DE102013200067A1

DE102013200067A1 - Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche

Info

Publication number: DE102013200067A1
Application number: DE102013200067.7A
Authority: DE
Inventors: Clemens Verpoort; Leander Schramm; Enrico Hauser
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 2013-01-04
Filing date: 2013-01-04
Publication date: 2014-07-10
Also published as: WO2014106591A1; CN105051241A; US20150376759A1; US10060020B2; EP2941493A1; CN105051241B; EP2941493B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche, welche zumindest ein Gehäuse (6), eine Kathode (9), welche als abschmelzender Draht ausgebildet ist und zumindest ein Isolationselement (13) aufweist, wobei das Gehäuse (6) eine nicht lösbare Antihaftoberfläche aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Vorrichtungen zum thermischen Beschichten einer Oberfläche sind zum Beispiel in der US 6,372,298 B1 , der US 6,706,993 B1 und der WO2010/112567 A1 beschrieben. Die dort genannten Vorrichtungen weisen gemeinsam auf: Eine Drahtzuführeinrichtung zur Zuführung eines abschmelzenden Drahtes, wobei der Draht als Elektrode wirkt; eine Quelle für Plasmagas zur Erzeugung eines Plasmagasstromes; einen Düsenkörper mit einer Düsenöffnung, durch die der Plasmagasstrom als Plasmagasstrahl auf ein Drahtende geleitet wird; und einer zweiten Elektrode, die im Plasmagasstrom angeordnet ist, bevor dieser in die Düsenöffnung eintritt. Auch die US 6,610,959 B2 und die WO2012/95371 A1 beschäftigen sich mit solchen Vorrichtungen.
Zwischen den beiden Elektroden bildet sich durch die Düsenöffnung hindurch ein Lichtbogen aus. Der aus der Düsenöffnung austretende Plasmastrahl trifft auf das Drahtende und bewirkt dort mit dem Lichtbogen ein Abschmelzen des Drahtes und den Abtransport des geschmolzenen Drahtmaterials in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche. Ringförmig um die Düsenöffnung herum sind Sekundärluftdüsen angebracht, durch die ein Sekundärgasstrahl erzeugt wird, der das vom Drahtende abgeschmolzene Material trifft und so eine Beschleunigung des Transportes in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche und eine Sekundärzerstäubung des geschmolzenen Drahtmaterials bewirkt.
Heutige Verbrennungsmotoren bzw. deren Motorblöcke können aus einem Metall oder Leichtmetall, wie z.B. Aluminium gegossen sein, wobei insbesondere Aluminiumblöcke an ihren Zylinderbohrungen eine Eisen- bzw. Metallschicht aufweisen. Die Metallschicht kann thermisch aufgespritzt sein. Als thermische Spritzverfahren sind neben Zweidraht-Lichtbogen-Spritzverfahren (TWA), HVOF-Spritzverfahren und Plasma-Pulver-Spritzverfahren die oben genannten Verfahren als Plasma-Draht-Spritzverfahren oder auch als PTWA (Plasma Transferred Wire Arc) bekannt. Eine Beschichtung der Zylinderbohrungen mittels der Plasma-Draht-Spritzverfahren, also mit dem PTWA ist dahin vorteilhaft, weil so eine Beschichtung hergestellt werden kann, welche sich positiv auf einen reduzierten Verschleißfaktor, auf eine verlängerte Lebensdauer des Motors bei geringerem Ölverbrauch im Vergleich zu konventionellen Auskleidungen mittels eingegossener Laufbuchsen aus Graugussmaterial auswirkt.
Allerdings beherbergen die bekannten Vorrichtungen zum thermischen Beschichten und die damit durchgeführten Verfahren einige Nachteile. Die bekannten Vorrichtungen werden beispielsweise in eine zu beschichtende Zylinderbohrung eingefahren und rotieren im Betrieb bei einer gleichzeitigen linearen Auf- und Abbewegung um sich selbst. Ersichtlich ist dabei, dass bei der Rotation der Vorrichtung die in der Zylinderbohrung strömenden Prozessgase durch ebene Flächen der Vorrichtung, insbesondere durch ebene Flächen des Gehäuses, einer Schaufelwirkung ähnlich mitgenommen werden, so dass zusätzliche Verwirbelungen entstehen.
Für höhere Drahtförderraten werden entsprechend höhere Stromstärken benötigt, welche gleichzeitig eine höhere thermische Belastung der Vorrichtungen bewirken. Durch den Wärmeeintrag des Plasmas und der flüssigen Spritzpartikel wird die Oberfläche der Bohrung stark aufgeheizt und es treten sehr hohe Oberflächentemperaturen auf. Durch die aus der Bohrung strömenden, erwärmten Prozessgase werden die Vorrichtungen zusätzlich erwärmt. Neben den hohen Arbeitstemperaturen stellen auch die Spritzstäube und Overspray Partikel ein Problem für den sicheren Langzeit-Betrieb des Brenners dar.
Nicht alle flüssigen Spritzpartikel kommen auf der Oberfläche zur Haftung, der Auftragswirkungsgrad in der Bohrung liegt bei ca. 87%, somit ergeben sich bei entsprechend höheren Drahtförderungsraten von beispielhaft 10kg/h sehr hohe Staubmengen. Bei diesen Spritzstäuben handelt es sich um heiße, teigige Partikel, die durch die strömenden Prozessgase in der Bohrung von der (Aluminium) Oberfläche oder von den bereits gebildeten Spritzschichten abgelenkt werden. Diese Partikel können dann auf der Oberfläche der Vorrichtung, insbesondere auf deren Gehäuse zur Ablagerung führen, die mit zunehmender Spritzzeit zu dicken Belägen anwachsen können und dann unkontrolliert als größere Stücke abplatzen können und sich dann evtl. in die Funktionsbeschichtung einbetten können oder zu einem Kurzschluss an der Vorrichtung führen können. Dieser Kurzschluss kann auftreten, sobald sich ein geschlossener elektrisch leitfähiger Belag auf der äußeren Oberfläche der Vorrichtung gebildet hat.
Auch weisen die bekannten Vorrichtungen eine solche Dimension auf, dass diese die in ihrem Durchmesser immer kleiner werdenden Zylinderbohrungen nicht mehr mit den erforderlichen, erfolgversprechenden Parametern beschichten können.
Vor diesem Hintergrund hat sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe gestellt, eine verbesserte Vorrichtung zum thermischen Beschichten von Oberflächen anzugeben, mit welcher der Spritzvorgang auch kleiner Bohrungsdurchmesser prozessstabil durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die Unteransprüche.
Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
Erfindungsgemäß umfasst eine Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche zumindest ein Gehäuse, eine Kathode, eine Anode, welche als abschmelzender Draht ausgebildet ist und zumindest ein bevorzugt elektrisch und thermisch wirkendes Isolationselement aufweist, wobei zumindest das Gehäuse eine nicht lösbare Antihaftoberfläche aufweist. Eine Antihaftoberfläche ist im Sinne der Erfindung eine Antihaft- und/oder Isolierschicht oder ein Antihaft- und/oder Isolierschichtsystem.
Die Vorrichtung, auch als Brenner oder Brennerkopf bezeichnet, wird durch eine Spindel an eine geeignete Rotationsvorrichtung montiert. Die Rotationsvorrichtung umfasst neben dem Rotationsantrieb auch die Drehdurchführung der Prozessgase (Primärgas/Sekundärgas) und die Kontaktierung des Kathoden- und Anodenpotentials.
Die Spindel dient also quasi als Distanz-/Verlängerungselement von der Rotationsvorrichtung zum Brennerkopf. Die Spindel führt die Prozessgase (Primärgas/Sekundärgas), den Draht und die elektrische Energie zur Vorrichtung, wobei das Kathodenpotential auf dem Spindelgehäuse liegt.
Das Gehäuse des Brennerkopfes kann einteilig oder mehrteilig, bevorzugt zweiteilig mit zumindest einem Hauptelement und zumindest einem Deckelelement ausgeführt sein, welche miteinander verschraubbar sind.
Die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale können in beliebiger, technisch sinnvoller Weise neben dem Brennerkopfgehäuse auch auf das Spindelgehäuse zutreffen bzw. an diesen Gehäusen miteinander kombiniert werden bzw. diese Gehäuse teilweise oder komplett betreffen und zeigen weitere Ausgestaltungen der Erfindung auf.
Das Gehäuse kann aus Kupfer, einer Kupferlegierung, insbesondere Messing oder aus Aluminium bzw. aus einer Aluminiumlegierung bestehen, wobei die Werkstoffe natürlich nicht beschränkend wirken sollen. Gleichwohl sind die genannten Werkstoffe im Sinne der Erfindung metallische Werkstoffe. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Gehäuse wegen der überaus im Betrieb der Vorrichtung vorteilhaften Eigenschaften wie Wärmeausdehnung, Wärmekapazität, Wärmeleitfähigkeit und Oberflächenqualität aus Messing gebildet.
Zur Verringerung bzw. Vermeidung der Anhaftung von Overspray und/oder Spritzstaub an der gesamten Vorrichtung sind die Haftmechanismen der abgelenkten/reflektierten Partikel in Abhängigkeit vom verwendeten Spritzzusatzwerkstoff, also dem Drahtwerkstoff, zu beachten. Durch die hohen Temperaturen kann es zu lokalen Verschweißungen und durch den schmelzflüssigen Zustand kann es zur mechanischen Verklammerung einiger Partikel beim Auftreffen auf die Oberflächen der Vorrichtung kommen. Es wird beispielhaft durch die Verwendung nicht magnetisierbarer Werkstoffe die Anhaftung magnetisierter abgelenkter bzw. reflektierter Partikel vermieden.
Neben dem Gehäusewerkstoff ist insbesondere die Oberflächenqualität für ein zu vermeidendes Anhaften von Overspray und/oder Spritzstäuben entscheidend, weswegen die Oberfläche bevorzugt poliert wird, um die Rauheit zu verringern, was einer Ablagerung an dem Gehäuse entgegen wirkt.
Eine Antihaftoberfläche ist im Sinne der Erfindung also eine Oberfläche eines geeigneten Gehäuse- und/oder Spindelwerkstoffes, welcher zumindest Antihafteigenschaften für die zu erwartenden Spritzstäube aufweist, deren Rauheit durch geeignete Oberflächenfeinbearbeitung, beispielhaft durch Schleifen, Superfinishen, Polieren oder Läppen, noch weiter verringerbar ist. Das Gehäuse kann im Sinne der Erfindung als Antihaftoberfläche aber auch eine geeignete Beschichtung aufweisen, welche auf das Gehäuse aufgebracht wird. Die Antihaftoberfläche ist stoffschlüssig, also nicht lösbar mit dem Gehäuse verbunden, was im Sinne der Erfindung bedeutet, dass entweder das Material des Gehäuses selbst die Antihaftoberfläche bildet, oder dass die Antihaftoberfläche als Schutzschicht auf das Material des Gehäuses aufgebracht ist, so dass die beiden Komponenten (Gehäuse/Spindel-Antihaftoberfläche) auf jeden Fall nicht zerstörungsfrei trennbar sind. Die Antihaftoberfläche kann auch elektrisch und thermisch isolierende Schutzfunktionen aufweisen. Zur Verbesserung der Handhabung und zum Schutz der erreichten Oberflächenqualität ist eine hohe Härte des Gehäusewerkstoffes zielführend bzw. kann durch die gezielte Auswahl des Beschichtungswerkstoffes des Gehäuses die Härte der Antihaftoberfläche gesteigert werden.
Beispielsweise kann das Gehäuse als Antihaftoberfläche eine Dekor- oder Hartchrombeschichtung aufweisen. Die Dekor- oder Hartchrombeschichtung ist im Sinne der Erfindung eine metallische Antihaftoberfläche, und kann beispielhaft eine Schichtdicke von 0,5µm bzw. 40µm–100µm haben. Nach entsprechender Oberflächenfeinbearbeitung gehen die Spritzstäube mit diesen Beschichtungen keine feste Bindung ein. Vielmehr können sich ablagernde Spritzstäube nur locker auflegen.
Allgemein können für die mögliche Ausgestaltung der Antihaftoberflächen, durch unterschiedliche Beschichtungsverfahren des Gehäuses, bekannte metallische Hartstoffe (z.B. Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrid) oder Hartstoff-Mischkristalle (z.B. Wolframcarbid-Titancarbid, Wolframcarbid-Cobalt, Titancarbid-Titannitrid) oder nichtmetallische Hartstoffe (z.B. Diamant, Siliziumcarbid und -nitrid, Borcarbid und itrid, Chromoxid) genannt werden, welche durch unterschiedliche Verfahren (z.B. Galvanotechnik, Thermisches Spritzen, PVD, CVD), auch unter Bildung von Zwischenschichten, aufgebracht werden können.
In bevorzugter Ausgestaltung kann das Gehäuse als Antihaftoberfläche eine Aluminiumoxid-Schutzschicht aufweisen. Die Aluminiumoxid-Schutzschicht ist im Sinn der Erfindung eine keramische Antihaftoberfläche. Diese kann beispielhaft durch ein Pulver-Plasmaspritzen aufgetragen werden. Dabei kann beispielhaft eine z.B. 500µm–1000µm dicke Aluminiumoxid-Schutzschicht als zusätzlich elektrisch isolierende Schicht aufgetragen werden. Nach dem Beschichten wird die Antihaftoberfläche bevorzugt im spritzwarmen Zustand durch Silikate wie z.B. Wasserglas versiegelt, um die möglicher Weise hygroskopische Eigenschaft der Aluminiumoxid-Schutzschicht aufzuheben, durch welche die elektrische Durchschlagsfestigkeit bei hoher Luftfeuchtigkeit verloren gehen könnte. Anschließend ist weiter bevorzugt vorgesehen, dass die aufgespritzte Aluminiumoxid-Schutzschicht geschliffen und/oder poliert werden kann, um einer dennoch möglichen Anhaftung an einer rauen Oberfläche entgegen zu wirken. Durch die elektrische Isolierung wird die Prozesssicherheit erhöht, da auf diese Art und Weise das Kathodenpotential des Gehäuses zusätzlich vorteilhaft isoliert wird und so auch weitere Gestaltungsmöglichkeiten des bereits erwähnten Isolationselementes gestattet sind, worauf später noch genauer eingegangen wird.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung kann das Gehäuse als Antihaftoberfläche eine Aluminiumschicht aufweisen, welche beispielhaft durch ein Draht-Lichtbogenspritzen aufgetragen werden kann, wobei die Aluminiumschicht eine Dicke von beispielsweise 100µm haben kann. Diese Schicht kann anschließend durch das MAO (Micro-Arc Oxidation) oder PEO (Plasma-Electrolytic Oxidation) Verfahren in eine Aluminiumoxid-Schutzschicht z.B. in eine Al₂O₃-Keramikschicht umgewandelt werden, die elektrisch isolierend ist und zusätzlich das Anhaften von Spritzstaub bei gleichzeitigem Hitzeschutz verhindert.
Wie bereits erwähnt kann das Gehäuse anstelle des Messings auch aus einem warmfesten Aluminiummaterial gebildet sein. Dies ist dahin vorteilhaft, als die Wärmeleitfähigkeit gegenüber Messing deutlich erhöht wird, so dass die strömenden Prozessgase das Gehäuse innen besser kühlen können. Damit aber die Strahlungs- und Konvektionswärme andererseits nicht so schnell über die Oberfläche der Spindel und des Brenners in das Innere der Bauteile gelangen kann, wird als Antihaftoberfläche außen z.B. eine oxydische Keramikbeschichtung z.B. durch Pulver-Plasmaspritzen aufgetragen. Alternativ kann eine elektrisch isolierende Beschichtung z.B. durch das sog. MAO (Micro-Arc Oxidation) oder z.B. das PEO (Plasma-Electrolytic-Oxidation) Verfahren mit einer z.B. 50µm dicken Titanoxid-Wärmedämmbeschichtung aufgetragen werden. Anschließend können diese Antihaftoberflächen geschliffen und poliert werden.
In weiter bevorzugter Ausgestaltung kann das Gehäuse und/oder die Spindel als Antihaftoberfläche einen Zirkonoxid-Schutzschicht aufweisen. Die Zirkonoxid-Schutzschicht hat zusätzlich zu der Antihafteigenschaft noch eine Wärmedämmeigenschaft, so dass das Gehäuse gegen Wärmekonvektion und Wärmestrahlung geschützt ist, so dass gleichzeitig dazu weiter die mögliche Anhaftung von Spritzstäuben auf der bevorzugt geschliffenen und/oder polierten Antihaftoberfläche reduziert wird.
In noch weiter bevorzugter Ausgestaltung kann das Gehäuse als Antihaftoberfläche eine Aluminiumnitrid-Schutzschicht aufweisen. Auf Grund der vorteilhaften Eigenschaften von hoher Wärmeleitfähigkeit bei guter elektrischer Isolation, hoher Temperaturbeständigkeit und hoher Härte von Aluminiumnitrid wird den reflektierten und/oder abgelenkten Partikeln, welche auf die Antihaftoberfläche auftreffen, sehr schnell die Wärme entzogen, so dass die Partikel erstarren, ohne lokale Defekte am Aluminiumnitrid zu verursachen. Eine mechanische Verklammerung der Partikel wird durch die Oberflächenbeschaffenheit vermieden. Lokale Zerstörungen werden insbesondere durch den Einsatz eines Nitrides für die Beschichtung des Gehäuses vermieden. Auf diese Art und Weise kann die Antihaftoberfläche auf Dauer nicht beschädigt werden.
Besonders zur Erhöhung der Prozesssicherheit ist es im Sinne der Erfindung zielführend, die Antihaftoberfläche auf einem Schichtsystem verschiedener Werkstoffe zu bilden, wobei die Antihaftoberfläche auf der äußersten Schicht durch geeignete Oberflächenfeinbearbeitung hergestellt wird. So können auf technisch sinnvolle Art und Weise die unterschiedlichen besonderen Eigenschaften der jeweiligen Beschichtungswerkstoffe kombiniert werden.
Beispielsweise kann auf das Gehäuse durch Pulver-Plasmaspritzen eine z.B. 500µm–1000µm dicke Aluminiumoxid-Schutzschicht aufgetragen werden, auf welche durch ein weiteres Pulver-Plasmaspritzen eine z.B. 100µm–200 µm dicke Wolframcarbid-Cobalt-Deckschicht aufgetragen wird. In diesem Falle wird durch die Aluminiumoxid-Schutzschicht eine zusätzliche elektrisch und thermisch wirkende Isolation geschaffen und durch die hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Temperaturbeständigkeit der Wolframcarbid-Cobalt-Deckschicht in der anschließenden Oberflächenfeinbearbeitung die Antihaftoberfläche geschaffen.
Selbstverständlich kann die zusätzliche elektrisch und thermisch wirkende Isolation auch durch andere Werkstoffe, beispielhaft Zirkonoxid oder Aluminiumoxid-Zirkonoxid-Mischungen, erreicht werden. Anstelle der beispielhaften Wolframcarbid-Cobalt-Deckschicht können zur Bildung der Antihaftoberfläche auch andere Werkstoffe, beispielhaft Chromoxid, eingesetzt werden. Als vorteilhaft erwiesen sich auch Diamant-, Siliziumoxid- und speziell Siliziumcarbidbeschichtungen, welche als Dünnschichten auf der bereits oberflächenbearbeiteten Schutzschicht durch geeignete Verfahren (z.B. PVD, CVD) abgeschieden werden und durch anschließende geeignete Oberflächenfeinbearbeitung die Antihaftoberfläche bilden.
In bevorzugter Ausgestaltung ist das Gehäuse überwiegend rund ausgeführt. Lediglich im Bereich der Düsenöffnung, also nur an der Seite eines Düsenringes und nur im Bereich des Düsenringes ist die im Querschnitt gesehen kreisrunde Ausgestaltung des Gehäuses aufgehoben. Hier ist das Gehäuse abgeflacht, wobei ein schräger Übergang in eine Ebene übergeht, in welcher der Düsenring bzw. die Düsenöffnung angeordnet ist. Das konsequente Beibehalten des im Querschnitt gesehen kreisrunden Gehäuses vermeidet eine Schaufelwirkung, also eine Mitnahme der in einer Zylinderbohrung befindlichen Prozessgase bzw. Luft, wodurch ein negativer Einfluss der Schaufelwirkung auf die, in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche zu transportierenden Partikel erheblich reduziert ist. Diese strömungsoptimierte Oberflächengestalt wirkt sich auch auf verringerte Ablagerungen an dem Gehäuse aus und begünstigt auch die anschließende Oberflächenfeinbearbeitung zur Bildung der Antihaftoberfläche.
Zielführend ist, wenn das zumindest eine Isolationselement beispielhaft als Düsenring ausgeführt ist.
Der Düsenring ist bevorzugt aus einer Keramik, weiter bevorzugt aus einer Hochleistungskeramik gebildet und wirkt elektrisch und thermisch isolierend zwischen dem Gehäuse und einer Drahtführung. Der Düsenring ist der einzige, äußere Isolator in der sonst metallischen äußeren Form der gesamten Vorrichtung bzw. des Gehäuses. Die Funktion des Düsenringes kann auch als Erweiterung einer Sekundärgasdüse ausgeführt werden.
In möglicher Ausgestaltung ist der Düsenring trichterförmig ausgebildet und erstreckt sich von einem Außenring in Richtung zu einer zentralen Öffnung. Möglich ist auch, den Düsenring hülsenartig mit einem sich von einem Fußflansch wegerstreckenden Wandabschnitt auszuführen. Möglich ist auch, noch einen trichterförmigen Abschnitt vorzusehen, an welchem sich ein von diesem wegerstreckender Wandabschnitt angeordnet ist. Der Düsenring kann einteilig oder mehrteilig sein, wobei bevorzugt Keramiken bzw. Werkstoffe wie z.B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, ATZ oder ZTA zum Herstellen des Düsenrings verwendet werden können. In bevorzugter Ausgestaltung ist der Düsenring zumindest an seiner von der Kathode wegorientierten Oberfläche poliert, weiter bevorzugt hochglanzpoliert, um Anhaftungen zu vermeiden.
Überraschend wurde festgestellt, dass insbesondere durch den Einsatz von Aluminiumnitrid gute Ergebnisse erreicht werden, um reflektierte und/oder abgelenkte Partikel zu vermeiden und/oder entfernen zu können. Aufgrund der besonders hohen Wärmeleitfähigkeit und der relativ hohen Temperaturbeständigkeit von Aluminiumnitrid wird den reflektierten und/oder abgelenkten Partikeln, welche auf die polierte Düsenringoberfläche auftreffen, sehr schnell die Wärme entzogen, so dass die Partikel erstarren, ohne lokale Defekte am Aluminiumnitrid zu verursachen. Eine mechanische Verklammerung der Partikel wird durch die Oberflächenbeschaffenheit vermieden.
Einen anderen keramischen Werkstoff für den Düsenring mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit stellt die Verbundkeramik Shapal^TM dar.
Mit der Erfindung wird bei kleineren Spritzern der Effekt der besseren Wärmeableitung und somit des schnelleren Erstarrens der Spritzer erreicht, bevor diese die Oberflächenbeschaffenheit der Keramik durch lokale Überhitzung zerstören und somit eine lokale Verklammerung der Partikel ermöglicht wird.
Um Anhaftungen an dem Düsenring zu vermeiden können zusätzlich mehrere Maßnahmen vorgesehen werden:
Der Düsenring ist mehrteilig ausgeführt und weist teilweise innen eine Antihaft- und/oder Isolierschicht auf.
Der Düsenring ist einteilig ausgeführt und weist teilweise innen und außen eine Antihaft- und/oder Isolierschicht auf.
Der Düsenring ist mehrteilig und weist eine verlängerte Ausgestaltung auf.
Der Düsenring ist einteilig und weist eine verlängerte Ausgestaltung auf.
Der Düsenring ist einteilig als Schutzgasdüse mit Bohrungen mittig in einer Ebene ausgeführt.
Der Düsenring ist einteilig als Schutzgasdüse mit Bohrungen tangential in einer Ebene.
Der Düsenring ist einteilig als Schutzgasdüse mit Bohrungen tangential in mehreren Ebenen.
Der Düsenring ist einteilig als Schutzgasdüse mit Schlitz und Bohrungen tangential in mehreren Ebenen.
Der Düsenring ist mehrteilig als Schutzgasdüse mit Schlitz und tangentialen Labyrinthbohrungen.
Vorteilhaft wird eine Schutzgasströmung eingebracht, um reflektierte und/oder abgelenkte Partikel zu vermeiden und/oder zu entfernen, wobei die Schutzgasströmung um den Spritzstrahl herum kontinuierlich und/oder gepulst erzeugt wird. Die Schutzgasströmung kann durch mittig angeordnete Bohrungen und/oder tangential angeordnete Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen erfolgen. Weiterhin kann zur Stabilisierung der Schutzgasströmung die Strömung durch Schlitzdüsen und/oder Schlitzdüsen mit mittig und/oder tangential angeordneten Bohrungen in einer oder mehreren Ebenen erfolgen. Weiterhin kann zur Stabilisierung der Schutzgasströmung diese durch Schlitzdüsen mit Labyrinth mit mittig angeordneten Bohrungen/Schlitzen und/oder tangential angeordneten Bohrungen/Schlitzen erfolgen.
Bei der bereits erwähnten Bildung der Antihaftoberfläche auf einer zusätzlich elektrisch isolierenden Schicht oder einem zusätzlich elektrisch isolierenden Schichtsystem des Gehäuses, können die Funktionen des Düsenringes in diesen speziellen Fälle auch von der Sekundärdüse und dem elektrisch isolierenden Gehäuse übernommen werden.
Bedarfsweise werden die, die Antihaftoberfläche aufweisenden Vorrichtungen gereinigt. Nach der Beschichtung bzw. teilweise auch während der Beschichtung des zu beschichtenden Bauteils, können der Brennerkopf und die Spindel mit einer linearen und rotierenden Bewegung vor einer Luftdüse abgeblasen werden, so dass beispielhaft elektrostatisch anhaftende Stäube von den Gehäusen entfernt werden können. Selbstverständlich kann die Vorrichtung, zur Entfernung eventuell anhaftender Stäube, auch vor einer Fächerdüse rotierend oder durch eine Ringluftdüse linear bewegt werden. Eine mechanische Reinigung, beispielhaft durch Bürsten, ist bei entsprechender Gestaltung der Antihaftoberfläche selbstverständlich auch umsetzbar. Beim Reinigungsvorgang anfallende Stäube können über die vorhandenen Absaugungen den Filtern zur Entsorgung zugeführt werden.
Mit diesem Abblasen wird zusätzlich erreicht, dass der Brennerkopf und/oder die Spindel während des Abreinigungsvorganges abgekühlt werden. So kann auch bei kleineren Bohrungen von weniger als z.B. 60mm ein betriebssicherer, also prozessstabiler Beschichtungsvorgang erreicht werden, da die Vorrichtung, insbesondere deren Gehäuse zusätzlich gezielt abgekühlt wird, bevor ein erneuter Beschichtungsvorgang durchgeführt wird.
Zusätzlich werden besonders die Keramik-Düsen, bzw. bevorzugt der Düsenring, von Staubresten befreit, wofür beispielhaft mit einer Ringluftdüse gegen die Keramik-Düsen geblasen wird. Um das Eindringen von Staub in das Innere der Gehäuse zu verhindern, strömen die Prozessgase durch die Düsenöffnungen während der Reinigungsvorgänge, also auch während der Reinigung des Brennerkopfgehäuses, mit eventuell abweichenden Parametern. Alternativ könnte die Düsenöffnung beispielhaft mit einem Dichtelement, z.B. mit einem Gummi-Stopfen von nur beispielsweise 2 mm Durchmesser verschlossen werden. Das Dichtelement ist natürlich an die Düsenöffnung angepasst, um ein Eindringen von Spritzstaub oder anderen schädlichen Medien zu vermeiden.
Mit der Erfindung wird eine Vorrichtung zum Beschichten von Oberflächen, insbesondere zum Innenbeschichten von Zylinderlaufbahnen mit geringen Durchmessern (< 60mm) von Verbrennungsmotoren, zur Verfügung gestellt, welche um ihre Achse rotierbar ist und bei einem als Anode ausgeführten abschmelzenden Eindrahtsystem eine hohe Auftragsrate bei hoher Standzeit und entsprechend reduziertem Wartungsaufwand prozessstabil eben auch kleine Bohrungsdurchmesser innenbeschichten kann (Rotierendes-Eindraht-Lichtbogen-Spritzen). Die für den prozesssicheren Betrieb notwendigen elektrischen und thermischen Isolierungen liegen innerhalb des sonst metallischen Außengehäuses (auch das bevorzugte Messing wird im Sinne der Erfindung als metallisch bezeichnet) der gesamten Vorrichtung. Nur im Bereich der Partikelstrahlaustrittsöffnung werden elektrische und thermische Isolierungen verwendet.
Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Explosionsdarstellung einer Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche,
1a eine Schnittdarstellung durch eine Vorrichtung nach 1,
2 einen Düsenring als Einzelheit, in erster Ausgestaltung
3 einen Düsenring als Einzelheit, in zweiter Ausgestaltung
4 bis 6 mögliche Ausgestaltungen für eine Antihaftoberfläche des Düsenrings, und
7 bis 11 mögliche Ausführungen für eine Schutzgasströmung.
In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden. In den 2 und 3 sind die dortigen Komponenten jeweils von beiden Seiten, also von einer Unterseite und von einer Oberseite her perspektivisch dargestellt. In den 7 bis 11 sind jeweils ein Querschnitt und eine Draufsicht dargestellt.
1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum thermischen Beschichten einer Oberfläche. Die Vorrichtung 1 kann auch als Brenner 1 bezeichnet werden, welcher zum thermischen Beschichten einer Zylinderbohrung auch kleinerer Durchmesser von weniger als 60mm geeignet ist. Dazu wird in der Vorrichtung 1 ein Lichtbogen gezündet, welcher den Spritzzusatzwerkstoff aufschmilzt, wobei aufgeschmolzenes Material zur zu beschichtenden Oberfläche transportiert wird. Dazu werden zwei Gase nämlich Primärgas und Sekundärgas eingesetzt. Das Primärgas hat die Aufgabe, den Lichtbogen aufrecht zu erhalten bzw. zu tragen, wobei das Primärgas zusätzlich noch Kühlfunktionen hat, wobei auch das Sekundärgas eine Doppelfunktion hat. Zum einen soll das Sekundärgas den Transport der aufgeschmolzenen Partikel unterstützen und die Partikel weiter zerstäuben und beschleunigen. Zum anderen hat das Sekundärgas eine Kühlfunktion, worauf noch eingegangen wird. Das Primärgas kann Argon, Stickstoff, eine Mischung inerter Gase oder eine Mischung der beispielhaften Gase mit Wasserstoff und/oder Helium sein. Das Sekundärgas kann Luft bzw. Druckluft sein. Möglich ist auch, dass als Sekundärgas Argon, Stickstoff oder andere inerte Gase eingesetzt werden. Die beispielhaft genannten Gase sollen natürlich nicht beschränkend sein.
Die Vorrichtung 1 kann einen Kopfteil 2, beispielhaft einen Verbinder 3 als Zwischenteil und einen Adapter 4 als Anschlussteil aufweisen, wobei Primärgasanschlüsse, Sekundärgasanschlüsse, Stromquellenanschlüsse, Steuer- und Kontrollvorrichtungen sowie ein Draht in 1 nicht gezeigt sind. Zum Beschichten einer Zylinderbohrung rotiert die Vorrichtung um sich selbst und wird dabei linear hin- und her bewegt. Selbstverständlich kann anstelle der linearen Bewegung der Vorrichtung auch eine lineare Bewegung des zu beschichtenden Bauteils erfolgen. Selbiges gilt natürlich auch für die Rotationsbewegung, sofern sinnvoll.
Die Vorrichtung 1 zum thermischen Beschichten einer Oberfläche, umfasst wie beispielhaft dargestellt ein zweiteiliges Gehäuse 6 mit einem Hauptelement 7 und einem Deckelelement 8, eine Kathode 9, einen Primärgasverteiler 11, einen Sekundärgasverteiler 12, elektrisch und thermisch wirkende Isolationselemente 13, 14, und 16, sowie eine Anode, welche als abschmelzender Draht ausgebildet über eine Drahtführung in eine Sekundärgasdüse 19 geführt wird, wobei eine Primärgasdüse 21 unter Parallelschaltung des Sekundärgasverteilers 12 an dem Primärgasverteiler 11 zentriert montiert ist, und an ihrer zur Sekundärgasdüse 19 orientierten Seite 22 in einer Ebene radial angeordnete Öffnungen, also Bohrungen oder Schlitze aufweist.
Zielführend ist, wenn die Isolationselemente beispielhaft durch mehrere Komponenten als Düsenring 13, Düsenisolator 14 und als Hauptisolator 16 ausgeführt sind.
Der Düsenring 13 ist aus einer Keramik, bevorzugt aus einer Hochleistungskeramik gebildet und wirkt elektrisch und thermisch isolierend zwischen dem Gehäuse 6 und der Drahtführung. Der Düsenring 13 ist der einzige, äußere Isolator in der sonst metallischen äußeren Form der gesamten Vorrichtung bzw. des Gehäuses 6.
In möglicher Ausgestaltung ist der Düsenring 13 trichterförmig ausgebildet und erstreckt sich von einem Außenring 24 in Richtung zu einer zentralen Öffnung 25 (2). Möglich ist auch, den Düsenring 13 hülsenartig (3) mit einem sich von einem Fußflansch 26 wegerstreckenden Wandabschnitt 27 auszuführen, so dass ein Düsenring 13 in verlängerter Ausgestaltung gebildet ist.
In bevorzugter Ausgestaltung ist der Düsenring 13 bei beiden Ausführungsbeispielen zumindest an seiner von der Kathode 9 wegorientierten Außenoberfläche 28 poliert, bevorzugt hochglanzpoliert um Anhaftungen zu vermeiden. Der Düsenring 13 kann einteilig oder mehrteilig sein, wobei bevorzugt Keramiken bzw. Werkstoffe wie z.B. Siliziumnitrid, Aluminiumnitrid, Bornitrid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid, ATZ oder ZTA zum Herstellen des Düsenrings verwendet werden können.
Um Anhaftungen an dem Düsenring 13 zu vermeiden können mehrere Maßnahmen vorgesehen werden:
Der Düsenring 13 ist mehrteilig ausgeführt und weist teilweise innen eine Antihaft- und/oder Isolieroberfläche oder -schicht 29 auf (4).
Der Düsenring 13 ist einteilig ausgeführt und weist teilweise innen und außen eine Antihaft- und/oder Isolieroberfläche oder -schicht 29 auf.
Der Düsenring 13 ist mehrteilig und weist eine verlängerte Ausgestaltung auf (5).
Der Düsenring 13 ist einteilig und weist eine verlängerte Ausgestaltung auf (6).
Der Düsenring 13 ist einteilig als Schutzgasdüse mit Bohrungen 30 mittig in einer Ebene ausgeführt (7).
Der Düsenring 13 ist einteilig als Schutzgasdüse mit Bohrungen 30 tangential in einer Ebene (8).
Der Düsenring 13 ist einteilig als Schutzgasdüse mit Bohrungen 30 tangential in mehreren Ebenen (9).
Der Düsenring 13 ist einteilig als Schutzgasdüse mit Schlitz 31 und Bohrungen 30 tangential in mehreren Ebenen (10).
Der Düsenring 13 ist mehrteilig als Schutzgasdüse mit Schlitz 31 und tangentialen Labyrinthbohrungen 32 (11).
Vorteilhaft wird eine Schutzgasströmung in die Düsenöffnung 33 eingebracht, um reflektierte und/oder abgelenkte Partikel zu vermeiden und/oder zu entfernen, wobei die Schutzgasströmung um den Spritzstrahl herum kontinuierlich und/oder gepulst erzeugt wird. Die Schutzgasströmung kann durch mittig angeordnete Bohrungen 30 und/oder tangential angeordnete Bohrungen 30 in einer oder mehreren Ebenen erfolgen. Weiterhin kann zur Stabilisierung der Schutzgasströmung die Strömung durch Schlitzdüsen 31 und/oder Schlitzdüsen 31 mit mittig und/oder tangential angeordneten Bohrungen 30 in einer oder mehreren Ebenen erfolgen. Weiterhin kann zur Stabilisierung der Schutzgasströmung diese durch Schlitzdüsen 31 mit Labyrinth 32 mit mittig angeordneten Bohrungen/Schlitzen 30/31 und/oder tangential angeordneten Bohrungen/Schlitzen 30/31 erfolgen.
Das Gehäuse 6 ist wie bereits erwähnt beispielhaft zweiteilig mit dem Hauptelement 7 und dem Deckelelement 8 ausgeführt, was der Wartungsfreundlichkeit zu Gute kommt. Wie erkennbar ist das Gehäuse 6 überwiegend rund ausgeführt. Lediglich im Bereich der Düsenöffnung 33, ist die im Querschnitt gesehen kreisrunde Ausgestaltung des Gehäuses 6, also des Hauptelementes 7 aufgehoben. Hier ist das Gehäuse 6 abgeflacht, wobei ein schräger Übergang in eine Ebene übergeht, in welcher der Düsenring 13 bzw. die Düsenöffnung 33 angeordnet ist. Das konsequente Beibehalten des im Querschnitt gesehen kreisrunden Gehäuses 6 vermeidet eine Schaufelwirkung, also eine Mitnahme der in einer Zylinderbohrung befindlichen Prozessgase bzw. Luft, wodurch ein negativer Einfluss der Schaufelwirkung auf die, in Richtung der zu beschichtenden Oberfläche zu transportierenden Partikel erheblich reduziert ist. Diese strömungsoptimierte Oberflächengestalt wirkt sich auch auf verringerte Ablagerungen an dem Gehäuse aus.
Das Deckelelement 8 ist mit dem Hauptelement 7 zu dem Gehäuse 6 mittels Schrauben 34 verschraubbar.
Das Gehäuse 6 ist bevorzugt aus einem Messing gebildet, und weist eine Antihaftoberfläche 36 auf. Die Antihaftoberfläche 36 kann so ausgeführt sein, dass das Material des Gehäuses 6 poliert ist, um die Rauheit zu verringern, was einer Ablagerung an dem Gehäuse 6 entgegen wirkt. Gleiches gilt für die in den Figuren nicht dargestellte Spindel. Das Gehäuse 6 kann als Antihaftoberfläche 36 auch eine Beschichtung metallischer oder bevorzugt keramischer Art aufweisen. Bei dem in 1a gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Antihaftoberfläche 36 beispielhaft als Beschichtung aufgebracht. In 1a ist beispielhaft eine Antihaftoberfläche 36 des Hauptelementes 7 erkennbar, wobei ein Düsenring nicht erkennbar ist. Selbstverständlich kann auch das Deckelelement 8 eine Antihaftoberfläche aufweisen.
Mit der Erfindung wird eine um sich rotierende Eindrahtspritzvorrichtung 1 geschaffen, mit der auch Zylinderbohrungen kleineren Durchmessers beschichtet werden können. Der zu zündende Lichtbogen zündet direkt zwischen Kathode und Anode, also auf dem Draht, und nicht wie bei bekannten Vorrichtungen bisher bekannt zwischen Kathode und Plasmagasdüse, bei welcher speziell bei höheren Stromstärken durch den Lichtbogeneinfluss die Lebensdauer gemindert wurde. Bei der Erfindung wird die Primärgasdüse 21 von dem Sekundärgas gekühlt, weswegen die Öffnungen, also Schlitze vorgesehen sind. Mit den Komponenten Düsenisolator 14, Düsenring 13, Sekundärgasdüse 19, Primärgasverteiler 11 und Sekundärgasverteiler 12, welche bevorzugt aus einer Keramik gebildet sind, wird vorteilhaft quasi eine thermische und elektrische Innenisolierung bereitgestellt. Der Düsenring 13 ist quasi der einzige, äußere Isolator in der sonst metallischen äußeren Form der gesamten Vorrichtung bzw. des Gehäuses. Die Drahtführung ist mit ihren Komponenten vollständig innerhalb des Gehäuses 6, also in dem Hauptelement 7 aufgenommen, so dass Außenschutzmaßnahmen entfallen können. In 1 sind noch Dichtungselemente 35 erkennbar.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum thermischen Beschichten
2: Kopfteil
3: Verbinder
4: Adapter
6: Gehäuse
7: Hauptelement
8: Deckelelement
9: Kathode
11: Primärgasverteiler
12: Sekundärgasverteiler
13: Düsenring
14: Düsenisolator
16: Hauptisolator
19: Sekundärgasdüse
21: Primärgasdüse
22: Zu 19 orientierte Seite 11
24: Außenring
25: Zentrale Öffnung
26: Fußflansch
27: Wandabschnitt
28: Außenoberfläche
29: Antihaft- und/oder Isolierschicht
30: Bohrungen
31: Schlitz
32: Labyrinthbohrungen
33: Düsenöffnung
34: Schrauben
35: Dichtungselemente
36: Antihaftoberfläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6372298 B1 [0002]
US 6706993 B1 [0002]
WO 2010/112567 A1 [0002]
US 6610959 B2 [0002]
WO 2012/95371 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum thermischen Beschichten einer Oberfläche, welche zumindest ein Gehäuse (6), eine Kathode (9), eine Anode, welche als abschmelzender Draht ausgebildet ist und zumindest ein Isolationselement (13) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Gehäuse (6) eine nicht lösbare Antihaftoberfläche (36) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) aus Messing besteht, welches an seiner Oberfläche poliert ist, so dass die Antihaftoberfläche (36) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftoberfläche (36) eine Antihaft- und/oder Isolierschicht oder ein Antihaft- und/oder Isolierschichtsystem ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) als Antihaftoberfläche (36) eine Hartchrombeschichtung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) als Antihaftoberfläche (36) eine Aluminiumoxid-Schutzschicht aufweist
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) als Antihaftoberfläche eine Zirkonoxid-Schutzschicht aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (6) als Antihaftoberfläche eine Aluminiumschicht aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht oxidiert wird, so dass eine Aluminiumoxid-Schutzschicht gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (13) als Düsenring ausgeführt ist, welcher aus einer Keramik gebildet ist, welcher an seiner von der Kathode (9) wegorientierten Oberfläche poliert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (13) zumindest teilweise eine Antihaft- und/oder Isolieroberfläche (29) aufweist.