VERFAHREN UND ANLAGE ZUR METALLISCHEN BESCHICHTUNG EINER BOHRUNGSWAND

Beschreibung

[0001] 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.

[0002] Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anlage zur metallischen Beschichtung einer Bohrungswand einer Bohrung 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, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

[0003] 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.

[0004] 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.

[0005] Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Anlage gehen beispielsweise aus der EP 2 933 352 A1 hervor.

[0006] Beim Aufbringen der Beschichtung ist es maßgeblich, dass diese stabil ausgebildet wird. Dies 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 bereites ein Lösen selbst kleinerer Bestandteile der Beschichtung zu schweren Motorschäden führen.

[0007] Der Erfindung liegt die Augabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage anzugeben, mit welchen eine metallische Beschichtung auf eine Bohrungswand effizient aufbringbar ist.

[0008] Die Aufgabe wird nach der Erfindung zum einen durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und zum anderen durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist 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 Fördergas von 30 l/min bis 70 l/min Beschichtungspulver mit einer Zufuhrrate von 90 g/min bis 130 g/min eingedüst wird.

[0009] 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.

[0010] Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass eine axiale Vorschubgeschwindigkeit von 3,8 mm/U bis 4,5 mm/U, insbesondere 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.

[0011] 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.

[0012] 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.

[0013] 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.

[0014] 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.

[0015] 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.

[0016] 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.

[0017] 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.

[0018] 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.

[0019] 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.

[0020] 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.

[0021] Die erfindungsgemäße Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen und ausgelegt ist, so dass die Beschichtungslanze mit einer gleichmäßigen axialen Vorschubgeschwindigkeit 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.

Ansprüche

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 und

- der Plasmastrom mit den Partikeln auf die Bohrungswand gedüst wird und an der Bohrungswand eine Beschichtung gebildet wird,

dadurch gekennzeichnet,
dass die Partikel des Beschichtungspulvers in dem Plasmastrom aufgeschmolzen werden und eine mit Mikroporen versehene Beschichtung erzeugt wird, wobei 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.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine axiale Vorschubgeschwindigkeit von 3,8 mm/U bis 4,5 mm/U, insbesondere 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.

13. Anlage zur metallischen Beschichtung einer Bohrungswand einer Bohrung in einem Werkstück mittels atmosphärischen Plasmaspritzens, insbesondere mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, mit

- 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 Plasmagasgemisches 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,

dadurch gekennzeichnet,
dass eine Steuerung vorgesehen und ausgelegt ist, so dass die Beschichtungslanze mit einer gleichmäßigen axialen Vorschubgeschwindigkeit in die Bohrung einfahrbar und mit einer Drehgeschwindigkeit von 420 U/min bis 520 U/min drehbar ist und ein Volumenstrom an Plasmagasgemisch von 30 l/min bis 70 l/min und einer Zuführrate an Beschichtungspulver in den Plasmastrom von 90 g/min bis 130 g/min eingestellt ist.