EP2246457A1 - Verfahren zum Aufrauhen einer Metalloberfläche, insbesondere einer Zylinderwandung eines Kurbelgehäuses - Google Patents
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- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
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Definitions
- the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1.
- Such a method is for example from EP 568315 B1 .
- the methods described therein involve roughening cylinder surfaces of crankcases by irradiation with a high-pressure jet of pure water.
- the cylinder surfaces are eroded by the high-pressure water jet, whereby soft structural phases are washed out of the surface.
- the result of this erosion process is a rough surface with undercuts and channels compared to the initial state, which is then optimally suitable for a subsequent coating with a coating material, whereby the "undercuts" achieve a very good adhesion of the coating to the underlying material.
- the object of the invention is to modify the known per se method for roughening metal surfaces so that it is cost-effective and feasible with less technical effort.
- the basic principle of the invention is, instead of working with pure or essentially pure water, with a mixture of water and a substance which chemically reacts or "attacks" the metal surface to be roughened.
- a high-pressure water jet takes place an additional, based on chemical processes roughening of the metal surface.
- a very significant, resulting advantage is the fact that can be compared to the conventional method with lower pressures, thereby reducing the investment costs for the pump technology.
- the pressure level of the high-pressure water jet can be lowered to 1000 to 2500 bar, without thereby worsening the "roughening performance” or “roughening quality" compared with conventional processes.
- the metal surface is carefully freed from alkali residues after the roughening process.
- the removal of lye residues can be done, for example, by rinsing at low pressure with pure water.
- a "flux” may also be added to the water.
- So-called fluxes are known from soldering. They are applied to the workpiece to achieve a good bond between the solder material and the material of the workpiece during soldering. This principle can also be used when roughening metal surfaces by means of a high-pressure water jet. After blasting the roughened metal surface and the drying and cooling of the surface remain residues of the water used for blasting added flux on the metal surface back.
- the metal surface is coated after roughening by means of a thermal coating method.
- a suitable, known coating method is, for example, the arc wire spraying method in which energy-rich metal particles are "shot" onto the surface to be coated by means of an arc. Due to the kinetic energy to be degraded upon impact of the metal particles or due to the local high pressures resulting there is a strong increase in temperature, which causes the flux residues with the material of the metal surface (eg aluminum or aluminum alloy) react chemically, which leads to a deoxidization of the metal surface and as a result to a low-oxide connection between the coating material (eg Fe alloys or Al alloys) and the material of the workpiece (eg aluminum).
- the coating material eg Fe alloys or Al alloys
- flux e.g. the flux produced by Solvay Fluor GmbH under the trade name "Nocoloc”.
- the flux may be added to the water used for roughening in a concentration between e.g. 0.01% and 10% are added.
- a dye may be added to the water used for roughening.
- color pigments on the order of between 0.01 ⁇ m and 1 ⁇ m in a concentration of up to 15% can be added to the water. The addition of dye then makes it possible in a simple manner to control whether the lye added to the water or the flux added to the water has distributed uniformly over the metal surface to be roughened or roughened.
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Abstract
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
- Ein derartiges Verfahren ist z.B. aus der
EP 568315 B1 US 5626674 oder derUS 5380564 bekannt. Bei den dort beschriebenen Verfahren geht es darum, Zylinderlaufflächen von Kurbelgehäusen durch Bestrahlen mit einem Hochdruckstrahl aus reinem Wasser aufzurauhen. Die Zylinderlaufflächen werden durch den Hochdruckwasserstrahl erodiert, wobei weiche Gefügephasen aus der Oberfläche herausgewaschen werden. Ergebnis dieses Erosionsprozesses ist eine im Vergleich zum Ausgangszustand rauhe Oberfläche mit Hinterschneidungen und Kanälen, die dann optimal für eine anschließende Beschichtung mit einem Beschichtungsmaterial geeignet ist, wobei durch die "Hinterschneidungen" eine sehr gute Haftung der Beschichtung auf dem darunter befindlichen Material erreicht wird. - Die in den oben genannten Dokumenten beschriebenen Verfahren arbeiten, wie bereits erwähnt, mit reinem Wasser. Aufgrund der hohen kinetischen Energie mit der der Hochdruckwasserstrahl auf die Zylinderlaufflächen auftrifft, erwärmt sich das Kurbelgehäuse auf eine Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 90°C, wobei das Wasser zumindest teilweise verdampft. Um den Wasserstrahl hinreichend stark zu beschleunigen, so dass die Zylinderlaufflächen bis in eine Tiefe von 50-100 µm "zerfurcht" werden, ist ein sehr hoher Pumpendruck und ein in Relation zu dem Druckniveau großer Volumenstrom erforderlich.
- Derzeit bieten nur einige wenige Pumpenhersteller Pumpen an, welche die erforderlichen Drücke von 2500 - 3500 bar bei einem Volumenstrom von 10 - 25 Liter/min erzeugen können. Dementsprechend teuer ist nicht nur die Pumpentechnik an sich, sondern auch die Wiederaufbereitung des Volumens des verwendeten Wassers. Zur Herausfilterung der erosiv abgetragenen Metallpartikel aus dem Wasser werden nämlich Filter benötigt, die Partikel in der Größenordnung von einem Durchmesser von 1 µm herausfiltern können.
- Aufgabe der Erfindung ist es, das an sich bekannte Verfahren zum Aufrauhen von Metalloberflächen so zu modifizieren, dass es kostengünstiger und mit einem geringeren technischen Aufwand durchführbar ist.
- Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, anstatt mit reinem oder im Wesentlichen reinem Wasser mit einem Gemisch aus Wasser und einer Substanz zu arbeiten, die mit der aufzurauhenden Metalloberfläche chemisch reagiert bzw. diese "angreift". Zusätzlich zu einer rein mechanischen, d.h. erosiven bzw. abrasiven Aufrauhung mittels eines Hochdruckwasserstrahls erfolgt eine zusätzliche, auf chemischen Vorgängen beruhende Aufrauhung der Metalloberfläche. Ein ganz wesentlicher, sich hieraus ergebender Vorteil ist darin zu sehen, dass im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren mit geringeren Drücken gearbeitet werden kann, wodurch sich die Investitionskosten für die Pumpentechnik verringern. Je nach Art und Konzentration der dem Wasser zugegebenen Substanz kann das Druckniveau des Hochdruckwasserstrahls auf 1000 bis 2500 bar abgesenkt werden, ohne dass sich dadurch die "Aufrauhleistung" bzw. "Aufrauhqualität" gegenüber herkömmlichen Verfahren verschlechtert.
- Sehr gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn dem verwendeten Wasser beispielsweise Natronlauge (NaOH) zugesetzt wird, z.B. in einer Konzentration, mit der sich ein Laugenanteil im Bereich zwischen 0,001 % bis 7 % des Gesamtgemischs ergibt.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Metalloberfläche nach dem Aufrauhvorgang sorgfältig von Laugenrückständen befreit. Die Entfernung von Laugenrückständen kann beispielsweise durch Abspülen mit niedrigem Druck mit reinem Wasser erfolgen.
- Alternativ oder ergänzend zur Zugabe einer Lauge kann dem Wasser auch ein "Flussmittel" zugesetzt werden. Sogenannte Flussmittel sind aus der Löttechnik bekannt. Sie werden auf das Werkstück aufgetragen, um beim Löten eine gute Verbindung zwischen dem Lotmaterial und dem Material des Werkstücks zu erreichen. Dieses Prinzip kann auch beim Aufrauhen von Metalloberflächen mittels eines Hochdruckwasserstrahls eingesetzt werden. Nach dem Abstrahlen der aufzurauhenden Metalloberfläche und der Trocknung und Abkühlung der Oberfläche verbleiben Reste des dem zum Abstrahlen verwendeten Wassers zugesetzten Flussmittels auf der Metalloberfläche zurück.
- Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Metalloberfläche nach dem Aufrauhen mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens beschichtet. Ein geeignetes, bekanntes Beschichtungsverfahren ist z.B. das Lichtbogendrahtspritzverfahren, bei dem mittels eines Lichtbogens energiereiche Metallpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche "geschossen" werden. Aufgrund der beim Auftreffen der Metallpartikel abzubauenden kinetische Energie bzw. aufgrund der hierbei lokal entstehenden hohen Drücke kommt es zum einem starken Temperaturanstieg, was dazu führt, dass die Flussmittelrückstände mit dem Material der Metalloberfläche (z.B. Aluminium bzw. Aluminium-Legierung) chemisch reagieren, was zu einer Entoxidierung der Metalloberfläche und im Ergebnis zu einer oxidarmen Verbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial (z.B. Fe-Legierungen oder Al-Legierungen) und dem Material des Werkstücks (z.B. Aluminium) führt.
- Als "Flussmittel" kann z.B. das von der Solvay Fluor GmbH unter dem Markennamen "Nocoloc" hergestellte Flussmittel verwendet werden. Das Flussmittel kann dem zum Aufrauhen verwendeten Wasser in einer Konzentration zwischen z.B. 0,01 % und 10 % zugegeben werden.
- Dem zum Aufrauhen verwendeten Wasser kann ferner ein Farbstoff zugegeben werden. Beispielsweise können Farbpigmente in einer Größenordnung zwischen 0,01 µm und 1 µm in einer Konzentration von bis zu 15 % dem Wasser zugegeben werden. Die Zugabe von Farbstoff ermöglicht dann in einfacher Weise eine Kontrolle, ob sich die dem Wasser zugesetzte Lauge bzw. das dem Wasser zugesetzte Flussmittel gleichmäßig auf der aufzurauhenden bzw. aufgerauhten Metalloberfläche verteilt hat.
Claims (12)
- Verfahren zum Aufrauhen einer Metalloberfläche, insbesondere einer Zylinderwandung eines Kurbelgehäuses, wobei die Metalloberfläche durch Besprühen mit einem Hochdruckflüssigkeitsstrahl mechanisch aufgerauht wird,
dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeit ein Gemisch aus Wasser und einer Substanz verwendet wird, das bzw. die mit der Metalloberfläche chemisch reagiert. - Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Substanz um eine Lauge handelt. - Verfahren nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Lauge um eine Natronlauge (NaOH), insbesondere um konzentrierte Natronlauge, handelt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Laugenkonzentration in Bezug auf das Gemisch im Bereich zwischen 0,001 % und 7 % liegt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckflüssigkeitsstrahl einen Druck von bis zu 3500 bar, insbesondere einen Druck im Bereich zwischen 1000 bar und 2500 bar aufweist. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufrauhen der Metalloberfläche Reste der dem Wasser zugesetzten Substanz mit reinem Wasser von der Metalloberfläche entfernt werden. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Substanz um ein Flussmittel handelt. - Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass die Flussmittelkonzentration in Bezug auf das Gemisch im Bereich zwischen 0,01 % und 10 % liegt. - Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem mechanischen Aufrauhen Flussmittel auf der aufgerauhten Metalloberfläche zurückbleibt. - Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche nach dem Aufrauhen mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird, wobei es bei der hierbei an der Metalloberfläche auftretenden Temperatur zu einer chemischen Reaktion des auf der Metalloberfläche verbliebenen Flussmittels mit dem Werkstoff der Metalloberfläche kommt, insbesondere zu einer Entoxidierung der Metalloberfläche und zu einer oxidarmen Verbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial und der Metalloberfläche. - Verfahren nach Anspruch 10,
dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsverfahren Laserspritzen zum Einsatz kommt, insbesondere ein thermisches Beschichtungsverfahren wie das Plasma- oder Lichtbogendrahtspritzen. - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass dem Hochdruckflüssigkeitsstrahl ein Farbstoff zugesetzt wird.
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