EP2771496A1 - Plasmaspritzverfahren - Google Patents

Plasmaspritzverfahren

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Publication number
EP2771496A1
EP2771496A1 EP12769643.3A EP12769643A EP2771496A1 EP 2771496 A1 EP2771496 A1 EP 2771496A1 EP 12769643 A EP12769643 A EP 12769643A EP 2771496 A1 EP2771496 A1 EP 2771496A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
plasma
flow rate
coating
bore
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12769643.3A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Leander Schramm
Clemens Maria Verpoort
David Cook
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ford Global Technologies LLC
Original Assignee
Ford Global Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ford Global Technologies LLC filed Critical Ford Global Technologies LLC
Publication of EP2771496A1 publication Critical patent/EP2771496A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • C23C4/131—Wire arc spraying
    • 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
    • C23C4/134—Plasma spraying
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a coating by thermal spraying, in particular by plasma spraying, in which a component, in particular a bore of an internal combustion engine, e.g. is made of a light metal, is coated with an alloy, preferably with an iron alloy, wherein a plasma nozzle, which is supplied to a plasma gas and a transport gas is rotated about a wire and movable along a longitudinal axis of the bore, so that the bore from the inside and around coated in the axial direction of the bore.
  • a plasma nozzle which is supplied to a plasma gas and a transport gas is rotated about a wire and movable along a longitudinal axis of the bore, so that the bore from the inside and around coated in the axial direction of the bore.
  • EP 1 967 601 A2 From EP 1 967 601 A2 it is known that e.g. To coat an aluminum engine block, in particular its cylinder bore with an iron alloy while performing the arc wire spraying.
  • EP 1 967 601 A2 proposes to use an iron alloy which contains inter alia 5 to 25% by weight of chromium. It is essential in the EP 1 967 601 A2, that the molten iron also an additional powder, namely Borcabid is supplied.
  • the arc wire spraying method of EP 1 967 601 A2 is the so-called TWAS method, in which two wires are fed to a spray head in such a way that power is transmitted to the wires. When the two wires touch each other, a permanent short circuit causes an arc to melt the wires. Behind the nozzle is a nozzle from which compressed air or an inert gas such as nitrogen escapes. This gas stream atomizes the molten iron alloy and supplies it with the molten borocabid powder to the surface to be coated.
  • DE 44 1 1 296 A1 and DE 44 47 514 A1 deal with coatings by means of plasma spraying, although a metal powder or a filler wire are melted, and wherein the material mixture nitrogen by means of metallic nitrogen compounds is added to harden the coating.
  • EP 0 858 518 B1 deals with a method for producing a sliding surface on a light metal body by thermal spraying a coating of steel and molybdenum, wherein the wear layer is applied by means of plasma spraying.
  • EP 0 858 518 B1 describes that a mixture of steel powder with molybdenum powder is used.
  • EP 1 340 834 B1 a method for producing a cylinder tread layer is described. In this case, a rotating plasma spraying device is used, so that the engine block to be coated can rest during the coating.
  • the proportion of pores may be dependent on e.g. be influenced by the particle size of the coating powder targeted.
  • FR 2 924 365 A1 also deals with the plasma spraying of interior walls, whereby an additional spray powder is also used.
  • the capacity of the pores in the coating should be different, due to a change in the plasma spray parameters, e.g. the size, the hardness, the speed and the preheating temperature of the metal particles, or the metal powder should be possible.
  • Today's internal combustion engines or their engine blocks can be made of a metal or a light metal such. Cast aluminum or magnesium, in particular light metal blocks have on their cylinder bores an iron or metal layer.
  • the metal layer may be thermally sprayed. As thermal spraying methods, the above-mentioned methods are known.
  • the relevant prior art of the present invention includes the so-called PTWA inner transfer process (Plasma Transferred Wire Are).
  • PTWA inner transfer process Pulsma Transferred Wire Are
  • bores cylinder bores
  • the inner wall is thus completely coated all around and in the axial direction.
  • It is essential in the PTWA process that no metal powder is sprayed, but a homogeneous wire is melted and its melt droplets are transported to the inner wall to be coated and hit here, so that the coating is formed. So here only a single wire-shaped spray additive is supplied.
  • the plasma strikes the preheated, wire-shaped spray additive.
  • the plasma gas is usually an argon-hydrogen mixture.
  • PTWA As transport gas or atomizing gas, air or compressed air is used in the PTWA process.
  • the layers produced by this process are characterized by a low porosity.
  • the PTWA internal coating process has hitherto proven itself in the interior coating of cylinder bores, in particular of light metal blocks.
  • the coating usually has pores which reduce the friction between the piston rings and the cylinder surface because lubricant can accumulate in the pores.
  • EP 1 340 834 B1, EP 0 858 518 B1 and FR 2 924 365 A1 deal with an influence on the occurrence of pores in the coating.
  • the invention is based on the object to provide a method of the type mentioned above, with which a coating improved in this respect can be produced.
  • the gas flow it may be the plasma gas flow and / or the transport gas during the coating process at different positions along the longitudinal axis of the inner wall to be coated different amounts. If the flow rate of the gases varies over the axial length of the bore, different pore levels in the coating may occur depending on the flow rate amount. With the invention it has been advantageously recognized that a low gas flow rate produces a high pore content and a higher gas flow rate produces a small proportion of pores in the coating.
  • the inner coating can still be post-processed, for example honed, and / or lapped, to name just a few post-processing processes merely by way of example.
  • pistons are moved back and forth in a known manner.
  • the piston rings are in contact with the cylinder surface, ie with the coating.
  • the gas flow rate in the region of top dead center has a low amount, so that forms a high percentage of pores.
  • Even in the bottom dead center such a high percentage of pores in the coating can be provided.
  • the pore content may be reduced, so a higher flow rate can be set.
  • the plasma spraying device can be moved back and forth along the bore in the axial direction.
  • a circumferential inner coating can be produced together with the rotation. It can be started at an upper portion of the bore with the injection process.
  • the coating may have a small pore content, therefore the flow rate of the gas is limited to a high amount of e.g. 1 1001 / min can be set.
  • the plasma spraying device When the plasma spraying device is moved along the longitudinal axis towards the opposite end of the bore and reaches the top dead center region, it is convenient to reduce the flow rate and reduce it to a low amount of e.g. 4501 / min to produce a high porosity in the coating.
  • a lower flow rate causes a lower impact energy of the molten wire droplets on the inner wall.
  • a flow rate of a high amount e.g. 1 1001 / min, so that a coating with a low pore content is also achievable.
  • a high flow rate the remainder of the inner wall of the bore can now be coated.
  • the aim of the invention is therefore that over the axial length of the hole to be coated coating areas with different Pore shares are achievable, in particular, the top dead center has a particularly high percentage of pores. This is achieved in the invention via the variable flow rate of the gas, wherein in the top dead center, a low flow rate of eg 4501 / min is adjustable.
  • the transport gas is variably adjustable in its flow rate. It is also conceivable if the plasma gas can be variably adjusted together with the transport gas or per se in its flow rate.
  • the variable adjustment of the flow rate can be achieved via a control element which receives corresponding signals in order to set the desired or most advantageous flow rate for the respective position of the spray device along the bore to be coated.
  • the control may be in a preferred embodiment, a fast-switching solenoid valve, which preferably controls the flow infinitely.
  • the control is arranged in the respective supply line of the respective gas.
  • inventive method can also be used for coating other components.
  • Fig. 1 is a schematic view of a plasma spraying apparatus for carrying out the method.
  • Fig. 2 is a schematic section through a cylinder bore with an after
  • FIG. 1 shows a nozzle unit 1 of a PTWA internal coating device.
  • the PTWA (Plasma Transferred Wire Are) coating system is a system for coating bores, in particular cylinders in engine blocks of internal combustion engines.
  • the nozzle unit 1 consists of a cathode 2, a plasma nozzle 3, and the electrically conductive alloy wire 4 as Anode which is fed perpendicular to the plasma nozzle 3.
  • Tungsten is preferably used as the material for the cathode 2, which may be doped with thorium, for example.
  • the plasma gas 5, for example a mixture of argon and hydrogen, is supplied through bores located in the nozzle body 6 and located tangentially to the circumference.
  • the cathode holder 7 insulates the cathode 2 with respect to the nozzle body 6.
  • the alloy wire 4 is rotatably guided in the wire feed 15 and longitudinally displaceable.
  • the process is started by a high-voltage discharge which ionizes and dissociates the plasma gas 5 between alloy wire 4, nozzle body 6 and cathode 2.
  • the plasma thus generated flows through the plasma nozzle 3 at high speed.
  • the plasma gas 5 is transported toward the alloy wire 4 fed continuously perpendicular to the nozzle 3, whereby the electric circuit is closed.
  • the plasma jet 8 emerging from the plasma jet 3 is supplied with a transport gas 9 or an atomizing gas 9 via feed channels 10 and auxiliary nozzles 11.
  • the melting and the atomization of the alloy wire 4 are influenced by two phenomena.
  • the wire 4 is on the one hand by high currents, typically 65-90 amps, resistance heated.
  • the impact of the plasma jet 8 on the preheated wire 4 causes its melting at the wire end 12.
  • a plasma is generated within the plasma nozzle 3 by means of high-voltage discharge.
  • a targeted nitrogen gas flow so the transport gas 9 along the discharge path transports the plasma and the molten spray material 13 to the surface 14 of the cylinder bore to be coated.
  • FIG. 2 shows a schematic section through a cylinder bore 16 with a coating 14, wherein the coating 14 has been produced with a flow rate or gas flow rate which has been changed over the axial length X.
  • the coating is principally and merely by way of example divided into five regions, the dimensions of the regions shown, that is to say the axial extent thereof, being only an example.
  • the injection process according to the PTWA internal coating process has started in an upper ceiling area 17. The spraying device was moved from the upper ceiling area 17 towards the opposite end 18, the nozzle unit 1 rotating as described above.
  • an upper dead center area 19 which adjoins the upper ceiling area 17.
  • the upper dead center region 19 is adjoined by a middle region 20, to which a lower dead center region 21 adjoins.
  • a lower foot area 22 connects.
  • In the upper deck area 17 but also in the middle area 20, and also in the lower foot area 22 was injected at a high flow rate, which is why the coating in the respective area has a low pore content.
  • the region 21 is optional, so that the coating may also have only the regions 17, 19 and 20, the middle region 20 being guided to the end 18, and having been injected at a high flow rate, and therefore the coating then in the respective region 17 and 20 (until the end 18) may have a low pore content.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Zylinderbuchse mit einer Legierung innenbeschichtet wird, wobei eine Plasmadüse (3), der ein Plasmagas (5) und ein Transportgas (9) zugeführt wird um einen Draht (4) rotiert und entlang einer Längsachse der Bohrung (16) verfahrbar ist, so dass die Bohrung (16) von Innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung (16) gesehen beschichtet wird. Vorgeschlagen wird ein veränderlicher Gasstrom bzw. eine veränderliche Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5), wobei die Durchflussrate über die axiale Länge (x) der zu beschichtenden Bohrung (16) einstellbar ist.

Description

Plasmaspritzverfahren Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Bohrung eines Verbrennungsmotors, der z.B. aus einem Leichtmetall hergestellt ist, mit einer Legierung, bevorzugt mit einer Eisenlegierung beschichtet wird, wobei eine Plasmadüse, der ein Plasmagas und ein Transportgas zugeführt wird um einen Draht rotiert und entlang einer Längsachse der Bohrung verfahrbar ist, so dass die Bohrung von Innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung gesehen beschichtet wird.
Aus der EP 1 967 601 A2 ist bekannt, dass z.B. ein Aluminium-Motorblock, insbesondere dessen Zylinderlaufbahn mit einer Eisenlegierung unter Durchführung des Lichtbogendrahtspritzens zu beschichten. Dabei schlägt die EP 1 967 601 A2 vor, eine Eisenlegierung zu verwenden, welche unter anderem 5 bis 25 Gew.% Chrom enthält. Wesentlich ist bei der EP 1 967 601 A2, dass der Eisenschmelze zudem noch ein Zusatzpulver, und zwar Borcabid zugeführt wird. Bei dem Lichtbogendrahtspritzverfahren der EP 1 967 601 A2 handelt es sich um das so genannte TWAS-Verfahren, bei welchem zwei Drähte einem Spritzkopf derart zugeführt werden, dass an die Stromübertragung an die Drähte erfolgt. Berühren sich die beiden Drähte, wird durch einen permanenten Kurzschluss ein Lichtbogen gebildet, der die Drähte schmelzen lässt. Hinter der Düse befinde sich eine Düse, aus der Druckluft oder ein inertes Gas wie Stickstoff austritt. Dieser Gasstrom zerstäubt die geschmolzene Eisenlegierung und führt sie mit dem aufgeschmolzenen Borcabidpulver der zu beschichtenden Oberfläche zu.
Die DE 44 1 1 296 A1 und DE 44 47 514 A1 beschäftigen sich mit Beschichtungen mittels des Plasmaspritzens, wobei allerdings ein Metallpulver oder ein Fülldraht aufgeschmolzen werden, und wobei dem Werkstoffgemisch Stickstoff mittels metallischer Stickstoffverbindungen zugeführt wird, um die Beschichtung aufzuhärten.
Die EP 0 858 518 B1 befasst sich mit einem Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche auf einen Leichtmetallkörper durch thermisches Spritzen einer Beschichtung aus Stahl und Molybdän, wobei die Verschleißschicht mittels Plasmaspritzen aufgebracht wird. Die EP 0 858 518 B1 beschreibt allerdings, dass eine Mischung aus Stahlpulver mit Molybdänpulver verwendet wird. In der EP 1 340 834 B1 wird ein Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufflächenschicht beschrieben. Dabei wird eine rotierende Plasmaspritzvorrichtung eingesetzt, so dass der zu beschichtende Motorblock während der Beschichtung ruhen kann. Der Anteil der Poren kann abhängig z.B. von der Partikelgröße des Beschichtungspulvers gezielt beeinflusst werden.
Auch die FR 2 924 365 A1 beschäftigt sich mit dem Plasmaspritzen von Innenwänden, wobei ebenfalls ein Spritzzusatzpulver Verwendung findet. Die Kapazität der Poren in der Beschichtung soll unterschiedlich sein, was über eine Änderung der Plasmaspritzparameter wie z.B. die Größe, die Härte, die Geschwindigkeit und die Vorwärmtemperatur der Metallteilchen, bzw. des Metallpulvers möglich sein soll.
Heutige Verbrennungsmotoren bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder aus einem Leichtmetall wie z.B. Aluminium oder Magnesium gegossen sein, wobei insbesondere Leichtmetallblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind die oben genannten Verfahren bekannt.
Zum relevanten Stand der Technik der vorliegenden Erfindung zählt das so genannte PTWA-Innenbeschichtungsverfahren (Plasma Transferred Wire Are). Bei diesem Verfahren können Bohrungen (Zylinderbohrungen) mit einem drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff von innen beschichtet werden, in dem eine Düse im inneren der Bohrung um den Draht rotiert und entlang der Achse der Bohrung Verfahren wird. Die Innenwand wird so rundherum und in Axialrichtung gesehen vollständig beschichtet. Wesentlich ist bei dem PTWA-Verfahren, dass kein Metallpulver verspritzt wird, sondern ein homogener Draht aufgeschmolzen und seine Schmelztröpfchen zur zu beschichtenden Innenwand transportiert werden und hier auftreffen, so dass sich die Beschichtung bildet. Hier wird also nur ein einziger drahtförmiger Spritzzusatzwerkstoff zugeführt. Das Plasma trifft auf den vorgeheizten, drahtförmigen Spritzzusatzwerkstoff. Das Plasmagas ist meist eine Argon-Wasserstoff-Mischung. Als Transportgas bzw. Zerstäubergas wird bei dem PTWA-Verfahren Luft bzw. Druckluft eingesetzt. Die mit diesem Verfahren hergestellten Schichten zeichnen sich durch eine geringe Porosität aus. Das PTWA- Innenbeschichtungsverfahren hat sich bisher bei der Innenbeschichtung von Zylinderbohrungen, insbesondere von Leichtmetallblöcken bewährt.
Die Beschichtung weist üblicherweise Poren auf, welche die Reibung zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlauffläche reduzieren, da sich in den Poren Schmiermittel ansammeln kann. Die EP 1 340 834 B1 , EP 0 858 518 B1 und die FR 2 924 365 A1 behandeln eine Beeinflussung des Vorkommens von Poren in der Beschichtung. Ausgehend von der Tatsache, dass auch die Poren in der Beschichtung ausschlaggebend für die Reibungswiderstände zwischen den Kolbenringen und der Zylinderlauffläche ist, liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem eine diesbezüglich verbesserte Beschichtung herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bevorzugt mittels des PTWA-Innenbeschichtungsverfahrens, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Bohrung eines Verbrennungsmotors, der z.B. aus einem Leichtmetall hergestellt ist, mit einer Legierung, bevorzugt mit einer Eisenlegierung beschichtet wird, wobei eine Plasmadüse, der ein Plasmagas und ein Transportgas zugeführt wird um einen Draht rotiert und entlang einer Längsachse der Bohrung verfahrbar ist, so dass die Bohrung von innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung gesehen beschichtet wird, vorgeschlagen, bei welchem ein veränderlicher Gasstrom bzw. eine veränderliche Durchflussrate des Plasmagases und/oder des Transportgases über die axiale Länge der zu beschichtenden Bohrung einstellbar ist.
Zielführend wurde mit der Erfindung erkannt, dass der Gasstrom, sei es der Plasmagasstrom und/oder der Transportgasstrom während des Beschichtungsvorganges an unterschiedlichen Positionen entlang der Längsachse der zu beschichtenden Innenwand unterschiedliche Beträge aufweisen kann. Ist die Durchflussrate der Gase über die axiale Länge der Bohrung veränderlich, können sich je nach Durchflussratenbetrag unterschiedliche Porenanteile in der Beschichtung einstellen. Mit der Erfindung wurde vorteilhaft erkannt, dass eine geringe Gasdurchflussrate einen hohen Porenanteil und eine höhere Gasdurchflussrate einen geringen Porenanteil in der Beschichtung erzeugt. Natürlich kann die Innenbeschichtung noch nachbearbeitet, beispielsweise gehont, und/oder geläppt werden, um nur einige Nachbearbeitungsprozesse lediglich beispielhaft zu nennen.
In der Zylinderbohrung werden Kolben in bekannter Art hin und her bewegt. Die Kolbenringe stehen mit der Zylinderlauffläche, also mit der Beschichtung in Kontakt. Insbesondere im Bereich des oberen Totpunktes der Zylinderbohrung soll eine geringe Reibung vorliegen (Richtungsumkehr des Kolbens). Zielführend ist daher vorgesehen, dass die Gasdurchflussrate im Bereich des oberen Totpunktes einen niedrigen Betrag aufweist, so dass sich ein hoher Porenanteil bildet. Auch im unteren Totpunktbereich kann ein solcher hoher Porenanteil in der Beschichtung vorgesehen werden. In einem mittleren Bereich, aber auch oberhalb des oberen Totpunktbereiches kann der Porenanteil dagegen reduziert sein, weswegen eine höhere Durchflussrate eingestellt werden kann.
Die Plasmaspritzvorrichtung ist, wie bereits beschrieben in Axialrichtung entlang der Bohrung hin und her bewegbar. So kann zusammen mit der Rotation eine umfängliche Innenbeschichtung erzeugt werden. Dabei kann an einem oberen Bereich der Bohrung mit dem Spritzvorgang begonnen werden. Hier kann die Beschichtung einen geringen Porenanteil aufweisen, weswegen die Durchflussrate des Gases auf einen hohen Betrag von z.B. 1 1001/min eingestellt werden kann.
Wird die Plasmaspritzvorrichtung entlang der Längsachse in Richtung zum gegenüberliegenden Ende der Bohrung bewegt, und erreicht den oberen Totpunktbereich, ist zweckmäßig vorgesehen, die Durchflussrate zu reduzieren und auf einen niedrigen Betrag von z.B. 4501/min zu verändern, um einen hohen Porenanteil in der Beschichtung zu erzeugen. Eine geringere Durchflussrate bewirkt eine geringere Aufprallenergie der aufgeschmolzenen Drahttröpfchen auf der Innenwand.
Hat die Plasmaspritzvorrichtung den oberen Totpunktbereich in Richtung zum gegenüberliegenden Ende der Bohrung verlassen, kann wiederum eine Durchflussrate mit einem hohen Betrag von z.B. 1 1001/min eingestellt werden, so dass ebenso eine Beschichtung mit einem geringen Porenanteil erreichbar ist. Mit diesem hohen Durchflussbetrag kann nun der Rest der Innenwand der Bohrung beschichtet werden.
Möglich ist, wie bereits erwähnt, in einem unteren Totpunktbereich die Durchflussrate auf einen geringen Betrag von 4501/min zu reduzieren, so dass ein hoher Porenanteil in der Beschichtung vorhanden ist. Dies ist aber besonders im oberen Totpunktbereich vorteilhaft, wobei im unteren Totpunktbereich eine Beschichtung mit einem geringen Porenanteil ausreichend ist.
Zielführend bei der Erfindung ist also, dass über die axiale Länge der zu beschichtenden Bohrung Beschichtungsbereiche mit unterschiedlichen Porenanteilen erreichbar sind, wobei insbesondere der obere Totpunktbereich einen besonders hohen Porenanteil aufweist. Dies wird bei der Erfindung über die veränderliche Durchflussrate des Gases erreicht, wobei im oberen Totpunktbereich eine geringe Durchflussrate von z.B. 4501/min einstellbar ist.
Vorteilhaft ist, wenn das Transportgas in seiner Durchflussrate veränderlich einstellbar ist. Denkbar ist auch, wenn das Plasmagas zusammen mit dem Transportgas oder für sich in seiner Durchflussrate veränderlich einstellbar ist. Die veränderliche Einstellung der Durchflussrate ist erreichbar über ein Steuerelement, welches entsprechende Signale erhält, um die gewünschte bzw. vorteilhafteste Durchflussrate für die jeweilige Position der Spritzvorrichtung entlang der zu beschichtenden Bohrung einzustellen. Das Steuerelement kann in bevorzugter Ausführung ein schnell schaltbares Magnetventil sein, welches den Durchfluss bevorzugt stufenlos regelt. In günstiger Ausgestaltung ist das Steuerelement in der jeweiligen Zuleitung des jeweiligen Gases angeordnet.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemäße Verfahren auch zum Beschichten anderer Komponenten herangezogen werden.
Weitere Einzelheiten der Erfindung gehen aus den Figuren hervor. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Ansicht einer Plasmaspritzvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens; und
Fig. 2 einen schematischen Schnitt durch eine Zylinderbohrung mit einer nach dem
Verfahren hergestellten Beschichtung.
Figur 1 zeigt eine Düseneinheit 1 einer PTWA-Innenbeschichtungsvorrichtung. Bei dem PTWA (Plasma Transferred Wire Are) Beschichtungssystem handelt es sich um eine Anlage zur Beschichtung von Bohrungen, insbesondere von Zylindern in Motorblöcken von Verbrennungsmotoren. Die Düseneinheit 1 besteht aus einer Kathode 2, einer Plasmadüse 3, und dem elektrisch leitfähigen Legierungsdraht 4 als Anode, der senkrecht zur Plasmadüse 3 zugeführt wird. Bevorzugt wird als Werkstoff für die Kathode 2 Wolfram eingesetzt, welcher noch z.B. mit Thorium dotiert sein kann. Das Plasmagas 5, beispielsweise eine Mischung aus Argon und Wasserstoff, wird durch im Düsenkörper 6 angebrachte, tangential zum Umfang liegende Bohrungen zugeführt. Der Kathodenhalter 7 isoliert die Kathode 2 gegenüber dem Düsenkörper 6. Der Legierungsdraht 4 ist in der Drahtzuführung 15 drehbeweglich und längsverschiebbar geführt.
Der Prozess wird durch eine Hochspannungsentladung, welche das Plasmagas 5 zwischen Legierungsdraht 4, Düsenkörper 6 und Kathode 2 ionisiert und dissoziiert, gestartet. Das so erzeugte Plasma strömt mit hoher Geschwindigkeit durch die Plasmadüse 3. Dabei wird das Plasmagas 5 zum senkrecht zur Düse 3 kontinuierlich zugeführten Legierungsdraht 4 hin transportiert, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird.
Zusätzlich wird dem aus der Plasmadüse 3 austretenden Plasmastrahl 8 ein Transportgas 9 bzw. eine Zerstäubergas 9 über Zuführkanäle 10 und Hilfsdüsen 1 1 zugeführt. Das Aufschmelzen und die Zerstäubung des Legierungsdrahtes 4 werden dabei von zwei Phänomenen beeinflusst. Der Draht 4 wird zum einen durch große Stromstärken, typisch sind 65 - 90 Ampere, widerstandserhitzt. Der Aufprall des Plasmastrahls 8 auf den vorgeheizten Draht 4 sorgt für dessen Aufschmelzen am Drahtende 12. Mit anderen Worten wird innerhalb der Plasmadüse 3 mittels Hochspannungsentladung ein Plasma erzeugt. Eine gezielte Stickstoffgasströmung, also das Transportgas 9 entlang der Entladungsstrecke transportiert das Plasma und den aufgeschmolzenen Spritzwerkstoff 13 an die Oberfläche 14 der zu beschichtenden Zylinderbohrung. Bei einer solchen Plasmaspritzvorrichtung ist die Durchflussrate des Plasmagases 5 und/oder des Transportsgases 9 gemäß der Erfindung entlang der Längsachse der Bohrung veränderlich. Figur 2 zeigt einen schematischen Schnitt durch eine Zylinderbohrung 16 mit einer Beschichtung 14, wobei die Beschichtung 14 mit einer über die axiale Länge X veränderten Durchflussrate der bzw. des Gases hergestellt wurde. Die Beschichtung ist prinzipiell und lediglich beispielhaft in fünf Bereiche aufgeteilt, wobei die Dimensionen der gezeigten Bereiche, also deren axiale Erstreckung nur beispielhaft sind. Der Spritzvorgang nach dem PTWA-Innenbeschichtungsverfahren hat in einem oberen Deckenbereich 17 begonnnen. Die Spritzvorrichtung wurde von dem oberen Deckenbereich 17 in Richtung zum gegenüberliegenden Ende 18 bewegt, wobei die Düseneinheit 1 wie oben beschrieben rotiert. Erkennbar ist ein oberer Totpunktbereich 19, welcher sich an den oberen Deckenbereich 17 anschließt. An den oberen Totpunktbereich 19 schließt sich ein Mittelbereich 20 an, an den sich ein unterer Totpunktbereich 21 anschließt. An diesen schließt sich ein unterer Fußbereich 22 an. In dem oberen Deckbereich 17 aber auch im Mittelbereich 20, und auch im unteren Fußbereich 22 wurde mit einer hohen Durchflussrate gespritzt, weswegen die Beschichtung in dem jeweiligen Bereich einen geringen Porenanteil aufweist. Im oberen und unteren Totpunktbereich 19 bzw. 21 dagegen wurde mit einer geringen Durchflussrate gespritzt, weswegen die Beschichtung in dem jeweiligen Bereich einen hohen Porenanteil aufweist. Der Bereich 21 ist optional, so dass die Beschichtung auch lediglich die Bereiche 17, 19 und 20 aufweisen kann, wobei der Mittelbereich 20 bis zum Ende 18 geführt ist, und wobei mit einer hohen Durchflussrate gespritzt wurde, weswegen die Beschichtung dann in dem jeweiligen Bereich 17 und 20 (bis zum Ende 18) einen geringen Porenanteil aufweisen kann.

Claims

Patentansprüche:
1 . Verfahren zum Herstellen einer Beschichtung durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Plasmaspritzen, bei welchem eine Komponente, insbesondere eine Zylinderbuchse mit einer Legierung innenbeschichtet wird, wobei eine Plasmadüse (3), der ein Plasmagas (5), und Hilfsdüsen (1 1 ), denen ein Transportgas (9) zugeführt wird, um einen Draht (4) rotieren und entlang einer Längsachse der Bohrung (9) verfahrbar sind, so dass die Bohrung (16) von Innen rundherum und in Axialrichtung der Bohrung (16) gesehen beschichtet wird,
wobei
ein veränderlicher Gasstrom bzw. eine veränderliche Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5) über die axiale Länge (x) der zu beschichtenden Bohrung (16) einstellbar ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Plasmaspritzen ein PTWA-Innenbeschichten ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Draht (4) ein homogener Draht ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
mit einer hohen Durchflussrate des Plasmagases (5) und/oder des Transportgases (9) ein geringer Porenanteil in der Beschichtung einstellbar ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchflussrate in einem oberen Totpunktbereich (12) einen geringen Betrag von z.B. 450l/min aufweist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Durchflussrate in einem oberen Deckenbereich (10) und in einem Mittelbereich (13) einen hohen Betrag von z.B. 1 1001/min aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Steuerelement vorgesehen ist, welches die Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5) abhängig von einer axialen Position einer Plasmaspritzvorrichtung (1 ) innerhalb der Bohrung (16) steuert, wobei das Steuerelement als Magnetventil ausführbar ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der veränderliche Gasstrom bzw. bzw. die veränderliche Durchflussrate des Transportgases (9) und/oder des Plasmagases (5) während des Beschichtungsvorganges abhängig von der axialen Position innerhalb der zu beschichtenden Bohrung (16) veränderlich einstellbar ist.
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