DE102012105521A1

DE102012105521A1 - Verwendung einer Kohlenstoffbeschichtung sowie Maskierungsmittel und Beschichtungsanlage zum thermischen Spritzen

Info

Publication number: DE102012105521A1
Application number: DE201210105521
Authority: DE
Inventors: Felix Ernst; Detlef Kube; Kirsten Bobzin; Nazlim Bagcivan; Sebastian Theiß
Original assignee: Nemak Dillingen GmbH
Current assignee: Nemak Dillingen GmbH
Priority date: 2012-06-25
Filing date: 2012-06-25
Publication date: 2014-01-02

Abstract

Um der Entstehung von Oversprayablagerungen beim thermischen Spritzen auf den von solchen Ablagerungen freizuhaltenden Flächenabschnitten einer Beschichtungsanlage oder eines zu beschichtenden Bauteils entgegenzuwirken und um das Abreinigen solcher Oversprayablagerungen von Maskierungsmitteln (10), die zum abschnittsweisen Maskieren von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächenabschnitten eines Bauteils vorgesehen sind, zu erleichtern, schlägt die Erfindung vor, die betreffenden Flächen der Beschichtungsanlage oder das Maskierungsmittel (10) an ihrer dem jeweiligen Spritzstrahl zugewandten Oberfläche mit einer Kohlenstoffbeschichtung (14) zu beschichten. Auf diese Weise kann beim Beschichten eines Werkstücks oder Bauteils durch thermisches Spritzen das zum Abdecken einer zu maskierenden Fläche des betreffenden Werkstücks oder Bauteils (1) eingesetztes, in erfindungsgemäßer Weise beschichtetes Maskierungsmittel (10) nach dem Spritzen mit geringem Aufwand gereinigt und für eine erneute Verwendung bereitgestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verwendung einer Kohlenstoffbeschichtung, ein Maskierungsmittel zum abschnittsweisen Maskieren von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächenabschnitten eines Bauteils, eine Beschichtungsanlage zum thermischen Spritzen und Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks oder Bauteils durch thermisches Spritzen.
Die Widerstandsfähigkeit von Oberflächen, die im praktischen Einsatz einer hohen Verschleißbelastung ausgesetzt sind, kann durch den Auftrag einer hoch belastbaren Beschichtung verbessert werden. Die Verschleißbeständigkeit erhöhende Beschichtungen bestehen dabei typischerweise aus keramischen oder metallischen Legierungen, wobei auch Mischformen dieser Beschichtungstypen zur Anwendung kommen.
Ein zum Auftrag solcher Beschichtungen besonders geeignetes Beschichtungsverfahren ist das thermische Spritzen. Unter dem Begriff ”thermisches Spritzen” sind verschiedene, dem Fachmann bekannte Spritzverfahren zusammengefasst, wie beispielsweise das Lichtbogenspritzen, das Laserspritzen, das Flammspritzen, das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) oder das Plasmaspritzen.
Wie im Einzelnen beispielsweise in der von der Sulzer Metco veröffentlichten Broschüre "Einführung Thermisches Spritzen", 4. Ausgabe, 2011, erläutert, ist den thermischen Spritzverfahren gemeinsam, dass mit einer geeigneten Beschichtungsanlage ein Spritzwerkstoff auf- oder angeschmolzen, dann zerstäubt und schließlich mit hoher Geschwindigkeit auf die jeweils zu beschichtende Bauteiloberfläche gespritzt wird. In der Praxis wird dazu ein in Draht oder Pulverform vorliegender Beschichtungswerkstoff kontinuierlich aufgeschmolzen und anschließend im noch schmelzflüssigen Zustand fein zerstäubt über einen Gasstrom gegen die zu beschichtende Oberfläche bewegt.
Die mit hoher kinetischer Energie auf die Oberfläche treffenden Partikel des Beschichtungswerkstoffs verklammern sich dort in Form von lammellenförmigen und abgeflachten Tröpfchen zu einer fest zusammenhaftenden, die zu beschichtende Oberfläche gleichmäßig abdeckenden Schicht. Die so gebildeten Spritzschichten sind, abhängig vom verwendeten Spritzzusatz, der beim Erschmelzen und Verspritzen aufgebrachten thermischen und kinetischen Energie, dem zu beschichtenden Substratwerkstoff und dessen Vorbehandlung meist härter, spröder und poröser als der verspritzte Ausgangswerkstoff.
Das thermische Spritzen ermöglicht es so auf vergleichbar einfache und wirtschaftliche Weise, gezielt eine auch hohen Verschleißbelastungen standhaltende Schicht mit präzise definierten Eigenschaften zu erzeugen.
Ein weiterer Vorteil des thermischen Spritzens besteht darin, dass es nahezu keine Begrenzung in den Kombinationsmöglichkeiten von Spritzwerkstoff und Substrat sowie in der Auswahl des Spritzwerkstoffs gibt. Aus diesen Gründen haben thermische Spritzverfahren eine große technische Bedeutung sowohl bei der Neuteilfertigung als auch bei Reparaturen erlangt.
Eine für die Praxis besonders interessante Anwendung des thermischen Spritzens besteht im Auftrag von Verschleißschutzschichten bei Bauteilen für Verbrennungsmotoren. So ist beispielsweise in der DE 10 2008 053 641 B3 vorgeschlagen worden, Zylinderlaufbahnen eines Verbrennungsmotors zur Erhöhung ihrer Verschleißbeständigkeit durch thermisches Spritzen mit einer Kupferlegierung zu beschichten, die höhere Anteile an Mn, Al und Sn aufweist.
Bei der praktischen Umsetzung des thermischen Spritzens ergibt sich in der Praxis ein Problem, wenn bestimmte Flächenabschnitte des zu beschichtenden Bauteils von der Beschichtung freigehalten werden sollen. Prozessbedingt zeigt der Spritzstrahl beim thermischen Spritzen eine Aufweitung und Streuung. Aufgrund der unterschiedlichen Partikelgröße entstehen neben dem Kernstrahl mit vollständig geschmolzenen Partikeln zusätzlich Randstrahlen mit nur teilweise geschmolzenen Partikeln, die in einem bestimmten Öffnungswinkel zum Kernstrahl verlaufen. Dies führt dazu, dass an den Rändern der zu beschichtenden Flächen die Randstrahlen den zu beschichtenden Flächenbereich verlassen und sich außerhalb der zu beschichtenden Flächen auf dem Werkstück oder der Beschichtungsanlage niederlassen. Sie bilden dort unerwünschte Anhaftungen. Diese Anhaftungen werden in der Fachsprache als ”Overspray” bezeichnet.
Der Overspray besteht in der Regel aus feinsten Spritzwerkstoffpartikeln, die nach Art einer Staubwolke das zu beschichtende Bauteil umgeben und sich auch auf Flächenabschnitten des jeweils zu beschichtenden Bauteils oder der Beschichtungsanlage absetzen, die nicht direkt vom Spritzstrahl erfasst werden und frei von Beschichtungswerkstoff bleiben sollen.
Grundsätzlich ist daher das Auftreten von Overspray unerwünscht. Aufgrund seiner in der Regel mangelhaften Haftung am jeweiligen Untergrund kann er sich beispielsweise während der weiteren Verwendung des beschichteten Werkstücks lösen und als Verschmutzung den bestimmungsgemäßen Gebrauch des Werkstücks erheblich beeinträchtigen.
Zur Vermeidung von Overspray werden für das thermische Spritzen vorgesehene Werkstücke in der Praxis an den Stellen, die unter allen Umständen frei vom Beschichtungswerkstoff gehalten werden müssen, mit einer Maskierung versehen. Die zu diesem Zweck verwendeten Maskierungsmittel liegen direkt am freizuhaltenden Flächenabschnitt an und bewirken so, dass der Overspray nicht auf den jeweils von ihnen abgedeckten Flächenabschnitt gelangt (s. DE 10 2008 048 127 A1 , WO 00/37789 A1 ).
Als Maskierungsmittel werden in der Praxis so genannte ”Einwegmaskierungen”, wie beispielsweise Klebeband, oder auch mehrfach verwendbare oder dauerhaft angebrachte Abschirmungen, wie Bleche zur Abschattung oder napfförmige Aufsätze bei Innenbeschichtungen, verwendet.
Die Genauigkeit, mit der durch das jeweilige Maskierungsmittel die Grenze des vor der Ablagerung von Overspray zu schützenden Flächenabschnitts markiert wird, hängt dabei von der Schärfe des der jeweiligen Grenze zugeordneten Randbereichs des Maskierungsmittels ab. Dem steht bei mehrfach verwendeten oder dauerhaft angebrachten Maskierungsmitteln gegenüber, dass mit jedem Beschichtungsvorgang die Dicke der Oversprayablagerung auf dem Maskierungsmittel ansteigt. Je dicker die Ablagerung, desto ungenauer wird die Umgrenzung des durch das Maskierungsmittel abgedeckten Flächenabschnitts. So kann es durch auf dem jeweiligen Maskierungsmittel vorhandene dicke, unregelmäßige Ablagerungen zu Abschattungen und damit zu Schichtdefekten im Bereich der angrenzenden Beschichtung kommen. Darüber hinaus besteht bei der Wiederverwendung der Maskierung die Gefahr, dass sich der Overspray während der weiteren Spritzprozesse von der Maskierungsoberfläche ablöst, vom Spritzstrahl mitgerissen wird und sich in die Spritzschicht einlagert. Derartige Verschmutzungen verringern die Qualität der erhaltenen Spritzschicht und beeinträchtigen die Reproduzierbarkeit des Beschichtungsvorgangs.
Um diese Probleme zu vermeiden, müssen Maskierungsmittel vor ihrer Wiederverwendung aufwändig gereinigt werden. Da diese Reinigung in der Regel manuell vorgenommen und dementsprechend zeit- und kostenintensiv ist, haben sich wiederverwendbare Maskierungsmittel beim thermischen Spritzen in der Praxis bisher nicht durchgesetzt.
Bei Einwegmaskierungen entfällt der Reinigungsaufwand zwar. Solche nur einmal eingesetzten Maskierungsmittel haben aber den Nachteil, dass diese aufwändig in Handarbeit angebracht und wieder entfernt werden müssen, was zu erhöhten Kosten führt. Grundsätzlich ist es daher wünschenswert, Maskierungsmittel der hier in Rede stehenden Art mehrfach wiederzuverwenden.
Ebenfalls problematisch sind Oversprayablagerungen auf Oberflächen von Anlagenteilen oder -bereichen der Beschichtungsanlage, die dem Spritzstrahl zugewandt sind bzw. vom Spritzstrahl überstrichen werden. Auch hier kommt es nach längerem Betrieb zum Aufbau von mitunter erheblichen Oversprayablagerungen, die sich nur schwer entfernen lassen. Die hierzu erforderlichen Reinigungsarbeiten erzwingen lange Stillstandszeiten der jeweiligen Beschichtungsanlage. Außerdem sind die für einen effektiv durchführbaren Reinigungsprozess benötigten Chemikalien in der Regel umweltbelastend und teuer in der Entsorgung. In Folge dessen stellt das Entfernen des Oversprays beim Betrieb einer Beschichtungsanlage einen Kostenfaktor dar, der das thermische Spritzen für bestimmte Anwendungen wirtschaftlich unattraktiv macht.
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes sollte die Erfindung einen Vorschlag machen, wie der Entstehung von Oversprayablagerungen auf den von solchen Ablagerungen freizuhaltenden Flächenabschnitten einer Beschichtungsanlage oder eines zu beschichtenden Bauteils wirksam entgegengewirkt oder durch die das Abreinigen solcher Oversprayablagerungen von Maskierungsmitteln und Anlagenteilen zumindest deutlich vereinfacht werden kann.
Darüber hinaus sollten ein Maskierungsmittel und eine Beschichtungsanlage für das thermische Spritzen so modifiziert werden, dass sie einfach zu reinigen sind und das Problem der Entstehung von Oversprayablagerungen minimiert ist.
Schließlich sollte ein Verfahren zum thermischen Spritzbeschichten von Bauteilen angegeben werden, bei dem sich auf besonders kostengünstige Weise bestimmte Flächenabschnitte frei von Beschichtungswerkstoff halten lassen.
Eine Möglichkeit, der Entstehung von beim thermischen Spritzen störenden Oversprayablagerungen entgegenzuwirken, besteht erfindungsgemäß in der Verwendung einer Kohlenstoffbeschichtung zum Beschichten eines Maskierungsmittels, das zum mindestens abschnittsweisen Maskieren von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächenabschnitten eines Bauteils vorgesehen ist.
Eine Möglichkeit, die Reinigung einer für das thermische Spritzen bestimmten Beschichtungsanlage zu vereinfachen, besteht darin, dass zum Beschichten mindestens eines Flächenabschnittes dieser Beschichtungsanlage eine Kohlenstoffbeschichtung verwendet wird.
In Bezug auf das Maskierungsmittel zum abschnittsweisen Maskieren von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächenabschnitten eines Bauteils besteht die Lösung der oben genannten Aufgabe dementsprechend darin, dass das Maskierungsmittel auf der dem Spritzstrahl zugewandten Oberfläche mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet ist.
In entsprechender Weise ist eine Beschichtungsanlage zum thermischen Spritzen, die eine Düseneinrichtung, die dazu vorgesehen ist, einen auf ein Werkstück gerichteten Spritzstrahl auszubringen, umfasst und die diesbezüglich oben genannte Aufgabe löst, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanlage mindestens an einem dem Spritzstrahl im Betrieb ausgesetzten Flächenabschnitt mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet ist.
Schließlich besteht die Lösung der oben genannten Aufgabe in Bezug auf das Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks oder Bauteils durch thermisches Spritzen erfindungsgemäß darin, dass ein solches Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst:

a) Abdecken einer zu maskierenden Fläche des Werkstücks oder Bauteils mit einem erfindungemäß ausgestalteten Maskierungsmittel;
b) Auftragen mindestens einer Spritzschicht durch thermisches Spritzen;
c) Entfernen des Maskierungsmittels,
d) Reinigen des Maskierungsmittels;
e) Bereitstellen des Maskierungsmittels für eine erneute Verwendung.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Das erfindungsgemäße Mittel zur abschnittsweisen Maskierung von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächen ist auf der dem Spritzstrahl zugewandten Oberfläche mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet.
Ebenso weist die erfindungsgemäße Beschichtungsanlage zum thermischen Spritzen mindestens einen Anlagenteil und/oder Anlagenbereich auf, der auf der dem Spritzstrahl zugewandten Oberfläche mit einer Kohlenstoffbeschichtung beschichtet ist.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass durch die Kohlenstoffbeschichtung der Overspray nicht mehr dauerhaft auf dem Maskierungsmittel oder dem Anlagenteil und/oder -bereich haften kann und sich einfach entfernen lässt. Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen Kohlenstoffbeschichtungen gegenüber anderen gängigen Anti-Haftbeschichtungen ist, dass es trotz der Anti-Haft-Wirkung nicht zu einem Abprallen der Overspraypartikel kommt. Auf diese Weise wird verhindert, dass während des Spritzvorgangs bereits erstarrte Partikel mit dem Sprühstrahl vermischen oder in die an den jeweils abgedeckten Bereich des zu beschichtenden Bauteils angrenzende Spritzschicht gelangen und dort zu einer Qualitätseinbuße führen.
Die besonderen Eigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoffbeschichtung ermöglichen so eine prozesssichere Vorbeugung der Bildung von größeren Oversprayansammlungen und vereinfachen die Reinigung der betroffenen Oberflächen.
Dabei hat sich bei Versuchen in der Praxis gezeigt, dass für die Reinigung von erfindungsgemäß beschichteten Flächenabschnitten der jeweiligen in erfindungsgemäßer Weise beschichteten Maskierungsmittel oder Anlagen keine aggressiven Lösungsmittel oder umweltbelastende Chemikalien erforderlich sind. Vielmehr lässt sich der Overspray von dem jeweils erfindungsgemäß mit der Kohlenstoffbeschichtung versehenen Flächenabschnitt auf einfache Weise mechanisch, beispielsweise durch Bürsten, oder durch Abblasen mit Druckluft entfernen.
In Folge der Möglichkeit, die erfindungsgemäß kohlenstoffbeschichteten Oberflächen einfach und prozesssicher von abgelagertem Overspray zu reinigen, können erfindungsgemäße Maskierungsmittel mit geringem Aufwand nach Gebrauch in einen Zustand zurückversetzt werden, in dem sie problemlos wiederverwendet werden können. Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäß auf die Maskierungsmittel und Anlagenteile aufgebrachte Kohlenstoffbeschichtung eine Automatisierung des Spritzbeschichtungsverfahrens auch im größeren Maßstab bzw. für Produktserien, da die Reinigungsschritte so vereinfacht werden, dass sie im laufenden Beschichtungsprozess automatisiert vorgenommen werden können.
Wenn hier von Maskierungsmittel die Rede ist, so ist damit jedes Mittel gemeint, dass zum abschnittsweisen Abdecken von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächen von Bauteilen geeignet ist. Dabei umfassen die Begriffe ”abschnittsweises Abdecken” selbstverständlich auch die vollständige Maskierung einer Fläche oder eines Bauteils, das nicht mit dem Spritzwerkstoff beschichtet werden soll, sowie die gleichzeitige Maskierung verschiedener Oberflächenabschnitte auf einem für das thermische Spritzen vorgesehenen Werkstück.
Maskierungsmittel, welche für die vielfältigen Anwendungen des thermischen Spritzens geeignet sind, sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt. Die Auswahl des Maskierungsmittels hängt insbesondere von der Beschaffenheit des für das thermische Spritzen vorgesehenen Werkstücks und den Abmessungen der zu maskierenden Fläche ab. Bei den erfindungsgemäß mit einer Kohlenstoffbeschichtung zu beschichtenden Maskierungsmitteln kann es sich insbesondere um Abdeckbleche, an die Form des jeweiligen Bauteil- oder Flächenabschnitts angepasste Aufsätze, um selbstklebende oder -haftende Folien oder Bänder, Abdeckungen aus flexiblen Materialien, wie Silikon, Stopfen, die in vom Spritzbeschichtungswerkstoff freizuhaltende Öffnungen einsetzbar sind, Kappen oder Schläuche, Schirme oder desgleichen handeln.
Wenn hier davon die Rede ist, dass bestimmte Oberflächen beschichtet seien, sind damit alle Beschichtungsgrade mit umfasst. Insbesondere ist damit sowohl eine teilweise als auch eine vollständige Beschichtung des betreffenden Oberflächenabschnitts durch eine erfindungsgemäß verwendete Kohlenstoffbeschichtung umfasst.
Eine Beschichtungsanlage im Sinne dieser Erfindung ist jede Vorrichtung, die dazu geeignet ist, eine Oberfläche durch thermisches Spritzen zu beschichten. Insbesondere zählen zu solchen Beschichtungsanlagen Lichtbogen-, Laser-, Flamm-, Hochgeschwindigkeitsflamm- oder Plasmaspritzanlagen. Die erfindungsgemäße Kohlenstoffbeschichtung befindet sich optimalerweise auf solchen Oberflächen der Beschichtungsanlage, die dem Spritzstrahl und dem damit verbunden Overspray ausgesetzt sind. Dabei kann es sich um ein Anlagenteil oder einen gesamten Anlagenbereich handeln. Selbstverständlich ist auch hier nicht ausgeschlossen, dass auch weitere, beispielsweise dem Spritzstrahl abgewandte Flächen, ebenfalls eine Kohlenstoffbeschichtung aufweisen. Gleiches gilt in entsprechender Weise für die erfindungsgemäß beschichteten Maskierungsmittel.
Wenn hier von einer Kohlenstoffbeschichtung die Rede ist, so ist damit eine Schicht gemeint, die überwiegend aus dem chemischen Element Kohlenstoff besteht. Unter den Begriff Kohlenstoffbeschichtung im Sinne dieser Erfindung fallen demgemäß insbesondere Plasmapolymerschichten, amorphe Kohlenstoffschichten, kristalline Diamantschichten sowie Graphitschichten.
Die synthetische Herstellung von Beschichtungen dieser Art ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. So werden Kohlenstoffschichten in der Regel mit Vakuumverfahren abgeschieden, also bei einem Gasdruck unterhalb des Atmosphärendrucks. Dabei bilden sich die Kohlenstoffschichten in der Gasphase aus einzelnen Atomen, Molekülen oder entsprechenden Clustern. Grundsätzlich kommen sowohl die physikalische Gasphasenabscheidung (Physical Vapour Deposition, PVD) als auch die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) zur Herstellung erfindungsgemäßer Kohlenstoffbeschichtungen in Frage.
Amorphe Kohlenstoffschichten sind in der Fachsprache auch unter der Bezeichnung ”Diamond-Like-Carbon” (DLC) bekannt. Gemäß der VDI-Richtlinie 2840, auf deren Inhalt und Klassifizierung hier ausdrücklich Bezug genommen wird, werden folgende amorphe Kohlenstoffschichten unterschieden:

– Wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C”
– tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”ta-C”,
– metallhaltige wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:Me”,
– wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H”,
– tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”ta-C:H”,
– metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H:Me” und
– modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H:X”.

Dabei bestehen die ”a-C” Schichten überwiegend aus sp²-hybridisierten Bindungen, weshalb sie manchmal auch als graphitartige amorphe Kohlenstoffschichten bezeichnet werden.
In den ”ta-C” Schichten überwiegen sp³-hybridisierte Bindungen, weshalb sie im Aufbau den Diamantschichten ähneln.
Die ”a-C:Me” Schichten sind wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschichten, die mit Metallen dotiert sind.
Wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten ab einem Wasserstoffanteil von > 35% werden als ”a-C:H” Schichten bezeichnet.
Tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten mit einem Wasserstoffanteil von mehr als 25% werden als ta-C:H Schichten bezeichnet und weisen überwiegend sp³-hybridisierte Bindungen auf.
Die ”a-C:H:Me” Schichten sind metallhaltige wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten, während die ”a-C:H:X” Schichten modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschichten sind, die mit verschiedenen Elementen wie Si, O, N, F und B dotiert sein können.
Eine weitere geeignete Kohlenstoffbeschichtung zur Beschichtung der erfindungsgemäßen Maskierungsmittel und Beschichtungsanlagen sind kristalline Kohlenstoffschichten, wie beispielsweise kristalline Diamantschichten. Die Herstellung von Diamantschichten, welche aus sp3-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen, ist dem Fachmann aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Erfindungsgemäß sind CVD-Diamantschichten besonders bevorzugt. Diese lassen sich praxisgerecht direkt als Dünnschichten mit dem CVD-Verfahren auf den erfindungsgemäß zu beschichtenden Oberflächen abscheiden, indem sich aus einem kohlenstoffhaltigen Gas auf der Substratoberfläche Kohlenstoffatome in der Diamantkristallitform abscheiden. Gemäß VDI-Richtlinie 2840, auf deren Inhalt und Klassifizierung hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird, werden nanokristalline, mikrokristalline oder dotierte CVD-Diamantschichten unterschieden.
Schließlich sind auch Graphitschichten geeignete Kohlenstoffbeschichtungen zur Beschichtung der erfindungsgemäßen Maskierungsmittel und Beschichtungsanlagen. Die Herstellung von Graphitschichten, welche aus sp2-hybridisiertem Kohlenstoff bestehen, ist dem Fachmann ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannt.
Praktische Versuche haben gezeigt, dass optimale Ergebnisse erzielt werden, wenn die Kohlenstoffbeschichtung des erfindungsgemäßen Maskierungsmittels bzw. des Anlagenteils und/oder -bereichs der erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage eine amorphe Kohlenstoffschicht, wie oben beschrieben, ist. Dabei kommen prinzipiell alle der in der VDI Richtlinie 2840 beschriebenen Klassen von amorphen Kohlenstoffbeschichtungen in Frage. Abhängig von der jeweils vorliegenden Auswahl des Spritzwerkstoffs kann der Fachmann durch einfache Versuche herausfinden, welcher Typ von amorpher Kohlenstoffschicht für die spezifische thermische Spritzanwendung und insbesondere für die Reinigung des dabei auftretenden Oversprays am Besten geeignet ist.
Es hat sich herausgestellt, dass sich für die meisten thermischen Spritzanwendungen besonders gute Ergebnisse erzielen lassen, wenn es sich bei der Kohlenstoffbeschichtung des jeweiligen erfindungsgemäß beschichteten Maskierungsmittels oder erfindungsgemäß beschichteten Anlagenteils einer Beschichtungsanlage um eine amorphe Kohlenstoffschicht handelt, die

– eine wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C”
– eine tetraedrische wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”ta-C”,
– eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H”,
– eine tetraedrische wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”ta-C:H” oder
– eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H:X”

Praktische Versuche mit Metalllegierungen als Spritzwerkstoff haben ergeben, dass sich für die erfindungsgemäße Verwendung insbesondere eine Kohlenstoffschicht eignet, die als

– wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ „a-C:H”,
– als modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ „a-C:H:X” oder
– als wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ „a-C”

Eine besonders schonende und effektive Entfernung des Oversprays war in den Fällen möglich, in denen die Kohlenstoffbeschichtung eine amorphe Kohlenstoffschicht war, die einen Wasserstoffanteil von mehr als 10% aufwies. Für die erfindungsgemäße Verwendung besonders geeignet sind daher amorphe Kohlenstoffschichten mit Wasserstoffanteilen von mehr 10% insbesondere mehr als 25%, wobei sich die Vorteile der Erfindung dann besonders sicher einstellen, wenn der Wasserstoffanteil 35 Gew.-% und mehr beträgt.
Verfahrenstechnisch einfach und gleichzeitig kostengünstig kann die erfindungsgemäß verwendete Kohlenstoffbeschichtung auf ein Maskierungsmittel oder einen Flächenabschnitt eines Anlagenteils einer erfindungsgemäßen Beschichtungsanlage dann aufgebracht werden, wenn es sich dabei eine amorphe Kohlenstoffschicht handelt, die mittels Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition-Verfahren aufgetragen wird.
Die Wirkung einer erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoff-Beschichtung tritt schon bei sehr dünnen Schichtdicken im vollen Umfang ein. So können bei einer erfindungsgemäßen Verwendung die Schichtdicken der Kohlenstoffbeschichtung im Bereich von 0,5–2 μm, insbesondere 0,5–1,5 μm, liegen.
Um sicherzustellen, dass die harte Kohlenstoff-Beschichtung ausreichend dauerhaft an dem Maskierungsmittel haftet, kann das Maskierungsmittel vor dem Auftrag der Kohlenstoff-Beschichtung mit einer Zwischenschicht belegt werden, die als Puffer und Haftvermittler für die anschließend aufgetragene Kohlenstoff-Schicht wirkt. Als Werkstoff für die Zwischenschicht haben sich Cr, Ti, Si und vergleichbare Metalle bewährt. Üblicherweise werden die betreffenden Metalle in Reinform aufgetragen. Die Dicke, mit der die Zwischenschicht auf das Maskierungsmittel aufgetragen wird, liegt typischerweise im Bereich von 100 nm bis 1,5 μm, insbesondere 100–500 nm, wobei erforderlichenfalls auch Schichten mit einer größeren Dicke zum Einsatz kommen können. Die Zwischenschicht kann ebenfalls mittels eines PVD-(PVD = ”Physical Vapor Deposition”) oder CVD-Verfahrens (CVD = ”Chemical Vapor Deposition”) aufgebracht werden, wobei der Auftrag einer aus Si bestehenden Zwischenschicht bevorzugt mittels PE-CVD (PE-CVD = ”Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition”) erfolgt.
Die Dichte der erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoffbeschichtung sollte in Abhängigkeit von der Porosität der Spritzschicht gewählt werden. Diese lässt sich in bekannter Weise durch geeignete Wahl der thermischen Spritzeinstellungen gezielt steuern. Bei den Porositäten, die mit konventionellen thermischen Spritzverfahren erreicht werden, hat es sich als günstig erwiesen, wenn die Dichte der erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstoffbeschichtung 0,75–4 g/cm³ beträgt, insbesondere im Bereich von 0,9–3,26 g/cm³ liegt. Bei einer Kohlenstoffbeschichtung mit einer derart eingestellten Dichte wird einerseits eine optimale Anti-Haft-Wirkung erzielt und andererseits vermieden, dass die Overspraypartikel von der in erfindungsgemäßer Weise beschichteten Oberfläche abprallen.
Die erfindungsgemäße Verwendung einer Kohlenstoffbeschichtung schützt die mit einer solchen Kohlenstoffbeschichtung versehenen Maskierungsmittel oder Anlagenteile einer Beschichtungsanlage zusätzlich gegen abrasiven Verschleiß.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt nicht maßstabsgerecht einen Ausschnitt eines in einem Längsschnitt dargestellten Zylinderkurbelgehäuses 1 für einen Verbrennungsmotor. Das Zylinderkurbelgehäuse 1 ist aus einer Aluminiumlegierung gegossen. Es weist eine Zylinderöffnung 2 mit einer umlaufenden Zylinderlauffläche 3 und eine plan geschliffene Zylinderkopffläche 4 auf, die orthogonal zur zentralen Längsachse L der Zylinderöffnung 2 ausgerichtet ist. Auf der Zylinderkopffläche sitzt bei fertig montiertem Verbrennungsmotor ein hier nicht gezeigter Zylinderkopf.
Die im praktischen Einsatz erhöhten tribologischen Belastungen ausgesetzten Zylinderlaufflächen 3 der Zylinderöffnung 2 sollen durch thermisches Beschichten mit einer Beschichtung 5 belegt werden, die aus einer hoch belastbaren metallischen Beschichtungslegierung besteht. Zu diesem Zweck wird der Motorblock 1 in eine hier nicht weiter gezeigte Beschichtungsanlage gesetzt. Die Beschichtungsanlage umfasst einen Beschichtungsbrenner 6, der um seine im Einsatz koaxial zur zentralen Längsachse L der Zylinderöffnung 2 ausgerichtete Drehachse rotiert und gleichzeitig in Achsrichtung der Längsachse L in die Zylinderöffnung 2 abgesenkt und aus ihr herausgezogen werden kann.
Der Beschichtungsbrenner 6 bringt einen in radialer Richtung aus ihm austretenden Beschichtungsstrahl 7 aus, der aus schmelzflüssigen Tröpfchen der Beschichtungslegierung besteht. Die Tröpfchen des Beschichtungsstrahls 7 treffen auf die zu beschichtende Zylinderlauffläche 3 und lagern sich dort unter Aufbau der Beschichtung 5 ab.
Unvermeidbar entsteht im Zuge des thermischen Beschichtens Overspray 8 in Form von Tröpfchen des Beschichtungsstrahls 7, die beispielsweise beim Beschichten des der Zylinderkopffläche 4 zugeordneten Randbereichs 9 der Zylinderöffnung 3 frei in die Umgebung U gelangen.
Um zu verhindern, dass sich der Overspray 8 auf der frei von Beschichtungswerkstoff zu haltenden Zylinderkopffläche 4 niederschlägt, ist die Zylinderkopffläche 4 während des thermischen Spritzens durch ein Maskierungsmittel 10 abgedeckt, das nach Art einer Schablone aus einem Blechmaterial hergestellt und unter Federdruck gegen die Zylinderkopffläche 4 gedrückt wird. Das Maskierungsmittel 10 weist dabei eine kreisrunde Öffnung 11 auf, deren Durchmesser gleich dem Durchmesser D der Zylinderöffnung 2 ist und die fluchtend zur Zylinderöffnung 2 ausgerichtet ist.
An seiner im praktischen Einsatz freien, vom Zylinderkurbelgehäuse 1 abgewandten Oberfläche 12 ist das Maskierungsmittel 10 mit einer 1,2 μm dicken, als Haftvermittler dienenden Zwischenschicht 13, die aus Cr besteht und mittels Magnetron Sputter Ion Plating (”(MSIP)PVD”) aufgetragen worden ist, und einer darauf aufgetragenen Kohlenstoffbeschichtung 14 versehen.
Der auf die Oberfläche 12 treffende Overspray 8 erstarrt dort und bleibt auf der Kohlenstoffbeschichtung 14 liegen. Aufgrund der besonderen in Bezug auf den Overspray abweisenden Oberflächenbeschaffenheit der Kohlenstoffbeschichtung 14 kommt es dabei zu keiner festen Anhaftung.
Nachdem die Beschichtung der Zylinderlauffläche 3 abgeschlossen und der Beschichtungsbrenner 6 aus der Zylinderöffnung 2 herausgezogen ist, wird das Maskierungsmittel 10 von der Zylinderkopffläche 4 abgenommen und das fertig beschichtete Zylinderkurbelgehäuse 1 aus der Beschichtungseinrichtung entnommen. Das Maskierungsmittel 10 verbleibt dabei in der Beschichtungseinrichtung und wird für die Maskierung des nächsten zu beschichtenden Zylinderkurbelgehäuses 1 verwendet. Entweder nach jedem Beschichtungseinsatz oder spätestens dann, wenn die Ansammlung von Overspray 8 auf dem Maskierungsmittel 10 ein bestimmtes Maß übersteigt, wird der Overspray 8 durch Abbürsten oder mit Hilfe von Druckluft von dem Maskierungsmittel 10 entfernt. Aufgrund der Antihaftwirkung der Kohlenstoffbeschichtung 14 lässt er sich dabei ohne großen Kraftaufwand von dem Maskierungsmittel 10 entfernen.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkurbelgehäuse
2: Zylinderöffnung
3: Zylinderlauffläche
4: Zylinderkopffläche
5: Beschichtung der Zylinderlauffläche 3
6: Beschichtungsbrenner
7: Beschichtungsstrahl
8: Overspray
9: der Zylinderkopffläche 4 zugeordneter Randbereich der Zylinderöffnung 3
10: Maskierungsmittel
11: Öffnung
12: Oberfläche des Maskierungsmittels 10
13: Zwischenschicht
14: Kohlenstoffbeschichtung
D: Durchmesser
L: Längsachse der Zylinderöffnung 2
U: Umgebung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008053641 B3 [0008]
DE 102008048127 A1 [0012]
WO 00/37789 A1 [0012]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Sulzer Metco veröffentlichten Broschüre ”Einführung Thermisches Spritzen”, 4. Ausgabe, 2011 [0004]
VDI-Richtlinie 2840 [0039]
VDI-Richtlinie 2840 [0046]
VDI Richtlinie 2840 [0048]

Claims

Verwendung einer Kohlenstoffbeschichtung (14) zum Beschichten eines Maskierungsmittels (10), das zum abschnittsweisen Maskieren von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächenabschnitten (3) eines Bauteils (1) vorgesehen ist.
Verwendung einer Kohlenstoffbeschichtung (14) zum Beschichten mindestens eines Flächenabschnittes einer Beschichtungsanlage zum thermischen Spritzen.
Verwendung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffbeschichtung (14) eine amorphe Kohlenstoffschicht ist.
Verwendung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht – eine wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H”, – eine modifizierte wasserstoffhaltige amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C:H:X” oder – eine wasserstofffreie amorphe Kohlenstoffschicht vom Typ ”a-C” ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die amorphe Kohlenstoffschicht mittels Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition-Verfahren aufgetragen ist.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Kohlenstoffbeschichtung (14) 0,5–2 μm beträgt.
Verwendung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte der Kohlenstoffbeschichtung (14) 0,75–4 g/cm³ beträgt.
Maskierungsmittel zum abschnittsweisen Maskieren von für das thermische Spritzen vorgesehenen Flächenabschnitten (3) eines Bauteils (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Maskierungsmittel (10) auf der dem Spritzstrahl zugewandten Oberfläche (12) mit einer Kohlenstoffschichtung (14) beschichtet ist.
Maskierungsmittel nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Maskierungsmittel (10) eine an dem jeweiligen Werkstück oder Bauteil (1) lösbar befestigbare Abschirmung ist.
Beschichtungsanlage zum thermischen Spritzen, mit einer Düseneinrichtung, die dazu vorgesehen ist, einen auf ein Werkstück gerichteten Spritzstrahl auszubringen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsanlage mindestens an einem dem Spritzstrahl im Betrieb ausgesetzten Flächenabschnitt mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet ist.
Maskierungsmittel nach Anspruch 8 oder 9 oder Beschichtungsanlage nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der dem Spritzstrahl zugewandten Fläche (12) und der Kohlenstoffbeschichtung (14) eine metallische Zwischenschicht (13) vorgesehen ist.
Verfahren zum Beschichten eines Werkstücks oder Bauteils (1) durch thermisches Spritzen umfassend mindestens die folgenden Schritte: a) Abdecken einer zu maskierenden Fläche (12) des Werkstücks oder Bauteils (1) mit einem gemäß Anspruch 8 oder 9 ausgestaltetem Maskierungsmittel (10), b) Auftragen mindestens einer Spritzschicht durch thermisches Spritzen, c) Entfernen des Maskierungsmittels (10), d) Reinigen des Maskierungsmittels (10), e) Bereitstellen des Maskierungsmittels (10) für eine erneute Verwendung.