EP1136583B2 - Verfahren sowie Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren - Google Patents

Verfahren sowie Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren Download PDF

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EP1136583B2 EP01810005A EP01810005A EP1136583B2 EP 1136583 B2 EP1136583 B2 EP 1136583B2 EP 01810005 A EP01810005 A EP 01810005A EP 01810005 A EP01810005 A EP 01810005A EP 1136583 B2 EP1136583 B2 EP 1136583B2
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    • 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
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    • 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
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to a method for thermal coating of cylinder walls of internal combustion engines according to the preamble of claim 1 and to an apparatus for carrying out the method according to the preamble of claim 5.
  • the object of the invention is to propose an easy-to-use method for thermal coating of cylinder walls of engine blocks of internal combustion engines, by means of which on the one hand, the quality of the applied layer is improved and on the other hand, the engine block is protected from contamination.
  • the layer quality is improved in two ways by the proposed measure and that at the same time the engine block can be protected from contamination.
  • the uncoated coating particles are reliably removed and the content of oxygen (oxide content) bound in the layer is kept in a range in which Both the tribological properties of the layer as well as their machinability are optimized.
  • cooling of the engine block is caused by the air flow.
  • the proposed measure also reduces the contamination of the plasmatron.
  • the suction device 18 has four suction nozzles 12, a control device 20 provided with louvers and a suction pump 25.
  • the control device 20 has an air flap battery 21 provided with four louvers.
  • the four extraction nozzles 12 are received in a holder 13 and connected via flexible hoses 14 to the control device 20, wherein the hoses 14 are shown only hinted.
  • the hoses 14 lead to a connection element 15, which is connected via lines 17 to the control device 20.
  • the control device 20 is additionally provided with pressure sensors (not shown) by means of which the air pressure prevailing during suction in the suction lines 14, 17 can be measured.
  • the coating of the cylinder liners 8 proceeds as follows: First, the four extraction nozzles 12 are brought from below through the crankcase 10 of the engine block 6 to the lower end 9 of the cylinder bores 7. Thereafter, the actual coating process is started by the plasma spraying devices 1, 2 introduced into the cylinder bores 7 and the walls 8 are coated. During coating, air is continuously drawn off by means of the suction device 18. It will measured by the pressure sensors of the prevailing in the suction lines 14, 17 air pressure. Due to the measured air pressure can be closed on the flow velocity of the air flowing through the cylinder bores 7 air, wherein the electronic means for calculating the air velocity are not shown in detail.
  • the louvers and thus the Absaugquerites be changed so that the air velocity within the cylinder bores 7 in the desired range between 7 and 12 m / s can be maintained.
  • the two other cylinder bores 7 are also coated and the flow velocity of the air flowing through these cylinder bores 7 is measured and kept within the predetermined value in the manner previously described.
  • the content of bound oxygen in the layer in a range of about 1 to 4 weight percent, whereby both the tribological properties of the layer as well as their machinability are optimized.
  • a cooling of the engine block 6 is effected by the air flow and the pollution of the respective Plasmatrons 3, 4 reduced.
  • suction device is suitable for the coating of four-cylinder in-line engines and eight-cylinder engines in V-shape. It is understood that suction devices for other variants of engine blocks can also be provided.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Verbrennungsmotoren gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
  • Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren finden heutzutage vermehrt Motorblöcke aus Leichtmetall Verwendung. Währenddem zur Bildung der Zylinderlaufflächen bis anhin zumeist Gusseisenbüchsen in den Motorblock eingesetzt wurden, geht man nun dazu über, die Zylinderwandungen von Aluminium-Motorblöcken mittels einer eisenhaltigen Laufschicht zu versehen, wobei zum Aufbringen dieser Laufschicht vorzugsweise rotierende Plasmatrons verwendet werden. Eine grundsätzliche Problematik beim Plasmabeschichten von Substraten besteht darin, dass nicht alle im Plasmastrahl aufgeschmolzenen Beschichtungspartikel an der Substratoberfläche haften bleiben. Währenddem dies in vielen Fällen nicht von Bedeutung ist, muss beim Beschichten von Motorblöcken aus verständlichen Gründen darauf geachtet werden, dass keine Beschichtungspartikel im Motorblock zurückbleiben. Bisher wurde diesem Problem zumeist dadurch abgeholfen, dass Abdeckungen angebracht wurden, mittels welchen die exponierten Stellen des Motorblocks geschützt wurden. Nachteilig an derartigen Abdeckungen ist, dass Wärmestaus entstehen, die zu einer hohen thermischen Belastung des Motorblocks führen und ausserdem unerwünschte Partikeleinschlüsse in der aufgebrachten Schicht entstehen lassen, da Umgebungsstaub und nicht aufgeschmolzene bzw. wieder abgekühlte Partikel vom Beschichtungsstrahl mitgerissen werden und zu unerwünschten Einschlüssen führen.
  • Aus der US 5 573 814 ist ein Verfahren zum Abdecken des äusseren Endes von Zylinderbohrungen während des thermischen Beschichtens bekannt. Dazu ist eine aufblasbare Maske vorgesehen, welche von unten gegen die Zylinderbohrung gedrückt wird. Die Maske ist mit einer Absaugleitung verbunden, über welche Gase aus der Zylinderbohrung abgesaugt werden können.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, ein einfach anzuwendendes Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen von Motorblöcken von Verbrennungsmotoren vorzuschlagen, mittels welchem zum einen die Qualität der aufgetragenen Schicht verbessert wird und zum anderen der Motorblock vor Verunreinigungen geschützt wird.
  • Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angeführten Verfahrensschritte gelöst.
  • Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die vorgeschlagene Massnahme die Schichtqualität in zweierlei Hinsicht verbessert wird und dass gleichzeitig auch der Motorblock vor Verunreinigungen geschützt werden kann. Indem die Luft während des thermischen Beschichtens mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 12 m/s durch die Zylinderbohrung geleitet wird, werden die nicht aufgetragenen Beschichtungspartikel zuverlässig abgeführt und der Gehalt von in der Schicht gebundenem Sauerstoff (Oxydanteil) wird in einem Bereich gehalten, in dem sowohl die tribologischen Eigenschaften der Schicht wie auch deren Zerspanbarkeit optimiert werden. Zudem wird durch die Luftströmung eine Kühlung des Motorblocks bewirkt. Schliesslich wird durch die vorgeschlagene Massnahme auch die Verschmutzung des Plasmatrons reduziert.
  • Bevorzugte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 4 umschrieben.
  • Im Anspruch 5 wird eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens vorgeschlagen. Eine bevorzugte Ausführung dieser Vorrichtung ist im abhängigen Anspruch 6 definiert.
  • Anhand einer Zeichnung wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Die einzige Zeichnung zeigt dabei eine schematische Ansicht auf einen Motorblock zusammen mit einer Absaugvorrichtung.
  • Aus dieser Figur sind in schematischer Darstellung zwei Plasmaspritzgeräte 1, 2, ein Motorblock 6 sowie eine Absaugvorrichtung 18 ersichtlich. Zum Beschichten der Zylinderlaufbahnen 8 des 4-zylindrigen Motorblocks sind Plasmaspritzgeräte 1, 2 mit rotierenden Brennerköpfen 3, 4 vorgesehen. Die Absaugvorrichtung 18 weist vier Absaugstutzen 12, eine mit Luftklappen versehene Steuereinrichtung 20 sowie eine Absaugpumpe 25 auf. Bei der Steuereinrichtung 20 sind aus dieser Darstellung nicht die eigentlichen Luftklappen sondern nur deren Verstellmechanismus 22 ersichtlich. Die Steuereinrichtung 20 weist im vorliegenden Fall eine mit vier Luftklappen versehene Luftklappenbatterie 21 auf. Die vier Absaugstutzen 12 sind in einer Halterung 13 aufgenommen und über flexible Schläuche 14 mit der Steuereinrichtung 20 verbunden, wobei die Schläuche 14 nur andeutungsweise eingezeichnet sind. Die Schläuche 14 führen zu einem Anschlusselement 15, welches über Leitungen 17 mit der Steuereinrichtung 20 verbunden ist. Von der Steuereinrichtung 20 führen Leitungen 23 zu der Absaugpumpe 25. Die Steuereinrichtung 20 ist zudem mit Drucksensoren (nicht eingezeichnet) versehen, mittels welchen der beim Absaugen in den Absaugleitungen 14, 17 vorherrschende Luftdruck gemessen werden kann.
  • Das Beschichten der Zylinderlaufbahnen 8 geht folgendermassen vonstatten: Zuerst werden die vier Absaugstutzen 12 von unter durch das Kurbelgehäuse 10 des Motorblocks 6 an das untere Ende 9 der Zylinderbohrungen 7 herangeführt. Danach wird der eigentliche Beschichtungsvorgang gestartet, indem die Plasmaspritzgeräte 1, 2 in die Zylinderbohrungen 7 eingeführt und deren Wandungen 8 beschichtet werden. Während des Beschichtens wird mittels der Absaugvorrichtung 18 kontinuierlich Luft abgesaugt. Dabei wird mittels der Drucksensoren der in den Absaugleitungen 14, 17 vorherrschende Luftdruck gemessen. Aufgrund des gemessenen Luftdrucks kann auf die Strömungsgeschwindigkeit der durch die Zylinderbohrungen 7 strömenden Luft geschlossen werden, wobei die elektronischen Mittel zum Berechnen der Luftgeschwindigkeit nicht näher dargestellt sind. Mittels des Verstellmechanismus 22 können die Luftklappen und damit der Absaugquerschnitt verändert werden, so dass die Luftgeschwindigkeit innerhalb der Zylinderbohrungen 7 im gewünschten Bereich zwischen 7 und 12 m/s gehalten werden kann. Nachdem zwei der vier Zylinderbohrungen 7 beschichtet wurden, werden die beiden anderen Zylinderbohrungen 7 ebenfalls beschichtet und die Strömungsgeschwindigkeit der durch diese Zylinderbohrungen 7 strömenden Luft in der vorgängig beschriebenen Weise gemessen und innerhalb des vorgegebenen Wertes gehalten.
  • Es hat sich gezeigt, dass eine Luftgeschwindigkeit von 7 bis 12 m/s in vielerlei Hinsicht das Optimum darstellen dürfte. Zum einen wird dadurch sichergestellt, dass die nicht aufgetragenen Beschichtungspartikel sowie anderer Staub sicher abgeführt werden, auch wenn zwischen dem jeweiligen Absaugstutzen 12 und dem unteren Ende 9 der Zylinderbohrung 7 ein Spalt bestehen sollte. Daher kann auf eine Abdichtung zwischen dem unteren Ende 9 der Zylinderbohrung 7 und dem jeweiligen Absaugstutzen 12 verzichtet werden, so dass letztlich eine schnelle, effiziente und kostengünstige Beschichtung der Zylinderbohrungen 7 begünstigt wird. Ausserdem wird durch eine Luftgeschwindigkeit von 7 bis 12 m/s der Gehalt von in der Schicht gebundenem Sauerstoff in einem Bereich von ca. 1 bis 4 Gewichtsprozent gehalten, wodurch sowohl die tribologischen Eigenschaften der Schicht wie auch deren Zerspanbarkeit optimiert werden. Zudem wird durch die Luftströmung eine Kühlung des Motorblocks 6 bewirkt und die Verschmutzung des jeweiligen Plasmatrons 3, 4 reduziert. Wird die Luft schneller als mit 12 m/s durch die Zylinderbohrungen 7 geleitet, so besteht die Gefahr, dass der Plasmastrahl gestört wird und nicht mehr alle Beschichtungspartikel im Plasmastrahl vollständig aufgeschmolzen werden, was letztlich zu einer qualitativ unbefriedigenden Schicht mit beispielsweise zu hoher Porosität führt. Wird die Luft langsamer als mit 7 m/s durch die Zylinderbohrungen 7 geleitet, so besteht die Gefahr, dass der Gehalt an gebundenem Sauerstoff in der Schicht zu hoch ist, was wiederum auch zu einer qualitativ unbefriedigenden Schichtqualität führen würde. Zudem besteht bei zu tiefer Luftgeschwindigkeit die Gefahr, dass die Staubbelastung innerhalb des zu beschichtenden Zylinders 7 zu hoch ist und einzelne Partikel durch einen allenfalls zwischen dem Ansaugstutzen 12 und dem unteren Ende 9 der Zylinderbohrung 7 bestehenden Spalt in das Kurbelgehäuse 10 des Motorblocks 6 eindringen können. Bei einem V-Motor können einzelne Partikel ggf. auch in die gegenüberliegenden Zylinderbohrungen gelangen.
  • Das gezeigte Ausführungsbeispiel einer Absaugvorrichtung eignet sich für die Beschichtung von Vierzylinder-Reihenmotoren sowie von Achtzylindermotoren in V-Form. Es versteht sich, dass ebenso Absaugvorrichtungen für andere Varianten von Motorblöcken vorgesehen werden können.

Claims (6)

  1. Verfahren zum thermischen Beschichten von Zylinderwandungen (8) von Motorblöcken (6) von Verbrennungsmotoren, bei welchem während des Beschichtungsvorgangs eine Luftströmung durch Absaugen erzeugt wird, indem die Luft nach unten durch das Kurbelgehäuse (10) des Motorblocks (6) abgesaugt wird,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere mit einer Absaugpumpe (25) in Verbindung stehende Absaugstutzen (12) von unten durch das Kurbelgehäuse (10) des Motorblocks (6) eingeführt und an die Unterseite (9) der Zylinderbohrungen (7) herangeführt werden, und die Luft mit einer Geschwindigkeit zwischen 7 und 12 m/s durch die sich im aktiven Beschichtungsvorgang befindlichen Zylinderbohrung(en) (7) geleitet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallhaltige, vorzugsweise eine eisenhaltige Schicht mittels Plasmaspritzen auf die Zylinderwandungen (8) aufgebracht wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass während des Beschichtungsvorgangs der in Absaugleitungen (14, 17) vorherrschende Luftdruck gemessen wird, und dass aufgrund der gemessenen Werte die Geschwindigkeit der durch die Zylinderbohrung(en) (7) geleiteten Luft ermittelt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die ermittelte Luftgeschwindigkeit zum Ansteuern eines mit Luftklappen in den Absaugleitungen in Wirkverbindung stehenden Verstellmechanismus (22) herangezogen wird.
  5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
    die Vorrichtung mehrere Absaugstutzen (12) aufweist, welche über zumindest teilweise flexible Absaugleitungen (14, 17, 23) mit einer zentralen Absaugpumpe (25) verbunden sind, und die Vorrichtung Drucksensoren zum Erfassen des in den Absaugstutzen (12) oder in den Absaugleitungen vorherrschenden Luftdrucks und Mittel (22) zum Verändern des absaugrelevanten Leitungsquerschnitts zur Steuerung der Luftgeschwindigkeit innerhalb der Zylinderbohrungen im Bereich zwischen 7 und 12 m/s aufweist, wobei zwischen den Absaugstutzen (12) und der Absaugpumpe (25) eine Luftklappenbatterie (21) zum individuellen Verändern des jeweiligen Querschnitts der Absaugleitungen (14, 17, 23) angeordnet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Drucksensor zum Erfassen des in den Absaugstutzen (12) oder in den Absaugleitungen (14, 17, 23) vorherrschenden Luftdrucks vorgesehen ist und dass elektronische Mittel zum Errechnen der Luftgeschwindigkeit aufgrund des Luftdrucks vorgesehen sind.
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