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Die Erfindung betrifft eine Kaltgasspritzvorrichtung zum Beschichten eines Bauteils der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils mit einer derartigen Kaltgasspritzvorrichtung.
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Die
DE 10 2006 047 101 A1 zeigt eine gattungsgemäße Kaltgasspritzvorrichtung zum Beschichten eines Bauteils mit einem Brennerkörper, welcher einen Gaskanal zum Zuführen eines Prozessgasstroms zu einem Brennerkörper und einen Partikelkanal zum Zuführen des pulverförmigen Beschichtungsmaterials in den Gaskanal umfasst. Aufgrund des dort gezeigten Aufbaus der Kaltgasspritzvorrichtung ist diese schlecht bis gar nicht dazu geeignet, eine Beschichtung an Werkstücken mit kleinem Innendurchmesser, beispielsweise bei einem Pleuelauge einer Pleuelstange für ein Nutzfahrzeug, vorzunehmen. Es ist bekannt, dass zur Herstellung einer guten Beschichtung mittels einer Kaltgasspritzvorrichtung der Spritzstrahl möglichst senkrecht auf die zu beschichtende Bauteiloberfläche auftreffen sollte. Dies wäre insbesondere beim Beschichten von Pleuelaugen mittels einer Kaltgasspritzvorrichtung gemäß der
DE 10 2006 047 101 A1 aufgrund des relativ kleinen Durchmessers des Pleuelauges schwer zu realisieren, da ein erhebliches Zugänglichkeitsproblem bestehen würde.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
DE 20200900865 U1 , der
DE 10 2012 014 665 A1 oder der
DE 10 2008 008 169 A1 , sind Lichtbogendrahtspritzer, welche als Innenbrenner ausgebildet sind, bekannt. Jedoch können mit derartigen Innenbrennern die für ein Pleuelauge insbesondere erforderlichen Schichtqualitäten nicht erreicht werden. Bei derartigen Innenbrennern werden Beschichtungsstoffe in Drahtform eingesetzt. Der Draht wird durch die thermische Energie des Lichtbogens aufgeschmolzen und in die geforderte Partikelform überführt. Beim Kaltgasspritzen liegt der Beschichtungswerkstoff nur in Pulverform vor. Das Verfahren beruht vorwiegend auf kinetischer Energie, die durch die starke Gasexpansion in der Lavaldüse erzielt wird. Eine Wärmeeinwirkung, beispielsweise durch eine Flamme oder durch einen Lichtbogen, existiert hierbei nicht. Der Aufbau eines Lichtbogendrahtspritzer-Innenbrenners kann nicht für das Kaltgasspritzen übernommen werden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Beschichten von Bauteilen mit relativ geringem Innendurchmesser durch Kaltgasspritzen zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kaltgasspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Beschichten eines Bauteils mit einer derartigen Kaltgasspritzvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Um eine Beschichtung von Bauteilen mit relativ kleinem Innendurchmesser mittels einer Kaltgasspritzvorrichtung zu ermöglichen, ist es bei der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzvorrichtung vorgesehen, dass der Gaskanal einen sich in Richtung der Längsachse des Brenners erstreckenden ersten Teil und einen in Strömungsrichtung des Prozessgasstroms dahinter angeordneten zweiten Teil umfasst, welcher sich radial zur Längsachse des Brennerkörpers erstreckt und in den Brennerkörper mündet. Mit anderen Worten ist es also erfindungsgemäß vorgesehen, den Gaskanal um 90° innerhalb des Brennerkörpers umzulenken. Dadurch kann der Spritzstrahl der Kaltgasspritzvorrichtung auf einfache Weise senkrecht auf eine zu beschichtende Innenfläche eines Bauteils mit einem geringen Innendurchmesser, beispielsweise einem Pleuelauge, gerichtet werden. Zudem ist es durch die erfindungsgemäße Führung des Gaskanals möglich, den Brennerkörper relativ schlank zu gestalten, so dass dieser ohne Weiteres in ein Bauteil mit einem relativ geringen Innendurchmesser eingeführt werden kann, um dessen Innenfläche zu beschichten. Die Kaltgasspritzvorrichtung wird also erfindungsgemäß als eine Art Innenbrenner zum Kaltgasspritzen ausgeführt, welche in Werkstücke mit geringem Innendurchmesser zur Beschichtung von Oberflächen des Innendurchmessers leicht in diese eingeführt werden kann.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Brennerkörper um seine Längsachse rotierbar ist. Dadurch kann beispielsweise ein zu beschichtendes Pleuelauge an einer unbeweglichen Vorrichtung aufgenommen sein, während der Brennerkörper und somit der entsprechende Brennerkörperaustritt um seine Längsachse rotiert wird, so dass der gesamte zu beschichtende Innenbereich des Pleuelauges auf einfache Weise mittels der Kaltgasspritzvorrichtung beschichtet werden kann. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Kaltgasspritzvorrichtung eine entsprechende Antriebseinheit umfasst, mittels welcher das zu beschichtende Bauteil entsprechend um den Brennerkörper herum rotiert wird, wobei in diesem Fall das Rotieren des Brennerkörpers entfallen könnte.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der zweite Teil des Gaskanals eine Lavaldüse umfasst, welche in den Brennerkörperaustritt mündet. Dadurch wird eine für das zuverlässige Kaltgasspritzen notwendige kinetische Energie durch den Prozessgasdurchfluss durch die Lavaldüse ermöglicht.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Partikelkanal in Strömungsrichtung des Prozessgases vor der Lavaldüse in den Gaskanal mündet. Somit werden mittels des Partikelkanals zugeführte Partikel, welche als Beschichtungswerkstoff dienen, von dem Prozessgas mitgerissen und durch die Lavaldüse hindurch beschleunigt, wodurch ein besonders hoher kinetischer Energieeintrag bezüglich der Partikel erfolgt, was sich positiv auf den Kaltgasspritzvorgang auswirkt.
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Alternativ ist es aber auch möglich, das pulverförmige Beschichtungsmaterial erst nach der Lavaldüse dem Gaskanal zuzuführen. In diesem Fall ist der Gaskanal derart ausgebildet, dass die Lavaldüse nicht unmittelbar in den Brennerkörperaustritt mündet. Stattdessen setzt sich der Gaskanal in Strömungsrichtung nach der Lavaldüse noch ohne eine Querschnittsveränderung fort und mündet dann erst in den Brennerkörperaustritt. Der Partikelkanal mündet also erst in diesen Abschnitt des Gaskanals, welcher sich an die Lavaldüse anschließt. Der Vorteil bei dieser Ausgestaltung liegt darin, dass geringere Reibungsverluste innerhalb der Lavaldüse entstehen, da das pulverförmige Beschichtungsmaterial nicht durch die Lavaldüse hindurch befördert wird. Die Beschleunigung – und somit Zuführung von kinetischer Energie – des Beschichtungsmaterials erfolgt dann erst nach der Lavaldüse mittels des durch die Lavaldüse bereits beschleunigten Prozessgasstroms.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten eines Bauteils, insbesondere eines Pleuelauges einer Pleuelstange für einen Verbrennungsmotor, mit einer erfindungsgemäßen Kaltgasspritzvorrichtung oder einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kaltgasspritzvorrichtung, wird der zweite Teil des Gaskanals senkrecht zu einer zu beschichtenden Fläche des Bauteils ausgerichtet. Mit anderen Worten wird der Brennerkörper der Kaltgasspritzvorrichtung immer derart gegenüber der jeweils zu beschichtenden Fläche des Bauteils ausgerichtet, dass der Spritzstrahl möglichst senkrecht auf die gerade zu beschichtende Bauteiloberfläche auftrifft.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Seitenschnittansicht eines Brennerkörpers einer Kaltgasspritzvorrichtung, welche in das Innere eines Pleuelauges einer Pleuelstange eingeführt ist; und in
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2 eine schematische Draufsicht auf die in 1 gezeigte Anordnung, wobei diese nur teilweise dargstellt ist.
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In 1 ist eine insgesamt mit 10 bezeichnete Kaltgasspritzvorrichtung, welche in ein Pleuelauge 12 einer nur teilweise dargestellten Pleuelstange 14 eingeführt ist, gezeigt. Die Kaltgasspritzvorrichtung 10 umfasst einen Brennerkörper 16, welcher einen Gaskanal 18 zum Zuführen eines mit den Pfeilen 20 gekennzeichneten Prozessgasstroms zu einem Brennerkörperaustritt 22 und einen Partikelkanal 24 zum Zuführen eines pulverförmigen Beschichtungsmaterials 26 in den Gaskanal 18 umfasst. Das pulverförmige Beschichtungsmaterial 26 wird dabei mittels eines Trägergases 27 durch den Partikelkanal 24 hindurch befördert.
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Der Gaskanal 18 weist einen sich in Richtung der Längsachse 28 des Brennerkörpers 16 erstreckenden ersten Teil 30 und einen in Strömungsrichtung des Prozessgasstroms 22 dahinter angeordneten zweiten Teil 32 auf, welcher sich radial zur Längsachse 28 des Brennerkörpers 16 erstreckt und in den Brennerkörperaustritt 22 mündet.
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Der erste Teil 30 und der zweite Teil 32 des Gaskanals 18 sind dabei über einen gekrümmten Teil 34 miteinander verbunden. Der Partikelkanal 24 mündet dabei in Strömungsrichtung des Prozessgases 20 gesehen vor einer Lavaldüse 36 in den Gaskanal 18. Die Abmaße des Brennerkörpers 16 sind derart gewählt, dass dieser wesentlich schmäler als der Innendurchmesser 38 des Pleuelauges 12 ist, so dass ein vorgegebener Spritzabstand 14 zur zu beschichtenden Fläche 42 des Pleuelauges 12 eingehalten werden kann.
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Der Brennerkörper 16 ist zum einen in der mit dem Pfeil 44 gekennzeichneten Drehrichtung um seine Längsachse 28 rotierbar und zum anderen entlang des mit dem Doppelpfeil 46 gekennzeichneten Verfahrweges 46 translatorisch bewegbar. Der Verfahrweg 46 des Brennerkörpers 16 ist dabei größer als eine Höhe 48 der Pleuelstange 14.
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Zum Beschichten der Fläche 42 des Pleuelauges 12 wird der Brennerkörper 16 also zunächst in das Pleuelauge 12 eingeführt, wobei der zweite Teil 32 des Gaskanals senkrecht zu der jeweils zu beschichtenden Fläche 42 des Pleuelauges 12 ausgerichtet wird. Infolgedessen trifft ein Spritzstrahl 50, welcher ein Gemisch aus dem Prozessgasstrom 20 sowie dem pulverförmigen Beschichtungsmaterial 26 und dem Trägergasstrom 27 ist, mit einem Spritzwinkel α von 90° auf die jeweils zu beschichtende Fläche 42 der Pleuelstange 12 auf.
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Dadurch wird die wesentliche Prozessgröße beim Kaltgasspritzen, nämlich der Spritzwinkel α normal zu der zu beschichtenden Fläche 42 eingestellt. Infolgedessen wird die beim Kaltgasspritzen erforderliche hohe kinetische Energie des pulverförmigen Beschichtungsmaterials 26 beim Aufprall auf die zu beschichtende Fläche 42 gewährleistet. Denn wesentlich für einen zuverlässigen Kaltgasspritzvorgang und eine Herstellung einer Beschichtung mittels des pulverförmigen Beschichtungsmaterials 26 ist der bezüglich der zu beschichtenden Fläche 42 senkrechte Geschwindigkeitsanteil des Beschichtungsmaterials 26.
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Der Prozessgasstrom 20 wird durch die Temperatur und Druckeinwirkung innerhalb des Gaskanals 18 sowie der Innenkontur des Gaskanals 18 auf die benötigte Strömungsgeschwindigkeit beschleunigt. Der Trägergasstrom 27 transportiert das pulverförmige Beschichtungsmaterial 26. Kurz vor der Verengung der Lavaldüse 36 wird das Beschichtungsmaterial 26 in den Prozessgasstrom 20 initiiert. Die Lavaldüse 36 liegt dabei hinter dem gekrümmten Teil 34 der Prozessgasstromzuführung, um Reibungsverluste innerhalb des gekrümmten Teils des Gaskanals 18 zu verhindern, welche auftreten würden, wenn das Beschichtungsmaterial 26 dort umgelenkt werden müsste. In der Lavaldüse 36 wird das pulverförmigen Beschichtungsmaterial 26 schließlich normal zur zu beschichtenden Fläche 42 des Pleuelauges 12 beschleunigt.
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In 2 ist die in 1 gezeigte Anordnung teilweise in einer schematischen Draufsicht gezeigt. Wie zu erkennen, tritt der Spritzstrahl 50 entsprechend der Ausrichtung des zweiten Teils 32 des Gaskanals 18 aus dem Brennerkörperaustritt 22 aus und mit dem Spritzwinkel α, welcher vorliegend 90° beträgt, auf die hier nicht näher bezeichnete Fläche 42 der Pleuelstange 12 auf, wodurch nach und nach die Beschichtung 52 ausgebildet wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102006047101 A1 [0002, 0002]
- DE 20200900865 U1 [0003]
- DE 102012014665 A1 [0003]
- DE 102008008169 A1 [0003]
