DE102008039076B3

DE102008039076B3 - Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen und Verwendung des Verfahrens

Info

Publication number: DE102008039076B3
Application number: DE102008039076A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Ing. Lahres; Oliver Dipl.-Ing. Methner (Fh); Peter Stauden
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-02-25
Anticipated expiration: 2028-08-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche (10) eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen, wobei zwischen jeweiligen Enden (4.1, 5.1) einer drahtförmigen ersten Elektrode (4) und einer drahtförmigen zweiten Elektrode (5) ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, wobei die erste Elektrode (4) im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei geschmolzene Partikel der ersten Elektrode (4) mittels eines Zerstäubergases (Z) in Richtung der Oberfläche (10) transportiert und auf der Oberfläche (10) angelagert werden. Als zweite Elektrode (5) wird ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff verwendet, wobei die zweite Elektrode (5) zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (5) zumindest zum Zünden des Lichtbogens einander berührend eingestellt werden, wobei nur geschmolzene Partikel der ersten Elektrode (4) auf der Oberfläche (10) angelagert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen, wobei zwischen einer drahtförmigen Anode und einer drahtförmigen Kathode ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, wobei die Anode im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei geschmolzene Partikel der Anode mittels eines Zerstäubergases in Richtung der Oberfläche transportiert und auf der Oberfläche angelagert werden.
Bei der Herstellung von Verbrennungsmotoren wird aus Gründen der Energieeffizienz und der Emissionsreduzierung eine möglichst geringe Reibung und eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit angestrebt. Hierzu werden Motorbauteile, wie zum Beispiel Zylinderbohrungen, Ventilsitze und Lagersitze mit Schichten versehen, die mittels thermischen Spritzens, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen aufgebracht werden. Üblicherweise wird beim Lichtbogendrahtspritzen zwischen zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Dabei schmelzen die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases auf die zu beschichtende Oberfläche, beispielsweise die Zylinderwand befördert, wo sie sich anlagern.
Neben dem Lichtbogendrahtspritzen mit zwei drahtförmigen Spritzwerkstoffen ist auch so genanntes Eindrahtspritzen gebräuchlich. Aus der US 6,610,959 B2 ist ein Verfahren zur Erzeugung eines engen Strahls flüssiger Tropfen zum thermischen Spritzen bekannt, bei dem eine Zerstäubergasdüse vorgesehen ist, in der eine erste, sich verbrauchende Elektrode positioniert wird. Eine zweite, sich nicht verbrauchende Elektrode wird in der Nähe eines Gasaustritts der Zerstäuberdüse positioniert und ein Lichtbogen zwischen Enden der Elektroden gezündet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mittels Lichtbogendrahtspritzen anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen wird zwischen jeweiligen Enden einer drahtförmigen ersten Elektrode und einer drahtförmigen zweiten Elektrode ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt. Die erste Elektrode wird im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt. Geschmolzene Partikel der ersten Elektrode werden mittels eines Zerstäubergases unter Bildung eines Partikelstrahls in Richtung der Oberfläche transportiert und dort angelagert. Erfindungsgemäß wird als zweite Elektrode ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff verwendet, der jedoch nicht zur Partikelbildung beiträgt, so dass nur geschmolzene Partikel der ersten Elektrode auf der Oberfläche angelagert werden. Die zweite Elektrode wird zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt. Zumindest zum Zünden des Lichtbogens werden die erste Elektrode und die zweite Elektrode einander berührend eingestellt, so dass ein Zünden des Lichtbogens mit einer geringeren Spannung erfolgen kann als mit einer feststehenden zweiten Elektrode. Weiterhin kann auf Zünden mittels einer Hochfrequenzspannung oder unter Zuhilfenahme von Argon zur Ionisierung verzichtet werden, wodurch das Verfahren preisgünstiger wird. Die erste Elektrode kann als eine Anode und die zweite Elektrode als eine Kathode ausgebildet sein. Das Verfahren ermöglicht einen sehr engen Partikelstrahlwinkel mit beispielsweise weniger als 5° verglichen mit Zweidrahtspritzen, bei dem etwa 30° erreicht werden. Dies ermöglicht die homogene und räumlich begrenzte Beschichtung filigraner oder eng begrenzter Flächen in einem stabilen Prozess. Das Verfahren wird insbesondere verwendet, um einen Ventilsitz oder einen Lagersitz, beispielsweise für eine Nockenwelle, eine Kurbelwelle oder einen Zylinderkopflagerdeckel zu beschichten.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen umfasst die Düse mit einem Zerstäubergasaustritt, in dem die drahtförmige erste Elektrode geführt ist. Die drahtförmige zweite Elektrode ist außerhalb der Düse mit einem Ende im Bereich des Zerstäubergasaustritts angeordnet. Der Lichtbogen ist zwischen dem Ende der zweiten Elektrode und dem Ende der ersten Elektrode durch Anlegen einer Spannung erzeugbar. Die erste Elektrode ist durch den Lichtbogen lokal schmelzbar und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar. Das Zerstäubergas ist der Düse so zuführbar, dass die geschmolzenen Partikel der ersten Elektrode durch das aus dem Zerstäubergasaustritt austretende Zerstäubergas in Richtung der Oberfläche transportierbar und auf der Oberfläche abscheidbar sind. Die zweite Elektrode ist als ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff ausgebildet. Die zweite Elektrode ist zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ebenfalls nachführbar. Zumindest zum Zünden des Lichtbogens sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode einander berührend einstellbar.
Vorzugsweise wird die zweite Elektrode kontinuierlich so nachgeführt, dass ein Abstand zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode konstant bleibt. Auf diese Weise wird einem Erlöschen des Lichtbogens vorgebeugt und so ein aufwändiges erneutes Zünden vermieden. Gleichzeitig ist ein besonders homogener Partikelstrahl sichergestellt, ohne dass hierfür eine Drahtvorschubgeschwindigkeit der ersten Elektrode oder ein Gasdruck des Zerstäubergases aufwändig geregelt werden muss.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine zweite Elektrode mit einem Durchmesser verwendet, der geringer ist als ein Durchmesser der ersten Elektrode.
Vorzugsweise wird um den Lichtbogen herum ein Schutzgas so ausgeströmt, dass ein zu beschichtender Bereich der Oberfläche während der Beschichtung eine Schutzgasatmosphäre erhält. Im Bereich des Lichtbogendrahtspritzens wird das Schutzgas auch als Shroud-Gas bezeichnet. Das Schutzgas kann auch dazu dienen, eine Düse, in der die erste Elektrode angeordnet ist, vor Verschmutzung zu schützen. Weiterhin kann das Schutzgas so ausgeströmt werden, dass der Partikelstrahlwinkel eingeengt wird. Beispielsweise wird das Schutzgas hierzu kreisförmig um die Düse herum ausgeströmt.
Als Schutzgas werden vorzugsweise Stickstoff oder Druckluft oder Kohlendioxid oder Argon oder ein Gemisch aus mindestens zweien der vorgenannten Gase verwendet.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird als Zerstäubergas und als Schutzgas das gleiche Gas verwendet. In diesem Fall ist nur eine gemeinsame Zuführung des Gases zur Düse erforderlich. Eine Aufteilung in Schutzgasstrom und Zerstäubergasstrom erfolgt dann erst in der Düse.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen umfasst die Düse mit einem Zerstäubergasaustritt, in dem die drahtförmige erste Elektrode geführt ist. Die drahtförmige zweite Elektrode ist außerhalb der Düse mit einem Ende im Bereich des Zerstäubergasaustritts angeordnet. Der Lichtbogen ist zwischen dem Ende der zweiten Elektrode und dem Ende der ersten Elektrode durch Anlegen einer Spannung erzeugbar. Die erste Elektrode ist durch den Lichtbogen lokal schmelzbar und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar. Das Zerstäubergas ist der Düse so zuführbar, dass die geschmolzenen Partikel der ersten Elektrode durch das aus dem Zerstäubergasaustritt austretende Zerstäubergas in Richtung der Oberfläche transportierbar und auf der Oberfläche abscheidbar sind. Die zweite Elektrode ist als ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff ausgebildet. Die zweite Elektrode ist zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens ebenfalls nachführbar. Zumindest zum Zünden des Lichtbogens sind die erste Elektrode und die zweite Elektrode einander berührend einstellbar.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 einen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen, und
2 Partikelstrahlwinkel von Vorrichtungen zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen im Vergleich Zweidrahtspritzen gegen Eindrahtspritzen.
In 1 ist eine Vorrichtung 1 zum Beschichten einer Oberfläche eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen gezeigt. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Düse 2 mit einem Zerstäubergasaustritt 3. In dem Zerstäubergasaustritt 3 ist eine drahtförmige erste Elektrode 4 geführt. Eine drahtförmige zweite Elektrode 5 ist außerhalb der Düse 2 mit einem Ende 5.1 im Bereich des Zerstäubergasaustritts 3 angeordnet. Zwischen dem Ende 5.1 der zweiten Elektrode 5 und einem Ende 4.1 der ersten Elektrode 4 kann ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt werden. Die erste Elektrode 4 wird durch den Lichtbogen im Bereich ihres Endes 4.1 geschmolzen. Der Düse 2 ist ein Zerstäubergas Z so zuführbar, dass beim Schmelzen der ersten Elektrode 4 entstehende geschmolzene Partikel durch das aus dem Zerstäubergasaustritt 3 austretende Zerstäubergas Z in Richtung der Oberfläche (nicht gezeigt) transportiert und auf der Oberfläche abgeschieden werden. Die erste Elektrode 4 wird zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens und zur kontinuierlichen Zufuhr von Beschichtungsmaterial mittels eines ersten Förderers 7 nachgeführt. Die zweite Elektrode 5 ist als ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff ausgebildet und wird zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens mittels eines zweiten Förderers 8 ebenfalls nachgeführt. Zumindest zum Zünden des Lichtbogens werden die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5 einander berührend eingestellt. Die zweite Elektrode 5 trägt allerdings nicht zur Bildung von Partikeln für die Abscheidung auf der Oberfläche bei.
Die erste Elektrode 4 kann als eine Anode und die zweite Elektrode 5 als eine Kathode ausgebildet sein.
Die zweite Elektrode 5 kann kontinuierlich so nachgeführt werden, dass ein Abstand zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 konstant bleibt.
Bevorzugt weist die zweite Elektrode 5 einen Durchmesser auf, der geringer ist als ein Durchmesser der ersten Elektrode 4. Die erste Elektrode 4 hat beispielsweise einen Standarddurchmesser von 1,6 mm.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist kreisförmig um den Zerstäubergasaustritt 3 ein Schutzgasaustritt 9 vorgesehen, aus dem ein Schutzgas S so ausgeströmt wird, dass ein zu beschichtender Bereich der Oberfläche während der Beschichtung eine Schutzgasatmosphäre erhält. Das Schutzgas S kann auch dazu dienen, die Düse 2 vor Verschmutzung zu schützen. Weiterhin kann das Schutzgas S so ausgeströmt werden, dass ein Partikelstrahlwinkel eingeengt wird.
Als Schutzgas können beispielsweise Stickstoff oder Druckluft oder Kohlendioxid oder Argon oder ein Gemisch aus mindestens zweien der vorgenannten Gase verwendet werden.
Im gezeigten Beispiel wird das gleiche Gas als Zerstäubergas Z und als Schutzgas S verwendet. In diesem Fall ist nur eine gemeinsame Zuführung des Gases zur Düse 2 erforderlich. Eine Aufteilung in Schutzgasstrom und Zerstäubergasstrom erfolgt erst in der Düse 2.
Alternativ können als Schutzgas S und als Zerstäubergas Z unterschiedliche Gase verwendet und entsprechend getrennt der Düse 2 zugeführt werden.
Ein Drahtanstellwinkel α zwischen der ersten Elektrode 4 und der zweiten Elektrode 5 kann, wie gezeigt, kleiner als 90° sein. Ebenso kann ein Drahtanstellwinkel α von 90° gewählt werden.
Das Verfahren ermöglicht einen sehr engen Partikelstrahlwinkel β mit beispielsweise weniger als 5° verglichen mit Zweidrahtspritzen, bei dem ein Partikelstrahlwinkel γ von etwa 30° erreicht wird, wie in 2 dargestellt ist. Die Partikel können so besonders definiert und sparsam auf die zu beschichtende Oberfläche 10 aufgebracht werden.
Das Verfahren und die Vorrichtung 1 werden insbesondere verwendet, um einen Ventilsitz oder einen Lagersitz, beispielsweise für eine Nockenwelle, eine Kurbelwelle oder einen Zylinderkopflagerdeckel zu beschichten.
Die erste Elektrode 4 und die zweite Elektrode 5 werden beispielsweise auf Drahtrollen vorgehalten, von denen sie über den jeweiligen Förderer 7, 8 der Vorrichtung 1 zugeführt werden.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche (10) eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen, wobei zwischen jeweiligen Enden (4.1, 5.1) einer drahtförmigen ersten Elektrode (4) und einer drahtförmigen zweiten Elektrode (5) ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird, wobei die erste Elektrode (4) im Bereich des Lichtbogens geschmolzen und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei geschmolzene Partikel der ersten Elektrode (4) mittels eines Zerstäubergases (Z) in Richtung der Oberfläche (10) transportiert und auf der Oberfläche (10) angelagert werden, dadurch gekennzeichnet, dass als zweite Elektrode (5) ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff verwendet wird, wobei die zweite Elektrode (5) zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachgeführt wird, wobei die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (5) zumindest zum Zünden des Lichtbogens einander berührend eingestellt werden, wobei nur geschmolzene Partikel der ersten Elektrode (4) auf der Oberfläche (10) angelagert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (5) kontinuierlich so nachgeführt wird, dass ein Abstand zwischen der ersten Elektrode (4) und der zweiten Elektrode (5) konstant bleibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Elektrode (5) mit einem Durchmesser verwendet wird, der geringer ist als ein Durchmesser der ersten Elektrode (4).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass um den Lichtbogen herum ein Schutzgas (S) so ausgeströmt wird, dass ein zu beschichtender Bereich der Oberfläche (10) während der Beschichtung eine Schutzgasatmosphäre erhält.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelstrahlwinkel (β) mittels einer Strömung des Schutzgases (S) eingeengt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Schutzgas (S) Stickstoff oder Druckluft oder Kohlendioxid oder Argon oder ein Gemisch aus mindestens zweien der vorgenannten Gase verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass für das Zerstäubergas (Z) und für das Schutzgas (S) das gleiche Gas verwendet wird.
Vorrichtung (1) zum Beschichten einer Oberfläche (10) eines Substrats durch Lichtbogendrahtspritzen, umfassend eine Düse (2) mit einem Zerstäubergasaustritt (3), in dem eine drahtförmige erste Elektrode (4) geführt ist, wobei eine drahtförmige zweite Elektrode (5) außerhalb der Düse (2) mit einem Ende (5.1) im Bereich des Zerstäubergasaustritts (3) angeordnet ist, wobei zwischen dem Ende (5.1) der zweiten Elektrode (5) und einem Ende (4.1) der ersten Elektrode (4) ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugbar ist, wobei die erste Elektrode (4) durch den Lichtbogen lokal schmelzbar und zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar ist, wobei der Düse (2) ein Zerstäubergas (Z) so zuführbar ist, dass geschmolzene Partikel der ersten Elektrode (4) durch das aus dem Zerstäubergasaustritt (3) austretende Zerstäubergas (Z) in Richtung der Oberfläche (10) transportierbar und auf der Oberfläche (10) abscheidbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (5) als ein sich im Lichtbogen verbrauchender Werkstoff ausgebildet ist, wobei die zweite Elektrode (5) zur Aufrechterhaltung des Lichtbogens nachführbar ist, wobei die erste Elektrode (4) und die zweite Elektrode (5) zumindest zum Zünden des Lichtbogens einander berührend einstellbar sind, wobei nur geschmolzene Partikel der ersten Elektrode (4) auf der Oberfläche (10) abscheidbar sind.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (5) einen Durchmesser aufweist, der geringer ist als ein Durchmesser der ersten Elektrode (4).
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass um den Zerstäubergasaustritt (3) herum ein Schutzgas (S) so ausströmbar ist, dass ein zu beschichtender Bereich der Oberfläche (10) während der Beschichtung eine Schutzgasatmosphäre erhält.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Partikelstrahlwinkel (β) mittels einer Strömung des Schutzgases (S) einengbar ist.
Verwendung eines Verfahrens nach einem der Merkmale 1 bis 7 zur Beschichtung eines Ventilsitzes oder eines Lagersitzes.