EP1161569A1 - Verfahren und anordnung zum herstellen verschleissfester oberflächen - Google Patents

Verfahren und anordnung zum herstellen verschleissfester oberflächen

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EP1161569A1
EP1161569A1 EP00902632A EP00902632A EP1161569A1 EP 1161569 A1 EP1161569 A1 EP 1161569A1 EP 00902632 A EP00902632 A EP 00902632A EP 00902632 A EP00902632 A EP 00902632A EP 1161569 A1 EP1161569 A1 EP 1161569A1
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EP
European Patent Office
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cooling
heat
cylinder
cooling medium
crankcase
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EP00902632A
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EP1161569B1 (de
EP1161569B2 (de
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Rolf Heinemann
Klaus Färber
Thomas Heider
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Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
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Publication date
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Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
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    • 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for producing wear-resistant surfaces on components made of an Al-Si alloy, the wear-resistant surfaces being applied by means of thermal spraying, in particular flame spraying, plasma spraying or HV spraying, or a laser beam, according to the preamble of claim 1.
  • the invention further relates to an arrangement for producing wear-resistant surfaces on components made of an Al-Si alloy, in particular on cylinder running surfaces of cylinders of a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, according to the preamble of claim 11.
  • hypoeutectic aluminum-silicon alloys mainly used for cylinder crankcases are unsuitable for the tribological loading of the piston-piston ring-cylinder raceway system due to the low proportion of the wear-resistant silicon phase.
  • Hypereutectic alloys, such as the alloy AISil 7 Cu 4 Mg have a sufficient proportion of silicon crystallites.
  • This hard, wear-resistant structural component is highlighted by chemical and / or mechanical processing steps compared to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required wing portion.
  • the castability, the poor machinability and the high costs of this alloy are disadvantageous compared to the hypoeutectic and nearutectic alloys.
  • sub- and near-eutectic alloys of the galvanic coatings are applied directly to the raceways.
  • this is expensive and Insufficiently stable tribochemically.
  • thermal spray coatings which are also applied directly to the running surfaces.
  • the adhesive strength of these layers is only insufficient due to micromechanical clamping alone.
  • the present invention has for its object to provide an improved method of the above type and an improved arrangement of the above. To provide a type that allows components to be coated even with high-energy coating devices, such as high-performance lasers, without thermally induced changes in the material of the component.
  • At least one thermally conductive device is brought into thermally conductive contact with the component during the manufacture of the wear-resistant surface and this thermally conductive device is actively cooled.
  • the wear-resistant surface after the wear-resistant surface has been formed in the form of a thermal spray layer, it is additionally processed, in particular remelted, with a laser beam.
  • remelting, casting, dispersing and / or coating is carried out by means of a laser beam or by thermal spraying.
  • the component is a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, on the cylinder running surfaces of which the coating is carried out.
  • a cooling medium in particular gas, nitrogen or a cooling liquid, flows through a water chamber of the crankcase during the production of the wear-resistant surface.
  • the heat-conducting device comprises at least one cooling plate with channels for a cooling medium which are applied to the crankcase on at least one side on which open ends of the cylinders are located.
  • the heat-conducting device comprises at least one cooling mandrel corresponding to the cross section of the cylinder, which is brought into contact with the cylinder running surface in the axial direction of the cylinder following a coating zone and / or lagging the coating zone.
  • the heat-conducting device comprises a cooling medium basin into which the crankcase is immersed during the production of the wear-resistant surface in such a way that a cooling medium level in the cylinder is located below a coating zone in the direction of gravity.
  • a depth of immersion of the crankcase in the cooling medium basin is adjusted in such a way that a constant predetermined distance between the coating zone and the coolant level is maintained.
  • the active cooling of the heat-conducting device is expediently carried out using a gas, nitrogen and / or a cooling liquid.
  • a heat-conducting device is provided which is arranged in heat-conducting contact with the component and comprises a cooling medium.
  • the cooling medium expediently comprises a gas, nitrogen and / or a cooling liquid which, with a high heat capacity coefficient, ensure a correspondingly high heat removal.
  • the heat-conducting device comprises at least one cooling plate which has channels through which the cooling medium flows, a cooling plate being arranged on the crankcase on at least one side on which the cylinders openly end.
  • the cooling plate is designed in a ring shape such that it lies flush with a corresponding cylinder bore on the peripheral edge thereof.
  • the heat-conducting device comprises at least one cooling mandrel corresponding to the cross section of a cylinder bore with channels through which the cooling medium flows, which is arranged in the axial direction of the cylinder on one or both sides of a coating zone such that a heat-conducting contact is formed between the cooling mandrel and the cylinder running surface is.
  • the channels through which the cooling medium flows are designed to be spirally circumferential.
  • a cooling mandrel is arranged below the coating zone in the direction of gravity with a collecting basin for excess coating material.
  • a collecting lug is formed on a side of the circumference of the cooling dome facing the coating zone for collecting and introducing excess coating material into the collecting basin.
  • the cooling mandrel is formed on its circumference facing the cylinder running surface with cooling bristles which are in brushing contact with the cylinder running surface.
  • the cooling bristles are expediently made of a heat-conducting material, in particular copper.
  • the heat-conducting device comprises at least one cooling medium basin into which the component can be immersed such that a cooling medium level is at a predetermined distance from a coating zone.
  • Fig. 1 is a sectional view of a first preferred embodiment of an arrangement according to the invention, which realizes three preferred embodiments of additional cooling.
  • FIG. 2 in a sectional view a second preferred embodiment of an arrangement according to the invention.
  • the preferred embodiment of an arrangement according to the invention shown in FIG. 1 comprises a coating device 10 which, by means of a plasma beam 12, which is for example a laser beam, coats a cylinder running surface 14 of a cylinder wall 15 of a cylinder 16 of a crankcase 18.
  • the coating device 10 is rotatable about a longitudinal axis 20, as with arrow 22 indicated, and displaceable along the longitudinal axis 20, as indicated by arrow 24.
  • the crankcase 18 has a water space 26 for a cooling medium. Due to the rotational and translational movement of the coating device 10 relative to the cylinder wall 15, the cylinder running surface 14 can be machined in predetermined areas.
  • a current working area of the coating device 10, in which the plasma beam 12 or a laser beam strikes the cylinder running surface 14, is referred to as the processing zone 28.
  • the arrangement comprises a cooling plate 30 which is built, i.e. is manufactured by means of a plate system or mechanically, or cast and includes cooling channels 32 through which the cooling medium flows.
  • the cooling channels have, for example, a rectangular and / or round cross section and are in particular formed above a contact surface 34 between the cooling plate 30 and the cylinder wall 15.
  • a cooling plate 30 is arranged either on one side or on both sides of the open ends of the cylinder 16.
  • the cooling plates are annular in accordance with the cylinder cross section so that they rest on the circumferential cylinder wall 15 and provide an opening in the ring for introducing the coating device 10.
  • the lower cooling plate 30 in FIG. 1 has the further advantage that the process gases and excess coating material, which is not melted or does not adhere to the cylinder race 14, can be discharged downwards in the direction of gravity in FIG. 1.
  • the arrangement further comprises a cooling mandrel 36 which is designed in accordance with the cross section of the cylinder 16 in such a way that this cooling mandrel 36 can be inserted into the cylinder 16 and lies there against the cylinder wall 15 in the circumferential direction.
  • a cooling mandrel 36 which is designed in accordance with the cross section of the cylinder 16 in such a way that this cooling mandrel 36 can be inserted into the cylinder 16 and lies there against the cylinder wall 15 in the circumferential direction.
  • cooling bristles 38 for example made of copper
  • cooling channels 40 are also provided, through which a cooling medium flows, which serve in the aforementioned manner for active cooling and heat energy dissipation.
  • the cooling channels are formed in a spiral all around.
  • a collecting basin 42 formed on the lower cooling mandrel 36 in FIG. 1, particles not adhering to the cylinder wall 15 are collected.
  • the collecting basin 42 is expediently also filled with cooling medium.
  • An additional collecting nose 44 guides excess, falling
  • Coating material in the collecting basin 42 Coating material in the collecting basin 42.
  • a cooling medium inflow 46 and a cooling medium outflow 48 are provided for the cooling medium in the collecting basin 42 and / or in the cooling channels 40.
  • one or both of the cooling mandrels 36 shown in FIG. 1 are carried along in the feed speed of the coating device in the direction of arrow 24, as indicated by arrows 50.
  • honing can also be carried out after the coating, the honing process, depending on the desired surface quality, comprising several steps.
  • a heat-conducting device in the form of a cooling medium basin 52 in which the crankcase 18 is immersed.
  • the immersion is tracked (arrow 58) in such a way that a cooling medium level 54 is always at a constant, predetermined distance 56 of, for example, 20 mm from the coating zone 28.
  • heat is dissipated by immersion cooling of the crankcase 18.
  • the three aforementioned cooling options are designed according to the invention alternatively or in any combination with one another in a single arrangement according to the invention.
  • a cooling fluid such as gas, nitrogen or a cooling liquid, is passed through the water space 26, which cools the cylinder wall further 15 leads and thus additionally removes heat from the coating zone.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Herstellen verschleissfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Al-Si-Legierung, insbesondere an Zylinderlaufflächen (14) von Zylindern (16) eines Kurbelgehäuses (18) einer Hubkolben-Brennkraftmaschine. Hierbei ist eine wärmeleitende Vorrichtung (30, 36) vorgesehen, welche in wärmeleitendem Berührungskontakt mit dem Bauteil (18) angeordnet ist und ein Kühlmedium umfasst.

Description

Verfahren und Anordnung zum Herstellen verschleißfester Oberflächen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen verschleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Al-Si-Legierung, wobei die verschleißfeste Oberflächen mittels eines thermischen Spritzens, insbesondere Flammspritzen, Plasmaspritzen oder HV-Spritzen, oder eines Laserstrahles aufgebracht wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Anordnung zum Herstellen verschleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Al-Si-Legierung, insbesondere an Zylinderlaufflächen von Zylindern eines Kurbelgehäuses einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring- Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z.B. die Legierung AISil7Cu4Mg besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.
Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.
Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen der galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, weiche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 196 43 029 A1 bekannt. Hierbei es ist erforderlich, die durch die Laserstrahlen in das Kurbelgehäuse bzw. die Zylinderlaufflächen eingebrachte Energie ausreichend schnell abzuführen. Ein zu hoher Wärmeeintrag bei energiereichen Laserstrahlen kann nämlich zu unerwünschten Gefügeveränderungen im Kurbelgehäuse führen. Hierzu wird von der DE 196 43 029 A1 bereits vorgeschlagen, die Bauteiloberfläche über Kühlwasserkanäle des Kurbelgehäuses zu kühlen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der obengenannten Art sowie eine verbesserte Anordnung der o.g. Art zur Verfügung zu stellen, welche eine Beschichtung von Bauteilen auch mit hochenergetischen Beschichtungsvorrichtungen, wie beispielsweise leistungsstarken Lasern, ohne thermisch bedingte Veränderungen des Werkstoffes des Bauteiles erlaubt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Anordnung der o.g. Art mit den in Anspruch 11 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche wenigstens eine wärmeleitende Vorrichtung in wärmeleitenden Berührungskontakt mit dem Bauteil gebracht und diese wärmeleitende Vorrichtung aktiv gekühlt wird.
Dies hat den Vorteil, daß eine gute Wärmeabführung mit erhöhter Kühlleistung während des Beschichtungsvorganges zur Verfügung steht, so daß insbesondere ein Lasereinlegieren und Laserbeschichten ohne die Gefahr einer wärmebedingten Strukturveränderung im Werkstoff des Kurbelgehäuses ausgeführt werden kann. Hierdurch ist es möglich, auch mit höheren Energien zu beschichten, so daß beispielsweise eine höhere Eindringtiefe des Beschichtungswerkstoffes in den Werkstoff des Bauteiles, eine bessere Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Werkstoff des Bauteiles und/oder eine höhere Schichtdicke erzielt wird.
Zum weiteren Verbessern von Eigenschaften der aufgebrachten Beschichtung wird nach dem Ausbilden der verschleißfesten Oberfläche in Form einer thermischen Spritzschicht diese zusätzlich mit einem Laserstrahl bearbeitet, insbesondere umgeschmolzen.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird daß ein Umschmelzen, Einiegieren, Dispergieren und/oder Beschichten mittels eines Laserstrahles oder durch thermisches Spritzen durchgeführt.
Beispielsweise ist das Bauteil ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Beschichtung durchgeführt wird. Hierbei wird in einer bevorzugten Ausführungsform während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt.
In einer alternativen Ausführungsform umfaßt die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens eine Kühlplatte mit Kanälen für ein Kühlmedium, welche an das Kurbelgehäuse an wenigstens einer Seite angelegt werden, an der sich offene Enden der Zylinder befinden.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfaßt die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens einen dem Querschnitt des Zylinders entsprechenden Kühldorn, welcher in axialer Richtung des Zylinders einer Beschichtungszone folgend und/oder der Beschichtungszone nacheilend mit der Zylinderlauffläche in Kontakt gebracht wird.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfaßt die wärmeleitende Vorrichtung ein Kühlmediumbecken, in welches das Kurbelgehäuse während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche derart eingetaucht wird, daß sich ein Kühlmediumspiegel im Zylinder in Schwerkraftrichtung unterhalb einer Beschichtungszone befindet. Hierbei wird eine Eintauchtiefe des Kurbelgehäuses in das Kühlmediumbecken derart nachgeführt, daß ein konstanter vorbestimmter Abstand zwischen der Beschichtungszone und dem Kühlmittelspiegel eingehalten wird.
Zweckmäßigerweise wird die aktive Kühlung der wärmeleitenden Vorrichtung mit einem Gas, Stickstoff und/oder einer Kühlflüssigkeit durchgeführt. Bei einer Anordnung der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß eine wärmeleitende Vorrichtung vorgesehen ist, welche in wärmeleitendem Berührungskontakt mit dem Bauteil angeordnet ist und ein Kühlmedium umfaßt.
Dies hat den Vorteil, daß eine gute Wärmeabführung mit erhöhter Kühlleistung während des Beschichtungsvorganges zur Verfügung steht, so daß insbesondere ein Lasereinlegieren und Laserbeschichten ohne die Gefahr einer wärmebedingten Strukturveränderung im Werkstoff des Kurbelgehäuses ausgeführt werden kann. Hierdurch ist es möglich, auch mit höheren Energien zu beschichten, so daß beispielsweise eine höhere Eindringtiefe des Beschichtungswerkstoffes in den Werkstoff des Bauteiles, eine bessere Verbindung zwischen der Beschichtung und dem Werkstoff des Bauteiles und/oder eine höhere Schichtdicke erzielt wird.
Zweckmäßigerweise umfaßt das Kühlmedium ein Gas, Stickstoff und/oder eine Kühlflüssigkeit, welche mit einem hohen Wärmekapazitätskoeffizienten für einen entsprechend hohen Wärmeabtransport sorgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens eine Kühlplatte, welche vom Kühlmedium durchströmte Kanäle aufweist, wobei eine Kühlplatte am Kurbelgehäuse an wenigstens einer Seite angeordnet ist, an der die Zylinder offen enden.
Für einen guten Wärmeabtransport am Umfang der Zylinderbohrung ist die Kühlplatte derart ringförmig ausgebildet, daß sie mit einer entsprechenden Zylinderbohrung fluchtend am umlaufenden Rand derselben aufliegt.
In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform umfaßt die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens einen dem Querschnitt einer Zylinderbohrung entsprechenden Kühldorn mit vom Kühlmedium durchströmten Kanälen, welcher in axialer Richtung des Zylinders ein- oder beidseitig einer Beschichtungszone derart angeordnet ist, daß ein wärmeleitender Kontakt zwischen dem Kühldorn mit der Zylinderlauffläche ausgebildet ist.
Für eine hohe Kühlleistung nahe der Zylinderlauffläche sind die vom Kühlmedium durchströmten Kanäle spiralförmig umlaufend ausgebildet. Zum Auffangen von überschüssigem Beschichtungsmaterial ist ein in Schwerkraftrichtung unterhalb der Beschichtungszone angeordneter Kühldorn mit einem Auffangbecken für überschüssiges Beschichtungsmaterial ausgebildet.
Zum Auffangen und Einleiten von überschüssigem Beschichtungsmaterial in das Auffangbecken ist an einer der Beschichtungszone zugewandten Seite des Umfangs des Kühldomes eine Auffangnase ausgebildet.
Zur Erhöhung einer Kühlwirkung des Kühldomes ist der Kühldorn an seinem der Zylinderlauffläche zugewandten Umfang mit Kühlborsten ausgebildet, welche in bürstendem Kontakt mit der Zylinderlauffläche stehen. Zweckmäßigerweise sind die Kühlborsten aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere Kupfer, gefertigt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform umfaßt die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens ein Kühlmediumbecken, in welches das Bauteil derart eintauchbar ist, daß ein Kühlmediumspiegel einen vorbestimmten Abstand von einer Beschichtungszone aufweist.
Besonders vorteilhaft ist es, an das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren einen Hon-Vorgang anzuschließen, um die beschichtete Oberfläche zu glätten.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
Fig. 1 in einer Schnittansicht eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung, welche drei bevorzugte Ausführungsformen einer zusätzlichen Kühlung verwirklicht.
Fig. 2 in einer Schnittansicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung.
Die in Fig. 1 dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung umfaßt eine Beschichtungsvorrichtung 10, welche mittels eines Plasmastrahles 12, welcher beispielsweise ein Laserstrahl ist, eine Zylinderlauffläche 14 einer Zylinderwand 15 eines Zylinders 16 eines Kurbelgehäuses 18 beschichtet. Die Beschichtungsvorrichtung 10 ist um eine Längsachse 20 drehbar, wie mit Pfeil 22 angedeutet, und entlang der Längsachse 20 verschiebbar, wie mit Pfeil 24 angedeutet. Das Kurbeigehäuse 18 weist einen Wasserraum 26 für ein Kühlmedium auf. Durch die Rotations- und Translationsbewegung der Beschichtungsvorrichtung 10 relativ zur Zylinderwandung 15 ist die Zylinderlauffläche 14 in vorbestimmten Bereichen bearbeitbar. Hierbei ist nachfolgend ein aktueller Arbeitsbereich der Beschichtungsvorrichtung 10, in dem der Plasmastrahl 12 oder ein Laserstrahl auf die Zylinderlauffläche 14 trifft, als Bearbeitungszone 28 bezeichnet.
Erfindungsgemäß umfaßt die Anordnung eine Kühlplatte 30, welche gebaut, d.h. mittels Plattensystem oder mechanisch, oder gegossen gefertigt ist und Kühlkanäle 32 umfaßt, welche von dem Kühlmedium durchflössen werden. Auf diese Weise ist die Kühlplatte aktiv gekühlt und führt über die bloße Wärmeleitung hinaus aktiv Wärmeenergie ab. Die Kühlkanäle weisen beispielsweise einen rechteckigen und/oder runden Querschnitt auf und sind insbesondere oberhalb einer Kontaktfläche 34 zwischen Kühlplatte 30 und Zylinderwandung 15 ausgebildet. Eine Kühlplatte 30 ist entweder einseitig oder beidseitig der offenen Enden des Zylinders 16 angeordnet. Ferner sind die Kühlplatten entsprechend dem Zylinderquerschnitt ringförmig ausgebildet so daß sie auf dem umlaufenden Zylinderwandung 15 aufliegen und in dem Ring eine Öffnung zum Einführen der Beschichtungsvorrichtung 10 zur Verfügung stellen. Die in der Fig. 1 unterer Kühlplatte 30 hat bei ringförmiger Ausführung den weiteren Vorteil, daß Prozeßgase und überschüssiges Beschichtungsmaterial, welches an der Zylinderlaufbahn 14 nicht angeschmolzen ist bzw. nicht anhaftet, in Schwerkraftrichtung in der Fig. 1 nach unten abgeführt werden können.
Erfindungsgemäß umfaßt die Anordnung ferner einen Kühldorn 36, welcher entsprechend dem Querschnitt des Zylinders 16 derart ausgebildet ist, daß dieser Kühldorn 36 in den Zylinder 16 einführbar ist und dort in Umfangsrichtung an der Zylinderwandung 15 anliegt. Alternativ oder zusätzlich zum Anliegen des Kühldomes 36 direkt an der Zylinderwandung 15 sind am Mantel des Kühldomes 36 Kühlborsten 38, beispielsweise aus Kupfer, vorgesehen, welche mit der Oberfläche der Zylinderwandung 15 in Kontakt stehen und auf diese Weise Wärme von der Zylinderwandung 15 zum Kühldorn 36 ableiten. In dem Kühldorn sind ferner von einem Kühlmedium durchströmte Kühlkanäle 40 vorgesehen, welche in der vorerwähnten Weise zur aktiven Kühlung und Wärmeenergieabführung dienen. Die Kühlkanäle sind spiralförmig umlaufend ausgebildet. Mittels eines am in der Fig. 1 unteren Kühldorn 36 ausgebildeten Auffangbeckes 42 werden nicht an der Zylinderwandung 15 haftende Partikel aufgefangen. Zweckmäßigerweise ist auch das Auffangbecken 42 mit Kühlmedium gefüllt. Eine zusätzliche Auffangnase 44 leitet überschüssigen, herabfallenden
Beschichtungswerkstoff in das Auffangbecken 42. Für das Kühlmedium in dem Auffangbecken 42 und/oder in den Kühlkanälen 40 ist ein Kühlmediumzufluß 46 und ein Kühlmediumabfluß 48 vorgesehen. Erfindungsgemäß wird ein oder werden beide der in Fig. 1 dargestellten Kühldorne 36 in der Vorschubgeschwindigkeit der Beschichtungsvorrichtung in Pfeilrichtung 24 mitgeführt, wie durch Pfeile 50 angedeutet.
Zur Glättung der beschichteten Oberfläche kann zudem ein Honen nach der Beschichtung erfolgen, wobei der Hon-Vorgang je nach gewünschter Oberflächengüte mehrere Schritte umfassen kann.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist eine wärmeleitende Vorrichtung in Form eines Kühlmediumbeckens 52 vorgesehen, in welches das Kurbelgehäuse 18 eingetaucht wird. Hierbei erfolgt gemäß dem Vorschub der Beschichtungsvorrichtung 10 eine Nachführung des Eintauchens (Pfeil 58) derart, daß ein Kühlmediumspiegel 54 immer einen konstanten, vorbestimmten Abstand 56 von beispielsweise 20 mm von der Beschichtungszone 28 aufweist. Hierbei erfolgt also eine Wärmeableitung durch eine Tauchkühlung des Kurbelgehäuses 18.
Die drei vorgenannten Kühloptionen sind dabei erfindungsgemäß alternativ oder in beliebiger Kombination miteinander in einer einzigen erfindungsgemäßen Anordnung ausgebildet.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es ferner vorgesehen, daß während der Beschichtung der Zylinderlauffläche 14 mit dem Plasmastrahl 12 oder einem Laserstrahl durch den Wasserraum 26 ein Kühlfluid, wie beispielsweise Gas, Stickstoff oder eine Kühlflüssigkeit geleitet wird, welche zu einer weiteren Kühlung der Zylinderwandung 15 führt und somit zusätzlich Wärme aus der Beschichtungszone abführt.

Claims

PA T E N TA N S P R U C H E
1. Verfahren zum Herstellen verschleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Al-Si- Legierung, wobei die verschleißfeste Oberflächen mittels eines thermischen Spritzens oder eines Laserstrahles aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche wenigstens eine wärmeleitende Vorrichtung in wärmeleitenden Berührungskontakt mit dem Bauteil gebracht und diese wärmeleitende Vorrichtung aktiv gekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Ausbilden der verschleißfesten Oberfläche in Form einer thermischen Spritzschicht diese zusätzlich mit einem Laserstrahl bearbeitet, insbesondere umgeschmolzen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und/oder Beschichten mittels eines Laserstrahles oder durch thermisches Spritzen durchgeführt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen ist, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Beschichtung durchgeführt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens eine Kühlplatte mit Kanälen für ein Kühlmedium umfaßt, welche an das Kurbelgehäuse an wenigstens einer Seite angelegt werden, an der sich offene Enden der Zylinder befinden.
7. Verfahren nach einem der Absprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens einen dem Querschnitt des Zylinders entsprechenden Kühldorn umfaßt, welcher in axialer Richtung des Zylinders einer Beschichtungszone folgend und/oder der Beschichtungszone nacheilend mit der Zylinderlauffläche in Kontakt gebracht wird.
8. Verfahren nach einem der Absprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Vorrichtung ein Kühlmediumbecken umfaßt, in welches das Kurbelgehäuse während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche derart eingetaucht wird, daß sich ein Kühlmediumspiegel im Zylinder in Schwerkraftrichtung unterhalb einer Beschichtungszone befindet.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Eintauchtiefe des Kurbelgehäuses in das Kühlmediumbecken derart nachgeführt wird, daß ein konstanter vorbestimmter Abstand zwischen der Beschichtungszone und dem Kühlmittelspiegel eingehalten wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Kühlung der wärmeleitenden Vorrichtung mit einem Gas, Stickstoff und/oder einer Kühlflüssigkeit durchgeführt wird.
11. Anordnung zum Herstellen verschleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer Al- Si-Legierung, insbesondere an Zylinderlaufflächen (14) von Zylindern (16) eines Kurbelgehäuses (18) einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine wärmeleitende Vorrichtung (30, 36, 52) vorgesehen ist, welche in wärmeleitendem Berührungskontakt mit dem Bauteil (18) angeordnet ist und ein Kühlmedium umfaßt.
12. Anordnung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmedium ein Gas, Stickstoff und/oder eine Kühlfiüssigkeit umfaßt.
13. Anordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens eine Kühlplatte (30) umfaßt, welche vom Kühlmedium durchströmte Kanäle (32) aufweist, wobei eine Kühlplatte (30) am Kurbelgehäuse (18) an wenigstens einer Seite angeordnet ist, an der die Zylinder (16) offen enden.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlplatte (30) derart ringförmig ausgebildet ist, daß sie mit einer entsprechenden Zylinderbohrung (16) fluchtend am umlaufenden Rand derselben aufliegt.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens einen dem Querschnitt einer Zylinderbohrung (16) entsprechenden Kühldorn (36) mit vom Kühlmedium durchströmten Kanälen (40) umfaßt, welcher in axialer Richtung des Zylinders (16) ein- oder beidseitig einer Beschichtungszone (28) derart angeordnet ist, daß ein wärmeleitender Kontakt zwischen dem Kühldorn (36) mit der Zylinderiauffläche (14) ausgebildet ist.
16. Anordnung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Kühlmedium durchströmten Kanäle (40) spiralförmig umlaufend ausgebildet sind.
17. Anordnung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß ein in Schwerkraftrichtung unterhalb der Beschichtungszone (28) angeordneter Kühldorn (36) mit einem Auffangbecken (42) für überschüssiges Beschichtungsmaterial ausgebildet ist.
18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß an einer der Beschichtungszone (28) zugewandten Seite des Umfangs des Kühldomes (36) eine Auffangnase (44) ausgebildet ist.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühldorn (36) an seinem der Zylinderiauffläche (14) zugewandten Umfang mit Kühlborsten (38) ausgebildet ist, welche in bürstendem Kontakt mit der Zylinderiauffläche (14) stehen.
20. Anordnung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlborsten (38) aus einem wärmeleitenden Material, insbesondere Kupfer, gefertigt sind.
21. Anordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitende Vorrichtung wenigstens ein Kühlmediumbecken (52) umfaßt, in welches das Bauteil (18) derart eintauchbar ist, daß ein Kühlmediumspiegel (54) einen vorbestimmten Abstand (56) von einer Beschichtungszone aufweist.
22. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß sich an die thermische Oberflächenbearbeitung des Bauteiles ein Hon-Vorgang der Oberfläche anschließt.
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