DE10231231A1

DE10231231A1 - Insitu-Gießen von Beschichtungen

Info

Publication number: DE10231231A1
Application number: DE2002131231
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Pellkofer; Alexander Dr. Sagel; Oliver Dr.-Ing. Storz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2002-07-11
Filing date: 2002-07-11
Publication date: 2004-02-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtungsvorrichtung 1, die zum Beschichten innerhalb eines Hohlkörpers 5 geführt wird, wobei der Hohlkörper 5 fixiert ist. Ein Schichtwerkstoff 6 wird kontinuierlich in einen Spalt zwischen der Innenfläche des Hohlkörpers 5 und Mantelfläche 2.3, 3.3 der Beschichtungsvorrichtung 1 eingebracht, während sich die Beschichtungsvorrichtung 1 bewegt. Vor und hinter dem eingebrachten Schichtwerkstoff 6 sind Kühlungsvorrichtungen 2.4, 3.6 innerhalb der Beschichtungsvorrichtung 1 vorgesehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Beschichtungsvorrichtung für einen Hohlkörper mit einem zu einer Mittelachse symmetrischen Innenquerschnitt. Solche Beschichtungsvorrichtungen weisen eine Beschichtungseinheit mit einem im Wesentlichen konstanten Querschnitt auf. Über eine Düse für einen Schichtwerkstoff wird der Schichtwerkstoff zwischen die Beschichtungseinheit und den Hohlkörper eingebracht.
Es ist bereits eine gattungsgemäße Beschichtungsvorrichtung aus der DE 100 05 943 A1 bekannt. Diese Anlage zur Innenbeschichtung eines rohrförmigen Außenkörpers verarbeitet eine schmelzbare natürliche oder künstliche Beschichtungsmasse. Eine dosierbare Auftragsvorrichtug für die geschmolzene Beschichtungsmasse weist zur Bildung eines endlosen, kontinuierlichen Beschichtungsauftrags ein Formgebungswerkzeug auf. Am Formgebungswerkzeug ist ein ringförmiger Austrittsspalt zur Innenbeschichtung des rohrförmigen Außenkörperspalts vorgesehen. Dem Austrittspalt des Formgebungswerkzeugs ist innerhalb des Außenkörpers eine verstellbare Kalibriervorrichtung nachgeordnet.
Für die Haftung der Innenauftragsschicht auf dem rohrförmigen festen oder flexiblen Außenkörper, der in axialer Richtung an dem schmelzeführenden Werkzeugaustrittspalt vorbei bewegt wird, ist neben der Vorwärmung und exakten Führung des Außenkörpers von besonderer Bedeutung, dass in der Zone des Haftungsübergangs die Innenauftragsschicht mit Druck auf den Außenkörper wirkt, um eine gute Haftung zu erreichen.
Die Kalibriervorrichtung ist manuell oder automatisch über ein geeignetes Hub-Zugsystem im Außendurchmesser verstellbar und damit kann auf den Spalt manuell oder meßwertgesteuert Einfluß genommen werden.
Für die Beschichtung von Außen- oder Hohlkörpern ist zur Erreichung einer im Mikrometerbereich konstant dicken Innenbeschichtung eine genaue Positionierung von Hohlkörper und Beschichtungsvorrichtung notwendig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Beschichtungsvorrichtung zum Beschichten von Hohlkörpern derart auszubilden und anzuordnen, dass das exakte Beschichten von Bohrungen oder Öffnungen in Hohlkörpern mit einer komplexen oder nicht symmetrischen Außenkontur möglich ist.
Gelöst wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass die Beschichtungsvorrichtung mittels eines Antriebs entlang der Mittelachse im Hohlkörper verschiebbar und in Richtung der Mittelachse positionierbar ist. Der Hohlkörper ist fest positioniert und die Beschichtungsvorrichtung bewegt sich über die zu beschichtende Innenoberfläche des Hohlkörpers.
Hierdurch wird erreicht, dass das Beschichten von Bohrungen oder Öffnungen in Bauteilen möglich ist, die eine unsymmetrische äußere Oberfläche aufweisen. Solche Bauteile lassen sich nur bedingt wie Endlosbauteile beschichten. Ferner ist es durch ausschließliches Positionieren der Beschichtungsvorrichtung möglich, eine bestimmte Schichtdicke des Schichtwerkstoffs einzustellen, ohne die Schichtdicke während der Beschichtung zu messen. Jede radiale Abweichung oder Positionsänderung der Beschichtungsvorrichtung hat eine entsprechende Abweichung der Schichtdicke zur Folge.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass die Beschichtungsvorrichtung zumindest einen beheizbaren Vorratsbehälter für den Schichtwerkstoff aufweist bzw. die gesamte Beschichtungsvorrichtung beheizbar ist. Das Beheizen der Beschichtungsvorrichtung ist hinsichtlich der Einstellung der Temperatur des Schichtwerkstoffs vorteilhaft, weil die Verarbeitung des Schichtwerkstoffs direkt nach dem Beheizen erfolgt.
Je nach Außendurchmesser der Beschichtungsvorrichtung und nach Länge des Hohlkörpers ist in Abhängigkeit der Schichtdicke ein entsprechendes Volumen an Schichtwerkstoff im Vorratsbehälter bereitzustellen. In besonderen Fällen kann der Vorratsbehälter während des Beschichtungsvorgangs nachgefüllt werden.
Die Heizvorrichtung, beispielsweise in Form von elektrischen Heizspiralen, ist im Bereich der inneren Mantel- und Bodenfläche des Vorratsbehälters vorgesehen. Der Vorratsbehälter kann zusammen mit der Heizvorrichtung ausgetauscht werden, um ggf. verschiedene Volumina bereitzustellen.
Eine zusätzliche Möglichkeit ist gemäß einer Weiterbildung, dass im Vorratsbehälter mittels eines Gases oder durch einen Druckkolben ein Überdruck einstellbar ist. Zum Fördern des Schichtwerkstoffs kann es entsprechend notwendiger Betriebsparametern, wie beispielsweise dessen Viskosität, von Vorteil sein, den Schichtwerkstoff nicht nur durch die Schwerkraft, sondern zusätzlich mittels Druck zu fördern. Damit ist eine gezielte Beschichtungsgeschwindigkeit einstellbar. Bei Verwendung von oxidierenden Schichtwerkstoffen ist es möglich, den notwendigen Druck durch ein entsprechendes Schutzgas, wie beispielsweise Argon, zu erzeugen, wobei das Schutzgas auch in den Bereichen im Hohlkörper vorhanden ist, die beschichtet werden. Um eine gute Haftung zu erreichen, ist auch die Verwendung von Haftvermittlern ggf. mit einzubeziehen, die während/vor dem (s) Beschichtungsprozess(es) auf das Substrat aufgebracht wird (werden).
Vorteilhaft ist es hierzu auch, dass der Vorratsbehälter mehrere von der Mittelachse nach außen gerichtete Düsen aufweist, die den Vorratsbehälter mit dem Hohlraum des Hohlkörpers verbinden. Einzelne Düsen haben im Gegensatz zu einem Schlitz mit gleichem Austrittsquerschnitt eine größere Oberfläche, über die der Schichtwerkstoff beheizbar ist. Somit kann zur Einleitung eines bestimmten Wärmestroms in den Schichtwerkstoff die Temperatur der Heizvorrichtung niedriger gehalten werden.
Ferner ist es von enormem Vorteil, dass die Beschichtungsvorrichtung in Richtung der Mittelachse in eine erste und in eine zweite Beschichtungseinheit aufgeteilt ist. Die erste Beschichtungseinheit weist einen dem Hohlkörper entsprechenden Querschnitt mit einem ersten Außendurchmesser auf. Die an die erste Beschichtungseinheit anschließende zweite Beschichtungseinheit weist einen gegenüber dem ersten Außendurchmesser kleineren zweiten Außendurchmesser auf. In Bewegungsrichtung der Beschichtungsvorrichtung durchläuft somit zuerst die erste breitere Beschichtungseinheit gefolgt von der schmaleren zweiten Beschichtungseinheit den Hohlkörper. Dadurch wird der Schichtwerkstoff in einem Arbeitsgang in zwei aufeinander folgenden Schichten aufgebracht. Dies ist hinsichtlich der Gefügeeigenschaften und der Haftung am Hohlkörper von Vorteil.
Der vorstehend erläuterte Vorratsbehälter erstreckt sich im Inneren der Beschichtungsvorrichtung entlang der Mittelachse vom Bereich der ersten Beschichtungseinheit bis in den Bereich der zweiten Beschichtungseinheit. Die Düsen zum Einbringen des Schichtwerkstoffs verlaufen durch die Wandung der zweiten Beschichtungseinheit.
Wenn der Hohlkörper einen anders als kreisförmig gestalteten Querschnitt aufweist, dient als Bezugsgröße der maximale Außendurchmesser.
Während der Beschichtung tritt der Schichtwerkstoff durch die Düse in den zwischen der zweiten Beschichtungseinheit und dem Hohlkörper gebildeten Spalt und baut durch Fortbewegen der Beschichtungsvorrichtung kontinuierlich eine Schutzschicht auf. Während des Ausströmens aus der Düse wird der Schichtwerkstoff durch geeignete Wahl des Drucks im Vorratsbehälter auch in den engeren Spalt zwischen der zweiten Beschichtungseinheit und der Innenfläche des Hohlkörpers gedrückt.
In diesem Stadium beginnt der Schichtwerkstoff schon mit dem angrenzenden Hohlkörper zu legieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist schließlich vorgesehen, dass die Mantelfläche der ersten Beschichtungseinheit mittels in der ersten Beschichtungseinheit verlaufender Mantelkühlung kühlbar ist. Die in diesen Bereich vorgedrungene Schmelze kann somit schon etwas abgekühlt werden, bevor die Schutzschicht zur vollen Dicke aufgefüllt wird.
In Richtung der schon abgekühlten Schutzschicht ist für die vorliegende Erfindung von Bedeutung, dass die zur beschichteten Bohrung oder Öffnung hin gerichtete Stirnfläche der zweiten Beschichtungseinheit mittels in der zweiten Beschichtungseinheit verlaufender Stirnkühlung kühlbar ist. Diese Stirnkühlung sorgt dafür, dass die Schmelze in Richtung der beschichteten Bohrung oder Öffnung hin auf der schon erstarrten Schmelze kontinuierlich aufbaut.
Im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Ausbildung und Anordnung ist es von Vorteil, dass die Beschichtungsvorrichtung zumindest teilweise aus Al₂O₃ oder SiN₄ gebildet ist. Diese beispielhaften Werkstoffe zeigen mit dem Schichtwerkstoff keine Interaktion.
Hierzu ist es vorteilhaft, dass der Schichtwerkstoff aus einer Aluminium-, Eisen-, Kupfer- oder Nickel-Basislegierung gebildet ist. Je nach Anwendungsbereich ist eine Kombination dieser Basislegierungen zweckmäßig. Die Basislegierung beträgt zwischen 35 und 98 Vol.-%.
Zur weiteren Verbesserung des Schichtwerkstoffs ist es außerdem vorteilhaft, dass der Schichtwerkstoff Zusätze wie Zinn, Zink, Titan, Magnesium oder Keramikpulver aufweist. Auch diese Zusätze sind, je nach Anwendungsfall, in verschiedenen Mengen von 0,1 bis 10 Vol.-% mischbar.
Ferner ist es vorteilhaft, dass die Spaltbreite bzw. die Schichtdicke des aufgetragenen Schichtwerkstoffs über den gesamten Umfang maximal um 1 μm abweicht. Dieses Maß ist durch die erfindungsgemäße Konstellation von fixiertem Hohlkörper und justierbarer Beschichtungsvorrichtung erreichbar. Hierzu kommen, je nach Anforderung, hydraulische oder mechanische Stelleinrichtungen für die Beschichtungsvorrichtung zum Einsatz.
Dabei zeigt:
1 eine schematische Schnittansicht einer Hälfte einer rotationssymmetrischen Beschichtungsvorrichtung innerhalb eines Hohlkörpers.
Eine erfindungsgemäße Beschichtungsvorrichtung 1 dient zum Auftragen einer Schutzschicht 6.1 in Form eines dünnen Films aus Schichtwerkstoff 6 auf eine Innenfläche eines Hohlkörpers 5. Eine Bewegungsrichtung 7 der Beschichtungsvorrichtung 1 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.
Der Schichtwerkstoff 6 befindet sich in einem Vorratsbehälter 1.2 der Beschichtungsvorrichtung 1. Der Vorratsbehälter 1.2 und die Beschichtungsvorrichtung 1 sind beheizbar, um den Schichtwerkstoff 6 zum Dosieren flüssig zu halten und eine dem Gefüge entsprechende Temperatur des Schichtwerkstoffs 6 einzustellen. Der Vorratsbehälter 1.2 erstreckt sich in Richtung einer Mittelachse 4 von einer ersten Beschichtungseinheit 2.1 nach unten bis in eine zweite Beschichtungseinheit 3.1.
Die erste 2.1 und die zweite Beschichtungseinheit 3.1 unterscheiden sich in ihren Außendurchmessern. Ein erster Außendurchmesser 2.2 der ersten Beschichtungseinheit 2.1 ist größer als ein zweiter Außendurchmesser 3.2 der zweiten Beschichtungseinheit 3.1.
In die zweite Beschichtungseinheit 3.1 sind Düsen 3.4 eingebracht, die den Vorratsbehälter 1.2 hin zum Hohlkörper 5 öffnen. In der Figur ist nur eine Düse 3.4 dargestellt. Durch die Düse 3.4 strömt der Schichtwerkstoff 6 in einen Spalt zwischen der Beschichtungsvorrichtung 1 und dem Hohlkörper 5. Zum Fördern des Schichtwerkstoffs 6 wird im Vorratsbehälter 1.2 mittels eines Gases oder eines Kolbens ein Überdruck erzeugt.
Nach dem Eindringen in den Spalt zwischen Hohlkörper 5 und Beschichtungsvorrichtung 1 fließt der Schichtwerkstoff 6 sowohl in den durch die zweite Beschichtungseinheit 3.1 als auch in den durch die erste Beschichtungseinheit 2.1 gebildeten Spalt.
Die erste Beschichtungseinheit 2.1 weist im Umfangsbereich eine Mantelkühlung 2.4 auf, sodass die erste Beschichtungseinheit 2.1 in diesem Bereich kühler als der flüssige Schichtwerkstoff 6 ist. Der schon in den Spalt zwischen erster Beschichtungseinheit 2.1 und Hohlkörper 5 eingedrungene Schichtwerkstoff 6 erstarrt aufgrund der kühleren Temperatur der Mantelkühlung 2.4 noch nicht. Es findet aber ein Legierungsaustausch zwischen dem Hohlkörper 5 und dem Schichtwerkstoff 6 statt. Die Temperatur einer Mantelfläche 2.3 der ersten Beschichtungseinheit 2.1 liegt je nach Bedarf unterhalb der Erstarrungstemperatur des Schichtwerkstoffs 6.
Erst nach dem Aufbringen der sogenannten zweiten Schicht des Schichtwerkstoffs 6 durch die zweite Beschichtungseinheit 3.1 und den entsprechend breiteren Spalt zwischen Hohlkörper 5 und einer Mantelfläche 3.3, wird der Schichtwerkstoff 6 zum Erstarren gebracht. Hierzu weist die zweite Beschichtungseinheit 3.1 auf einer Stirnfläche 3.5 eine Stirnkühlung 3.6 auf. Der Schichtwerkstoff 6 erstarrt zu der Schutzschicht 6.1 auf der Oberfläche des Hohlkörpers 5. Die übrigen Bereiche der Beschichtungsvorrichtung 1, die nicht gekühlt sind, weisen die gleiche Temperatur wie der flüssige Schichtwerkstoff 6 auf.
Der Spalt zwischen der ersten Beschichtungseinheit 2.1 und dem Hohlkörper 5 ist derart gestaltet, dass der Schichtwerkstoff 6 nur minimal in Richtung der Bewegungsrichtung der Beschichtungsvorrichtung 1 eindringen kann. Entgegen der Bewegungsrichtung 7 sorgt der bereits abgekühlte Schichtwerkstoff 6 für eine Abdichtung, die durch kontinuierliches Bewegen der Beschichtungsvorrichtung 1 ständig nachwächst.
Durch Prozessparameter, wie beispielsweise niedrige Vorschubgeschwindigkeit der Beschichtungsvorrichtung 1, kann erreicht werden, dass der Schichtwerkstoff 6 mit dem Hohlkörper 5 zumindest teilweise legiert. Dadurch wird auch ohne besondere Vorbehandlung der Innenoberfläche des Hohlkörpers 5 die nötige Schichthaftung gewährleistet. In Abhängigkeit der Viskosität der Schmelze kann die Schichtdicke der Schutzschicht zwischen 5 μm und 1 mm betragen. Hierzu wird zwischen der Innenfläche des Hohlkörpers 5 und der Mantelfläche 2.3 der zweiten Beschichtungseinheit 3.1 ein Spalt gebildet, der kleiner als 5 μm ist. Eine entsprechend genaue Positionierung ist nur zu gewährleisten, wenn der Hohlkörper 5 fixiert und nur die Beschichtungsvorrichtung 1 bewegt und positioniert wird. Die Differenz zwischen dem ersten Außendurchmesser 2.2 und dem zweiten Außendurchmesser 3.2 beträgt je nach Außendurchmesser des Hohlkörpers 5, Art der Legierung des Schichtwerkstoffs 6 und Auftragungsgeschwindigkeit zwischen 1 μm und 10 mm.
Durch diese Gestaltung der Beschichtungsvorrichtung 1, im besonderen der zweiten Beschichtungseinheit 3.1, kann die Schutzschicht in situ kalt umgeformt und auf ein gefordertes Maß kalibriert werden. („Kalibrierstempel").

1: Beschichtungsvorrichtung
1.2: Vorratsbehälter
2.1: erste Beschichtungseinheit
2.2: erster Außendurchmesser
2.3: Mantelfläche
2.4: Mantelkühlung
3.1: zweite Beschichtungseinheit
3.2: zweiter Außendurchmesser
3.3: Mantelfläche
3.4: Düse
3.5: Stirnfläche
3.6: Stirnkühlung
4: Mittelachse
5: Hohlkörper
6: Schichtwerkstoff
6.1: Schutzschicht
7: Bewegungsrichtung

Claims

Beschichtungsvorrichtung (1) für einen Hohlkörper (5) mit einem zu einer Mittelachse (4) symmetrischen Innenquerschnitt, wobei die Beschichtungsvorrichtung (1) eine Beschichtungseinheit (3.1) mit einem im Wesentlichen konstanten Außendurchmesser (3.2) und einer Düse (3.4) für einen Schichtwerkstoff (6) aufweist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (1) mittels eines Antriebs entlang der Mittelachse (4) im Hohlkörper (5) verschiebbar und in Richtung der Mittelachse (4) positionierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (1) einen beheizbaren Vorratsbehälter (1.2) für den Schichtwerkstoff (6) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorratsbehälter (1.2) mittels eines Gases und/oder durch einen Druckkolben ein Überdruck einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorratsbehälter (1.2) mindestens eine radial von der Mittelachse (4) nach außen gerichtete Düse (3.4) aufweist, die den Vorratsbehälter (1.2) mit dem Hohlraum des Hohlkörpers (5) verbindet.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (1) eine erste Beschichtungseinheit (2.1) mit einem ersten Außendurchmesser (2.2) und die zweite Beschichtungseinheit (3.1) den vom ersten Außendurchmesser (2.2) unterschiedlichen zweiten Außendurchmesser (3.2) aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Mantelfläche (2.3) der ersten Beschichtungseinheit (2.1) mittels einer in der ersten Beschichtungseinheit (2.1) verlaufenden Mantelkühlung (2.4) kühlbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise eine Stirnfläche (3.5) und/oder eine Mantelfläche der zweiten Beschichtungseinheit (3.1) mittels einer in der zweiten Beschichtungseinheit (3.1) verlaufenden Stirnkühlung (3.6) kühlbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungsvorrichtung (1) zumindest teilweise aus Al₂O₃ oder SiN₄ gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtwerkstoff (6) aus einer Aluminium-, Eisen-, Kupfer- oder Nickel-Basislegierung gebildet ist und die Basis wahlweise aus einem Gemisch dieser Stoffe gebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtwerkstoff (6) Zusätze, wie Zinn, Zink, Titan, Magnesium oder Keramikpulver, aufweist.