WO2019096476A1 - Verfahren zum beschichten von bauteilen - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for coating components, use of a coating method, and a coating material.
  • valve seat rings are often provided which z. B. are made of a sintered material.
  • suitable coating methods cf. z.
  • thermal spraying processes such as high-speed flame spraying (HVOF), or laser cladding, are known in this context. It is common to the known methods that they unfortunately require a high use of resources.
  • a method for coating components comprises the steps: - Producing a coating material by or during the deposition, melting and / or melting of a material for a first coating process;
  • the second coating process is advantageously a different process than the first coating process.
  • the advantage lies in the fact that the coating material is formed as a by-product of the first coating process and is used for the second coating method further ver or can be.
  • the method preferably comprises the step of applying, abrading and / or fusing a wire material for a first coating process.
  • wire material is every electrically conductive, wire-shaped material verstan the.
  • powder, wire, cord and / or rod-shaped materials can alternatively be up, down or melted.
  • melting or melting serve z.
  • an electric shear arc a plasma jet, a fuel-oxygen flame, a fuel-oxygen high-speed flame, fast preheated gases or a laser beam.
  • the second coating method is cold gas spraying.
  • Cold gas spraying is a coating process in which the coating material in powder form is applied to a carrier material at a very high speed.
  • a heated to a few 100 ° C process gas nitrogen or helium
  • the injected coating material is accelerated to such a high speed that it on impact the substrate forms a dense and firmly adhering layer.
  • the cold processing ensures that the constituents of the coating material do not melt.
  • preferred process pressures are about 20 to 80 bar, preferably about 45 bar.
  • the first coating process is a thermal spraying process, in particular arc wire spraying.
  • an arc is ignited between two wire-shaped spray materials of the same or different type.
  • the wire tips are melted at a temperature of about 4000 ° C and blown by means of atomizer gas onto the prepared workpiece surface.
  • nitrogen or argon instead of air as a nebulizer gas reduces oxidation of the materials.
  • the second coating method is preferably used to form or form or coat valve seats of cylinder heads of internal combustion engines. As a consequence, the method is therefore particularly advantageous because the arc wire spraying or the first coating method is preferably used as the coating method of cylinder running surfaces. As a result, a very lean and resource-saving manufacturing process can be realized.
  • the method comprises the steps:
  • a first coating is carried out with arc wire spraying, the coating material being formed / produced indirectly by the melting of a wire material thereby carried out. It has been found that in the melting of wire material, as ren in thermal Spritzverfah, such as the arc wire spraying is performed, an ideally struktu-based coating material, in particular for the cold gas spraying is formed.
  • the method comprises the step:
  • An oxidation of the coating material can thus advantageously be avoided or at least minimized.
  • the method comprises the step:
  • the processing includes, for example, cleaning, filtering, screening, separation and / or mixing of the coating material.
  • cleaning for example, cleaning, filtering, screening, separation and / or mixing of the coating material.
  • recourse can be had to purely mechanical treatment measures which do not necessitate the use of chemical substances or the like.
  • the method in particular concerning the aforementioned preparation, comprises the steps:
  • the method comprises the steps: - Performing the first coating method in a suction chamber;
  • the method comprises the steps:
  • crankcase in particular the Zylinderlaufflä surfaces of the crankcase, in the first coating process
  • the method comprises the step:
  • the invention is also directed to a use of a first coating method for producing a coating material for a two-tes, different, coating method.
  • the method is carried out as follows:
  • the assembly comprises a cylinder head and a crankcase, wherein the cylinder head has at least one valve seat having the second coating, and wherein the crank housing has at least one cylindrical surface having the first Beschich device.
  • the assembly is thus an engine comprising the cylinder head and the crankcase, wherein the running surfaces of the crank housing by means of a thermal spraying method, in particular Lichtbo gendrahtspritzen coated, and wherein the generated here, over schüssige coating material for coating the valve seats of Zylin derkopfs used becomes.
  • a thickness of the second coating is in a range of about 50-400 pm, in particular in a range of et wa 200-300 pm.
  • the coating can be applied in several layers of, for example, approximately 50 ⁇ m each time.
  • At least one valve seat is an inlet valve seat and at least one valve seat is an outlet valve seat, wherein a thickness of the first coating and / or a composition at the inlet and outlet are formed differently.
  • This different process control can show, for example, in an adaptation of the composition of the coating material for the cold gas spraying or in a different embodiment, example, in terms of the thickness of the coating.
  • the method comprises the step:
  • a surface temperature in the second coating method to about 150 ° C. Since during cold gas spraying no high thermal or mechanical loads on the surface to be coated, in particular the special special valve seat of the cylinder head, occur, this does not need to be adapted separately or reinforced. As a result, the cooling channels can be brought closer to the combustion chamber and to the valve or valves, whereby a better cooling of the engine is possible. In addition, the weight of the cylinder head can be reduced because the mechanical and thermal loads to which it is designed are smaller.
  • the invention is also directed to a coating material prepared by a process according to the invention, wherein the Be Anlagenungsmateri al powdered, in particular spherical, is.
  • a powder or particle diameter is in a range from about 5 to 150 ⁇ m, more preferably in a range from about 20 to 50 ⁇ m.
  • the coating material is, according to one embodiment, an Fe base powder with an Fe content of at least 94%.
  • Other ingredients are for. C, Si, Mn, Cr, Ni and Cu.
  • a powder having an Fe content in a range of at least about 68% is used, with the Cu content being up to about 14%.
  • Other ingredients are e.g. C, Co, Mo, Ni, Cr, Mn and S.

Abstract

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Motorbauteilen, umfassend die Schritte: - Herstellen eines Beschichtungsmaterials durch oder beim Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Werkstoffs für ein erstes Beschichtungs- verfahren; - Zumindest teilweise Verwenden des Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.

Description

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Bautei len, eine Verwendung eines Beschichtungsverfahrens sowie ein Beschich tungsmaterial.
Bei den in Rede stehenden Bauteilen bzw. Baugruppen handelt es sich ins besondere um Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen. Um z. B. ein Eingraben der Ventile in den Zylinderkopf zu verhindern, sind oft sogenannte Ventilsitzringe vorgesehen, welche z. B. aus einem Sintermaterial hergestellt werden. Daneben ist es auch bekannt, die Ventilsitze für die Ventile direkt am Zylinderkopf mittels geeigneter Beschichtungsverfahren auszubilden, vgl. z. B. die DE 199 60 884 A1. Bekannt sind in diesem Zusammenhang unter anderem thermische Spritzverfahren, wie das Hochgeschwindigkeitsflamm- spritzen (HVOF), oder das Laserauftragsschweißen. Den bekannten Verfah ren ist dabei gemeinsam, dass sie leider einen hohen Ressourceneinsatz erfordern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, eine Verwendung eines Beschichtungsverfah rens sowie ein Beschichtungsmaterial anzugeben, welche sich insbesondere durch einen geringen Ressourceneinsatz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 , durch eine Ver wendung gemäß Anspruch 10 sowie durch ein Beschichtungsmaterial ge mäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Motorbauteilen, die Schritte: - Herstellen eines Beschichtungsmaterials durch oder beim Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Werkstoffs für ein erstes Beschichtungs verfahren;
- Zumindest teilweise Verwenden des Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.
Auf diese Weise kann ein sehr kostengünstiges und ressourcenschonendes Beschichtungsverfahren realisiert werden. Das zweite Beschichtungsverfah ren ist vorteilhafterweise ein zu dem ersten Beschichtungsverfahren unter schiedliches Verfahren. Der Vorteil liegt damit insbesondere darin, dass das Beschichtungsmaterial quasi als Nebenprodukt des ersten Beschichtungs verfahrens entsteht und für das zweite Beschichtungsverfahren weiter ver wendet wird bzw. werden kann.
Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt: Auf-, Ab- und/oder Anschmel zen eines Drahtwerkstoffs für ein erstes Beschichtungsverfahren. Unter Drahtwerkstoff wird jeder elektrisch leitende, drahtförmige Werkstoff verstan den. Bei dem Verfahren können alternativ auch pulver-, draht-, schnur- und/oder stabförmige Werkstoffe auf-, ab oder angeschmolzen werden. Als Energieträger für das An-, Ab- oder Aufschmelzen dienen z. B. ein elektri scher Lichtbogen, ein Plasmastrahl, eine Brennstoff-Sauerstoff-Flamme, eine Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme, schnelle vorgewärmte Gase oder ein Laserstrahl.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Beschichtungs verfahren Kaltgasspritzen. Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfah ren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Ge schwindigkeit auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Hierzu wird gemäß einer Ausführungsform ein auf wenige 100 °C aufgeheiztes Prozessgas (Stickstoff oder Helium) durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschall geschwindigkeit beschleunigt und anschließend das Beschichtungsmaterial in einen Gasstrahl injiziert. Dabei wird das injizierte Beschichtungsmaterial auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass es beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bildet. Durch die kalte Verarbeitung wird unter anderem erreicht, dass die Bestandteile des Be schichtungsmaterials nicht aufschmelzen. Bevorzugte Prozessdrücke liegen vorliegend bei etwa 20 bis 80 bar, vorzugsweise bei etwa 45 bar. Bei Austritt aus der Beschichtungskanone werden Geschwindigkeiten von etwa 750 bis 1700 m/s eingestellt, bevorzugt von etwa 1000 bis 1250 m/s.
Dabei hat sich überraschend gezeigt, dass insbesondere beim Abschmelzen von Drahtwerkstoff ein, insbesondere für das Kaltgasspritzen, sehr gut ge eignetes Pulver bzw. Beschichtungsmaterial entsteht bzw. erzeugt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Beschichtungsver fahren ein thermisches Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtsprit zen. Dabei wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art ein Lichtbogen gezündet. Die Drahtspitzen werden bei einer Temperatur von rund 4000 °C abgeschmolzen und mittels Zerstäuber gas auf die präparierte Werkstückoberfläche geblasen. Bei der Verwendung von Stickstoff oder Argon statt Luft als Zerstäubergas wird eine Oxidation der Materialien reduziert. Das zweite Beschichtungsverfahren wird bevorzugt zum Bilden oder Formen bzw. Beschichten von Ventilsitzen von Zylinderköp fen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. In der Folge ist das Verfahren ge rade deshalb besonders vorteilhaft, da das Lichtbogendrahtspritzen bzw. das erste Beschichtungsverfahren bevorzugt als Beschichtungsverfahren von Zylinderlaufflächen zum Einsatz kommt. In der Folge kann also ein sehr schlanker und ressourcenschonender Herstellungsprozess realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- Herstellen des Beschichtungsmaterials beim Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens;
- Sammeln des Beschichtungsmaterials beim oder nach dem Durchfüh ren des ersten Beschichtungsverfahrens. Mit anderen Worten wird vorliegend gemäß einer Ausführungsform also eine erste Beschichtung mit Lichtbogendrahtspritzen durchgeführt, wobei indirekt, durch das dabei durchgeführte Abschmelzen eines Drahtwerkstoffs, das Be schichtungsmaterial gebildet/erzeugt wird. Es hat sich herausgestellt, dass beim Abschmelzen von Drahtwerkstoff, wie es bei thermischen Spritzverfah ren, wie dem Lichtbogendrahtspritzen, durchgeführt wird, ein ideal struktu riertes Beschichtungsmaterial, insbesondere für das Kaltgasspritzen, gebildet wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in inerter Atmosphä re, in einer sauerstofffreien oder in einer zumindest sauerstoffarmen Umgebung.
Eine Oxidation des Beschichtungsmaterials kann damit vorteilhafterweise vermieden oder zumindest gering gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- Aufbereiten des Beschichtungsmaterials für das zweite Beschich
tungsverfahren.
Das Aufbereiten umfasst beispielsweise ein Reinigen, Filtern, Sieben, Tren nen und/oder Mischen des Beschichtungsmaterials. Vorteilhafterweise kann auf rein mechanische Aufbereitungsmaßnahmen zurückgegriffen werden, welche keine Verwendung chemischer Stoffe oder dergleichen notwendig machen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, insbesondere betref fend die vorgenannte Aufbereitung, die Schritte:
- Sieben in definierter Größe;
- Verpacken in inerter Atmosphäre bzw. in einer sauerstofffreien oder sauerstoffarmen Umgebung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte: - Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in einer Absaug kammer;
- Absaugen und Lagern bzw. Speichern des, insbesondere überschüs sigen, Beschichtungsmaterials.
Die vorgenannten Verfahrensschritte zeigen, dass für das Verfahren vorteil hafterweise keine aufwändigen Apparaturen, Vorrichtungen und dergleichen nötig sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:
- Bereitstellen eines Zylinderkopfes und eines Kurbelgehäuses;
- Beschichten des Kurbelgehäuses, insbesondere der Zylinderlaufflä chen des Kurbelgehäuses, im ersten Beschichtungsverfahren;
- Beschichten des Zylinderkopfes, insbesondere zumindest eines Ven tilsitzes des Zylinderkopfes, im zweiten Beschichtungsverfahren.
Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:
- Zeitliche und/oder örtliche Trennung des ersten und zweiten Beschich tungsverfahrens.
Dies erlaubt mit Vorteil höchste Flexibilität beim Einsatz des Verfahrens.
Die Erfindung richtet sich auch auf eine Verwendung eines ersten Beschich tungsverfahrens zum Herstellen eines Beschichtungsmaterials für ein zwei tes, davon unterschiedliches, Beschichtungsverfahren.
Für die Verwendung gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren er wähnten Vorteile analog bzw. entsprechend.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Verfahren wie folgt geführt:
Aufbringen einer ersten und einer zweiten Beschichtung auf eine Baugruppe, wobei die erste Beschichtung durch ein erstes Beschichtungsverfahren her gestellt ist, und wobei die zweite Beschichtung mit Beschichtungsmaterial aus dem ersten Beschichtungsverfahren hergestellt ist. Das erste und das zweite Beschichtungsverfahren unterscheiden sich voneinander. Gemäß ei ner bevorzugten Ausführungsform umfasst die Baugruppe einen Zylinderkopf und ein Kurbelgehäuse, wobei der Zylinderkopf zumindest einen Ventilsitz aufweist, welcher die zweite Beschichtung aufweist, und wobei das Kurbel gehäuse zumindest eine Zylinderfläche aufweist, welche die erste Beschich tung aufweist. Insbesondere ist die Baugruppe also ein Motor, umfassend den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse, wobei die Laufflächen des Kurbel gehäuses mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere Lichtbo gendrahtspritzen, beschichtet sind, und wobei das hierbei erzeugte, über schüssige Beschichtungsmaterial zum Beschichten der Ventilsitze des Zylin derkopfs verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform liegt eine Dicke der zweiten Beschichtung in einem Bereich von etwa 50-400 pm, insbesondere in einem Bereich von et wa 200-300 pm. Die Beschichtung kann, abhängig von der gewünschten Gesamtdicke, in mehreren Schichten von beispielsweise je ca. 50 pm aufge tragen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Ventilsitz ein Einlassventil sitz und zumindest ein Ventilsitz ein Auslassventilsitz, wobei eine Dicke der ersten Beschichtung und/oder eine Zusammensetzung am Einlass und Aus lass unterschiedlich ausgebildet sind. Abhängig von der Verfahrensführung ist es sehr einfach, den unterschiedlichen Anforderungen an die Beschich tung durch eine unterschiedliche Verfahrensführung Rechnung zu tragen. Diese unterschiedliche Verfahrensführung kann sich beispielsweise in einer Anpassung der Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials für das Kalt gasspritzen zeigen bzw. in einer unterschiedlichen Ausgestaltung, beispiels weise hinsichtlich der Dicke der Beschichtung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:
- Begrenzen einer Oberflächentemperatur beim zweiten Beschichtungs verfahren auf etwa 150 °C. Da während des Kaltgasspritzens keine hohen thermischen bzw. mechani schen Belastungen an der zu beschichtenden Oberfläche, vorliegend insbe sondere am Ventilsitz des Zylinderkopfs, auftreten, muss dieser auch nicht gesondert angepasst oder verstärkt werden. Dadurch können die Kühlkanäle näher an den Brennraum und an das bzw. die Ventile gebracht werden, wodurch eine bessere Kühlung des Motors möglich wird. Zudem kann das Gewicht des Zylinderkopfes verringert werden, da die mechanischen und thermischen Belastungen, auf die er ausgelegt wird, kleiner sind.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Beschichtungsmaterial, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Beschichtungsmateri al pulverförmig, insbesondere kugelförmig, ist.
Mit Vorteil liegt ein Pulver- bzw. Partikeldurchmesser in einem Bereich von etwa 5 bis 150 miti, besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 bis 50 pm.
Das Beschichtungsmaterial ist gemäß einer Ausführungsform ein Fe-Basis- Pulver mit einem Fe-Anteil von zumindest 94 %. Weitere Bestandteile sind z. B. C, Si, Mn, Cr, Ni und Cu. Alternativ wird ein Pulver mit einem Fe-Anteil in einem Bereich von zumindest etwa 68 % verwendet, wobei der Cu-Anteil bis zu etwa 14 % beträgt. Weitere Bestandteile sind z.B. C, Co, Mo, Ni, Cr, Mn und S.
Für das Beschichtungsmaterial gelten die im Zusammenhang mit dem Ver fahren bzw. mit der Verwendung erwähnten Vorteile analog und entspre chend bzw. umgekehrt und untereinander.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Motor bauteilen,
umfassend die Schritte:
- Herstellen eines Beschichtungsmaterials durch oder beim Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Werkstoffs für ein erstes Beschich tungsverfahren;
- Zumindest teilweise Verwenden des Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
umfassend den Schritt:
- Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Drahtwerkstoffs.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
wobei das zweite Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen ist
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
wobei das erste Beschichtungsverfahren ein thermisches Spritzverfah ren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, ist.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend die Schritte:
- Herstellen des Beschichtungsmaterials beim Durchführen des ers ten Beschichtungsverfahrens;
- Sammeln des Beschichtungsmaterials beim oder nach dem Durch führen des ersten Beschichtungsverfahrens.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend den Schritt: - Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in einer sauer stofffreien oder zumindest sauerstoffarmen Umgebung.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend die Schritte:
- Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in einer Absaug kammer;
- Absaugen und Speichern des, insbesondere überschüssigen, Be schichtungsmaterials.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend die Schritte:
- Bereitstellen eines Zylinderkopfes und eines Kurbelgehäuses;
- Beschichten des Kurbelgehäuses im ersten Beschichtungsverfah ren;
- Beschichten des Zylinderkopfes im zweiten Beschichtungsverfah ren.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
umfassend den Schritt:
- Örtliche und/oder zeitliche Trennung des ersten und zweiten Be schichtungsverfahrens.
10. Verwendung eines ersten Beschichtungsverfahrens zum Herstellen ei nes Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.
1 1. Beschichtungsmaterial, hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 -9,
wobei das Beschichtungsmaterial pulverförmig, insbesondere kugelför mig, ist.
12. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1 1 ,
wobei ein Großteil der Teilchen/Partikel einen Durchmesser von 5 bis 150 pm, insbesondere 15-80 pm, aufweist.
13. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1 1 oder 12,
aufweisend einen Fe-Anteil von zumindest 94 %.
14. Beschichtungsmaterial nach Anspruch 1 1 oder 12,
aufweisend eine Fe-Anteil von zumindest 68 % und einen Cu- Anteil von bis zu 14 %.
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