verlagerbar gemäß dem Doppelpfeil 82 und andererseits rotierbar gemäß dem Pfeil 84 angeordnet ist. Dem Brennerschaft 80 ist eine Zuführung 86 für ein Beschichtungsmaterial zugeordnet. Das Beschichtungsmaterial kann beispielsweise pulverförmig, stabförmig oder auf andere geeignete Weise zugeführt werden. Eine Plasmaflamme 88 wird durch einen elektrisch gezündeten Lichtbogen unter Zuführung von Plasmagasen, vorzugsweise Argon oder ein Gemisch aus Argon, Helium, Stickstoff und Wasserstoff, gebildet. Die Plasmagase können innerhalb des Brennerschaftes 80 zugeführt werden. Eine Brenntemperatur erreicht hierbei beispielsweise Temperaturen oberhalb 10000 °C, zum Beispiel 15000 bis 30000 °C. In die gezündete Plasmaflamme 88 wird über die Zuführung 86 das Beschichtungsmaterial eingebracht. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial aufgeschmolzen und die geschmolzene Partikel werden auf beispielsweise 80 bis 150 m/s beschleunigt und innerhalb eines Pulverschweifes 90 auf die Zylinderlauffläche der Zylinderbohrung 14 abgeschieden. Während des Beschichtens rotiert der Brennerschaft 80 entsprechend dem Pfeil 84 und wird entsprechend dem Doppelpfeil 82 horizontal verlagert. Hierdurch wird ein gleichmäßiges Beschichten der gesamten Fläche der Zylinderbohrung 14 erreicht. Eine Rotationsgeschwindigkeit liegt beispielsweise zwischen 10 und 500 U/min, vorzugsweise zwischen 100 und 300 U/min.
Die Plasmaflamme 88 wird von einem ersten Gasstrom 92 flankiert, der die Plasmaflamme 88 lenkt und führt. Ferner wird von dem ersten Gasstrom 92 eine Kühlung des Brennerschaftes 80 übernommen. Über in den Brennerschaft 80 integrierte Zuführungen 94 erfolgt eine Bereitstellung des ersten Gasstromes 92. Dieser besteht aus Stickstoff N2. Dadurch, daß Austrittsöffnungen 96 für den ersten Gasstrom 92 am Brennerschaft 80 angeordnet sind, rotiert dieses entsprechend der Rotationsgeschwindigkeit mit. Hierdurch wird erreicht, daß auch bei relativ schnell rotierender Plasmaflamme 88 diese geführt werden kann.
Eine Höhe h der Abdeckschablone 38 ist so gewählt, daß beim Eintauchen des Brenners in die Zylinderbohrung 14 die Zufuhr des Beschichtungsmaterials im Bereich der Abdeckschablone 38 erfolgt. Der Brenner selber bleibt beim Wechsel zwischen den Zylinderbohrungen 14 eingeschaltet (Verringerung des Elektrodenverschleißes). Hierdurch findet die Stabilisierung der Flamme nach Zufuhr des Beschichtungsmaterials in der Abdeckschablone statt, so daß beginnend mit dem Rand der Zylinderöffnungen 14 eine homogene Beschichtung erfolgt.
Dieser erste Gasstrom 92 wird durch einen zweiten Gasstrom 98 überlagert. Dieser zweite Gasstrom 98 wird über die in Figur 4 gezeigte Einrichtung 70 in die Zylinderbohrung 14 eingeführt. Der ebenfalls aus Stickstoff N2 bestehende Gasstrom 98 wird im wesentlichen parallel zu der zu beschichtenden Fläche 14 geführt.
Anstelle der Verwendung von Stickstoff für den ersten Gasstrom 92 und den zweiten Gasstrom 98 eignen sich auch andere Inertgase, beispielsweise Argon.
Durch die Überlagerung der Gasströme 92 und 98 an der zu beschichtenden Fläche der Zylinderbohrungen 14, insbesondere an und in der Nähe des Pulverschweifes 90, mit in die Zylinderbohrungen 14 eingeleiteter, beispielsweise eingesaugter Spülluft, wird erreicht, daß eine Oxidation des Beschichtungsmaterials in exakt definierten Grenzen eingestellt werden kann. Somit läßt sich erfindungsgemäß eine Porosität der Beschichtung und ein Elastizitätsmodul der Beschichtung einstellen. Insbesondere in Abhängigkeit eines Materials des Zylinderkurbelgehäuses 12 läßt sich so eine Differenz zwischen den Elastizitätsmodulen des Zylinderkurbelgehäuses 12 und der Beschichtung einstellen.
Während des Plasmabeschichtens wird das Zylinderkurbelgehäuse 12 durch die in Figur 2 angedeutete Absaugung 68 mit einem Unterdruck beaufschlagt, so daß sich zusätzlich eine Luftspülung mit der Luftatmosphäre einstellt. Diese Luftspülung besitzt eine Strömungsgeschwindigkeit (Luftsinkgeschwindigkeit) von 3 bis 15 m/s, insbesondere von 8 bis 12 m/s, und dient zur gezielten Absaugung der Overspraypartikel beim Beschichtungsprozeß. Diese Spülluft wird durch den zweiten Gasstrom 98 überlagert. Dieser wird mit einem Druck von 2 bis 5 bar in die Einrichtung 70 eingespeist, so daß sich eine Sinkgeschwindigkeit des zweiten Gasstromes von zirka 30 % bis 70 % der Spülluft ergibt. Entsprechend einer eingestellten Differenz zwischen der Luftsinkgeschwindigkeit der Spülluft und der Sinkgeschwindigkeit des zweiten Gasstromes 98 (Stickstoff N2) kann eine definierte Anwesenheit von Luftsauerstoff an beziehungsweise kurz vor der zu beschichtenden Fläche der Zylinderbohrung 14 eingestellt werden. Diese definierte Anwesenheit von Luftsauerstoff führt zu dem gewollten, definierten Einstellen eines Elastizitätsmoduls der Beschichtung und der gewollten Einschließung von Oxiden und der Porenbildung. ln einem nachfolgenden, hier nicht näher erläuterten Verfahrensschritt wird die Plasmabeschichtung nachbearbeitet, so daß die eingeschlossenen Poren an der Oberfläche freigelegt werden, so daß es zur Ausbildung eines Mikrodruckkammersystems kommt, das in an sich bekannter Weise der Schmierung eines in den Zylinderbohrungen 14 geführten Kolbens dient.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Verfahren zum thermischen Beschichten einer Fläche eines Innenraumes, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses von Verbrennungskraftmaschinen, mittels einer bewegten Flamme, die von einem Brenner gebildet wird und die von einem nicht brennbaren ersten Gasstrom flankiert wird, wobei ein oxidierbarer Beschichtungswerkstoff beschleunigt, von der Flamme erhitzt und auf die Fläche abgeschieden wird, und der Innenraum mit einer Spülluft beaufschlagt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die zu beschichtende Fläche mit einem zweiten, ein Inertgas, insbesondere Stickstoff enthaltenden Gasstrom beaufschlagt wird, der in etwa parallel zu der zu beschichtenden Fläche gerichtet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom in seinem Volumenstrom variabel eingestellt werden kann.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom von oberhalb der zu beschichtenden Innenräume in diese eingebracht wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom über den gesamten Umfang des Innenraumes eingebracht wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom mit einem Druck zwischen 2 bar und 5 bar in den Innenraum eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gasstrom mit einer Sinkgeschwindigkeit von zirka 30 % bis 70 % einer Luftsinkgeschwindigkeit der Spülluft eingeleitet wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Gasstrom ausschließlich ein Inertgas, insbesondere Stickstoff, enthält.
8. Anordnung zum thermischen Beschichten von Innenräumen, insbesondere von Zylinderlaufflächen eines Zylinderkurbelgehäuses von Verbrennungskraftmaschinen, mit einem Brenner, dessen Brennerkopf in den Innenraum verlagerbar ist, mit einer Einrichtung zum Zuführen eines Beschichtungswerkstoffes und mit einer Einrichtung zum Einbringen eines ersten Gasstromes sowie einer Einrichtung zum Einbringen einer Spülluft in den Innenraum, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Einrichtung (70) zum Zuführen eines zusätzlichen zweiten Gasstromes (98) in den Innenraum (14) vorgesehen ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (70) aus einem Leitungssystem (72) besteht, das die Innenräume (14) an ihren Mündungen umgreift, durch die der Brenner (44) in den Innenraum (14) verlagerbar ist.
10. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (72) des Leitungssystems (70) die Mündungen formschlüssig umgreifen.
11. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte (72) Düsenöffnungen (78) besitzen, die in Richtung der Innenräume (14) gerichtet sind, und die über den Umfang der Innenräume (14) beabstandet zueinander angeordnet sind.
12. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (70) auf einer Abdeckschablone (38) angeordnet ist, mittels der die Zylinderkurbelgehäuse (12) zumindest während des thermischen Beschichtens abgedeckt sind.
13. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Abdeckschablone (38) ein Leitungssystem (72) aufweist, das mit den Abdeckschablonen positioniert wird.
4. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungssysteme (72) an eine stationäre Quelle für das Inertgas, insbesondere Stickstoff, angeschlossen sind.
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