Gebiet der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft ein Plasmaspritzverfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn
eines Zylinderkurbelgehäuses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine.
Stand der Technik
[0002] Aus
WO 2017/202852 A1 sind ein Beschichtungsverfahren zur Beschichtung einer gekrümmten Oberfläche, eine
thermische Beschichtung sowie ein Zylinder mit einer thermischen Beschichtung bekannt.
Dabei wird insbesondere Bezug genommen auf die Verwendung von pulverförmigem Beschichtungsmaterial
unter Verwendung einer thermischen Spritzgerätes, insbesondere ein Plasmaspritzgerät
oder HVOF Spritzgerät mit einem Brenner, der an einem Brennerschaft um eine Schaftachse
mit einer vorgegebenen Rotationsfrequenz rotiert, wobei der Beschichtungsstrahl zum
Aufbringen einer Beschichtung auf die gekrümmte Oberfläche zumindest teilweise radial
von der Schaftachse weg zur gekrümmten Oberfläche hin gerichtet wird. Dabei wird auf
die Verwendung von erhöhten Rotationsfrequenzen über 200 Umdrehungen/Minute (U/min)
verwiesen, insbesondere bis zu 800 U/min oder sogar mehr, wobei die Förderrate des
pulverförmigen Beschichtungsmaterials entsprechend "geeignet gesteigert" werden soll.
[0003] Das Dokument
WO 2017/202852 A1 nimmt keinen Bezug auf den Vorschub während der Beschichtung und geht auch nicht
auf die sogenannte Oxidzeiligkeit der zu erzielenden Beschichtung ein.
[0004] In der Fertigung von Zylinderkurbelgehäusen für Hubkolbenbrennkraftmaschinen wird
zunehmend versucht, das Gewicht der Zylinderkurbelgehäuse zu reduzieren. Dazu werden
Zylinderkurbelgehäuse aus Aluminium eingesetzt, die jedoch im Bereich der Zylinderlaufbahn
eine Schutzschicht benötigen, z.B. eine mittels Plasmaspritzen aufgebrachte Schutzschicht.
Ein positiver Nebeneffekt der Beschichtung ist neben einer Robustheitssteigerung der
Zylinderlaufbahn eine deutlich reduzierte Reibung im Bereich der Kolbengruppe (und
dadurch auch ein reduzierter CO2-Ausstoß) sowie positive Effekte gegenüber korrosiven
Medien. Aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtungsverfahren sind das Pulver-Plasmaspritzen
(APS-Verfahren), das Drahtspritzverfahren, wie z.B. Plasma Transferred Wire Arc (PTWA/RSW)
Beschichtungsverfahren, das Lichtbogen-Draht-Spritzen (LDS) und das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen
(HVOF-Spritzen).
[0005] Vor einer thermischen Beschichtung von Zylinderbohrungen in Kurbelgehäusen aus Aluminium
und teilweise auch aus Grauguss wird ein Aufrauprozess zur Verklammerung der Beschichtung,
d.h. Verbesserung der Haftung der Beschichtung, durchgeführt bzw. ist erforderlich,
damit die Beschichtung überhaupt aufgebracht werden kann. Dieser Aufrauprozess wird
durch strahlende Prozesse mittels Korund und Wasser (Mitteldruck-/Hochdruck-Wasserstrahlen),
Laserstrahlaufrauen oder Aufrauen mit geometrisch definierter Schneide dargestellt.
[0006] Beim Einsatz des Pulver-Plasmaspritzens (APS-Verfahren) entsteht an durch den vorstehend
erwähnten Aufrauprozess bedingten Inhomogenitäten eine verstärkte Oxidbildung, wenn
eine Prozessführung gemäß einem aus dem Stand der Technik bekannten Beschichtungsvorgang
mit beispielsweise 4 Doppelzyklen gewählt wird. Diese kann zu einer parallel zur Oberfläche
entstehenden Oxidzeiligkeit in der Beschichtung führen. Die Oxidzeiligkeit wiederum
bewirkt eine verminderte Schichtstabilität und kann insbesondere bei einem Vorliegen
der Oxide/Oxidzeilen nach dem Fertighonen an der Oberfläche der Beschichtung (Zylinderlaufbahn)
zu einem Ausbrechen der Oxide und nachfolgend zu einer Mikroriefigkeit der Zylinderlauffläche
führen. Werden die Oxide/Oxidzeilen an der Oberfläche durch den Honprozess beansprucht,
kann es zu verstärkten Ausbrüchen dieser Oxide und damit zu einem erhöhten Porenflächenanteil
der Laufbahnoberfläche kommen. Dieser kann einen erhöhten Ölverbrauch bewirken und
damit korrespondierend zu einem erhöhten Partikelausstoß führen. Ein weiterer Nachteil
des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens ist, dass dieses relativ viel Zeit
für den Beschichtungsvorgang benötigt.
Aufgabenstellung
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Beschichtungsverfahren zur Verfügung
zu stellen, mittels welchem die Ausbildung von Oxiden begrenzt bzw. Oxidzeiligkeiten
in der Schichtausbildung und somit negative Einflüsse aufgrund auftretender Oxidausbrüche
und einer - insbesondere durch solche Oxidausbrücke entstehenden oder aufgrund einer
hohen Oxidzeiligkeit existierenden - Mikroriefigkeit zu vermeiden.
Darlegung der Erfindung
[0008] Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen
Ansprüche. Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind in
Verbindung mit den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
[0009] Gemäß dem erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn
eines Zylinderkurbelgehäuses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine wird die Beschichtung
zumindest teilweise mit folgender Parameterkombination auf die Zylinderlaufbahn des
Zylinderkurbelgehäuses aufgebracht:
- a) Rotationsgeschwindigkeit: 600 - 800 U/min,
- b) Spritzgutförderrate: 80 - 180 g/min und
- c) Vorschubgeschwindigkeit: 24 - 75 mm/s.
[0010] Mittels ausführlicher empirischer Versuchsreihen und unter Einbeziehung modifizierter
Anlagentechnik wurde ermittelt, dass mit dem vorstehend genannten Parameterbereiche,
die allesamt gemäß a), b) und c) erfüllt sein müssen, damit die erfindungsgemäßen
Vorteile erzielt werden, sich die Bildung von Oxiden verringern und die entstehende
Oxidzeiligkeit drastisch reduziert werden kann. Dadurch kann eine besonders homogene
Oberfläche erzielt werden, die weitestgehend frei von einer unerwünschten Mikroriefigkeit
ist, welche durch eine erhöhte Oxidbildung und eine hohe Oxidzeiligkeit entsteht.
Darüber hinaus kann eine hohe Rotationsgeschwindigkeit während des Verfahrens eingesetzt
werden und damit die gewünschte Beschichtung in einer kürzeren Zeit aufgebracht werden
als mit den bislang aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren. Hinsichtlich der
Rotationsgeschwindigkeit der Brennertechnik haben sich Werte zwischen 600-700 U/min
als bevorzugt herausgestellt. Weiter bevorzugt sind Werte zwischen 630 U/min und 770
U/min, besonders bevorzugt Werte zwischen 640 U/min und 660 U/min. Besonders gute
Ergebnisse wurden mit Rotationsgeschwindigkeiten von 650 U/min erzielt.
[0011] Hinsichtlich der Spritzgutförderrate wird insbesondere auf den schmaleren Wertebereich
zwischen 80 und 150 g/min verwiesen. Weiter bevorzugt ist der Wertebereich zwischen
90 und 130 g/min und besonders bevorzugt der Wertebereich zwischen 100 und 120 g/min.
In Bezug auf die Spritzgutförderrate wird besonders auf den Wert von 110 g/min verwiesen,
mit welchem, insbesondere in Verbindung mit der Rotationsgeschwindigkeit von 650 U/min
ein qualitativ besonders hochwertiges Ergebnis einer Beschichtung der Zylinderlaufbahn
erzielt wurde.
[0012] Zu der Vorschubgeschwindigkeit gemäß Merkmal c) wird auf den Wertebereich zwischen
30 und 70 mm/s, weiter bevorzugt auf den Wertebereich zwischen 40 und 65 mm/s und
besonders bevorzugt auf den Wertebereich zwischen 50 und 65 mm/s verwiesen. Darüber
hinaus wird auf die noch engeren Wertebereiche zwischen 52 und 60 mm/s und weiter
bevorzugt zwischen 54 und 58 mm/s verwiesen.
[0013] In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahrens
wird die Beschichtung mittels 5-8 Spritzzyklen jeweils in Form von Doppelhüben aufgebracht.
Besonders bevorzugt ist diesbezüglich die Aufbringung mit 6-7 Spritzzyklen zu erwähnen.
Es hat sich gezeigt, dass die Dicke und die Struktur einer entsprechenden Beschichtung
in Verbindung mit der jeweils benötigten Bearbeitungsdauer in diesem Fall besonders
hochwertig und effizient ist.
[0014] Als Beschichtung werden vorzugsweise eine Stahlschicht oder eine Keramikschicht aufgebracht.
In Bezug auf die Stahlschichten wird insbesondere auf niedriglegierte und hochlegierte
Stahlschichten verwiesen, d.h. auf Stahlschichten mit Stählen, bei denen die Summe
der Legierungselemente einen Gehalt von 5 Massenprozent nicht überschreitet (niedriglegierte
Stähle) bzw. Stähle, bei denen der mittlere Massengehalt mindestens eines Legierungselementes
größer gleich 5 % ist (hochlegierte Stähle). Die Verwendung von niedriglegierten Stählen
ist gegenüber hochlegierten Stählen bevorzugt. Mit hochlegierten Stählen werden jedoch
ebenfalls Ergebnisse erzielt, die gegenüber den aus dem bisherigen Stand der Technik
bekannten Ergebnissen vorteilhaft sind.
[0015] In Bezug auf die Aufbringung einer Keramikschicht wird insbesondere auf Schichten
aus TitanDioxid (TiO
2) verwiesen.
[0016] Eine Keramikschicht wird unabhängig von Vorstehendem vorzugsweise in Verbindung mit
einem vorherigen Aufrauhungsprozess und dem vorherigen Aufbringen einer haftvermittelnden
Schicht aufgebracht. Als haftvermittelnde Schicht kommen insbesondere eine Nickel-Aluminium-Schicht,
eine Bronzeschicht oder eine niedrig legierte Stahlschicht in Frage. Die Dicke einer
haftvermittelnden Schicht beträgt dabei vorzugsweise weniger als 100 µm, bevorzugt
weniger als 60 µm und besonders bevorzugt maximal 40 µm.
[0017] Wenn bei einem erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahren eine Beschichtung in Form
einer niedriglegierten Stahlschicht erzielt werden soll, wird diese Beschichtung vorzugsweise
mittels eines niedriglegierten Stahlpulvers aufgebracht. Dabei sein Stahlpulver mit
einer vorwiegend kugeligen Morphologie mit geringen Anteilen an Satelliten besonders
bevorzugt.
[0018] In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahrens,
bei welchem als Beschichtung eine Stahlschicht aufgebracht wird, wird die Beschichtung
mittels eines Stahlpulvers aufgebracht, die weniger als 2 Gew.-% Kohlenstoff (C),
weniger als 2 Gew.-% Mangan (Mn), weniger als 2 Gew.-% Chrom (Cr), weniger als 1 Gew.-%
Nickel (Ni), weniger als 1 Gew.-% Sauerstoff (O2) und weniger als 1 Gew.-% Stickstoff
(N
2) aufweist. In Bezug auf den Anteil von Kohlenstoff wird insbesondere auf einen Gew.-%-Anteil
von 1,0 bis 1,3 verwiesen. In Bezug auf den Anteil von Mangan wird insbesondere auf
einen Anteil von 1,2 bis 1,6 Gew.-% verwiesen. In Bezug auf den Gewichtsanteil von
Chrom wird insbesondere auf einen Wertebereich von 1,2 bis 1,6 Gew.-% verwiesen. In
Bezug auf den Gewichtsanteil von Nickel wird insbesondere auf den Wertebereich von
weniger als 0,5 Gew.-% verwiesen. In Bezug auf den Gewichtsanteil von Sauerstoff wird
insbesondere auf Werte von weniger als 0,2 Gew.-% verwiesen und in Bezug auf den Gewichtsanteil
von Stickstoff wird insbesondere auf den Wertebereich von weniger als 0,5 Gew.-%.
Die vorstehend genannten Wertebereiche gelten vorzugsweise kumulativ, d.h. in dieser
Kombination mit einander verknüpft.
[0019] Eine qualitativ besonders hochwertige Beschichtung ergibt sich, wenn eine Stahlschicht
mittels eines Stahlpulvers aufgebracht wird, dessen Korngröße ausschließlich kleiner
ist als 60 µm und/oder dessen Korngröße zu einem überwiegenden Teil kleiner als 42
µm ist. Der Anteil in Gewichtsprozent von Stahlpulver mit einer Korngröße von weniger
als 42 µm liegt vorzugsweise bei maximal 90 Prozent. Der Anteil mit einer Korngröße
von kleiner als 26 µm liegt vorzugweise bei maximal 50 Prozent. Der Anteil mit einer
Korngröße von weniger als 16 µm liegt vorzugsweise bei maximal 10 Prozent.
[0020] In einer weiteren praktischen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahrens
wird die Beschichtung unter Einfluss der Atmosphäre aufgebracht. In diesem Fall wird
das Verfahren auch als atmosphärisches Plasmaspritzverfahren oder APS-Verfahren bezeichnet.
Ein Vorteil des APS-Verfahrens ist, dass auf den Einsatz von Schutzgasen und die damit
verbundenen zusätzlichen Kosten verzichtet werden kann. Alternativ kann die Beschichtung
bei einem erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahren aber auch unter Einsatz eines Schutzgases
oder im Vakuum aufgebracht werden. In diesem Fall sind zwar die Kosten zur Durchführung
des Verfahrens erhöht, im Einzelfall kann so aber ein qualitativ noch deutlich besseres
Ergebnis einer Beschichtung erzielt werden, d.h. insbesondere eine Beschichtung erzielt
werden, die einen geringeren Oxidanteil aufweist bzw. eine geringere Oxidzeiligkeit
aufweist.
[0021] Das erfindungsgemäße Plasmaspritzverfahren ist insbesondere dann von Vorteil, wenn
vor dem Aufbringen der Beschichtung mindestens ein strahlender Aufrauprozess mittels
Korund und/oder Wasser, mittels Laserstrahlaufrauen oder mittels Aufrauen mit geometrisch
definierter Schneide durchgeführt wird. In diesem Fall verbessert sich die Haftungsfähigkeit
der aufzubringenden Beschichtung und gleichzeitig erhöht sich die Dauerhaltbarkeit
der erzielten Beschichtung.
[0022] Weitere praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang
mit den Zeichnungen beschrieben.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
[0023] Es zeigen:
- Figur 1:
- eine Querschnittsdarstellung eines Ausschnitts einer Zylinderlaufbahn mit einer Beschichtung,
- Figur 2:
- einen Blick auf eine Oberfläche einer Beschichtung einer Zylinderlaufbahn gemäß Stand
der Technik,
- Figur 3:
- einen Querschnitt durch eine mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Beschichtung
auf einer Zylinderlaufbahn und
- Figur 4:
- eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts gemäß Figur 3.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
[0024] Figur 1 zeigt einen Ausschnitt eines Zylinderkurbelgehäuses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine
mit einem Ausschnitt einer Zylinderlaufbahn eines Aluminiumgrundkörpers 10 eines Zylinderkurbelgehäuses
14, wobei der Aluminiumgrundkörper 10 mit einer Beschichtung 12 versehen ist und die
dem Aluminiumgrundkörper 10 abgewandte Oberfläche 16 Teil der Zylinderlaufbahn 18
des Zylinderkurbelgehäuses 14 ist. Die zum Teil gekennzeichneten schwarzen Bereiche
20 sind Oxide, die sich während des Aufbringens der Beschichtung 12 mittels eines
Plasmaspritzverfahrens gebildet haben.
[0025] Figur 2 zeigt die Oberfläche 16 der Zylinderlaufbahn 18. Wie in der Figur erkennbar
ist, haben sich auf der Oberfläche 16 einzelne Oxidzeilen 22a, 22b, 22c, 22d gebildet,
die durch schwarze Punkte gebildet sind, die ungefähr ein einer Reihe angeordnet sind.
Hierbei handelt es sich um die eingangs erwähnte Oxidzeiligkeit.
[0026] Figur 3 zeigt eine Ansicht analog zu Figur 1, wobei die Beschichtung 12 mittels eines
erfindungsgemäßen Plasmaspritzverfahrens aufgebracht wurde.
[0027] Figur 4 zeigt eine vergrößerte Darstellung der Ansicht aus Figur 3. Wie erkennbar
ist, weist die Oberfläche 16, welche die Zylinderlaufbahn 18 des Zylinderkurbelgehäuses
14 bildet, eine deutlich erhöhte Qualität dadurch auf, dass keine Oxidzeiligkeit mehr
erkennbar ist. Darüber hinaus ist erkennbar, dass sich in der Beschichtung 12 deutlich
weniger Oxide gebildet haben, als bei der Beschichtung 12 gemäß Stand der Technik,
welche in Figur 1 dargestellt ist.
[0028] Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen
für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich
sein. Die Erfindung kann im Rahmen der Ansprüche und unter Berücksichtigung der Kenntnisse
des zuständigen Fachmanns variiert werden.
Bezugszeichenliste
[0029]
- 10
- Aluminiumgrundkörper
- 12
- Beschichtung
- 14
- Zylinderkurbelgehäuse
- 16
- Oberfläche
- 18
- Zylinderlaufbahn
- 20
- schwarzer Bereich (Oxid)
- 22a-d
- Oxidzeilen
1. Plasmaspritzverfahren zur Beschichtung einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderkurbelgehäuses
einer Hubkolbenbrennkraftmaschine,
dadurch gekennzeichnet, dass das die Beschichtung (12) zumindest teilweise mit folgender Parameterkombination
auf die Zylinderlaufbahn (18) des Zylinderkurbelgehäuses (14) aufgebracht wird:
a) Rotationsgeschwindigkeit: 600 - 800 Umdrehungen/Minute,
b) Spritzgutförderrate: 80 - 180 Gramm/Minute und
c) Vorschubgeschwindigkeit: 24 - 75 mm/s
2. Plasmaspritzverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) mittels 5 - 8 Spritzzyklen jeweils in Form von Doppelhüben
aufgebracht wird.
3. Plasmaspritzverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung (12) eine Stahlschicht oder einer Keramikschicht aufgebracht wird.
4. Plasmaspritzverfahren nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) mittels eines niedriglegierten Stahlpulvers aufgebracht wird.
5. Plasmaspritzverfahren nach einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung (12) eine Stahlschicht mittels eines Stahlpulvers mit einer vorwiegend
kugeligen Morphologie mit geringen Anteilen an Satelliten aufgebracht wird.
6. Plasmaspritzverfahren nach einem der drei vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtung (12) eine Stahlschicht mittels eines Stahlpulvers aufgebracht wird,
die weniger als 2 Gew.-% Kohlenstoff (C), weniger als 2 Gew.-% Mangan (Mn), weniger
als 2 Gew.-% Chrom (Cr), weniger als 1 Gew.-% Nickel (Ni), weniger als 1 Gew.-% Sauerstoff
(O2) und weniger als 1 Gew.-% Stickstoff (N2) aufweist.
7. Plasmaspritzverfahren nach einem der vier vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stahlschicht mittels eines Stahlpulvers aufgebracht wird, dessen Korngröße ausschließlich
kleiner ist als 60 µm und/oder zu einem überwiegenden Teil kleiner als 42 µm ist.
8. Plasmaspritzverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) unter Einfluss der Atmosphäre aufgebracht wird (APS-Verfahren).
9. Plasmaspritzverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (12) unter Einsatz eines Schutzgases oder im Vakuum aufgebracht
wird.
10. Plasmaspritzverfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Beschichtung (12) mindestens ein strahlender Aufrauprozess
mittels Korund und/oder Wasser, mittels Laserstrahlaufrauen oder mittels Aufrauen
mit geometrisch definierter Schneide durchgeführt wird.