EP2246457B1 - Verfahren zum Aufrauhen einer Metalloberfläche, insbesondere einer Zylinderwandung eines Kurbelgehäuses - Google Patents

Verfahren zum Aufrauhen einer Metalloberfläche, insbesondere einer Zylinderwandung eines Kurbelgehäuses Download PDF

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EP2246457B1
EP2246457B1 EP10003319.0A EP10003319A EP2246457B1 EP 2246457 B1 EP2246457 B1 EP 2246457B1 EP 10003319 A EP10003319 A EP 10003319A EP 2246457 B1 EP2246457 B1 EP 2246457B1
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EP
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roughening
water
sodium hydroxide
hydroxide solution
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Georg Bartholomie
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • 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
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • 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
    • C23F—NON-MECHANICAL REMOVAL OF METALLIC MATERIAL FROM SURFACE; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL; MULTI-STEP PROCESSES FOR SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL INVOLVING AT LEAST ONE PROCESS PROVIDED FOR IN CLASS C23 AND AT LEAST ONE PROCESS COVERED BY SUBCLASS C21D OR C22F OR CLASS C25
    • C23F1/00—Etching metallic material by chemical means
    • C23F1/10—Etching compositions
    • C23F1/14—Aqueous compositions
    • C23F1/32—Alkaline compositions
    • C23F1/36—Alkaline compositions for etching aluminium or alloys thereof

Definitions

  • the present invention relates to a method according to the preamble of claim 1. Such a method is known from WO 02/02845 A2 known.
  • the relevant prior art also includes the EP 568315 B1 . US 5626674 as well as the US 5380564 , At the described there
  • the process involves roughening cylinder surfaces of crankcases by irradiation with a high-pressure jet of pure water.
  • the cylinder surfaces are eroded by the high-pressure water jet, whereby soft structural phases are washed out of the surface.
  • the result of this erosion process is a rough surface with undercuts and channels compared to the initial state, which is then optimally suitable for a subsequent coating with a coating material, wherein the "undercuts" a very good adhesion of the coating is achieved on the underlying material.
  • the crankcase heats up to a temperature in the range between 50 ° C and 90 ° C, wherein the water at least partially evaporated.
  • a very high pump pressure and a large volume flow in relation to the pressure level required is a very high pump pressure and a large volume flow in relation to the pressure level required.
  • pump manufacturers offer pumps that can produce the required pressures of 250 - 350 MPa (2500 - 3500 bar) at a flow rate of 10 - 25 liters / min. Accordingly expensive is not only the pump technology itself, but also the reprocessing of the volume of water used.
  • the object of the invention is to modify the known per se method for roughening metal surfaces so that it is cost-effective and feasible with less technical effort.
  • the pressure level of the high-pressure water jet can be lowered to 100 to 250 MPa (1000 to 2500 bar), without thereby worsening the "roughening performance” or “roughening quality” compared with conventional processes.
  • the metal surface is carefully freed from alkali residues after the roughening process.
  • the removal of lye residues can be done, for example, by rinsing at low pressure with pure water.
  • a "flux" may also be added to the water. So-called fluxes are known from soldering. They are applied to the workpiece to achieve a good bond between the solder material and the material of the workpiece during soldering.
  • This principle can also be used when roughening metal surfaces by means of a high-pressure water jet. After blasting the roughened metal surface and the drying and cooling of the surface remain residues of the water used for blasting added flux on the metal surface back.
  • the metal surface is coated after roughening by means of a thermal coating method.
  • a suitable, known coating method is, for example, the arc wire spraying method in which energy-rich metal particles are "shot" onto the surface to be coated by means of an arc.
  • flux e.g. the flux produced by Solvay Fluor GmbH under the trade name "Nocoloc”.
  • the flux may be added to the water used for roughening in a concentration between e.g. 0.01% and 10% are added.
  • a dye is further added to the water used for roughening.
  • color pigments of the order of magnitude of between 0.01 ⁇ m and 1 ⁇ m in a concentration of up to 15% may be added to the water.
  • the addition of dye then makes it possible in a simple manner to control whether the lye added to the water or the flux additionally added to the water has distributed uniformly on the metal surface to be roughened or roughened.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Ein derartiges Verfahren ist aus der WO 02/02845 A2 bekannt.
    Zum relevanten Stand der Technik zählen ferner die EP 568315 B1 , US 5626674 sowie die US 5380564 . Bei den dort beschriebenen
  • Verfahren geht es darum, Zylinderlaufflächen von Kurbelgehäusen durch Bestrahlen mit einem Hochdruckstrahl aus reinem Wasser aufzurauhen. Die Zylinderlaufflächen werden durch den Hochdruckwasserstrahl erodiert, wobei weiche Gefügephasen aus der Oberfläche herausgewaschen werden. Ergebnis dieses Erosionsprozesses ist eine im Vergleich zum Ausgangszustand rauhe Oberfläche mit Hinterschneidungen und Kanälen, die dann optimal für eine anschließende Beschichtung mit einem Beschichtungsmaterial geeignet ist, wobei durch die "Hinterschneidungen" eine sehr gute Haftung der Beschichtung auf dem darunter befindlichen Material erreicht wird.
    Die in den oben genannten Dokumenten beschriebenen Verfahren arbeiten, wie bereits erwähnt, mit reinem Wasser. Aufgrund der hohen kinetischen Energie mit der der Hochdruckwasserstrahl auf die Zylinderlaufflächen auftrifft, erwärmt sich das Kurbelgehäuse auf eine Temperatur im Bereich zwischen 50°C und 90°C, wobei das Wasser zumindest teilweise verdampft. Um den Wasserstrahl hinreichend stark zu beschleunigen, so dass die Zylinderlaufflächen bis in eine Tiefe von 50 - 100 µm "zerfurcht" werden, ist ein sehr hoher Pumpendruck und ein in Relation zu dem Druckniveau großer Volumenstrom erforderlich.
    Derzeit bieten nur einige wenige Pumpenhersteller Pumpen an, welche die erforderlichen Drücke von 250 - 350 MPa (2500 - 3500 bar) bei einem Volumenstrom von 10 - 25 Liter/min erzeugen können. Dementsprechend teuer ist nicht nur die Pumpentechnik an sich, sondern auch die Wiederaufbereitung des Volumens des verwendeten Wassers. Zur Herausfilterung der erosiv abgetragenen Metallpartikel aus dem Wasser werden nämlich Filter benötigt, die Partikel in der Größenordnung von einem Durchmesser von 1 µm herausfiltern können.
    Aufgabe der Erfindung ist es, das an sich bekannte Verfahren zum Aufrauhen von Metalloberflächen so zu modifizieren, dass es kostengünstiger und mit einem geringeren technischen Aufwand durchführbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 8 definiert. Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, anstatt mit reinem oder im Wesentlichen reinem Wasser mit einem Gemisch aus Wasser und einer Substanz in Form einer Natronlauge zu arbeiten, die mit der aufzurauhenden Metalloberfläche chemisch reagiert bzw. diese "angreift". Zusätzlich zu einer rein mechanischen, d.h. erosiven bzw. abrasiven Aufrauhung mittels eines Hochdruckwasserstrahls erfolgt eine zusätzliche, auf chemischen Vorgängen beruhende Aufrauhung der Metalloberfläche. Ein ganz wesentlicher, sich hieraus ergebender Vorteil ist darin zu sehen, dass im Vergleich zu den herkömmlichen Verfahren mit geringeren Drücken gearbeitet werden kann, wodurch sich die Investitionskosten für die Pumpentechnik verringern. Je nach Art und Konzentration der dem Wasser zugegebenen Substanz kann das Druckniveau des Hochdruckwasserstrahls auf 100 bis 250 MPa (1000 bis 2500 bar) abgesenkt werden, ohne dass sich dadurch die "Aufrauhleistung" bzw. "Aufrauhqualität" gegenüber herkömmlichen Verfahren verschlechtert.
  • Sehr gute Ergebnisse lassen sich dadurch erzielen, dass dem verwendeten Wasser Natronlauge (NaOH) z.B. in einer Konzentra-tion zugesetzt wird, mit der sich ein Laugenanteil im Bereich zwischen 0,001 % bis 7 % des Gesamtgemischs ergibt.
    Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Metalloberfläche nach dem Aufrauhvorgang sorgfältig von Laugenrückständen befreit. Die Entfernung von Laugenrückständen kann beispielsweise durch Abspülen mit niedrigem Druck mit reinem Wasser erfolgen.
    Alternativ oder ergänzend zur Zugabe einer Lauge kann dem Wasser auch ein "Flussmittel" zugesetzt werden. Sogenannte Flussmittel sind aus der Löttechnik bekannt. Sie werden auf das Werkstück aufgetragen, um beim Löten eine gute Verbindung zwischen dem Lotmaterial und dem Material des Werkstücks zu erreichen. Dieses Prinzip kann auch beim Aufrauhen von Metalloberflächen mittels eines Hochdruckwasserstrahls eingesetzt werden. Nach dem Abstrahlen der aufzurauhenden Metalloberfläche und der Trocknung und Abkühlung der Oberfläche verbleiben Reste des dem zum Abstrahlen verwendeten Wassers zugesetzten Flussmittels auf der Metalloberfläche zurück.
    Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die Metalloberfläche nach dem Aufrauhen mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens beschichtet. Ein geeignetes, bekanntes Beschichtungsverfahren ist z.B. das Lichtbogendrahtspritzverfahren, bei dem mittels eines Lichtbogens energiereiche Metallpartikel auf die zu beschichtende Oberfläche "geschossen" werden. Aufgrund der beim Auftreffen der Metallpartikel abzubauenden kinetische Energie bzw. aufgrund der hierbei lokal entstehenden hohen Drücke kommt es zum einem starken Temperaturanstieg, was dazu führt, dass die Flussmittelrückstände mit dem Material der Metalloberfläche (z.B. Aluminium bzw. Aluminium-Legierung) chemisch reagieren, was zu einer Entoxidierung der Metalloberfläche und im Ergebnis zu einer oxidarmen Verbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial (z.B. Fe-Legierungen oder AI-Legierungen) und dem Material des Werkstücks (z.B. Aluminium) führt.
  • Als "Flussmittel" kann z.B. das von der Solvay Fluor GmbH unter dem Markennamen "Nocoloc" hergestellte Flussmittel verwendet werden. Das Flussmittel kann dem zum Aufrauhen verwendeten Wasser in einer Konzentration zwischen z.B. 0,01 % und 10 % zugegeben werden.
  • Dem zum Aufrauhen verwendeten Wasser wird ferner ein Farbstoff zugegeben Beispielsweise können Farbpigmente in einer Größenordnung zwischen 0,01 µm und 1 µm in einer Konzentration von bis zu 15 % dem Wasser zugegeben werden. Die Zugabe von Farbstoff ermöglicht dann in einfacher Weise eine Kontrolle, ob sich die dem Wasser zugesetzte Lauge bzw. das dem Wasser zusätzlich zugesetzte Flussmittel gleichmäßig auf der aufzurauhenden bzw. aufgerauhten Metalloberfläche verteilt hat.

Claims (8)

  1. Verfahren zum Aufrauhen einer Metalloberfläche, insbesondere einer Zylinderwandung eines Kurbelgehäuses, wobei
    • die Metalloberfläche durch Besprühen mit einem Hochdruckflüssigkeitsstrahl mechanisch aufgerauht wird und
    • als Flüssigkeit ein Gemisch aus Wasser und einer Substanz verwendet wird, das bzw. die mit der Metalloberfläche chemisch reagiert,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    • das Aufrauhen ein mechanisches und chemisches Aufrauhen ist, wobei die Substanz eine Natronlauge (NaOH) ist und
    • dem Wasser ein Farbstoff zugegeben wird, wodurch kontrolliert wird, ob die dem Wasser zugegebene Natronlauge sich gleichmäßig auf der aufzurauhenden Metalloberfläche verteilt hat.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Natronlauge (NaOH) um eine konzentrierte Natronlauge handelt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Aufrauhen der Metalloberfläche Reste der dem Wasser zugesetzten Natronlauge mit reinem Wasser von der Metalloberfläche entfernt werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruckflüssigkeitsstrahl einen Druck von bis zu 350 MPa (3500 bar), insbesondere einen Druck im Bereich zwischen 100 und 250 MPa (1000 bar und 2500 bar) aufweist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch zusätzlich ein Flussmittel enthält.
  6. Verfahren nach Anspruch 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass nach dem mechanischen Aufrauhen Flussmittel auf der aufgerauhten Metalloberfläche zurückbleibt.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass die Metalloberfläche nach dem Aufrauhen mittels eines thermischen Beschichtungsverfahrens mit einer Oberflächenbeschichtung versehen wird, wobei es bei der hierbei an der Metalloberfläche auftretenden Temperatur zu einer chemischen Reaktion des auf der Metalloberfläche verbliebenen Flussmittels mit dem Werkstoff der Metalloberfläche kommt, insbesondere zu einer Entoxidierung der Metalloberfläche und zu einer oxidarmen Verbindung zwischen dem Beschichtungsmaterial und der Metalloberfläche.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, dass als Beschichtungsverfahren Laserspritzen zum Einsatz kommt, insbesondere ein thermisches Beschichtungsverfahren wie das Plasma- oder Lichtbogend rahtspritzen.
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