BOHRUNGSWAND

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur metallischen Beschichtung, wobei eine Be schichtungslanze mit einer Anode und einer Kathode axial in die Bohrung eingefah ren und dabei um ihre Längsachse gedreht wird, zwischen der Anode und der Ka thode 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 Boh rungswand gedüst wird und an der Bohrungswand eine Beschichtung gebildet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Anlage zur metallischen Beschichtung einer Boh rungswand einer Bohrung einer Beschichtungslanze mit einer Anode und einer Ka thode, 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 Einleiteinrich tung ein Plasmagasgemisch einleitbar ist, welches in dem Lichtbogen zur Erzeugung eines Plasmastromes ionisiert wird, einer Zuführeinrichtung zum Zuführen eines Be schichtungspulvers in den Plasmastrom und einer Injektionsdüse, welche auf die Bohrungswand ausgerichtet ist, wobei durch den Plasmastrom auf der Bohrungs wand eine Beschichtung gebildet wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 13.

Insbesondere im Motorenbau ist es erforderlich, die Laufflächen von Zylinderbohrun gen mit einer speziellen metallischen Beschichtung zu versehen, damit hinreichende Reibungs- und Schmierbedingungen zwischen der Zylinderlauffläche und einem Zy- linderkolben gewährleistet sind. Dies gilt vor allem dann, wenn sowohl das Motoren gehäuse als auch der Zylinderkolben aus demselben Metall, etwa aus Aluminium, gefertigt sind.

Hierzu ist es bekannt, eine Bohrungswand mit einer speziellen Beschichtung zu ver sehen. 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 at mosphärische Plasmaspritzen dar. In einer Brennerlanze wird dabei mittels eines Lichtbogens und Einleiten eines Fördergases ein Plasmastrom mit einer hohen Tem peratur von bis zu 2000 K oder mehr erzeugt. In diesen heißen Plasmastrom können feine Beschichtungspartikel eingeleitet werden, welche in dem Plasmastrom auf schmelzen und mit dem Plasmastrom mit hoher Geschwindigkeit auf die Bohrungs wand aufgebracht werden.

Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine gattungsgemäße Anlage gehen beispiels weise aus der EP 2933352 A1 hervor.

Beim Aufbringen der Beschichtung ist es maßgeblich, dass diese stabil ausgebildet wird. Dies muss insbesondere bei einem Einsatz im Motorenbau eine lange Lebens dauer von vielen Jahren aufweisen, wobei die Beschichtung hohen thermischen, me chanischen und chemischen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Dabei kann bereites ein Lösen selbst kleinerer Bestandteile der Beschichtung zu schweren Motorschäden führen.

Der Erfindung liegt die A u g a b e zugrunde, ein Verfahren und eine Anlage anzu geben, mit welchen eine metallische Beschichtung auf eine Bohrungswand effizient aufbringbar ist.

Die Aufgabe wird nach der Erfindung zum einen durch ein Verfahren mit den Merk malen des Anspruchs 1 und zum anderen durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind in den abhängi gen Ansprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, 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.

Nach der Erfindung wurde erkannt, dass für das Erzeugen einer besonders vorteil haften Beschichtung es maßgeblich auf ein Verhältnis zwischen der Rotationsge schwindigkeit der Brennerlanze in der Bohrung zu einer Zuführrate an Beschich tungspulver 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 hin reichend aufgeschmolzen, dass diese einen festen Verbund bilden. Bei einer erhöh ten Zuführrate pro Umdrehung in dem angegebenen Einstellbereich ist der Grad zwi schen Aufschmelzung und schneller Erkaltung besonders vorteilhaft, so dass sich ein gewünschter mikroporöser Schichtaufbau ergibt. Dieser wird noch durch die Einstel lung des Fördergases in einem Bereich von 30 l/min bis 70 l/min unterstützt.

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 Schichtauf bau mit der gewünschten Struktur. Besonders bevorzugt ist es, wenn die axiale Vor schubgeschwindigkeit 4,13 mm/U beträgt.

Eine besonders gute Aufheizung des Plasmastroms wird nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch bewirkt, dass zwischen der Anode und der Kathode ein Entla dungsstrom von 300 A bis 400 A, insbesondere von 360 A, eingestellt wird.

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 kom men, welche beispielsweise eine Größe von 1 mm mal 3 mm haben kann.

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 ge neigt wird. Hierdurch kann ein weitgehend radial gerichteter Materialauftrag erreicht werden, da durch die Neigung eine Abweichung durch den axialen Vorschub kom pensiert werden kann.

Grundsätzlich kann die Beschichtung in einem einzigen axialen Auftrag erfolgen. Ei ne 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 Be schichtungslanze gebildet wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn vier axiale Über läufe mit der Beschichtungslanze über die Bohrungswand erfolgen.

Eine besonders stabile Beschichtung ergibt sich insbesondere dadurch, dass eine Schichtdicke von 150 pm bis 300 pm, insbesondere von 250 pm gebildet wird. Bei vier Überläufen kann so insbesondere eine Schichtdicke zwischen 60 pm bis 70 pm aufgebracht werden.

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 Plas mastrom für das Beschichtungsverfahren. Das Beschichtungspulver kann durch ein Trägergas zugefördert werden.

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 die sem Drehzahlbereich ein besonders guter und stabiler Materialauftrag. Hinsichtlich des Plasmagasgemisches liegt ein bevorzugter Einstellbereich darin, dass ein Volumenstrom des Plasmagasgemisches von 40 l/min bis 50 l/min, vor zugsweise 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.

Weiterhin ist es besonders zweckmäßig, dass die Zuführrate des Beschichtungspul vers auf 110 g/min eingestellt wird. Für die Beschichtung kann grundsätzlich han delsübliches Beschichtungspulver zum Plasmaspritzen eingesetzt werden.

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 pm liegt. Besonders bevorzugt ist es da bei, dass diese Partikel in dem aufgeheizten Plasmastrom vollständig oder nicht voll ständig aufschmelzen, also nur an ihrer Oberseite, und so eine Tropfenform beim Auftreffen auf die Beschichtungswand aufweisen. Hierdurch kann sich eine Be schichtung aus etwa kugelförmigen Elementen zusammensetzen, welche durch ein gezieltes Erkalten eine Beschichtungsstruktur mit dazwischen liegenden Mikrofrei räumen bilden. Insbesondere ergibt sich keine durchgehende feste Verbindung, son dern die aufgeschmolzenen und erkaltenden Beschichtungspartikel sind nur be reichsweise miteinander verbunden, wobei vorzugsweise zwischen 2 % bis 20 % des Beschichtungsvolumens durch Porenhohlräume gebildet sind.

Die erfindungsgemäße Anlage ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung vorgesehen und ausgelegt ist, so dass die Beschichtungslanze mit einer gleichmäßi gen axialen Vorschubgeschwindigkeit in die Bohrung einfahrbar und mit einer Dreh geschwindigkeit 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.