[go: up one dir, main page]
More Web Proxy on the site http://driver.im/

EP1161571B1 - Verfahren zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils - Google Patents

Verfahren zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils Download PDF

Info

Publication number
EP1161571B1
EP1161571B1 EP00903632A EP00903632A EP1161571B1 EP 1161571 B1 EP1161571 B1 EP 1161571B1 EP 00903632 A EP00903632 A EP 00903632A EP 00903632 A EP00903632 A EP 00903632A EP 1161571 B1 EP1161571 B1 EP 1161571B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
piston
component
processed
cylinder
crankcase
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Revoked
Application number
EP00903632A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1161571A1 (de
Inventor
Rolf Heinemann
Klaus Färber
Thomas Heider
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Family has litigation
First worldwide family litigation filed litigation Critical https://patents.darts-ip.com/?family=26051948&utm_source=google_patent&utm_medium=platform_link&utm_campaign=public_patent_search&patent=EP1161571(B1) "Global patent litigation dataset” by Darts-ip is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Priority claimed from DE19941564A external-priority patent/DE19941564A1/de
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Publication of EP1161571A1 publication Critical patent/EP1161571A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1161571B1 publication Critical patent/EP1161571B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Revoked legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/02—Pretreatment of the material to be coated, e.g. for coating on selected surface areas
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/01—Selective coating, e.g. pattern coating, without pre-treatment of the material to be coated
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
    • C23C4/18—After-treatment

Definitions

  • the invention relates to a method for processing a surface of a component by means of a plasma jet in a processing zone, according to the preamble of Claim 1.
  • hypoeutectic aluminum-silicon alloys mainly used for cylinder crankcases are unsuitable for the tribological loading of the piston-piston ring-cylinder raceway system due to the low proportion of the wear-resistant silicon phase.
  • Hypereutectic alloys such as the AlSil 7 Cu 4 Mg alloy, have a sufficient proportion of silicon crystallites.
  • This hard, wear-resistant structural component is highlighted by chemical and / or mechanical processing stages compared to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required wing portion.
  • the castability, the poor machinability and the high cost of this alloy are disadvantageous compared to the hypoeutectic and nearutectic alloys.
  • sub- and near-eutectic alloys are made of galvanic Coatings applied directly to the raceways.
  • this is expensive and Insufficiently stable tribochemically.
  • thermal Spray layers which are also applied directly to the tread. The However, the adhesive strength of these layers is due to a sole micromechanical Insufficient brackets.
  • the present invention has for its object an improved method of To provide the above type, which has the aforementioned disadvantages eliminated and rapid production achieved in a short process time.
  • the Particle beam at least partially in the surface of the component to be machined sweeps a predetermined pattern.
  • Thermal spraying by means of flame spraying is expediently Plasma spraying carried out with a plasma jet or HV spraying.
  • the predetermined pattern comprises at least one, in particular two opposite or more spiral-like strokes of the surface to be processed with a predetermined slope with an angle ⁇ of, for example, 1 ° to 90 °.
  • the pattern comprises a linear, angular, crosswise and / or point-like painting of the surface to be processed. If here the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in is a cylinder of a crankcase of an internal combustion engine, then the Appropriately in a predetermined pattern in an area between an upper and lower dead center of the piston.
  • the plasma beam scans the surface of the component to be machined at least partially over the entire surface, in order to to achieve full-surface alloy.
  • the full area sweep is preferred in one Area of the top and / or bottom dead center of the piston is carried out.
  • the full-area sweep is at least at a height carried out, which corresponds to a width of a piston ring packet of the piston, wherein it is particularly preferred that the full sweep across the width of the Piston ring package overhangs by 12% of a piston stroke, for example by approx. 5 mm.
  • the surface of the component is additionally processed with a laser beam, especially remelted.
  • component is made of aluminum and is in particular a Crankcase of a reciprocating internal combustion engine, on its cylinder surfaces of cylinders the coating is carried out.
  • a cooling medium in particular gas, nitrogen or a coolant.
  • a powdery material in particular silicon or a silicon alloy, applied to the material of the component, this
  • the material of the component is preferably aluminum.
  • a wear-resistant surface in particular in the form of a thermal spray coating, on the surface of the component educated. It is particularly advantageous to the machining process Production of the wear-resistant surface post-processing by means of a honing process connect through which the hardened surface is smoothed.
  • the preferred embodiment of a device for Surface processing includes a plasma torch 10 and a laser 12, the Plasma torch 10 a plasma jet 14 with a coating material 16 and the Laser 12 emits a laser beam 18.
  • a component to be machined is not a here crankcase shown with corresponding cylinder bores 19, wherein a surface 20 of a cylinder wall 22 is to be machined.
  • the crankcase is For example, made of aluminum and the surface 20 is used for Form a wear-resistant surface in the area of a cylinder raceway on which a piston, not shown, moves up and down in the cylinder 19.
  • the Coating material 16, for example, powdered silicon, which as fused coating elements by means of the plasma beam 14 on the Surface 20 are applied.
  • the plasma jet 14 sweeps over the Surface 20 by inserting the plasma torch 10 into the cylinder 19 while doing so is rotated about its own axis, as indicated by arrows 24 (Fig. 1) and 25 (Fig. 2).
  • the area on which the plasma beam 14 currently strikes is hereinafter referred to as Processing area or coating zone 26 designated. Done in this area an entry of the coating material 16 into the material of the cylinder wall 22.
  • the laser 12 provided in addition to the plasma torch 10 is arranged such that it hits the surface 20 in the machining direction 25 in front of the plasma jet 14.
  • the energy of the laser 12 is chosen such that at the point of impact of the Laser beam 18 of the material of the cylinder wall 22 melts, so that immediately before the plasma jet 14 strikes, a melt or a melt bath 28 arises.
  • the plasma beam 14 lags behind the laser beam 18 and carries it the coating material 16 contained in the plasma onto the melt 28.
  • the coating material 16 is optimally incorporated into the material of the Cylinder wall 22 alloyed.
  • the distance between laser beam 18 and Plasma beam 14 includes a function of laser power, the desired one Melting depth, the melting length, the reflectance of the material Cylinder wall 22 and the diameter of the cylinder 19.
  • plasma jet 14 does not take place over the entire cylinder running surface over the entire area, but in a predetermined area according to a predetermined Template. 3 to 5 show examples of such patterns for a laser alloy and - order lane 29.
  • a sweep takes place in areas of an upper one Dead center 30 (OT) and a bottom dead center 32 (UT) one not shown Piston over the entire surface and at a height which corresponds to a height 34 of a Piston ring pack corresponds to plus, for example, 5 mm, corresponding to 12% of a stroke of the piston.
  • the Surface 20 helical or spiral with a pitch angle ⁇ 36 of for example 1 ° to 90 °.
  • the surface 20 is swept by two opposite helices.
  • Training also provided three or more coils.
  • the surface 20 is swept linearly, angularly, crosswise or punctiform.
  • the laser 12 is used to detect a silicon portion 16 in an edge layer of an underutectic or nearutectic aluminum alloy Increase cylinder wall 22. This is done in the one-step procedure shown during the laser process with a suitable supply of AlSi powder into the generated one Melt 28 introduced. Depending on the stress, you can Layer thicknesses of over 2 mm can be realized. This will only be a minor one Degree of mixing with the base material is sought.
  • the silicon content in the feed Powder ranges between 20% and 40%. Are considerably less Layer thicknesses with a high degree of mixing are required, powder 16 with Silicon shares between 40% and 60% used. Since the powder particles 16 are to dissolve completely in the melt 28, it is necessary via the Process parameters feed rate and laser power a minimal Ensure melt life. For an inexpensive machining is one suitable beam intensity distribution preferred. Furthermore, melting lenses are possible Rectangular cross-section and therefore little track overlap advantageous.
  • the layer structure consists of the substrate material, one thin alloyed zone with dissolved and partially only melted former powder particles 16 and a relatively thick spray layer.
  • the layer adhesion between spray and Increase alloy layer considerably. This saves an otherwise necessary, complex and expensive preparation of the surface 20 to be coated (cleaning and Blasting) in order to achieve sufficient layer adhesion of a spray layer. there can adhere to the described coating process for the surface of a component connect another honing process to smooth it.
  • An alternative and special preferred embodiment of the invention is thermal spraying and To combine laser surface treatment in such a way that when the entire surface is applied Coating material 16 by means of thermal spraying or with a full surface spray-coated raceway of a cylinder is only a partial tracking of the Lasers or laser beams takes place, the track analogous to that above with respect to Plasma coating explained pattern is formed.
  • the laser runs for this For example, constantly with the spray coating, but only partially switched on so that a desired pattern results.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Coating By Spraying Or Casting (AREA)
  • Pistons, Piston Rings, And Cylinders (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils mittels eines Plasmastrahles in einer Bearbeitungszone, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring-Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z.B. die Legierung AlSil7Cu4Mg besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.
Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z.B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.
Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen der galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.
Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 196 43 029 A1 bekannt. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die so erstellten Beschichtungen der Zylinderlaufbahn zu Porös sind und eine relativ geringe Eindringtiefe aufweisen. In der Folge kommt es zu einer geringeren Anhaftung der aufgebrachten Schicht als wünschenswert ist. Femer sind entsprechende Prozeßzeiten der Oberflächenbearbeitung sehr hoch, so daß sich dementsprechend hohe Fertigungskosten ergeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der obengenannten Art Verfügung zu stellen, welches die zuvor erwähnten Nachteile beseitigt und eine schnelle Fertigung in kurzer Prozeßzeit erzielt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei einem Verfahren der o.g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß der Teilchenstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise in einem vorbestimmten Muster überstreicht.
Dies hat den Vorteil, daß eine Verkürzung einer Prozeßzeit dadurch erzielt wird, daß in beispielsweise weniger belasteten Bereichen eine lediglich partielle Bearbeitung erfolgt.
Zweckmäßigerweise wird das thermische Spritzen mittels Flammspritzen, Plasmaspritzen mit einem Plasmastrahl oder HV-Spritzen durchgeführt.
Beispielsweise umfaßt das vorbestimmte Muster wenigstens eine, insbesondere zwei gegensinnige oder mehr spiralartige Überstreichungen der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer vorbestimmten Steigung mit einem Winkel α von beispielsweise 1° bis 90°. Alternativ oder zusätzlich umfaßt das Muster eine linienförmige, winkelförmige, kreuzweise und/oder punktförmige Überstreichung der zu bearbeitenden Oberfläche. Wenn hierbei die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist, dann erfolgt die Überstreichung zweckmäßigerweise in einem vorbestimmten Muster in einem Bereich zwischen einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens.
In beispielsweise hoch belasteten Bereichen des Bauteiles überstreicht der Plasmastrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise vollflächig, um eine vollflächige Legierung zu erzielen. Ist hierbei die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, dann wird die vollflächige Überstreichung bevorzugt in einem Bereich des oberen und/oder unteren Totpunktes des Kolbens durchgeführt wird. Dabei wird die vollflächige Überstreichung beispielsweise wenigstens in einer Höhe durchgeführt, welche einer Breite eines Kolbenringpaketes des Kolbens entspricht, wobei es besonders bevorzugt ist, daß die vollflächige Überstreichung die Breite des Kolbenringpaketes um 12% eines Kolbenhubes, beispielsweise um ca. 5 mm, überragt.
Dadurch, daß ein Werkstoff des Bauteiles unmittelbar vor dem Ort des Auftreffens, am Ort des Auftreffens und/oder nach dem Ort des Auftreffens des Teilchenstrahles mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird, ergibt sich eine Bearbeitung mit höherer Eindringtiefe, besserem Werkstoffeintrag und besserer Ankopplung eines mit dem Plasmastrahl aufgetragenen Werkstoffes an dem Werkstoff des Bauteils.
Zum weiteren Verbessern von Eigenschaften der aufgebrachten Beschichtung wird nach der Bearbeitung die Oberfläche des Bauteils zusätzlich mit einem Laserstrahl bearbeitet, insbesondere umgeschmolzen.
Zweckmäßigerweise wird mit dem Aufschmelzen des Werkstoffes des Bauteiles in der Beschichtungszone ein Schmelzbad ausgebildet.
Beispielsweise ist Bauteil aus Aluminium gefertigt und ist insbesondere ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Beschichtung durchgeführt wird. Hierbei wird in einer bevorzugten Ausführungsform während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt.
Zum Herstellen einer verschleißfesten Oberfläche wird in besonders bevorzugter Weise mittels des Teilchenstrahles ein pulverförmiger Werkstoff, Insbesondere Silizium oder eine Silizium-Legierung, auf den Werkstoff des Bauteils aufgetragen, wobei dieser Werkstoff des Bauteils bevorzugt Aluminium ist.
Beispielsweise wird mit der Bearbeitung der Oberfläche eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere in Form einer thermischen Spritzschicht, auf der Oberfläche des Bauteiles ausgebildet. Dabei ist es besonders vorteilhaft, an den Bearbeitungsvorgang zur Herstellung der verschleißfesten Oberfläche eine Nachbearbeitung mittels eines Hon-Verfahrens anzuschließen, durch die die gehärtete Oberfläche geglättet wird.
Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in
Fig. 1
eine Vorrichtung zur Bearbeitung eines Bauteils mit einem Plasmastrahl und einem Laserstrahl in schematischer Schnittansicht,
Fig. 2
eine vergrößerte Darstellung einer Bearbeitungszone,
Fig. 3
eine schematische Darstellung einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsmusters,
Fig. 4
eine schematische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bearbeitungsmusters,
Fig. 5
eine schematische Darstellung weiterer bevorzugter Ausführungsformen erfindungsgemäßer Bearbeitungsmuster.
Die in Fig. 1 und 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer Vorrichtung zum Oberflächenbearbeiten umfaßt einen Plasmabrenner 10 und einen Laser 12, wobei der Plasmabrenner 10 einen Plasmastrahl 14 mit einem Beschichtungswerkstoff 16 und der Laser 12 einen Laserstrahl 18 abgibt. Ein zu bearbeitendes Bauteil ist hier ein nicht näher dargestelltes Kurbelgehäuse mit entsprechenden Zylinderbohrungen 19, wobei eine Oberfläche 20 einer Zylinderwand 22 zu bearbeiten ist. Das Kurbelgehäuse ist beispielsweise aus Aluminium gefertigt und die Bearbeitung der Oberfläche 20 dient zum Ausbilden einer verschleißfesten Oberfläche im Bereich einer Zylinderlaufbahn, auf der sich ein nicht dargestellter Kolben im Zylinder 19 auf- und abbewegt. Hierzu weist der Beschichtungswerkstoff 16 beispielsweise pulverförmiges Silizium auf, welches als angeschmolzene Beschichtungselemente mittels des Plasmastrahles 14 auf die Oberfläche 20 aufgetragen werden. Hierzu überstreicht der Plasmastrahl 14 die Oberfläche 20, indem der Plasmabrenner 10 in den Zylinder 19 hinein geführt und dabei um die eigene Achse gedreht wird, wie mit Pfeilen 24 (Fig. 1) und 25 (Fig. 2) angedeutet. Derjenige Bereich, auf den der Plasmastrahl 14 momentan auftrifft, wird nachfolgend als Bearbeitungsbereich oder Beschichtungszone 26 bezeichnet. In diesem Bereich erfolgt ein Eintrag des Beschichtungswerkstoffes 16 in den Werkstoff der Zylinderwand 22.
Der zusätzlich zum Plasmabrenner 10 vorgesehene Laser 12 ist derart angeordnet, daß er in Bearbeitungsrichtung 25 vor dem Plasmastrahl 14 auf die Oberfläche 20 trifft. Hierbei ist die Energie des Lasers 12 derart gewählt, daß am Auftreffpunkt des Laserstrahles 18 der Werkstoff der Zylinderwandung 22 aufschmilzt, so daß unmittelbar vor dem Auftreffen des Plasmastrahles 14 eine Schmelze bzw. ein Schmelzbad 28 entsteht. Mit anderen Worten eilt der Plasmastrahl 14 dem Laserstrahl 18 nach und trägt den im Plasma enthaltenen Beschichtungswerkstoff 16 auf die Schmelze 28 auf. Auf diese Weise wird der Beschichtungswerkstoff 16 in optimaler Weise in den Werkstoff der Zylinderwand 22 einlegiert.
Es wird somit eine Laserbeschichtung und eine Plasmabeschichtung und in einem einzigen Arbeitsschritt gekoppelt ausgeführt. Der Abstand zwischen Laserstrahl 18 und Plasmastrahl 14 ist dabei u.a. eine Funktion der Laserleistung, der gewünschten Anschmelztiefe, der Schmelzlänge, des Reflexionsgrades des Werkstoffes der Zylinderwand 22 und des Durchmessers des Zylinders 19.
Die Überstreichung der Oberfläche 20 mit dem Doppelstrahl aus Laserstrahl 18 und Plasmastrahl 14 erfolgt dabei erfindungsgemäß nicht über die gesamte Zylinderlauffläche vollflächig, sondern in einem vorbestimmten Bereich gemäß einem vorbestimmten Muster. Die Fig. 3 bis 5 zeigen beispielhaft derartige Muster für eine Lasereinlegierungsund -auftragsspur 29.
Wie aus Fig. 3 ersichtlich, erfolgt eine Überstreichung in Bereichen eines oberen Totpunktes 30 (OT) und eines unteren Totpunktes 32 (UT) eines nicht dargestellten Kolbens vollflächig und zwar in einer Höhe, welche einer Höhe 34 eines Kolbenringpaketes entspricht plus beispielsweise 5 mm, entsprechend 12% eines Hubes des Kolbens. In einem Bereich zwischen OT 30 und UT 32 erfolgt die Überstreichung der Oberfläche 20 wendelartig bzw. spiralartig mit einem Steigungswinkel α 36 von beispielsweise 1° bis 90°.
Bei dem Muster gemäß Fig. 4 erfolgt eine Überstreichung der Oberfläche 20 mit zwei gegenläufigen Wendeln. Hierbei sind in einer bevorzugten, nicht dargestellten Weiterbildung auch drei oder mehr Wendeln vorgesehen. Gemäß der Ausführungsform von Fig. 5 erfolgt die Überstreichung der Oberfläche 20 linienförmig, winkelförmig, kreuzweise oder punktförmig.
Die nur teilweise Überstreichung der Oberfläche 20 in weniger belasteten Bereichen stellt einerseits eine ausreichende verschleißfeste Oberfläche der Zylinderlaufbahn sicher und führt andererseits zu verkürzten Prozeßzeiten in der Fertigung und dementsprechend niedrigeren Kosten.
Erfindungsgemäß wird zum einen der Laser 12 benutzt, um einen Siliziumanteil 16 in einer Randschicht einer unter- bzw. naheutektischen Aluminiumlegierung der Zylinderwand 22 zu erhöhen. Dazu wird in dem dargestellten einstufigen Verfahren während des Laserprozesses mit einer geeigneten Zuführung AlSi-Pulver in die erzeugte Schmelze 28 eingebracht. In Abhängigkeit von der Beanspruchung können dabei Schichtdicken von über 2 mm realisiert werden. Hierbei wird ein nur geringer Aufmischungsgrad mit dem Grundwerkstoff angestrebt. Der Siliziumanteil im zugeführten Pulver liegt in einem Bereich zwischen 20% und 40%. Sind erheblich geringere Schichtdicken mit einem hohen Aufmischungsgrad erforderlich, werden Pulver 16 mit Siliziumanteilen zwischen 40% und 60% eingesetzt. Da sich die Pulverteilchen 16 vollständig in der Schmelze 28 auflösen sollen, ist es notwendig über die Verfahrensparameter Vorschubrate und Laserleistung eine minimale Schmelzbadlebensdauer zu gewährleisten. Für eine kostengünstige Bearbeitung ist eine geeignete Strahlintensitätsverteilung bevorzugt. Ferner sind Schmelzlinsen mit möglichst rechteckigem Querschnitt und damit geringer Spurüberlappung vorteilhaft.
Neben dem nach Bedarf vollflächigen Legieren der gesamten Zylinderlaufbahn ist vor allem eine partielle Bearbeitung vorgesehen. Die höher beanspruchten Bereiche des oberen und unteren Kolbenumkehrpunktes (obere Kolbentotpunkt OT 30 bzw. unterer Kolbentotpunkt UT 32) werden vollflächig umgeschmolzen, während in den weniger beanspruchten zwischenliegenden Bereichen nur vereinzelte Laserspuren 29 (z.B. Rautenmuster, vgl. Fig. 3 bis 5) gelegt werden, die dort einen ausreichenden Verschleißschutz gewährleisten. Dieses Vorgehen verkürzt die Prozeßzeiten erheblich, da nur ein geringer Teil der Laufbahnoberfläche bearbeitet werden muß. Sollte eine Laseroberflächenbehandlung der gesamten Laufbahnfläche bzw. des größten Teils notwendig sein, so ist eine Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses notwendig, was beispielsweise mittels Hindurchleiten eines Kühlmediums durch das vorhandene Kühlwassersystem des Kurbelgehäuses erfolgt. Bei nur partieller Bearbeitung ist es ausreichend, die eingebrachte Energie ausschließlich von der Ober- und Unterseite beispielsweise durch Kontakt mit wassergekühlten Kupferplatten abzufahren.
Es wird zusammenfassend eine Kombination des thermischen Spritzens (Plasmaspritzen) und der Laseroberflächenbearbeitung vorgeschlagen. Hierbei wird durch ein Umschmelzen einer vorherig aufgebrachten Spritzschicht die Porösität vermindert sowie bei genügend hoher Einschmelztiefe eine Verbindung mit dem Grundmetall hergestellt. Zweckmäßigerweise wird nur in den höher belasteten Bereichen vollflächig mit dem Laser 12 umgeschmolzen, während in den Restbereichen keine Umschmelzung oder nur eine Umschmelzung in einem musterartigen Bereich, wie beispielsweise Rauten, Schraffur oder Punkte, ausgeführt wird.
Es besteht nicht nur die Möglichkeit, nachträglich eine aufgebrachte Spritzschicht umzuschmelzen. Das direkt in Vorschubrichtung 25 vor der Plasmabeschichtungszone 26 von dem Laser 12 erzeugtes Schmelzbad 28 führt zu einer metallischen Bindung der im festen bzw. flüssigen Zustand auftreffenden Pulverteilchen 16 mit dem Substrat. Bei hohen Vorschubraten besteht der Schichtaufbau aus dem Substratwerkstoff, einer dünnen einlegierten Zone mit aufgelösten und teilweise nur angeschmolzenen ehemaligen Pulverteilchen 16 sowie einer dazu relativ dicken Spritzschicht. Durch diese Zwischenschicht läßt sich aufgrund verbesserter Mikroverzahnung bei entsprechend gewählten Verfahrensparametern die Schichthaftung zwischen Spritz- und Legierungsschicht erheblich steigern. Dies erspart eine sonst notwendige, aufwendige und kostenintensive Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche 20 (Reinigen und Strahlen), um eine ausreichende Schichthaftung einer Spritzschicht zu erzielen. Dabei kann sich an das beschriebene Beschichtungsverfahren zur Oberfläche eines Bauteiles noch ein Hon-Verfahren zu dessen Glättung anschließen.
Die vorgenannte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen. Eine alternative und besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung liegt darin, thermisches Spritzen und Laseroberflächenbehandlung derart zu kombinieren, daß bei vollflächigem Auftragen des Beschichtungswerkstoffes 16 mittels thermischem Spritzen bzw. bei einer vollflächig spritzbeschichteten Laufbahn eines Zylinders eine lediglich partielle Spurlegung des Lasers bzw. Laserstrahles erfolgt, wobei die Spur analog der oben bzgl. der Plasmabeschichtung erläuterten Muster ausgebildet ist. Hierzu läuft der Laser beispielsweise ständig bei der Spritzbeschichtung mit, wird jedoch nur partiell eingeschaltet, so daß sich ein gewünschtes Muster ergibt.

Claims (17)

  1. Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils mit einem durch thermisches Spritzen erzeugten Teilchenstrahl,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Teilchenstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise in einem vorbestimmten Muster überstreicht, wobei das vorbestimmte Muster zumindest teilweise wenigstens eine, insbesondere zwei gegensinnige oder mehr spiralartige Überstreichungen der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer vorbestimmten Steigung umfaßt, wobei ein Werkstoff des Bauteiles unmittelbar vor dem Ort des Auftreffens, am Ort des Auftreffens und/oder nach dem Ort des Auftreffens des Teilchenstrahles mit einem Laserstrahl aufgeschmolzen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das thermische Spritzen mittels Flammspritzen, Plasmaspritzen mit einem Plasmastrahl oder HV-Spritzen durchgeführt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die Steigung einen Winkel α im Bereich von 1° bis 90° umfaßt.
  4. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist und die Überstreichung in einem vorbestimmten Muster in einem Bereich zwischen einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens durchgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Muster eine linienförmige, winkelförmige, kreuzweise und/oder punktförmige Überstreichung der zu bearbeitenden Oberfläche umfaßt.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Plasmastrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise vollflächig überstreicht.
  7. Verfahren nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist und die vollflächige Überstreichung in einem Bereich des oberen und/oder unteren Totpunktes des Kolbens durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die vollflächige Überstreichung wenigstens in einer Höhe durchgeführt wird, welche einer Breite eines Kolbenringpaketes des Kolbens entspricht.
  9. Verfahren nach Anspruch 8,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die vollflächige Überstreichung die Breite des Kolbenringpaketes um 12% eines Kolbenhubes, beispielsweise um ca. 5 mm, überragt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Aufschmelzen mit dem Laserstrahl in einem vorbestimmten Muster erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mit dem Aufschmelzen des Werkstoffes des Bauteiles ein Schmelzbad ausgebildet wird.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Bauteil ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen ist, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindem die Beschichtung durchgeführt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    während der Bearbeitung ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mittels des Teilchenstrahles ein pulverförmiger Werkstoff, insbesondere Silizium oder eine Silizium-Legierung, auf den Werkstoff des Bauteils aufgetragen wird.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Bauteil aus Aluminium gefertigt ist.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    mit der Bearbeitung der Oberfläche eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere in Form einer thermischen Spritzschicht, auf der Oberfläche des Bauteiles ausgebildet wird.
  17. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    sich an den thermischen Spritzvorgang ein Honen der beschichteten Oberfläche anschließt.
EP00903632A 1999-02-19 2000-01-26 Verfahren zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils Revoked EP1161571B1 (de)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19907102 1999-02-19
DE19907102 1999-02-19
DE19941564 1999-09-01
DE19941564A DE19941564A1 (de) 1999-02-19 1999-09-01 Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils
PCT/EP2000/000572 WO2000049195A1 (de) 1999-02-19 2000-01-26 Verfahren zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils

Publications (2)

Publication Number Publication Date
EP1161571A1 EP1161571A1 (de) 2001-12-12
EP1161571B1 true EP1161571B1 (de) 2004-06-16

Family

ID=26051948

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
EP00903632A Revoked EP1161571B1 (de) 1999-02-19 2000-01-26 Verfahren zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP1161571B1 (de)
CN (1) CN1192123C (de)
WO (1) WO2000049195A1 (de)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7458358B2 (en) * 2006-05-10 2008-12-02 Federal Mogul World Wide, Inc. Thermal oxidation protective surface for steel pistons
CN104419883A (zh) * 2013-09-09 2015-03-18 北京赛亿科技股份有限公司 一种内燃机铝活塞燃烧室面等离子束强化处理方法
CN104031280A (zh) * 2014-06-16 2014-09-10 滁州市宏源喷涂有限公司 一种塑料表面硬化的处理工艺

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD242638A1 (de) * 1985-11-18 1987-02-04 Ibr Fuer Entwickl Techn U Rat Verfahren zur haftfestigkeitsverbesserung von metallspritzschichten

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4897283A (en) * 1985-12-20 1990-01-30 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Process of producing aligned permanent magnets
US5079043A (en) * 1990-12-03 1992-01-07 The Perkin-Elmer Corporation Method for spraying a coating on a disk
US5271967A (en) * 1992-08-21 1993-12-21 General Motors Corporation Method and apparatus for application of thermal spray coatings to engine blocks

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD242638A1 (de) * 1985-11-18 1987-02-04 Ibr Fuer Entwickl Techn U Rat Verfahren zur haftfestigkeitsverbesserung von metallspritzschichten

Also Published As

Publication number Publication date
EP1161571A1 (de) 2001-12-12
WO2000049195A1 (de) 2000-08-24
CN1192123C (zh) 2005-03-09
CN1340111A (zh) 2002-03-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1041173B1 (de) Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
EP1157147B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum herstellen von verschleissfesten, tribologischen zylinderlaufflächen
EP1157141B1 (de) Verfahren und vorrichtung zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils
EP1066913B1 (de) Verfahren zur Herstellung einer Klinge eines Schneidwerkzeuges und damit hergestelltes Erzeugnis
DE3506302C2 (de)
EP4063532A1 (de) Grossmotor mit einem zu einer gleitpaarung gehörendes maschinenteil sowie derartiges maschinenteil und verfahren zu dessen herstellung
DE102012007114B3 (de) Verfahren zur Ausbildung einer Beschichtung oder dreidimensionaler Strukturelemente auf Substratoberflächen, die mit TiAl gebildet ist/sind, durch Laserauftragsschweißen
EP1356555B2 (de) Verfahren zur herstellung einer zündkerzenelektrode
DE19643029A1 (de) Verfahren zum Beschichten eines aus einer Aluminium-Legierung bestehenden Bauteils einer Brennkraftmaschine mit Silicium
DE19941564A1 (de) Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils
DE19941563A1 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils
EP1161571B1 (de) Verfahren zum bearbeiten einer oberfläche eines bauteils
DE10124250C2 (de) Verfahren zur Bildung einer hochfesten und verschleißbeständigen Verbundschicht
EP1161569B1 (de) Verfahren und anordnung zum herstellen verschleissfester oberflächen
DE69705671T2 (de) Verfahren zur Verwendung von Kupfer-Basis-Elektroden für das Punktschweissen von Aluminium
EP1127958B1 (de) Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche
DE10064440B4 (de) Verfahren und eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung eines Bauteils
DE10059903B4 (de) Kolben mit Verschleißschutzschicht
DE10009122B4 (de) Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung mittels Laser
DE10163970B4 (de) Verschleißarme Werkstückfläche und Verfahren zu ihrer Herstellung
DE3114701C2 (de) Verfahren zum Auftragschweißen einer Metallschicht auf eine Aluminiumlegierung
WO2001065135A1 (de) Oberflächenlegiertes zylindrisches, teilzylindrisches oder hohlzylindrisches bauteil
DE10041179B4 (de) Vorrichtung und Verfahren zum Bearbeiten einer Innenfläche einer zylinderförmigen Bohrung
DE4409746A1 (de) Verfahren zur lokalen Modifizierung von Werkstoffeigenschaften, insbesondere zum Laserlegieren von Metallteilen zwecks Erhöhung der lokalen Festigkeit und/oder des Verschleißwiderstandes
DE19959378A1 (de) Beschichtungsverfahren für Bauteile aus Magnesiumlegierungen

Legal Events

Date Code Title Description
PUAI Public reference made under article 153(3) epc to a published international application that has entered the european phase

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009012

17P Request for examination filed

Effective date: 20010919

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: A1

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE

17Q First examination report despatched

Effective date: 20020320

GRAP Despatch of communication of intention to grant a patent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR1

GRAS Grant fee paid

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNIGR3

GRAA (expected) grant

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009210

AK Designated contracting states

Kind code of ref document: B1

Designated state(s): DE FR IT

REF Corresponds to:

Ref document number: 50006820

Country of ref document: DE

Date of ref document: 20040722

Kind code of ref document: P

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FG4D

Free format text: GERMAN

REG Reference to a national code

Ref country code: IE

Ref legal event code: FD4D

ET Fr: translation filed
PLAQ Examination of admissibility of opposition: information related to despatch of communication + time limit deleted

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSDOPE2

PLBI Opposition filed

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009260

PLBQ Unpublished change to opponent data

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS OPPO

PLAQ Examination of admissibility of opposition: information related to despatch of communication + time limit deleted

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSDOPE2

PLAR Examination of admissibility of opposition: information related to receipt of reply deleted

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSDOPE4

PLBQ Unpublished change to opponent data

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOS OPPO

PLAB Opposition data, opponent's data or that of the opponent's representative modified

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009299OPPO

PLAX Notice of opposition and request to file observation + time limit sent

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNOBS2

26 Opposition filed

Opponent name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWAN

Effective date: 20050315

R26 Opposition filed (corrected)

Opponent name: FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT ZUR FOERDERUNG DER ANGEWAN

Effective date: 20050315

PLBB Reply of patent proprietor to notice(s) of opposition received

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNOBS3

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: FR

Payment date: 20060104

Year of fee payment: 7

PGFP Annual fee paid to national office [announced via postgrant information from national office to epo]

Ref country code: IT

Payment date: 20060131

Year of fee payment: 7

Ref country code: DE

Payment date: 20060131

Year of fee payment: 7

PLAY Examination report in opposition despatched + time limit

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNORE2

RDAF Communication despatched that patent is revoked

Free format text: ORIGINAL CODE: EPIDOSNREV1

RDAG Patent revoked

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009271

STAA Information on the status of an ep patent application or granted ep patent

Free format text: STATUS: PATENT REVOKED

27W Patent revoked

Effective date: 20070507

PLAB Opposition data, opponent's data or that of the opponent's representative modified

Free format text: ORIGINAL CODE: 0009299OPPO