WO2014106573A1 - Verfahren zum thermischen beschichten einer oberfläche - Google Patents

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WO2014106573A1
WO2014106573A1 PCT/EP2013/076817 EP2013076817W WO2014106573A1 WO 2014106573 A1 WO2014106573 A1 WO 2014106573A1 EP 2013076817 W EP2013076817 W EP 2013076817W WO 2014106573 A1 WO2014106573 A1 WO 2014106573A1
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WO
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secondary gas
gas
overpressure
coated
cylinder bore
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/076817
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English (en)
French (fr)
Inventor
Urban Morawitz
Clemens Maria Verpoort
Leander Schramm
Enrico Hauser
Original Assignee
Ford-Werke Gmbh
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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

Definitions

  • the present invention relates to a method for thermally coating a surface having the features of claim 1.
  • the devices mentioned there together have: a wire feed device for feeding a consumable wire, the wire acting as an electrode; a source of plasma gas for generating a plasma gas stream; a nozzle body having a nozzle opening through which the plasma gas stream is passed as a plasma jet to a wire end; and a second electrode disposed in the plasma gas stream prior to entering the nozzle orifice.
  • a wire feed device for feeding a consumable wire, the wire acting as an electrode
  • a source of plasma gas for generating a plasma gas stream
  • a nozzle body having a nozzle opening through which the plasma gas stream is passed as a plasma jet to a wire end
  • a second electrode disposed in the plasma gas stream prior to entering the nozzle orifice.
  • US 6,610,959 B2 and WO2012 / 95371 A1 are concerned with such devices. Between the two electrodes forms an arc through the nozzle opening.
  • the plasma jet emerging from the nozzle opening strikes the end of the wire, where it causes the wire to melt off with the arc and to remove the molten wire material in the direction of the surface to be coated.
  • Secondary air jets are provided around the nozzle orifice to form a secondary gas jet which strikes the material melted from the wire end to effect an acceleration of transport toward the surface to be coated and a secondary atomization of the molten wire material.
  • Today's internal combustion engines or their engine blocks can be cast from a metal or light metal, such as aluminum, in particular aluminum blocks have an iron or metal layer on their cylinder bores. The metal layer may be thermally sprayed.
  • a coating of the cylinder bores is advantageous because it can produce a coating which has a positive effect on a reduced wear factor, on an extended life of the engine with lower oil consumption compared to conventional liners by means of cast liners made of gray cast iron material.
  • DE 10 2009 049 323 B4 discloses an arc wire spraying for coating a cylinder-piston running surface in which nitrogen-enriched air is used as the carrier gas, whereby an iron-based coating of unalloyed steel, preferably a FeC 0.8 coating, is produced.
  • the coating has a pore area fraction that decreases from the lower end of the cylinder piston tread to the opposite upper end of the cylinder piston tread.
  • thermal spray coatings offer the possibility of having a positive influence on the oil balance in lubricated contacts, thus supporting the construction of hydrodynamic lubricating films. Applied to the cylinder wall of an internal combustion engine, this leads to a significant minimization of friction in the piston group. Almost half of all friction losses occur between piston group and raceway.
  • the pores in the sprayed layers provide additional oil retention volume so that the oil retention volume in the honing structure can be reduced. As a result, the honing itself can be made significantly finer, whereby the coefficient of friction of the cylinder bore can be partially reduced considerably. For example, in PTWA coating, a wire is melted.
  • the molten particles are accelerated via a Zerstäubermedium and sprayed rotating on the cylinder surface.
  • the resulting layer is clamped mechanically in the roughened cylinder wall.
  • the layer can be honed almost conventionally, during the honing process, the pores are exposed in the layer, which can thus serve as oil pockets. Number, size and shape of the pores can be adjusted by means of the spray parameters in a wide range.
  • the additional oil reservoirs reduce the demands on the depths of the hay with respect to the oil holding capacity, so that the honeyself can be made even finer.
  • the reduced roughness of the honed surface results in reduced friction between the relatively moving surfaces.
  • the invention has for its object to provide an improved method for thermal coating of surfaces, with which the friction between relative to each other moving surfaces, in particular between the cylinder bore and piston rings can be further reduced.
  • a method for thermally coating a surface comprises at least the steps:
  • a thermal coating apparatus having at least a housing, a cathode, and an anode formed as a consumable wire, wherein particles of the consumable anode are transported in a spray to a surface to be coated, and
  • the device for thermal coating is a device rotating about its central axis, with which, in particular, cylinder liners of cylinder blocks of internal combustion engines are coated can be (rotating single-wire spraying). Simultaneously with the rotation, the device moves back and forth along the vertical axis of the cylinder bore. It is conceivable that the said relative movements are also performed by the cylinder bore, which is in communication with a corresponding movement device. Targeting is due to the rotation and due to the linear reciprocating motion that the pressure is generated around the device to the surface to be coated, wherein it is further preferred that the overpressure in the entire cylinder liner opening to be coated, ie in the cylinder bore is generated ,
  • a plasma is an ionized gas.
  • the device is preferably supplied with a primary gas.
  • a primary gas is a gas or gas mixture for generating a plasma by different processes, e.g. by voltage discharge.
  • the primary gas may be argon, nitrogen, a mixture of inert gases or a mixture of the exemplary gases with hydrogen and / or helium.
  • the primary gas is an argon-hydrogen mixture to produce the reducing atmosphere in the spray jet.
  • nitrogen or other inert gases, gas mixtures of inert gases, or other gas mixtures can be used.
  • the gases mentioned are merely exemplary.
  • the primary gas is ionizable, so that an arc between the cathode and the wire end (anode) is ignitable, whereby it is expedient that e.g. by means of the hydrogen, a reducing atmosphere is generated in the spray jet.
  • the secondary gas is preferably an inert gas, more preferably argon, even more preferably nitrogen.
  • the secondary gas ie the volume flow of the secondary gas is divided so that only a portion of the secondary gas transports the melted particles to the surface to be coated, while the other part of the secondary gas forms the overpressure in the cylinder bore.
  • the secondary gas is an inert gas, preferably nitrogen, in order to form an overpressure with inert gases, so that virtually a protective gas atmosphere is formed in the cylinder bore.
  • the secondary gas is divided such that about 25 to 55% by volume, preferably about 35 to 45% by volume, more preferably about 39% by volume of the total secondary gas volume flow conveys the molten particles to the surface to be coated, while the other part of the secondary gas overpressures in the Cylinder bore forms.
  • the amount of secondary gas in this case depends on the bore diameter for generating a slight overpressure.
  • the particle velocity is determined by the flow velocity of the secondary gas in the secondary gas holes of the secondary gas nozzle. This means that by using smaller bore diameters with the same bore arrangement, less secondary gas is needed for the same particle velocity.
  • Targeting in the sense of the invention is when a first part of the device supplied secondary gas volume flow in the cylinder path preferably forms the overpressure with inert gas, which means that the relevant first secondary gas part volume flow as the other, second secondary gas part volume flow exits the housing without the first Partial secondary gas volume flow but transported molten particles to be coated surface.
  • the second secondary gas part volume flow exits the nozzle opening, and transports the molten particles to the surface to be coated.
  • the first secondary gas part volume flow can exit the housing directly opposite the outlet opening of the second secondary gas part volume flow.
  • first secondary gas part volume flow can exit at other outlet openings of the housing, wherein the outlet openings are arranged for example laterally, these secondary gas streams are still used for cooling the housing can, which may also apply to the second secondary gas part volume flow. It is also possible to guide the first secondary gas volume flow through openings in a nozzle ring to the outside, so as not only to generate the overpressure within the cylinder bore opening, but also to avoid buildup of spray dust on the nozzle ring. Of course, the first secondary gas volume flow can also be divided in order to be guided at different points, which are exemplified above, to the outside, so that in the cylinder bore a slight overpressure relative to the outer of the cylinder bore is formed.
  • the secondary gas stream can also be used as a cooling medium for the device, which can also be referred to as a burner.
  • the formation of an overpressure in the cylinder bore opening can be achieved by the cylinder bore opening is blocked, in a further favorable masks example in the embodiment as diaphragms on an opening side, preferably opposite to the introduction side of the device in the cylinder bore Opening side, so for example, the lower opening can be used.
  • These measures are particularly advantageous for larger cylinder bores and / or cost-effective reduction of the secondary gas or inert gas demand.
  • these measures are to be designed so that in particular the linear reciprocating movement of the device is not hindered within the cylinder liner opening to be coated.
  • the overpressure, including the secondary gas volume flow in question should be such that the surface can be coated with the required parameters. This means that the "spray jet", that is, the molten particles transported by the secondary gas part volume flow on their Path to the surface to be coated not or only slightly distracted.
  • this embodiment is naturally encompassed by the invention. It is also included that, in addition, another gas stream (inert gas, eg argon, nitrogen) is passed directly into the cylinder bore, if the coating result is not adversely affected thereby, of course, this gas flow quasi as the primary gas flow and secondary gas flow third gas flow in to initiate the housing, and then let emerge at the desired location.
  • another gas stream in the cylinder bore
  • the protective gas atmosphere in the cylinder bore can thus be achieved by means of the split secondary gas flow and / or by means of the separately supplied third inert gas flow
  • the third inert gas flow can also be passed through the burner, and exits at a given point, the third inert gas flow but also, for example the above-mentioned masking can be introduced from the outside into the cylinder bore.
  • Target is here when the pressure in the cylinder bore recorded, that is measured so as to control the supply of inert gas, so the third gas stream and regulate.
  • a pressure difference between the exterior of the cylinder bore and the interior of the cylinder bore can be determined in a preferred embodiment.
  • the reducing atmosphere is produced in the spray jet, which is achieved with a primary gas, which preferably has an argon Hydrogen mixture is.
  • the argon-hydrogen mixture for example, will have a higher argon content.
  • oxide formation of the molten particles is prevented, on the one hand due to the reduced particle impact velocity and, on the other hand, due to the avoidance or reduction of the exothermic reaction on the particle surfaces (the particles cool off faster) only a partial transformation the impinging particle is formed, which in turn leads to a correspondingly larger area distribution of the pores but also in terms of the size of the individual pores.
  • a pore content of eg 8-12% can be achieved, and also with regard to the area distribution along and in the circumferential direction of the cylinder bore but also in terms of the size of the individual pores themselves. This leads to a considerable reduction in friction of 10 to 15%. , based on a pore content of 2 to 4%.
  • the invention provides a process for thermal coating in which friction losses, e.g. between piston rings and the cylinder bore can be significantly reduced, since the pore fraction seen both in terms of the area distribution along and in the circumferential direction of the cylinder bore but also in terms of the size of the individual pores itself is increased.
  • the consumable wire is an iron-based alloy, so that a FeC 0.8 coating is preferably formed.
  • the coated cylinder liner can be processed after the coating process, for example honed. Other preparatory measures and reworking, known coating methods can be carried out.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche, umfassend zumindest die Schritte: Einleiten zumindest eines Primärgases und eines Sekundärgases in eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten, welche zumindest ein Gehäuse, eine Kathode, und eine als abschmelzenden Draht ausgeführte Anode aufweist, wobei Partikel der abschmelzenden Anode in einem Spritzstrahl zu einer zu beschichtenden Oberfläche transportiert werden, und Erzeugen eines Überdruckes zumindest zwischen der Vorrichtung und der zu beschichtenden Oberfläche, und Erzeugen einer reduzierenden Atmosphäre in dem Spritzstrahl.

Description

Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Anspruchs 1 .
Verfahren und Vorrichtungen zum thermischen Beschichten einer Oberfläche sind zum Beispiel in der US 6,372,298 B1 , der US 6,706,993 B1 und der WO2010/1 12567 A1 beschrieben. Die dort genannten Vorrichtungen weisen gemeinsam auf: Eine Drahtzuführeinrichtung zur Zuführung eines abschmelzenden Drahtes, wobei der Draht als Elektrode wirkt; eine Quelle für Plasmagas zur Erzeugung eines Plasmagasstromes; einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, durch die der Plasmagasstrom als Plasmagasstrahl auf ein Drahtende geleitet wird; und einer zweiten Elektrode, die im Plasmagasstrom angeordnet ist, bevor dieser in die Düsenöffnung eintritt. Auch die US 6,610,959 B2 und die WO2012/95371 A1 beschäftigen sich mit solchen Vorrichtungen. Zwischen den beiden Elektroden bildet sich durch die Düsenöffnung hindurch ein Lichtbogen aus. Der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl trifft auf das Drahtende und bewirkt dort mit dem Lichtbogen ein Abschmelzen des Drahtes und den Abtransport des geschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche. Ringförmig um die Düsenöffnung herum sind Sekundärluftdüsen angebracht, durch die ein Sekundärgasstrahl erzeugt wird, der das vom Drahtende abgeschmolzene Material trifft und so eine Beschleunigung des Transportes in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche und eine Sekundärzerstäubung des geschmolzenen Drahtmaterials bewirkt. Heutige Verbrennungsmotoren bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium gegossen sein, wobei insbesondere Aluminiumblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind neben Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF- Spritzverfahren und Plasma-Pulver-Spritzverfahren die oben genannten Verfahren als Plasma-Draht-Sp tzverfahren oder auch als PTWA (Plasma Transferred Wire Are) bekannt. Eine Beschichtung der Zylinderbohrungen ist dahin vorteilhaft, weil so eine Beschichtung hergestellt werden kann, welche sich positiv auf einen reduzierten Verschleißfaktor, auf eine verlängerte Lebensdauer des Motors bei geringerem Ölverbrauch im Vergleich zu konventionellen Auskleidungen mittels eingegossener Laufbuchsen aus Graugussmaterial auswirkt.
Die DE 10 2009 049 323 B4 offenbart ein Lichtbogendrahtspritzen zum Beschichten einer Zylinder-Kolbenlauffläche bei dem als Trägergas mit Stickstoff angereicherte Luft verwendet wird, wobei eine Beschichtung auf Eisenbasis aus unlegiertem Stahl, bevorzugt eine FeC0,8 Beschichtung erzeugt wird. Die Beschichtung weist einen Porenflächenanteil auf, der vom unteren Ende der Zylinder-Kolbenlauffläche zum gegenüberliegenden oberen Ende der Zylinder-Kolbenlauffläche abnimmt.
Thermische Spritzschichten bieten aufgrund ihrer porösen Struktur die Möglichkeit, in geschmierten Kontakten positiven Einfluss auf den Ölhaushalt zu nehmen, und so den Aufbau hydrodynamischer Schmierfilme zu unterstützen. Auf die Zylinderwand eines Verbrennungsmotors aufgebracht, führt dies zu einer deutlichen Minimierung der Reibung in der Kolbengruppe. Nahezu die Hälfte aller Reibungsverluste entsteht zwischen Kolbengruppe und Laufbahn. Die Poren in den Spritzschichten bieten ein zusätzliches Ölrückhaltevolumen an, so dass daher das Ölrückhaltevolumen in der Honstruktur reduziert werden kann. Infolge dessen kann die Honung selbst deutlich feiner gestaltet werden, wodurch der Reibwert der Zylinderlaufbahn teilweise erheblich gesenkt werden kann. Beispielsweise bei der PTWA-Beschichtung wird ein Draht aufgeschmolzen. Die schmelzflüssigen Partikel werden über ein Zerstäubermedium beschleunigt und rotierend auf die Zylinderoberfläche aufgespritzt. Die dadurch entstehende Schicht verklammert sich mechanisch in der aufgerauten Zylinderwand. Die Schicht kann nahezu konventionell gehont werden, wobei bei dem Honvorgang die Poren in der Schicht freigelegt werden, welche damit als Öltaschen dienen können. Anzahl, Größe und Gestalt der Poren können mittels der Spritzparameter in weiten Bereichen eingestellt werden. Die zusätzlichen Ölreservoire setzen dabei die Anforderungen an die Hontiefen bezüglich des Ölhaltevemögens herab, so dass die Honung selbst feiner gestaltet werden kann. Die reduzierte Rauheit der gehonten Oberfläche führt zu verringerter Reibung zwischen den relativ zueinander bewegten Oberflächen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum thermischen Beschichten von Oberflächen anzugeben, mit welchem die Reibung zwischen relativ zu einander bewegten Oberflächen, insbesondere zwischen der Zylinderlaufbahn und Kolbenringen weiter verringert werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe gelingt durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . 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. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Bildern zusätzlich.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche zumindest die Schritte:
Einleiten zumindest eines Primärgases und eines Sekundärgases in eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten, welche zumindest ein Gehäuse, eine Kathode, und eine als abschmelzenden Draht ausgeführte Anode aufweist, wobei Partikel der abschmelzenden Anode in einem Spritzstrahl zu einer zu beschichtenden Oberfläche transportiert werden, und
Erzeugen eines Überdruckes zumindest zwischen der Vorrichtung und der zu beschichtenden Oberfläche, und Erzeugen einer reduzierenden Atmosphäre in dem Spritzstrahl.
In bevorzugter Ausgestaltung ist die Vorrichtung zum thermischen Beschichten eine um ihre Zentralachse rotierende Vorrichtung, mit welcher insbesondere Zylinderlaufbahnen von Zylinderblöcken von Verbrennungsmotoren beschichtet werden können (Rotierendes Eindraht-Spritzen). Zugleich mit der Rotation bewegt sich die Vorrichtung entlang der Hochachse der Zylinderlaufbahn hin und her. Denkbar ist, dass die genannten Relativbewegungen auch von der Zylinderlaufbahn ausgeführt werden, welche mit einer entsprechenden Bewegungsvorrichtung in Verbindung steht. Zielführend ist aufgrund der Rotation und aufgrund der linearen Hin- und Herbewegung, dass der Überdruck um die Vorrichtung herum bis zur zu beschichtenden Oberfläche erzeugt wird, wobei weiter bevorzugt ist, dass der Überdruck in der gesamten zu beschichtenden Zylinderlaufbahnöffnung, also in der Zylinderbohrung erzeugt wird.
Ein Plasma ist im Sinne der Erfindung ein ionisiertes Gas. Der Vorrichtung wird bevorzugt ein Primärgas zugeführt. Ein Primärgas ist ein Gas oder Gasgemisch zur Erzeugung eines Plasmas durch unterschiedliche Prozesse, wie z.B. durch Spannungsentladung. Das Primärgas kann Argon, Stickstoff, eine Mischung inerter Gase oder eine Mischung der beispielhaften Gase mit Wasserstoff und/oder Helium sein. In bevorzugter Ausgestaltung ist das Primärgas eine Argon- Wasserstoffmischung, um die reduzierende Atmosphäre in dem Spritzstrahl zu erzeugen. Als Sekundärgas können Argon, Stickstoff oder andere inerte Gase, Gasgemische aus inerten Gasen, oder andere Gasgemische eingesetzt werden. Natürlich sind die genannten Gase lediglich beispielhaft zu verstehen. Günstig ist aber, dass zumindest das Primärgas ionisierbar ist, so dass ein Lichtbogen zwischen der Kathode und dem Drahtende (Anode) zündbar ist, wobei zielführend ist, dass z.B. mittels des Wasserstoffes eine reduzierende Atmosphäre in dem Spritzstrahl erzeugt wird. Das Sekundärgas ist bevorzugt ein inertes Gas, weiter bevorzugt Argon, noch weiter bevorzugt Stickstoff.
Zweckmäßig im Sinne der Erfindung ist, wenn das Sekundärgas, also der Volumenstrom des Sekundärgases aufgeteilt wird, so dass nur ein Teil des Sekundärgases die ausgeschmolzenen Partikel zu der zu beschichtenden Oberfläche transportiert, während der andere Teil des Sekundärgases den Überdruck in der Zylinderbohrung bildet. Insofern ist es günstig im Sinne der Erfindung, wenn das Sekundärgas ein inertes Gas, bevorzugt Stickstoff ist, um einen Überdruck mit inerten Gasen zu bilden, so dass quasi eine Schutzgasatmosphäre in der Zylinderbohrung gebildet wird. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Sekundärgas so aufgeteilt, dass etwa 25 bis 55Vol%, bevorzugt etwa 35 bis 45 Vol% weiter bevorzugt etwa 39Vol% des Gesamtsekundärgasvolumenstronnes die aufgeschmolzenen Partikel zu der zu beschichtenden Oberfläche transportiert, während der andere Teil des Sekundärgases den Überdruck in der Zylinderbohrung bildet. Allgemein ist die Sekundärgasmenge in diesem Fall für die Erzeugung eines geringen Überdruckes vom Bohrungsdurchmesser abhängig. Bei Verwendung von etwa 450 l/min für den Partikelförderstrom, benötigt man beispielhaft bei einer 60mm Bohrung etwa 4001/min (in Summe 8501/min) und beispielhaft bei einer 80mm Bohrung etwa 7001/min (in Summe 1 1501/min). Grundsätzlich wird die Partikelgeschwindigkeit durch die Strömungsgeschwindigkeit des Sekundärgases in den Sekundärgasbohrungen der Sekundärgasdüse bestimmt. Das bedeutet, dass durch Verwendung kleinerer Bohrungsdurchmesser bei gleicher Bohrungsanordnung weniger Sekundärgas für die gleiche Partikelgeschwindigkeit benötigt wird.
Der Ausdruck „etwa" bedeutet im Sinne der Erfindung Abweichungen von jeweils exakten Werten um +/- 10%, bevorzugt um +/- 5% und/oder Abweichungen in Form von für die Funktion unbedeutenden Änderungen.
Zielführend im Sinne der Erfindung ist, wenn ein erster Teil des der Vorrichtung zugeführten Sekundärgasvolumenstromes in der Zylinderlaufbahn den Überdruck bevorzugt mit inertem Gas bildet, was bedeutet, dass der betreffende erste Sekundärgasteilvolumenstrom wie der andere, zweite Sekundärgasteilvolumenstrom aus dem Gehäuse austritt, ohne dass der erste Teilsekundärgasvolumenstrom allerdings aufgeschmolzene Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche transportiert. Der zweite Sekundärgasteilvolumenstrom tritt aus der Düsenöffnung aus, und transportiert die aufgeschmolzenen Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche. In möglicher Ausgestaltung kann der erste Sekundärgasteilvolumenstrom direkt gegenüberliegend zur Austrittsöffnung des zweiten Sekundärgasteilvolumenstromes aus dem Gehäuse austreten. Denkbar ist auch, dass der erste Sekundärgasteilvolumenstrom an anderen Austrittöffnungen aus dem Gehäuse austreten kann, wobei die Austrittsöffnungen zum Beispiel seitlich angeordnet sind, wobei diese Sekundärgasströme noch zur Kühlung des Gehäuses herangezogen werden können, was so auch für den zweiten Sekundärgasteilvolumenstrom gelten kann. Weiter ist möglich, den ersten Sekundärgasvolumenstrom durch Öffnungen in einem Düsenring nach außen zu führen, um so nicht nur den Überdruck innerhalb der Zylinderlaufbahnöffnung zu erzeugen, sondern zugleich auch Anhaftungen von Spritzstäuben an dem Düsenring zu vermeiden. Selbstverständlich kann der erste Sekundärgasvolumenstrom auch in sich aufgeteilt werden, um an unterschiedlichen Stellen, welche beispielhaft oben genannt sind, nach außen geführt zu werden, so dass in der Zylinderbohrung ein leichter Überdruck gegenüber dem äußeren der Zylinderbohrung gebildet ist. Möglich ist auch, den Sekundärgasvolumenstrom vor Eintritt in die Vorrichtung aufzuteilen, so dass auf jeden Fall der Teil in die Vorrichtung eingeleitet wird, welcher die aufgeschmolzenen Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche transportiert. Der andere Teil kann in geeigneten Leitungselementen an dem Gehäuse entlang geführt werden, und an der gewünschten Stelle austreten. Der Sekundärgasstrom kann zudem noch als Kühlmedium für die Vorrichtung, die auch als Brenner bezeichnet werden kann, herangezogen werden.
In weiter günstiger Ausführung des Verfahrens kann die Bildung eines Überdruckes in der Zylinderlaufbahnöffnung erreicht werden, indem die Zylinderlaufbahnöffnung versperrt wird, wobei in weiter günstiger Ausführung Masken z.B. in der Ausgestaltung als Blenden an einer Öffnungsseite, bevorzugt an der zur Einführungsseite der Vorrichtung in die Zylinderbohrung gegenüberliegenden Öffnungsseite, also z.B. der unteren Öffnung eingesetzt werden können. Diese Maßnahmen sind insbesondere bei größeren Zylinderbohrungen und/oder zur kostengünstigen Reduzierung des Sekundärgas- bzw. Schutzgasbedarfs vorteilhaft. Selbstverständlich sind diese Maßnahmen so auszuführen, dass insbesondere die lineare Hin- und Herbewegung der Vorrichtung innerhalb der zu beschichtenden Zylinderlaufbahnöffnung nicht behindert wird. Der Überdruck, also auch der betreffende Sekundärgasvolumenstrom sollte so bemessen sein, dass die Oberfläche mit den erforderlichen Parametern beschichtet werden kann. Dies bedeutet, dass der „Spritzstrahl", also die von dem Sekundärgasteilvolumenstrom transportierten aufgeschmolzenen Partikel auf ihrem Weg zur zu beschichtenden Oberfläche nicht oder nur unwesentlich abgelenkt werden.
Zweckmäßig ist, dass durch die Aufteilung des Gesamtsekundärgasstromes in einen „transportierenden" und in einen „Überdruck bildenden" Teilgasstrom die zur zu beschichtenden Oberfläche zu transportierenden Partikel eine Auftreffgeschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche aufweisen, welche bezogen auf den Gesamtsekundärgasvolumenstrom reduziert ist. Üblich ist im Stand der Technik, den Gesamtsekundärgasvolumenstrom von z.B. 1050 bis 12501/min als Transportmedium der aufgeschmolzenen Partikel zu verwenden. Bei der Erfindung dagegen wird dieser aufgeteilt, so dass nur ein Bruchteil zum Transport benutzt wird, woraus ersichtlich die geringere Partikelgeschwindigkeit resultiert. Natürlich könnte eine geringere Partikelgeschwindigkeit auch dadurch erreicht werden, dass der Gesamtsekundärgasvolumenstrom nicht aufgeteilt wird, dafür aber z.B. lediglich einen Betrag von z.B. 4501/min aufweist. Diese Ausgestaltung ist von der Erfindung natürlich umfasst. Umfasst ist auch, dass zudem ein anderer Gasstrom (inertes Gas, z.B. Argon, Stickstoff) direkt in die Zylinderbohrung geleitet wird, wenn das Beschichtungsergebnis dadurch nicht negativ beeinflusst wird, wobei natürlich möglich ist, diesen Gasstrom quasi als zum Primärgasstrom und Sekundärgasstrom dritten Gasstrom in das Gehäuse einzuleiten, und sodann an gewünschter Stelle austreten zu lassen. Insofern kann die Schutzgasatmosphäre in der Zylinderbohrung also mittels des aufgeteilten Sekundärgasstromes und/oder mittels des separat zugeführten dritten Schutzgasstromes erreicht werden, wobei der dritte Schutzgasstrom auch durch den Brenner geführt werden kann, und an gegebener Stelle austritt, wobei der dritte Schutzgasstrom aber auch beispielsweise durch die oben genannte Maskierung von außen in die Zylinderbohrung eingeleitet werden kann. Zielführend ist dabei, wenn der Überdruck in der Zylinderbohrung aufgenommen, also gemessen wird, um so die Zufuhr von Schutzgas, also des dritten Gasstromes steuern und regeln zu können. Dazu kann in bevorzugter Ausführung eine Druckdifferenz zwischen dem Äußeren der Zylinderbohrung und dem Inneren der Zylinderbohrung ermittelt werden.
Zielführend ist auch, dass in dem Spritzstrahl die reduzierende Atmosphäre erzeugt wird, was mit einem Primärgas erreicht wird, welches bevorzugt eine Argon- Wasserstoffmischung ist. Dabei wird das Argon-Wasserstoffgemisch beispielsweise einen höheren Argonanteil aufweisen. Bei der Erfindung wird aufgrund der reduzierenden Atmosphäre im Spritzstrahl eine Oxidbildung der aufgeschmolzenen Partikel verhindert, wobei zum einen aufgrund der reduzierten Partikelauftreffgeschwindigkeit und zum anderen aufgrund der Vermeidung bzw. Verringerung der exothermen Reaktion an den Partikeloberflächen (die Partikel kühlen schneller ab) eine nur teilweise Umformung der auftreffenden Partikel entsteht, was wiederum zielführend zu einer entsprechend größeren Flächenverteilung der Poren aber auch hinsichtlich der Größe der einzelnen Poren selbst führt. Mit der Erfindung kann z.B. ein Porenanteil von z.B. 8-12 % erreicht werden, und zwar ebenfalls hinsichtlich der Flächenverteilung entlang und in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung gesehen aber auch hinsichtlich der Größe der einzelnen Poren selbst. Dies führt zu einer erheblichen Reibungsreduktion von 10 bis 15%, bezogen auf einen Porenanteil von 2 bis 4%.
Mit der Erfindung wird ein Verfahren zum thermischen Beschichten zur Verfügung gestellt, bei dem Reibungsverluste, z.B. zwischen Kolbenringen und der Zylinderlaufbahn erheblich reduziert werden, da der Porenanteil sowohl hinsichtlich der Flächenverteilung entlang und in Umfangsrichtung der Zylinderbohrung gesehen aber auch hinsichtlich der Größe der einzelnen Poren selbst vergrößert ist.
Der abschmelzende Draht ist eine Eisen-Basis-Legierung, so dass bevorzugt eine FeC0,8 Beschichtung gebildet wird. Selbstverständlich kann die beschichtete Zylinderlaufbahn nach dem Beschichtungsvorgang bearbeitet, beispielsweise gehont werden. Auch andere Vorbereitungsmaßnahmen und Nachbearbeitungen, bekannter Beschichtungsverfahren können durchgeführt werden.
Dadurch, dass beispielsweise der betreffende Sekundärgasteilstrom oder der dritte, externe Gasstrom zum Beispiel gegenüberliegend zum Spritzstrahl aus dem Brenner austritt, und/oder direkt in die Zylinderbohrung eingeleitet wird, kann eine Kühlwirkung der Zylinderlaufbahn, also der aufgebrachten Beschichtung erreicht werden, was für eine nachfolgende Bearbeitung sehr zeitsparend sein kann, da eine Abkühlphase vorgesehen ist, welche so von der Zeitdauer her reduziert werden kann. Möglich ist auch, dass das inerte Sekundärgas mit Luft bzw. Druckluft und/oder Sauerstoff angereichert wird, um so eine gezielte Oxidation der Beschichtung in der eigentlich inerten Umgebung innerhalb der Zylinderbohrung erreichen zu können.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zum thermischen Beschichten einer Oberfläche, umfassend
zumindest die Schritte:
Einleiten zumindest eines Primärgases und eines Sekundärgases in eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten, welche zumindest ein Gehäuse, eine Kathode, und eine als abschmelzenden Draht ausgeführte Anode aufweist, wobei Partikel der abschmelzenden Anode in einem Spritzstrahl zu einer zu beschichtenden Oberfläche transportiert werden, und
Erzeugen eines Überdruckes zumindest um die Vorrichtung herum und
Erzeugen einer reduzierenden Atmosphäre in dem Spritzstrahl.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
der Überdruck um die Vorrichtung zum Beschichten herum bis zur zu
beschichtenden Oberfläche erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei
der Überdruck in einer Zylinderbohrung erzeugt wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Sekundärgasstrom aufgeteilt wird, so dass ein Teil des
Sekundärgasstromes die aufgeschmolzenen Partikel zur zu beschichtenden Oberfläche transportiert, wobei der andere Teil den Überdruck bildet.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Sekundärgasstrom so aufgeteilt wird, dass etwa 25 bis 55Vol%, bevorzugt etwa 35 bis 45Vol% weiter bevorzugt etwa 39Vol% des
Gesamtsekundärgasvolumenstromes die ausgeschmolzenen Partikel zu der zu beschichtenden Oberfläche transportiert, während der andere Teil des
Sekundärgases den Überdruck bildet
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Sekundärgas ein inertes Gas, bevorzugt Argon, weiter bevorzugt Stickstoff ist, und wobei in der Zylinderbohrung ein Überdruck einer inerten Atmosphäre erzeugt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
das Primärgas ein Argon-Wasserstoffgemisch ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Überdruck zumindest teilweise mittels eines dritten, externen
Schutzgasstromes erzeugt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
eine Druckdifferenz zwischen einem Inneren und einem Äußeren einer
Zylinderbohrung, deren Zylinderlaufbahn beschichtet wird, gemessen wird.
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