EP3896190B1 - Verfahren und anlage zur metallischen beschichtung einer bohrungswand - Google Patents

Verfahren und anlage zur metallischen beschichtung einer bohrungswand Download PDF

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EP3896190B1
EP3896190B1 EP20169797.6A EP20169797A EP3896190B1 EP 3896190 B1 EP3896190 B1 EP 3896190B1 EP 20169797 A EP20169797 A EP 20169797A EP 3896190 B1 EP3896190 B1 EP 3896190B1
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particles
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Sturm Maschinen und Anlagenbau GmbH
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Definitions

  • the invention relates to a method for metallic coating, wherein a coating lance with an anode and a cathode is axially inserted into the bore and rotated about its longitudinal axis, an arc is generated between the anode and the cathode, into which a plasma gas mixture is introduced and ionized, wherein a plasma stream is generated, a coating powder is fed into the plasma stream and the plasma stream with the particles is sprayed onto the bore wall and a coating is formed on the bore wall, according to the preamble of claim 1.
  • the following description relates to a system for metallically coating a bore wall of a bore by means of a coating lance with an anode and a cathode, wherein the coating lance can be inserted axially into the bore and can be rotated about its longitudinal axis, a power source by means of which an arc can be generated between the anode and the cathode, into which a plasma gas mixture can be introduced via an introduction device, which is ionized in the arc to generate a plasma current, a feed device for feeding a coating powder into the plasma current and an injection nozzle which is aligned with the bore wall, wherein a coating is formed on the bore wall by the plasma current.
  • a bore wall with a special coating.
  • Various methods are known for this type of coating, such as flame spraying, laser spraying, plasma powder deposition welding or arc spraying with a melting wire electrode.
  • So-called atmospheric plasma spraying is a particularly efficient method of applying a coating.
  • a plasma flow with a high temperature of up to 2000 K or more is generated by means of an arc and the introduction of a conveying gas. Fine coating particles can be introduced into this hot plasma flow, which melt in the plasma flow and are applied to the bore wall with the plasma flow at high speed.
  • the invention is based on the object of specifying a method with which a metallic coating can be efficiently applied to a bore wall.
  • the object is achieved according to the invention on the one hand by a method with the features of claim 1.
  • Preferred embodiments of the invention are specified in the dependent claims.
  • the method according to the invention is characterized in that the coating lance is inserted into the bore at an axial feed rate of 3.8 mm/rev to 4.5 mm/rev and is rotated at a rotational speed of 420 rpm to 520 rpm and at a volume flow of conveying gas from 30 l/min to 70 l/min of coating powder is injected at a feed rate of 90 g/min to 130 g/min.
  • the ratio between the rotational speed of the burner lance in the bore and the feed rate of coating powder is crucial for producing a particularly advantageous coating.
  • a relatively high feed rate of 90 g/min to 130 g/min is provided, while a moderate rotational speed of 420 rpm to 520 rpm is provided.
  • This results in a relatively high material application per revolution which according to a finding of the invention is advantageous for a microporous structure of the coating.
  • the coating particles are sufficiently melted, at least on their outside, so that they form a solid bond.
  • the degree between melting and rapid cooling is particularly advantageous, resulting in a desired microporous layer structure. This is further supported by setting the feed gas in a range of 30 l/min to 70 l/min.
  • a preferred embodiment of the method consists in setting an axial feed rate of 4.1 mm/rev to 4.2 mm/rev. This results in a particularly stable layer structure with the desired structure. It is particularly preferred if the axial feed rate is 4.13 mm/rev.
  • a particularly good heating of the plasma current is achieved by setting a discharge current of 300 A to 400 A, in particular 360 A, between the anode and the cathode.
  • a good surface application to the bore wall is also achieved by spraying the plasma stream with the particles using an injection nozzle that has a diameter of 1 mm to 2 mm, preferably 1.5 mm.
  • the lance is located in the middle of the bore, which preferably has a diameter of 7 cm to 15 cm.
  • a flat nozzle with the same or a similar opening area can also be used, which can, for example, have a size of 1 mm by 3 mm.
  • the injection nozzle is inclined upwards by 5° to 20°, in particular between 8° and 12°, particularly preferably by 10°, relative to the longitudinal axis. This allows a largely radially directed material application to be achieved, since the inclination can compensate for a deviation caused by the axial feed.
  • the coating can be applied in a single axial application.
  • a particularly stable coating structure can be achieved according to a process variant according to the invention by building up the coating using several coating layers, in particular three to six coating layers, with each coating layer being formed by an axial overflow of the coating lance. It is particularly advantageous if four axial overflows are made with the coating lance over the bore wall.
  • a particularly stable coating is achieved by forming a layer thickness of 150 ⁇ m to 300 ⁇ m, in particular 250 ⁇ m. With four overflows, a layer thickness of between 60 ⁇ m and 70 ⁇ m can be applied.
  • the plasma gas mixture can basically be formed in any suitable way. According to a further development of the invention, it is particularly advantageous that the plasma gas mixture is formed using argon, hydrogen, nitrogen and/or helium. These elements lead to a particularly effective plasma flow for the coating process.
  • the coating powder can be supplied by a carrier gas.
  • the rotational speed of the coating lance it is particularly advantageous to set a rotational speed of 450 rpm to 465 rpm, in particular 459 rpm. According to a finding of the invention, a particularly good and stable material application results in this speed range.
  • a preferred setting range is to set a volume flow of the plasma gas mixture between 40 l/min and 50 l/min, preferably 44 l/min. This can ensure a good conveying effect for the coating powder. can be achieved, whereby at the same time a necessary but not excessive cooling of the plasma stream occurs.
  • argon at 40 l/min and hydrogen at 4 l/min can be used to form the plasma gas mixture.
  • the feed rate of the coating powder is set to 110 g/min.
  • commercially available coating powder for plasma spraying can be used for the coating.
  • a coating powder with iron particles and/or other metals with an average particle size of between 100 nanometers and 100 ⁇ m. It is particularly preferred that these particles melt completely or incompletely in the heated plasma stream, i.e. only on their upper side, and thus have a droplet shape when they hit the coating wall.
  • This allows a coating to be composed of approximately spherical elements, which, through targeted cooling, form a coating structure with micro-free spaces in between.
  • there is no continuous solid connection but the melted and cooling coating particles are only connected to one another in certain areas, with preferably between 2% and 20% of the coating volume being formed by pore cavities.
  • the described system is characterized in that a control is provided and designed so that the coating lance can be inserted into the bore at a uniform axial feed rate of 3.8 mm/rev to 4.5 mm/rev and can be rotated at a rotational speed of 420 rpm to 520 rpm and a volume flow of conveying gas of 30 l/min to 70 l/min and a feed rate of coating powder in a plasma flow of 90 g/min to 130 g/min is set.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur metallischen Beschichtung, wobei eine Beschichtungslanze mit einer Anode und einer Kathode axial in die Bohrung eingefahren und dabei um ihre Längsachse gedreht wird, zwischen der Anode und der Kathode ein Lichtbogen erzeugt wird, in welchen ein Plasmagasgemisch eingeleitet und ionisiert wird, wobei ein Plasmastrom erzeugt wird, ein Beschichtungspulver in den Plasmastrom zugeführt wird und der Plasmastrom mit den Partikeln auf die Bohrungswand gedüst wird und an der Bohrungswand eine Beschichtung gebildet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Weiterhin betrifft die folgende Beschreibung eine Anlage zur metallischen Beschichtung einer Bohrungswand einer Bohrung mittels einer Beschichtungslanze mit einer Anode und einer Kathode, wobei die Beschichtungslanze axial in die Bohrung einfahrbar und dabei um ihre Längsachse drehbar ist, einer Stromquelle, durch welche zwischen der Anode und der Kathode ein Lichtbogen erzeugbar ist, in welchen über eine Einleiteinrichtung ein Plasmagasgemisch einleitbar ist, welches in dem Lichtbogen zur Erzeugung eines Plasmastromes ionisiert wird, einer Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Beschichtungspulvers in den Plasmastrom und einer Injektionsdüse, welche auf die Bohrungswand ausgerichtet ist, wobei durch den Plasmastrom auf der Bohrungswand eine Beschichtung gebildet wird.
  • Insbesondere im Motorenbau ist es erforderlich, die Laufflächen von Zylinderbohrungen mit einer speziellen metallischen Beschichtung zu versehen, damit hinreichende Reibungs- und Schmierbedingungen zwischen der Zylinderlauffläche und einem Zylinderkolben gewährleistet sind. Dies gilt vor allem dann, wenn sowohl das Motorengehäuse als auch der Zylinderkolben aus demselben Metall, etwa aus Aluminium, gefertigt sind.
  • Hierzu ist es bekannt, eine Bohrungswand mit einer speziellen Beschichtung zu versehen. Für eine derartige Beschichtung sind verschiedene Verfahren bekannt, so etwa das sogenannten Flammspritzen, das Laserspritzen, das Plasma-Pulver-Auftragsschweißen oder ein Lichtbogenspritzen mit aufschmelzender Drahtelektrode. Ein besonders effizientes Aufbringen einer Beschichtung stellt das sogenannte atmosphärische Plasmaspritzen dar. In einer Brennerlanze wird dabei mittels eines Lichtbogens und Einleiten eines Fördergases ein Plasmastrom mit einer hohen Temperatur von bis zu 2000 K oder mehr erzeugt. In diesen heißen Plasmastrom können feine Beschichtungspartikel eingeleitet werden, welche in dem Plasmastrom aufschmelzen und mit dem Plasmastrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Bohrungswand aufgebracht werden.
  • Ein gattungsgemäßes Verfahren geht beispielsweise aus der EP 2 933 352 A1 hervor. Die WO 2017/202852 A1 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff aus Anspruch 1.
  • Beim Aufbringen der Beschichtung ist es maßgeblich, dass diese stabil ausgebildet wird. Diese muss insbesondere bei einem Einsatz im Motorenbau eine lange Lebensdauer von vielen Jahren aufweisen, wobei die Beschichtung hohen thermischen, mechanischen und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Dabei kann bereits ein Lösen selbst kleinerer Bestandteile der Beschichtung zu schweren Motorschäden führen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit welchen eine metallische Beschichtung auf eine Bohrungswand effizient aufbringbar ist.
  • Die Aufgabe wird nach der Erfindung zum einen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslanze mit einer axialen Vorschubgeschwindigkeit von 3,8 mm/U bis 4,5 mm/U in die Bohrung eingefahren und mit einer Drehgeschwindigkeit von 420 U/min bis 520 U/min gedreht wird und bei einem Volumenstrom an Fördergas von 30 l/min bis 70 l/min Beschichtungspulver mit einer Zufuhrrate von 90 g/min bis 130 g/min eingedüst wird.
  • Nach der Erfindung wurde erkannt, dass für das Erzeugen einer besonders vorteilhaften Beschichtung es maßgeblich auf ein Verhältnis zwischen der Rotationsgeschwindigkeit der Brennerlanze in der Bohrung zu einer Zuführrate an Beschichtungspulver ankommt. Dabei wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren eine relativ hohe Förderrate von 90 g/min bis 130 g/min vorgesehen, während eine mäßige Drehgeschwindigkeit von 420 U/min bis 520 U/min vorgesehen werden. Es erfolgt so ein relativ starker Materialauftrag pro Umdrehung, wobei nach einer Erkenntnis der Erfindung dies vorteilhaft für einen mikroporösen Aufbau der Beschichtung ist. Gleichzeitig werden die Beschichtungspartikel zumindest an ihrer Außenseite so hinreichend aufgeschmolzen, dass diese einen festen Verbund bilden. Bei einer erhöhten Zuführrate pro Umdrehung in dem angegebenen Einstellbereich ist der Grad zwischen Aufschmelzung und schneller Erkaltung besonders vorteilhaft, so dass sich ein gewünschter mikroporöser Schichtaufbau ergibt. Dieser wird noch durch die Einstellung des Fördergases in einem Bereich von 30 l/min bis 70 l/min unterstützt.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass eine axiale Vorschubgeschwindigkeit von 4,1 mm/U bis 4,2 mm/U eingestellt wird. Hierbei ergibt sich ein besonders stabiler Schichtaufbau mit der gewünschten Struktur. Besonders bevorzugt ist es, wenn die axiale Vorschubgeschwindigkeit 4,13 mm/U beträgt.
  • Eine besonders gute Aufheizung des Plasmastroms wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch bewirkt, dass zwischen der Anode und der Kathode ein Entladungsstrom von 300 A bis 400 A, insbesondere von 360 A, eingestellt wird.
  • Ein guter Flächenauftrag auf die Bohrungswand wird weiterhin dadurch erzielt, dass der Plasmastrom mit den Partikeln mit einer Injektionsdüse aufgedüst wird, welche einen Durchmesser von 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 1,5 mm aufweist. Die Lanze befindet sich dabei in der Mitte der Bohrung, welche vorzugsweise einen Durchmesser von 7 cm bis 15 cm aufweist. Neben einer zylindrischen Düse kann auch eine Flachdüse mit gleicher oder ähnlicher Öffnungsfläche zum Einsatz kommen, welche beispielsweise eine Größe von 1 mm mal 3 mm haben kann.
  • Für einen gezielten Materialauftrag ist es im Hinblick auf den relativ großen axialen Vorschub vorteilhaft, dass die Injektionsdüse gegenüber der Längsachse um 5° bis 20°, insbesondere zwischen 8° bis 12°, besonders bevorzugt um 10° nach oben geneigt wird. Hierdurch kann ein weitgehend radial gerichteter Materialauftrag erreicht werden, da durch die Neigung eine Abweichung durch den axialen Vorschub kompensiert werden kann.
  • Grundsätzlich kann die Beschichtung in einem einzigen axialen Auftrag erfolgen. Eine besonders stabile Struktur der Beschichtung kann nach einer erfindungsgemäßen Verfahrensvariante dadurch erzielt werden, dass die Beschichtung durch mehrere Beschichtungslagen, insbesondere drei bis sechs Beschichtungslagen, aufgebaut wird, wobei eine Beschichtungslage jeweils durch einen axialen Überlauf der Beschichtungslanze gebildet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn vier axiale Überläufe mit der Beschichtungslanze über die Bohrungswand erfolgen.
  • Eine besonders stabile Beschichtung ergibt sich insbesondere dadurch, dass eine Schichtdicke von 150 µm bis 300 µm, insbesondere von 250 µm gebildet wird. Bei vier Überläufen kann so insbesondere eine Schichtdicke zwischen 60 µm bis 70 µm aufgebracht werden.
  • Das Plasmagasgemisch kann in grundsätzlich jeder geeigneten Weise ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es nach einer Weiterbildung der Erfindung, dass das Plasmagasgemisch unter Verwendung von Argon, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Helium gebildet wird. Diese Elemente führen zu einem besonders wirksamen Plasmastrom für das Beschichtungsverfahren. Das Beschichtungspulver kann durch ein Trägergas zugefördert werden.
  • Hinsichtlich der Drehzahl der Beschichtungslanze ist es besonders vorteilhaft, dass eine Drehgeschwindigkeit von 450 U/min bis 465 U/min, insbesondere von 459 U/min, eingestellt wird. Nach einer Erkenntnis der Erfindung ergibt sich in diesem Drehzahlbereich ein besonders guter und stabiler Materialauftrag.
  • Hinsichtlich des Plasmagasgemisches liegt ein bevorzugter Einstellbereich darin, dass ein Volumenstrom des Plasmagasgemisches von 40 l/min bis 50 l/min, vorzugsweise von 44 l/min, eingestellt wird. Hierdurch kann eine gute Förderwirkung für das Beschichtungspulver erzielt werden, wobei sich gleichzeitig eine notwendige aber nicht zu hohe Abkühlung des Plasmastromes ergibt. Vorzugsweise kann dabei Argon mit 40 l/min und Wasserstoff mit 4 l/min zum Bilden des Plasmagasgemisches zum Einsatz kommen.
  • Weiterhin ist es besonders zweckmäßig, dass die Zuführrate des Beschichtungspulvers auf 110 g/min eingestellt wird. Für die Beschichtung kann grundsätzlich handelsübliches Beschichtungspulver zum Plasmaspritzen eingesetzt werden.
  • Besonders vorteilhaft ist es dabei, dass ein Beschichtungspulver mit Eisenpartikeln und/oder weiteren Metallen verwendet wird, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel zwischen 100 Nanometer bis 100 µm liegt. Besonders bevorzugt ist es dabei, dass diese Partikel in dem aufgeheizten Plasmastrom vollständig oder nicht vollständig aufschmelzen, also nur an ihrer Oberseite, und so eine Tropfenform beim Auftreffen auf die Beschichtungswand aufweisen. Hierdurch kann sich eine Beschichtung aus etwa kugelförmigen Elementen zusammensetzen, welche durch ein gezieltes Erkalten eine Beschichtungsstruktur mit dazwischen liegenden Mikrofreiräumen bilden. Insbesondere ergibt sich keine durchgehende feste Verbindung, sondern die aufgeschmolzenen und erkaltenden Beschichtungspartikel sind nur bereichsweise miteinander verbunden, wobei vorzugsweise zwischen 2 % bis 20 % des Beschichtungsvolumens durch Porenhohlräume gebildet sind.
  • Die beschriebene Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen und ausgelegt ist, so dass die Beschichtungslanze mit einer gleichmäßigen axialen Vorschubgeschwindigkeit von 3,8 mm/U bis 4,5 mm/U in die Bohrung einfahrbar und mit einer Drehgeschwindigkeit von 420 U/min bis 520 U/min drehbar ist und ein Volumenstrom an Fördergas von 30 l/min bis 70 l/min und einer Zuführrate an Beschichtungspulver in einen Plasmastrom von 90 g/min bis 130 g/min eingestellt ist.

Claims (12)

  1. Verfahren zur metallischen Beschichtung einer Bohrungswand einer Bohrung, in einem Werkstück, insbesondere einer Lauffläche einer Zylinderbohrung in einem Motorblock, mittels atmosphärischen Plasmaspritzens, wobei
    - eine Beschichtungslanze mit einer Anode und einer Kathode axial in die Bohrung eingefahren und dabei um ihre Längsachse gedreht wird,
    - zwischen der Anode und der Kathode ein Lichtbogen erzeugt wird, in welchen ein Plasmagasgemisch eingeleitet und ionisiert wird, wobei ein Plasmastrom erzeugt wird,
    - ein Beschichtungspulver in den Plasmastrom zugeführt wird,
    - der Plasmastrom mit den Partikeln auf die Bohrungswand gedüst wird und an der Bohrungswand eine Beschichtung gebildet wird, und
    - die Partikel des Beschichtungspulvers in dem Plasmastrom aufgeschmolzen werden und eine mit Mikroporen versehene Beschichtung erzeugt wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Beschichtungslanze mit einer axialen Vorschubgeschwindigkeit in die Bohrung eingefahren und mit einer Drehgeschwindigkeit von 420 U/min bis 520 U/min gedreht wird und bei einem Volumenstrom an Plasmagasgemisch von 30 l/min bis 70 l/min Beschichtungspulver mit einer Zuführrate von 90 g/min bis 130 g/min eingedüst wird, und
    dass eine axiale Vorschubgeschwindigkeit von 3,8 mm/U bis 4,5 mm/U eingestellt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine axiale Vorschubgeschwindigkeit von 4,1 mm/U bis 4,2 mm/U eingestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass zwischen der Anode und der Kathode ein Entladungsstrom von 300 A bis 400 A, insbesondere von 360 A, eingestellt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Plasmastrom mit den Partikeln mit einer Injektionsdüse aufgedüst wird, welche einen Durchmesser von 1 mm bis 2 mm, vorzugsweise von 1,5 mm aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Injektionsdüse gegenüber der Längsachse um 5° bis 20°, insbesondere zwischen 8° bis 12°, nach oben geneigt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Beschichtung durch mehrere Beschichtungslagen, insbesondere drei bis sechs Beschichtungslagen, aufgebaut wird, wobei eine Beschichtungslage jeweils durch einen axialen Überlauf der Beschichtungslanze gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Schichtdicke von 150 µm bis 300 µm, insbesondere von 250 µm gebildet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das Plasmagasgemisch unter Verwendung von Argon, Wasserstoff, Stickstoff und/oder Helium gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass eine Drehgeschwindigkeit von 450 U/min bis 465 U/min, insbesondere von 459 U/min, eingestellt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Volumenstrom des Plasmagasgemisches von 40 l/min bis 50 l/min, vorzugsweise von 44 l/min, eingestellt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Förderrate des Beschichtungspulvers auf 110 g/min eingestellt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass ein Beschichtungspulver mit Eisenpartikeln und/oder weiteren Metallen verwendet wird, wobei eine durchschnittliche Größe der Partikel zwischen 100 nm bis 100 µm liegt.
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