DE102004056179A1

DE102004056179A1 - Verfahren zur Herstellung eines Verdichtergehäuses

Info

Publication number: DE102004056179A1
Application number: DE102004056179A
Authority: DE
Inventors: Wolfgant Pellkofer; Jens-W. Jaisle; Alexander Dr. Sagel; Ansgar Zoller; Hans-Georg Lehmann
Original assignee: DaimlerChrysler AG; BorgWarner Inc; Borg Warner Automotive Inc
Current assignee: Mercedes Benz Group AG; BorgWarner Inc
Priority date: 2004-11-20
Filing date: 2004-11-20
Publication date: 2006-05-24
Also published as: EP1658925A1; US20060165524A1; JP2006144790A

Abstract

Ein Verdichtergehäuse (1) eines Turboladers ist auf seiner mit dem Verdichterrad (4) zusammenwirkenden Innenwand (8) mit einer Abtriebsbeschichtung (7) versehen. DOLLAR A Die Herstellung dieser Abtriebsbeschichtung (7) mittels Plasmaspritzen erfordert keine tiefgreifende Aktivierung der Oberfläche und kann direkt auf die beispielsweise rauh gedrehte Oberfläche der Verdichtergehäuseinnenwand (8) aufgebracht werden. DOLLAR A Die Beschichtung (7) hat konstante Porosität und relativ kleine Partikelgröße.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verdichtergehäuses beispielsweise eines Abgasturboladers mit einer rotationssymmetrischen Wandung deren Innenseite mit einer Abriebsbeschichtung versehen ist, sowie ein Verdichtergehäuse mit einer rotationssymmetrischen Innenwand zur Aufnahme eines Verdichterrads, das um eine zentrale Achse innerhalb des Verdichtergehäuses rotiert und dessen von der zentralen Achse radial entfernt gelegenen Kantenbereiche sich in relativ geringem Abstand zur Kontur der rotationssymmetrischen Innenwand an dieser Kontur entlang bewegen, wobei die Innenwand des Verdichtergehäuses eine Abriebsbeschichtung aufweist, welche von den Kantenbereichen des Verdichterrads bestrichen, und hierdurch die Oberfläche der Abriebsbeschichtung insbesondere während einer frühen Betriebsphase des Verdichters an die Kantenkontur des Verdichterrads angepasst wird, und wobei die Abriebsbeschichtung aus einem Pulvergemisch von Aluminium-Silizium und Polyester hergestellt ist.
In der Fahrzeugtechnik sind bereits seit vielen Jahren Turbolader bekannt, die dazu dienen, angetrieben von der Energie der Abgase eines Verbrennungsmotors, die Ansaugluft für die Treibstoffverbrennung vorzukomprimieren, um dadurch den Wirkungsgrad des Motor erheblich zu erhöhen.
Ein derartiger Turbolader besteht im Wesentlichen aus zwei Teilen, einer von den Abgasen angetriebenen Turbine und einem von dieser Turbine angetriebenen Verdichter.
Innerhalb des Verdichters rotiert ein Verdichterrad das die Ansaugluft verdichtet bevor sie in den Verbrennungsraum geleitet wird.
Das Verdichterrad rotiert dabei um eine zentrale Achse, um welche auch das rotationssymmetrische Gehäuse angeordnet ist. Die Randkonturen des Verdichterrads sind dabei an die Krümmung der Verdichtergehäusewand angepasst, wobei nur ein geringer Spalt zwischen Verdichterradrand und Wandung verbleibt.
Der Wirkungsgrad des Verdichters ist hierbei sehr stark von der verbleibenden Spaltbreite abhängig, sodass erhebliche Anstrengungen erforderlich sind um den Spalt, unter Beibehaltung der erforderlichen Freiheit für die Rotation des Verdichterrads, so klein wie möglich zu machen, und dies über den gesamten Verlauf des Spalts.
Dies erfordert zuerst eine genaue Anpassung der Wandung des Verdichtergehäuses an die rotationssymmetrische Kontur des Verdichterrads.
Da die kostenerträglichen Fertigungstoleranzen derartiger Bauteile in einem Bereich liegen, der eine optimale Anpassung der beiden Teile aufeinander nicht immer zulässt, aber auch weil die Bauteile, welche starken mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt sind, sich im Lauf der Zeit verändern können, hat man bereits in der Vergangenheit daran gedacht, die Innenseite der Verdichtergehäusewandung mit einer Abriebsbeschichtung zu versehen, welche eine relativ weiche Oberfläche aufweist, so dass das Verdichterrad beim Rotieren diese Oberfläche in einem Masse abschleift, dass die verbleibende Dimension der Abriebsbeschichtung genau die erstrebte Mindestbreite des Spalts bildet.

Die japanische Patentanmeldung 01060701A1 beschreibt ein Beschichtungsverfahren für einen Verdichter mit einer Abriebsbeschichtung, bei der die Abriebsbeschichtung durch Flammspritzen einer pulverförmigen Mischung von AlSi und Polyester hergestellt wird.

Dieses Dokument beschreibt keinerlei Verfahrensdetails betreffend der Herstellung des Verdichtergehäuses vor der Beschichtung, sodass davon ausgegangen werden muss, dass es nach in der Fahrzeugindustrie üblichen Methoden hergestellt wurde.

Dies bedeutet, dass die Oberfläche des Verdichtergehäuses vor dem Flammspritzen aktiviert werden muss, um eine ausreichende Rauhigkeit zu erhalten, welche die mechanische Verankerung der aufgespritzten Schicht garantiert.

Eine derartige Aktivierung wird herkömmlicher Weise mittels Korundstrahlen, Hochdruckwasserstrahlen oder auch Druckluftnageln erreicht, welches zwischen Grundvorbereitung des Verdichtergehäuses und Beschichten seiner Innenwand einen herstellungstechnischen Zwischenschritt und den damit einhergehenden Kosten erfordert.

Ferner, obwohl das japanische Dokument keinen Aufschluss über die Partikelgröße der Beschichtung gibt, ist es für einen Fachmann erkennbar, dass die erhaltene Partikelgröße bei etwa 10 oder mehr Mikrometern liegt.

Auch beschreibt dieses Dokument die Herstellung einer Abriebsbeschichtung mit graduierter Porosität, welches von den Erfindern der vorliegenden Erfindung als nicht zielführend angesehen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung eines Verdichtergehäuses mit Abriebsbeschichtung sowie ein nach diesem Verfahren hergestelltes Verdichtergehäuse bereitzustellen, mittels dessen ein derartiger herstellungstechnischer Zwischenschritt vermieden werden kann.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe durch die folgenden Verfahrensschritte gelöst:

– Herstellung eines Verdichtergehäuses mittels eines, Rauhdrehen umfassenden Herstellungsprozesses,
– Beschichten der Innenseite der Wandung des Verdichtergehäuses mit einer Abriebsbeschichtung, ohne einen vom Herstellungsprozess unabhängigen dazwischen liegenden Aktivierungsschritt der Oberfläche, und
– Eventuell Nachbehandeln der Beschichtungsoberfläche.

Entsprechend einer Ausführungsart kann die Herstellung der Abriebsbeschichtung mittels atmosphärischem Plasmaspritzen erfolgen.

Ein bevorzugtes Ausgangsmaterial zur Herstellung der Abriebsbeschichtung mittels Plasmaspritzen ist ein Gemisch von Aluminium-Silizium und Polyester.

Ein besonders vorteilhaftes Ausgangsmaterial ist ein Gemisch von Aluminium Silizium und Polyester welches von der Firma Sulzer Metco unter der Referenz NS 601 vertrieben wird.

Vorteilhafterweise werden die Beschichtungsparameter so gewählt sind, dass die Porosität der Abriebsbeschichtung über die Beschichtungsdicke hinweg konstant ist.

Entsprechend einer Ausführungsart der Erfindung besitzt die Abriebsbeschichtung eine feinkörnige Struktur mit einer mittleren Partikelgröße von ungefähr 4 Mikrometern, wie sie beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen herstellbar ist.

Entsprechend einer Ausführungsart der Erfindung ist ein Teil der Innenkontur (nur Bereich 6) des Verdichtergehäuses, die zusammen mit dem Verdichterrad einen rotationssymmetrische Spalt bildet, mit einer Abriebsbeschichtung versehen.

In einer anderen Ausführungsart ist das Verdichtergehäuse nicht nur im Bereich 6 sondern auch im Einlaufbereich 5 mit einer Abriebsbeschichtung versehen.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines nach dem erfindungsgemäss hergestellten Verdichtergehäuses als Gehäuse eines Turboladerverdichters.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Die 1 zeigt einen Axialschnitt durch ein Verdichtergehäuse mit einer Abriebsbeschichtung, und

die 2 zeigt ein Diagramm der Wirkungsgradverbesserung eines Turboladerverdichters mit einer erfindungsgemässen Abriebsbeschichtung.

Detaillierte Erfindungsbeschreibung
Die 1 zeigt einen Axialschnitt durch einen Verdichter eines Turboladers.
Das Gehäuse 1 des Verdichters weist einen Einströmbereich 2 für die zu verdichtende Luft auf, der sich in Strömungsrichtung bis zum Verdichterrad 4 hin verjüngt.
Im Bereich 5 des kleinsten Querschnitts ist das Verdichterrad 4 angeordnet, welches sich in Strömungsrichtung vom Bereich 5 des kleinsten Querschnitts weiter in einen Bereich 6 größeren Querschnitts erstreckt, von dem aus die verdichtete Luft in nicht dargestellter Weise in einen Ringraum 3 geführt wird, von wo sie dann weiter einem nicht dargestellten Verbrennungsraum zugeleitet wird.
Innerhalb der Bereiche 5 und 6 des Verdichtergehäuses, welche vom rotierenden Verdichterrad 4 bestrichen werden, ist eine Abriebsbeschichtung 7 an der Innenwandung 8 des Gehäuses 1 angebracht, welche praktisch exakt die gleiche Rotationsfigur aufweist, wie die Rotationsfigur des Verdichterrads 4, mit Ausnahme eines Mindestspalts 9 um die freie Rotation des Verdichterrads zu ermöglichen.
Dieser Mindestspalt 9 ist in 1 ebenso wie die Dicke der Abriebsbeschichtung 7 übertrieben stark dargestellt.
Aus fertigungstechnischen Gründen muss die Breite des Spalts groß genug gewählt werden, um unter allen Bedingungen ein Anstreifen des Verdichterrads an der Gehäuse-Innenwand zu verhindern, da dies hochfrequente Schwingungen der Verdichterschaufeln erzeugen würde die zu einem raschen Ausfall des Verdichterrads führen. Andererseits soll der Spalt so klein wie möglich sein um einen hohen Wirkungsgrad des Verdichters zu erreichen.
Ein Ausweg aus dem Dilemma einerseits geringste Spaltbreiten zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Verdichters und andererseits ausreichend große Spaltbreiten zur Vermeidung frühen Ausfalls des Turboladers zu verwenden, ist die Innenfläche der Verdichterwand mit einer weicheren Beschichtung auszustatten, welche ein Anstreifen der Verdichterradschaufeln nicht nur toleriert, sondern sich den Schaufelkonturen anbietet, um durch Abschleifen einen optimal angepassten Spalt zu erzeugen.
Die Dicke und Weichheit der Beschichtung sind dabei so gewählt, dass einerseits ein Anstreifen absichtlich in Kauf genommen werden kann, andererseits jedoch ein Festsetzen des Verdichterrads mit Sicherheit vermieden wird.
Im Unterschied zur japanischen Patentschrift 01060701, in der ein Verfahren zur Herstellung graduierter Schichtporosität beschrieben wird, haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung eine konstante Porosität als vorteilhafter angesehen. Dies führt zu einem gleichmäßigeren Schichtabtrag und ist daher günstiger für die Ausbildung des Minimalspalts. Zur Erzeugung eines Minima ist es günstig in der Abriebsbeschichtung eine relativ kleine Partikelgröße zu erreichen, um die von den Verdichterschaufeln bei Rotieren herausgeschlagenen Teilchen, und damit die hinterlassenen Krater möglichst klein zu halten, was einerseits zu verminderter mechanischer Beanspruchung und andererseits zu einer besseren Oberflächenbeschaffenheit führt.
Das atmosphärische Plasmaspritzverfahren eröffnet die Möglichkeit die Verdichtergehäusevorbehandlung, (beispielsweise das Korundstrahlen) entfallen zu lassen, statt dessen kann ein einfacherer Prozess wie Rauhdrehen vorgeschaltet werden.
Dieses Rauhdrehen kann entweder direkt als Teil des Herstellungsprozesses für das entsprechende Bauteil eingesetzt werden, es kann aber auch als einfacher Zwischenschritt für bereits nach anderen Verfahren mit glatter Oberflächenbeschaffenheit hergestellte Teile angewendet werden.
Die Haftfähigkeit bei plasmagespritzen Beschichtungen ist erheblich größer als bei flammgespritzen Beschichtungen. Zusätzlich bietet das Verfahren entsprechend der Erfindung die Möglichkeit, einen Verdichtergehäuserohling nach einfachem Raudrehen mittels Plasmaspritzen zu behandeln, wodurch die Haftfähigkeit noch weiter verbessert wird.
Beispiel
Ein Verdichtergehäuserohling wurde in herkömmlicher weise durch Aluminiumguss hergestellt und anschließend durch Drehen nachbearbeitet, um in Bereichen, welche ein exaktes Mass oder eine glatte Oberfläche erfordern, die gewünschten Dimensionen oder Oberflächenqualitäten zu erhalten. Hierauf wurde ein Rauhdrehprozess durchgeführt, welcher in den dem Verdichterrad gegenüberliegenden Bereichen 5 und 6 der Innenseite 8 des Verdichtergehäuses 1 eine für das nachfolgende Plasmaspritzen ausreichende Rauhigkeit erzeugt
Das Rauhdrehen wurde mit folgenden Parametern durchgeführt:

Aufmass: 0,4 mm

Vorschub: 0,35 mm

Schnittgeschw.: 800 m/min

Wendeplatte: HM

Radius: 0,2 mm

erzielter Rz: 55 .... 80 micrometer
Das Rauhdrehen erfolgte auf ein und derselben Drehmaschine wie die vorausgehende Bearbeitung des Rohlings, sodass der Mehraufwand für das Rauhdrehen praktisch vernachlässigbar war.
Ein herstellungstechnischer Zwischenschritt wie Korundstrahlen oder dergleichen hätte einen weitaus größeren Aufwand erfordert, da das Teil in eine andere Maschine hätte eingespannt werden müssen.
Nach dem Rauhdrehen wurde das Teil in die Beschichtungsanlage transferiert. Die verwendete Beschichtungsanlage war ein Brennersystem F4 von Medicoat.
Durch Rotieren des Bauteils wurde eine gleichmäßige Beschichtung der zu beschichtenden Oberfläche erreicht.
Der Beschichtungswerkstoff AlSi12 + Polyester (Sulzer Metco 601 NS) wurde mittels eines Pulverförderers und eines Injektors in das vom Brennersystem erzeugte Plasma ein- und auf die zu beschichtenden Oberfläche aufgebracht.
Die Arbeitsparameter waren die folgenden:

Düsendurchmesser: 6 mm

Arbeitsstrom: 300 A

Plasmagase: Ar 70 l/min

H2 8 l/min

Trägergas: 5 l/min

Pulverförderrate: 30 g/min

Spitzabstand: 100 mm
Die Pulverteilchengröße des Beschichtungsausgangsmaterials und die beschriebenen Betriebsparameter wurden derart optimiert, dass die Partikelgröße der Beschichtung etwa 4 Mikrometer betrug und eine relative geringe Porosität erzeugt wurde.
Die unter den genannten Bedingungen erhaltene Oberfläche der Abriebsbeschichtung wies eine Qualität auf, die keine Nachbehandlung erforderlich machte.
Es könnte jedoch eine Nachbehandlung durchgeführt werden, was insbesondere für die nachgeschalteten Systeme wie Brennraum, Turbine und Katalysator von Vorteil ist.
In 2 sind Ergebnisse für mehrere erzeugte Schichtdicken einerseits und für Verdichtergehäuse mit Abriebsbeschichtung nur im Verdichterradkonturbereich, bzw. mit Beschichtung auch im Einlaufbereich andererseits, in Form von Wirkungsgradzuwachs des Verdichters dargestellt.
Hieraus geht hervor, dass bei einem Verdichter mit einer Beschichtung sowohl im Verdichterradkonturbereich also auch im Einlaufbereich mit einer Dicke von etwa 0,15 mm der Wirkungsgradzuwachs in der Größenordnung von etwa 2,5% liegt, wobei der Wirkungsgradzuwachs bei 0,4 mm Beschichtung über 5% erreicht.
Bei einem Verdichter mit Beschichtung nur im Verdichterradkonturbereich steigt der Wirkungsgrad bei einer Schichtdicke von 0,15 mm um etwa 1% und erreicht bei einer Schichtdicke von 0,4 mm ebenfalls etwa 5%.
Dies lässt die Schlussfolgerung zu, dass die Anbringung einer Beschichtung auch im Einlaufbereich die Wirkungsgradsteigerung des Verdichters bei relativ dünnen Abriebsbeschichtungen unterstützt, aber keinen wesentlichen Effekt mehr erzielt, wenn die Schichtdicke größer wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Verdichtergehäuses eines Abgasturboladers mit einer rotationssymmetrischen Wandung deren Innenseite mit einer Abriebsbeschichtung versehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Herstellung eines Verdichtergehäuses mittels eines, Rauhdrehen umfassenden Herstellungsprozesses, – Beschichten der Innenseite der Wandung des Verdichtergehäuses mit einer Abriebsbeschichtung, ohne einen vom Herstellungsprozess unabhängigen dazwischenliegenden Aktivierungsschritt der Oberfläche, und – Eventuell Nachbehandeln der Beschichtungsoberfläche.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Abriebsbeschichtung mittels atmosphärischem Plasmaspritzen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung der Abriebsbeschichtung mittels Plasmaspritzen eines Gemischs von Aluminium-Silizium und Polyester erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Gemisch von Aluminium-Silizium und Polyester Sulzer Metco NS 601 verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsparameter so gewählt sind, dass die mittlere Partikelgröße der Abriebsbeschichtung ungefähr 4 Mikrometer beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsparameter so gewählt sind, dass die Porosität der Abriebsbeschichtung über die Beschichtungsdicke hinweg konstant ist.
Verdichtergehäuse (1) mit einer rotationssymmetrischen Innenwand (8) zur Aufnahme eines Verdichterrads (4), das um eine zentrale Achse (A) innerhalb des Verdichtergehäuses(1) rotiert und dessen von der zentralen Achse (A) radial entfernt gelegene Kantenbereiche (11) sich in relativ geringem Abstand zur Kontur (10) der rotationssymmetrischen Innenwand (8) an dieser Kontur entlang bewegen, wobei die Innenwand (8) des Verdichtergehäuses (1) eine Abriebsbeschichtung (7) aufweist, welche von den Kantenbereichen (11) des Verdichterrads (4) bestrichen, und hierdurch die Oberfläche der Abriebsbeschichtung (7) insbesondere während einer frühen Betriebsphase des Verdichters (1) an die Kantenkontur (11) des Verdichterrads (4) angepasst wird, und wobei die Abriebsbeschichtung (7) aus einem Pulvergemisch von Aluminium-Silizium und Polyester hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtergehäuse (1) nach einem der Ansprüche 1–5 hergestellt ist.
Verdichtergehäuse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abriebsbeschichtung (7) eine feinkörnige Struktur mit einer mittleren Partikelgröße von ungefähr 4 Mikrometern aufweist, wie sie beispielsweise durch atmosphärisches Plasmaspritzen herstellbar ist.
Verdichtergehäuse (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bereich (6) der Innenkontur (10) des Verdichtergehäuses (1), die zusammen mit dem Verdichterrad (4) einen rotationssymmetrischen Spalt (9) bildet, mit einer Abriebsbeschichtung (7) versehen ist.
Verdichtergehäuse (1) nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem mit dem Verdichterrad (4) zusammenarbeitenden Bereich (6) der Innenwandung (8) des Verdichtergehäuses (1) auch der Einlaufbereich (5) des Verdichtergehäuses (1) mit einer Abriebsbeschichtung versehen ist.
Verdichtergehäuse (1) nach einem der Ansprüche 7–10, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Abriebsbeschichtung (7) ein Pulvergemisch von AlSi12 plus Polyester (SulzerMetco NS 601) verwendet wird.
Verdichtergehäuse (1) nach einem der Ansprüche 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der Beschichtung (7) über die Schichtdicke hinweg konstant ist.
Verwendung eines Verdichtergehäuses (1) nach einem der Ansprüche 7–12, als Gehäuse eines Turboladerverdichters.