DE102017220522A1

DE102017220522A1 - Verfahren zum Beschichten von Bauteilen

Info

Publication number: DE102017220522A1
Application number: DE102017220522.9A
Authority: DE
Inventors: Jean-Marc Segaud; Wolfram Wagener
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2019-05-23
Also published as: CN111094616A; US20200270735A1; WO2019096476A1

Abstract

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Motorbauteilen, umfassend die Schritte:- Herstellen eines Beschichtungsmaterials durch oder beim Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Werkstoffs für ein erstes Beschichtungsverfahren;- Zumindest teilweise Verwenden des Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, eine Verwendung eines Beschichtungsverfahrens sowie ein Beschichtungsmaterial.
Bei den in Rede stehenden Bauteilen bzw. Baugruppen handelt es sich insbesondere um Zylinderköpfe von Verbrennungskraftmaschinen. Um z. B. ein Eingraben der Ventile in den Zylinderkopf zu verhindern, sind oft sogenannte Ventilsitzringe vorgesehen, welche z. B. aus einem Sintermaterial hergestellt werden. Daneben ist es auch bekannt, die Ventilsitze für die Ventile direkt am Zylinderkopf mittels geeigneter Beschichtungsverfahren auszubilden, vgl. z. B. die DE 199 60 884 A1 . Bekannt sind in diesem Zusammenhang unter anderem thermische Spritzverfahren, wie das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF), oder das Laserauftragsschweißen. Den bekannten Verfahren ist dabei gemeinsam, dass sie leider einen hohen Ressourceneinsatz erfordern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, eine Verwendung eines Beschichtungsverfahrens sowie ein Beschichtungsmaterial anzugeben, welche sich insbesondere durch einen geringen Ressourceneinsatz auszeichnen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, durch eine Verwendung gemäß Anspruch 10 sowie durch ein Beschichtungsmaterial gemäß Anspruch 11 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.
Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Motorbauteilen, die Schritte:

- Herstellen eines Beschichtungsmaterials durch oder beim Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Werkstoffs für ein erstes Beschichtungsverfahren;
- Zumindest teilweise Verwenden des Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.

Auf diese Weise kann ein sehr kostengünstiges und ressourcenschonendes Beschichtungsverfahren realisiert werden. Das zweite Beschichtungsverfahren ist vorteilhafterweise ein zu dem ersten Beschichtungsverfahren unterschiedliches Verfahren. Der Vorteil liegt damit insbesondere darin, dass das Beschichtungsmaterial quasi als Nebenprodukt des ersten Beschichtungsverfahrens entsteht und für das zweite Beschichtungsverfahren weiter verwendet wird bzw. werden kann.
Bevorzugt umfasst das Verfahren den Schritt: Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Drahtwerkstoffs für ein erstes Beschichtungsverfahren. Unter Drahtwerkstoff wird jeder elektrisch leitende, drahtförmige Werkstoff verstanden. Bei dem Verfahren können alternativ auch pulver-, draht-, schnur- und/oder stabförmige Werkstoffe auf-, ab oder angeschmolzen werden. Als Energieträger für das An-, Ab- oder Aufschmelzen dienen z. B. ein elektrischer Lichtbogen, ein Plasmastrahl, eine Brennstoff-Sauerstoff-Flamme, eine Brennstoff-Sauerstoff-Hochgeschwindigkeitsflamme, schnelle vorgewärmte Gase oder ein Laserstrahl.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das zweite Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen. Das Kaltgasspritzen ist ein Beschichtungsverfahren, bei dem der Beschichtungswerkstoff in Pulverform mit sehr hoher Geschwindigkeit auf ein Trägermaterial aufgebracht wird. Hierzu wird gemäß einer Ausführungsform ein auf wenige 100 °C aufgeheiztes Prozessgas (Stickstoff oder Helium) durch Expansion in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt und anschließend das Beschichtungsmaterial in einen Gasstrahl injiziert. Dabei wird das injizierte Beschichtungsmaterial auf eine so hohe Geschwindigkeit beschleunigt, dass es beim Aufprall auf das Substrat eine dichte und fest haftende Schicht bildet. Durch die kalte Verarbeitung wird unter anderem erreicht, dass die Bestandteile des Beschichtungsmaterials nicht aufschmelzen. Bevorzugte Prozessdrücke liegen vorliegend bei etwa 20 bis 80 bar, vorzugsweise bei etwa 45 bar. Bei Austritt aus der Beschichtungskanone werden Geschwindigkeiten von etwa 750 bis 1700 m/s eingestellt, bevorzugt von etwa 1000 bis 1250 m/s.
Dabei hat sich überraschend gezeigt, dass insbesondere beim Abschmelzen von Drahtwerkstoff ein, insbesondere für das Kaltgasspritzen, sehr gut geeignetes Pulver bzw. Beschichtungsmaterial entsteht bzw. erzeugt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das erste Beschichtungsverfahren ein thermisches Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen. Dabei wird zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen gleicher oder unterschiedlicher Art ein Lichtbogen gezündet. Die Drahtspitzen werden bei einer Temperatur von rund 4000 °C abgeschmolzen und mittels Zerstäubergas auf die präparierte Werkstückoberfläche geblasen. Bei der Verwendung von Stickstoff oder Argon statt Luft als Zerstäubergas wird eine Oxidation der Materialien reduziert. Das zweite Beschichtungsverfahren wird bevorzugt zum Bilden oder Formen bzw. Beschichten von Ventilsitzen von Zylinderköpfen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. In der Folge ist das Verfahren gerade deshalb besonders vorteilhaft, da das Lichtbogendrahtspritzen bzw. das erste Beschichtungsverfahren bevorzugt als Beschichtungsverfahren von Zylinderlaufflächen zum Einsatz kommt. In der Folge kann also ein sehr schlanker und ressourcenschonender Herstellungsprozess realisiert werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

- Herstellen des Beschichtungsmaterials beim Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens;
- Sammeln des Beschichtungsmaterials beim oder nach dem Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens.

Mit anderen Worten wird vorliegend gemäß einer Ausführungsform also eine erste Beschichtung mit Lichtbogendrahtspritzen durchgeführt, wobei indirekt, durch das dabei durchgeführte Abschmelzen eines Drahtwerkstoffs, das Beschichtungsmaterial gebildet/erzeugt wird. Es hat sich herausgestellt, dass beim Abschmelzen von Drahtwerkstoff, wie es bei thermischen Spritzverfahren, wie dem Lichtbogendrahtspritzen, durchgeführt wird, ein ideal strukturiertes Beschichtungsmaterial, insbesondere für das Kaltgasspritzen, gebildet wird.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in inerter Atmosphäre, in einer sauerstofffreien oder in einer zumindest sauerstoffarmen Umgebung.

Eine Oxidation des Beschichtungsmaterials kann damit vorteilhafterweise vermieden oder zumindest gering gehalten werden.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Aufbereiten des Beschichtungsmaterials für das zweite Beschichtungsverfahren.

Das Aufbereiten umfasst beispielsweise ein Reinigen, Filtern, Sieben, Trennen und/oder Mischen des Beschichtungsmaterials. Vorteilhafterweise kann auf rein mechanische Aufbereitungsmaßnahmen zurückgegriffen werden, welche keine Verwendung chemischer Stoffe oder dergleichen notwendig machen.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren, insbesondere betreffend die vorgenannte Aufbereitung, die Schritte:

- Sieben in definierter Größe;
- Verpacken in inerter Atmosphäre bzw. in einer sauerstofffreien oder sauerstoffarmen Umgebung.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

- Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in einer Absaugkammer;
- Absaugen und Lagern bzw. Speichern des, insbesondere überschüssigen, Beschichtungsmaterials.

Die vorgenannten Verfahrensschritte zeigen, dass für das Verfahren vorteilhafterweise keine aufwändigen Apparaturen, Vorrichtungen und dergleichen nötig sind.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren die Schritte:

- Bereitstellen eines Zylinderkopfes und eines Kurbelgehäuses;
- Beschichten des Kurbelgehäuses, insbesondere der Zylinderlaufflächen des Kurbelgehäuses, im ersten Beschichtungsverfahren;
- Beschichten des Zylinderkopfes, insbesondere zumindest eines Ventilsitzes des Zylinderkopfes, im zweiten Beschichtungsverfahren.

Zweckmäßigerweise umfasst das Verfahren den Schritt:

- Zeitliche und/oder örtliche Trennung des ersten und zweiten Beschichtungsverfahrens.

Dies erlaubt mit Vorteil höchste Flexibilität beim Einsatz des Verfahrens.
Die Erfindung richtet sich auch auf eine Verwendung eines ersten Beschichtungsverfahrens zum Herstellen eines Beschichtungsmaterials für ein zweites, davon unterschiedliches, Beschichtungsverfahren.
Für die Verwendung gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren erwähnten Vorteile analog bzw. entsprechend.
Gemäß einer Ausführungsform ist das Verfahren wie folgt geführt: Aufbringen einer ersten und einer zweiten Beschichtung auf eine Baugruppe, wobei die erste Beschichtung durch ein erstes Beschichtungsverfahren hergestellt ist, und wobei die zweite Beschichtung mit Beschichtungsmaterial aus dem ersten Beschichtungsverfahren hergestellt ist. Das erste und das zweite Beschichtungsverfahren unterscheiden sich voneinander. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Baugruppe einen Zylinderkopf und ein Kurbelgehäuse, wobei der Zylinderkopf zumindest einen Ventilsitz aufweist, welcher die zweite Beschichtung aufweist, und wobei das Kurbelgehäuse zumindest eine Zylinderfläche aufweist, welche die erste Beschichtung aufweist. Insbesondere ist die Baugruppe also ein Motor, umfassend den Zylinderkopf und das Kurbelgehäuse, wobei die Laufflächen des Kurbelgehäuses mittels eines thermischen Spritzverfahrens, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, beschichtet sind, und wobei das hierbei erzeugte, überschüssige Beschichtungsmaterial zum Beschichten der Ventilsitze des Zylinderkopfs verwendet wird.
Gemäß einer Ausführungsform liegt eine Dicke der zweiten Beschichtung in einem Bereich von etwa 50-400 µm, insbesondere in einem Bereich von etwa 200-300 um. Die Beschichtung kann, abhängig von der gewünschten Gesamtdicke, in mehreren Schichten von beispielsweise je ca. 50 µm aufgetragen werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Ventilsitz ein Einlassventilsitz und zumindest ein Ventilsitz ein Auslassventilsitz, wobei eine Dicke der ersten Beschichtung und/oder eine Zusammensetzung am Einlass und Auslass unterschiedlich ausgebildet sind. Abhängig von der Verfahrensführung ist es sehr einfach, den unterschiedlichen Anforderungen an die Beschichtung durch eine unterschiedliche Verfahrensführung Rechnung zu tragen. Diese unterschiedliche Verfahrensführung kann sich beispielsweise in einer Anpassung der Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials für das Kaltgasspritzen zeigen bzw. in einer unterschiedlichen Ausgestaltung, beispielsweise hinsichtlich der Dicke der Beschichtung.
Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt:

- Begrenzen einer Oberflächentemperatur beim zweiten Beschichtungsverfahren auf etwa 150 °C.

Da während des Kaltgasspritzens keine hohen thermischen bzw. mechanischen Belastungen an der zu beschichtenden Oberfläche, vorliegend insbesondere am Ventilsitz des Zylinderkopfs, auftreten, muss dieser auch nicht gesondert angepasst oder verstärkt werden. Dadurch können die Kühlkanäle näher an den Brennraum und an das bzw. die Ventile gebracht werden, wodurch eine bessere Kühlung des Motors möglich wird. Zudem kann das Gewicht des Zylinderkopfes verringert werden, da die mechanischen und thermischen Belastungen, auf die er ausgelegt wird, kleiner sind.
Die Erfindung richtet sich auch auf ein Beschichtungsmaterial, hergestellt nach einem erfindungsgemäßen Verfahren, wobei das Beschichtungsmaterial pulverförmig, insbesondere kugelförmig, ist.
Mit Vorteil liegt ein Pulver- bzw. Partikeldurchmesser in einem Bereich von etwa 5 bis 150 µm, besonders bevorzugt in einem Bereich von etwa 20 bis 50 um.
Das Beschichtungsmaterial ist gemäß einer Ausführungsform ein Fe-Basis-Pulver mit einem Fe-Anteil von zumindest 94 %. Weitere Bestandteile sind z. B. C, Si, Mn, Cr, Ni und Cu. Alternativ wird ein Pulver mit einem Fe-Anteil in einem Bereich von zumindest etwa 68 % verwendet, wobei der Cu-Anteil bis zu etwa 14 % beträgt. Weitere Bestandteile sind z.B. C, Co, Mo, Ni, Cr, Mn und S.
Für das Beschichtungsmaterial gelten die im Zusammenhang mit dem Verfahren bzw. mit der Verwendung erwähnten Vorteile analog und entsprechend bzw. umgekehrt und untereinander.
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 19960884 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Beschichten von Bauteilen, insbesondere von Motorbauteilen, umfassend die Schritte: - Herstellen eines Beschichtungsmaterials durch oder beim Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Werkstoffs für ein erstes Beschichtungsverfahren; - Zumindest teilweise Verwenden des Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend den Schritt: - Auf-, Ab- und/oder Anschmelzen eines Drahtwerkstoffs.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das zweite Beschichtungsverfahren Kaltgasspritzen ist
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Beschichtungsverfahren ein thermisches Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Herstellen des Beschichtungsmaterials beim Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens; - Sammeln des Beschichtungsmaterials beim oder nach dem Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in einer sauerstofffreien oder zumindest sauerstoffarmen Umgebung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Durchführen des ersten Beschichtungsverfahrens in einer Absaugkammer; - Absaugen und Speichern des, insbesondere überschüssigen, Beschichtungsmaterials.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend die Schritte: - Bereitstellen eines Zylinderkopfes und eines Kurbelgehäuses; - Beschichten des Kurbelgehäuses im ersten Beschichtungsverfahren; - Beschichten des Zylinderkopfes im zweiten Beschichtungsverfahren.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend den Schritt: - Örtliche und/oder zeitliche Trennung des ersten und zweiten Beschichtungsverfahrens.
Verwendung eines ersten Beschichtungsverfahrens zum Herstellen eines Beschichtungsmaterials für ein zweites Beschichtungsverfahren.
Beschichtungsmaterial, hergestellt durch ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei das Beschichtungsmaterial pulverförmig, insbesondere kugelförmig, ist.
Beschichtungsmaterial nach Anspruch 11, wobei ein Großteil der Teilchen/Partikel einen Durchmesser von 5 bis 150 µm, insbesondere 15-80 µm, aufweist.
Beschichtungsmaterial nach Anspruch 11 oder 12, aufweisend einen Fe-Anteil von zumindest 94 %.
Beschichtungsmaterial nach Anspruch 11 oder 12, aufweisend eine Fe-Anteil von zumindest 68 % und einen Cu- Anteil von bis zu 14 %.