DE19652634C2 - Verfahren zum Innenbeschichten eines metallischer Bauteils, insbesondere eines Bauteils mit einem zylindrischen Hohlraum, eine Vorrichtung zu dessen Durchführung sowie die Verwendung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Innenbeschichten eines metallischen Bauteils - insbesondere eines einen etwa zylindrischen Hohlraum aufweisenden Bauteils - nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Zudem erfaßt die Erfindung eine Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile durch einen Abscheidungsprozess für den Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase zum Durchführen dieses Verfahrens sowie die Verwendung des Verfahrens.

Ein gattungsbildendes Verfahren ist der DE 27 29 286 C2 zu entnehmen; diese beschreibt eine rohrförmige Kathode zur Innenbeschichtung von Rohren - etwa aus Metall -, die unter Einstellen der entsprechenden Prozessbedingungen in der Reaktionskammer während der Zerstäubung durch das Rohr geschoben wird. Auch die DE 28 20 301 B2 offenbart ein Zylindertarget zum Innenbeschichten von Rohren. Dieses Sputtertarget ist hohlzylindrisch ausgebildet und wird von einer Magnetanordnung getragen, die entweder Ankerscheiben aufweist, von denen jeweils zwei mit einem längsmagneti­ sierten Stabmagnet formschlüssig verbunden sind, oder ra­ dialmagnetisierte Zylinder, welche entlang der Längsachse des zu beschichtenden Rohres angeordnet sind; die Magnetanordnung ist mit Kühlbohrungen für eine Wasserküh­ lung versehen.

Nach der US 4,376,025 wird in einer zylindrischen Kathode mit erhöhter Magnetkraft im Auftragsbereich das magnetische Feld durch elektrischen Strom erzeugt, der über einen im rohrförmigen Auftragsbereich vorgesehenen hohlen elektri­ schen Leiter herangeführt wird. Dieses Magnetfeld soll den Beschichtungsvorgang bzw. die Sputtergeschwindigkeit beein­ flussen.

Außer diesem - etwa auch der DE 21 36 532 B2 zu entnehmen­ den - hauptsächlich zum flächigen Auftragen dünner Schich­ ten auf Nitrid-, Oxid- oder Karbid-Basis bzw. zum Abschei­ den von Metallen und/oder Metallegierungen oder deren Ver­ bindungen eingesetzten als (physical vapor deposit) PVD- Verfahren bekannten Abscheidungsprozesse sind auch (chemical vapor deposition) CVD-Verfahren seit längerer Zeit bekannt. Diese CVD-Verfahren werden beispielhaft in der DE 196 07 625 C2 und der WO 93/13243 A1 erörtert.

Bei Abscheidungen aus der Dampfphase werden auch nicht zu beschichtende Nachbarflächen mitbeschichtet, weshalb diese - nicht zu beschichtenden - Flächen sauber abgedeckt werden müssen. Dadurch erhöhen sich die relativ hohen Ver­ fahrenskosten noch weiter.

Nach einem in der WO 89/03 930 A1 erörterten Verfahren wird eine Wärmedämmschicht geringer Dicke in einen Verbrennungs­ raum eines Motors eingebracht. Das Beschichten der Laufflä­ chen - zur Verbesserung der Laufeigenschaften - wird in dieser Schrift nicht behandelt.

Nach US 4,495,907 wird eine Wärmedämmschicht aus Metalloxi­ den in einem Verbrennungsraum eingebracht, die auch für die Lauffläche verwendet zu werden vermag.

Zum Innenbeschichten können thermische Spritzverfahren ein­ gesetzt werden, die aber Probleme hinsichtlich der Schicht­ stärke, des möglichen Beschichtungswerkstoffes, der Dich­ tigkeit der Schicht, ihrer Oberflächenrauhigkeit od. dgl. aufwerfen.

In Kenntnis dieses Standes der Technik soll ein Innenbe­ schichtungsverfahren für Hohlräume, Innenflächen von Büch­ sen oder größeren Bohrungen und insbesondere für Zylinder­ ausnehmungen in Motorblöcken geschaffen werden. Zudem hat sich der Erfinder die Entwicklung einer dafür geeigneten Vorrichtung oder Anlage zum Ziel gesetzt, die bevorzugt für eine Automatisierung geeignet sein soll.

Erfindungsgemäß werden zum Erzeugen einer verschleißbestän­ digen Schicht in dem/den die zu beschichtende Fläche auf­ weisenden Hohlraum/-räumen des Bauteils für das Beschich­ tungsverfahren erforderliche Prozessbedingungen durch Her­ stellen eines Vakuums geschaffen, zudem wird der Hohlraum des Bauteils vor dem Beschichtungsvorgang durch an das Bau­ teil angelegte Verschlusselemente abgedichtet und sein Innenraum entlüftet; der Hohlraum wird so selbst zu einer Vakuumkammer.

Das Bauteil kann auch vor dem Beschichtungsvorgang in einer Vakuumkammer einer Beschichtungsanlage stationär festgelegt und dann der Beschichtung unterzogen werden.

Um eine gleichmäßige Schichtdicke und Güte über die gesamte Beschichtungsfläche zu erzielen, wird bei einer Zylinder­ fläche wenigstens eine Stabkathode in die Zylinderausneh­ mung abgesenkt und der Beschichtungsvorgang bei einem Va­ kuum von etwa 10^-4 mbar und einer Substrattemperatur von < 400°C - vorzugsweise < 250°C - durchgeführt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen gegebenenfalls auch mehrere Schichten auf der Fläche aufgebaut werden, etwa eine TiAl-Schicht mit einer Hartstoffschicht.

Als günstig haben sich eine Gesamtschichtdicke zwischen 0,1 µm und 30 µm, insbesondere 0,5 µm bis 20 µm, sowie eine Rauhigkeit (R_R; R_L; R_Z) der Beschichtung zwischen 0,1 µm und 10 µm - insbesondere 0,3 µm und 6 µm - erwiesen. Dabei soll die Ausgangsrauhigkeit vor dem Beschichten durch den Beschichtungsvorgang um weniger als 10% beeinflusst werden.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine Vorrichtung zum Innenbe­ schichten metallischer Bauteile durch einen Abscheidungs­ prozess für den Beschichtungswerkstoff aus der Dampfphase - - die vor allem zur Durchführung des oben erörterten Ver­ fahrens geeignet sein soll - mit einer Reaktionskammer für den Abscheidevorgang in Form einer Vakuumkammer oder mit mehreren zusammensetzbaren Vakuumkammerteilen sowie mit we­ nigstens einer in dieser/diesen relativ zum Bauteil beweg­ baren Kathode; der Hohlraum des Bauteils selbst wird durch an dieses dicht angefügte Verschlußelemente als Vakuumkam­ mer ausgebildet und in ihr die Kathode bewegbar angeordnet.

Dabei sollen die den Hohlraum abdichtenden Verschlussele­ mente als Verschlussplatten ausgebildet sein, die mit Dichtflächen an Gegenflächen des Bauteils angelegt werden und mit letzterem den Hohlraum luftdicht begrenzen.

Grundsätzlich kann der Hohlraum eine beliebige Gestalt haben, bevorzugt wird aber ein - eine Mittelachse definie­ render - polygoner oder kreisförmiger Querschnitt, insbe­ sondere der erwähnte zylindrische Hohlraum. Die Kathode wird dann in der Hohlraumlängsachse verfahrbar angeordnet.

Ein bevorzugter Einsatz des Verfahrens ergibt sich aufgabengemäß für Zylinderlaufbuchsenflächen in einem Motorblock aus einer Aluminiumlegierung, in dessen Zylinderausnehmungen eine verschleißfeste Schicht aufgebracht wird, ohne dass die vorher durch Honen erzeugte Oberflächengüte verloren ginge - ein Nachbearbeiten ist nicht mehr notwendig.

Die zwischen dem hohlen Bauteil sowie den Verschlussplatten erforderlichen Dichtflächen können Teil eines elastischen Dichtungselementes insbesondere aus Gummi bzw. einer Kautschukmasse oder aber aus einem - temperaturbeständigen - Plastikwerkstoff sein. Jedoch liegen auch Dichtflächen in Form polierter metallischer Oberflächen innerhalb der Erfindung.

Die Verschlusselemente werden von Prozessbeginn mittels einer Andruckeinrichtung auf die Reaktionskammerteile aufgesetzt und letztere damit abgedichtet. Der Andruck kann mechanisch erfolgen oder mittels pneumatischer oder hydraulischer Andruckeinrichtungen.

Dank der Erfindung können nunmehr die eingangs erörterten Probleme des Innenbeschichten durch ein Abscheideverfahren aus der Dampfphase gelöst und die Innenschichten mit einer guten Qualität aufgebracht werden.

Zum Erzielen einer hohen Güte der Laufflächen auf Leicht- oder anderen Substratmetallen ist eine hohe hertz'sche Schwingungsbelastung zu beachten. Dieses Problem - sowie das auftretender innerer Spannungen - kann durch das Auftragen mehrlagiger oder gradierter Schichten gelöst werden.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 eine Teilansicht eines Abschnittes eines Motorblocks mit einer diesem vorgesetzten, teilweise geschnittenen Verschlussplatte;

Fig. 2 eine Teildraufsicht auf den Motorblock;

Fig. 3 eine Skizze zu einer Beschichtungsan­ lage, deren Beschichtungskammer aus dem Motorblock selbst sowie zwei Verschlussplatten gebildet ist;

Fig. 4 eine der Fig. 3 etwa entsprechende Skizze einer anderen Beschichtungsan­ lage mit einer den Motorblock aufneh­ menden Beschichtungskammer;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene Seitenan­ sicht einer weiteren Beschichtungs­ anlage mit einer Beschichtungskammer aus einer Büchse sowie zwei dieser stirnseitig zugeordneten Verschluss­ platten;

Fig. 6 eine schematische Übersicht zu mehreren Verfahrensschritten innerhalb einer Anlage;

Fig. 7 ein Teil der Anlage in Draufsicht.

In einem unteren Abschnitt eines aus einer Aluminiumlegie­ rung geformten Motorblocks 10 ist in Fig. 1 eine Zylin­ derausnehmung 12 zu erkennen, deren Lauffläche 14 aus der Dampfphase beschichtet werden soll. Dazu wird der Innenraum 16 des Motorblocks 10 beidends durch Verschlussplatten 18 geschlossen, die in Verschlussstellung mit Dichtflächen 20 entsprechenden Gegenflächen 20 _a des Motorblocks 10 anliegen.

Die Verschlussplatte 18 der Fig. 1 ist mit einem zentralen Anschluss 22 für eine aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigte Vakuumpumpe sowie mit einem Einlassstutzen 24 für Reaktionsgas ausgestattet.

Einen zur Durchführung der Beschichtung jener Laufflächen 14 vorbereiteten Motorblock 10 verdeutlicht die Skizze der Fig. 3; der durch die beiden Verschlussplatten 18, 18 _a ver­ schlossene Innenraum 16 des Motorblocks 10 wird bei Betä­ tigung der mit den Anschlüssen 22 verbundenen Vakuumpumpe/n zu einer Vakuumkammer 26; ebenfalls sind die Zylinderaus­ nehmungen 12 dank weiterer Anschlüsse 22 _a Teile des Vakuumsystems.

In jeder der Zylinderachsen M hängt in der Vakuumkammer 26 eine Stabkathode 28, die für den Beschichtungsvorgang in die jeweilige Zylinderausnehmung 12 abgesenkt wird, um dort mittels des (physical vapor deposition) PVD-Verfahrens die Beschichtung vorzunehmen.

Der gleiche Beschichtungsvorgang läuft auch in der Be­ schichtungsanlage 30 nach Fig. 4 ab; hier wird der Motor­ block 10 in eine Vakuumkammer 26 _a der Beschichtungsanlage 30 eingeschleust. Nach diesem Einschleusen werden die Stab­ kathoden 28 in die zu beschichtenden Zylinderausnehmungen 12 des mittels Spanneinrichtungen 32 festgelegten Motor­ blocks 10 abgesenkt und deren Laufflächen 14 ebenfalls nach dem PVD-Verfahren beschichtet.

In einer anderen Innenbeschichtungsanlage 30 _a nach Fig. 5 wird eine Zylinderlaufbüchse 40 beschichtet. Hier wird als Beschichtungskammer der Innenraum 42 der Büchse 40 genommen; letzterer sind ebenfalls eine untere Verschlussplatte 18 mit Vakuumanschluss 22 und Gaseinlass 24 sowie eine obere Verschlussplatte 18 _a zugeordnet. Von dieser hängt axial eine Stabkathode 28 in den Innenraum 42. Die über einen Transferarm 44 angelieferte Zylinderbüchse 40 wird in Beschichtungsposition gebracht, und die Verschlussplatten 18 bzw. 18 _a werden über Anpressköpfe 46 bzw. 46 _a einer Robotereinrichtung automatisch geschlossen. Nun kann der Beschichtungsvorgang durchgeführt werden.

Fig. 6 zeigt schematisch eine Anlage 50 zum konti­ nuierlichen Innenbeschichten von Motorblöcken 10 mit zwei jeweils ein Förderband S₂ enthaltenden Spuren S₁, S₂. Im Schritt A ist die Spur S₁ nicht bestückt, in Spur S₂ sind die Verschlussplatte 18 und die als Rezipientendeckel ausgestaltete Gegenplatte 18 _a - mit dem Vakuumanschluss 22 und der Stabkathode 28 - in Abstand zueinander gestellt; sie nehmen in Schritt B der Spur S₁ den Motorblock 10 zwischen sich auf. Im Schritt C wird die Verschlussplatte 18 als Rezipientenboden in den Innenraum 16 des Motorblocks 10 eingefahren und in Schritt D der Rezipientendeckel 18 _a aufgesetzt - der Beschichtungsvorgang wird eingeleitet. In Schritt E wird die freie Spur S₂ mit einem rohen Motorblock 10 bestückt, während in Spur S₁ das Verfahren läuft. Schließlich werden im Schritt F die Rezipiententeile 18, 18 _a vom beschichteten Motorblock 10 _b gelöst und zu einem neuen Motorblock 10 in Spur S₂ gebracht.

Fig. 7 bietet in Draufsicht einen beschichteten Motorblock 10 _b in Spur S₁ und einen rohen Motorblock 10 in Spur S₂ an; das Umschichten dieser Motorblöcke 10, 10 _b kann in einer Mehrzahl von parallelen Spuren erfolgen.

Claims (23)

1. Verfahren zum Innenbeschichten eines metallischen Bau­ teils, insbesondere eines einen etwa zylindrischen Hohlraum aufweisenden Bauteils, mittels eines PVD (physical vapor deposition)-Prozesses unter Einsatz mindestens einer den Beschichtungswerkstoff enthalten­ den Kathode, die relativ zu der zu beschichtenden Fläche, insbesondere etwa in der Achse (52) des zylin­ drischen Hohlraumes, bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum Herstellen einer verschleißbeständigen Schicht, in dem die zu beschichtende Fläche (14) auf­ weisenden Hohlraum (12, 42) des Bauteils (10, 40) für das Beschichtungsverfahren erforderliche Prozessbedin­ gungen durch Herstellen eines Vakuums erzeugt werden sowie der Hohlraum (12, 42) des Bauteils (10, 40) vor dem Beschichtungsvorgang durch an das Bauteil ange­ legte Verschlusselemente abgedichtet und zu einer Vakuumkammer entlüftet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10, 40) vor dem Beschichtungsvorgang in einer Vakuumkammer (26 _a) festgelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Vakuum von etwa 10^-4 mbar.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Substrattemperatur für den Beschichtungsvorgang von unter 400°C, vorzugsweise von unter 250°C.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekenn­ zeichnet durch das Auftragen einer TiAl-Schicht sowie einer Hartstoffschicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekenn­ zeichnet durch das Auftragen einer Schicht mit gra­ diertem Hartstoffanteil.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schichten auf der zu be­ schichtenden Fläche (14) aufgebaut werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Gesamtschichtdicke zwischen 0,1 µm und 30 µm, insbesondere 0,5 µm bis 20 µm, auf­ gebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rauhigkeit der Beschichtung zwischen 0,1 µm und 10 µm eingestellt wird.

10. Vorrichtung zum Innenbeschichten metallischer Bauteile durch einen Abscheidungsprozess für den Be­ schichtungswerkstoff aus der Dampfphase zur Durchfüh­ rung des Verfahrens nach wenigstens einem der Patent­ ansprüche 1 bis 9, mit einer Reaktionskammer (26, 42) für den Abscheidevorgang oder mehreren zusammensetzba­ ren Reaktionskammerteilen sowie mit wenigstens einer in dieser/diesen relativ zum Bauteil (10, 40) bewegba­ ren Kathode (28), wobei der Hohlraum (12, 16, 42) des Bauteils durch an dieses dicht angefügte Verschluss­ elemente (18, 18 _a) als Reaktionskammer ausgebildet und in ihr die Kathode axial bewegbar angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschlusselemente Verschlussplatten (18, 18 _a) mit Dichtflächen (20) an Gegenflächen (20 _a) des Bauteils (10) angelegt sind, welche mit letzterem den Hohlraum (12, 16, 42) dicht begrenzen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Reaktionskammer (26, 26 _a, 42) bzw. die zusammensetzbaren Reaktionskammerteile mit den Verschlusselementen (18, 18 _a) eine Vakuumkammer bil­ det/bilden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekenn­ zeichnet, dass wenigstens eine der Verschlussplatten (18, 18 _a) mit einem Vakuumanschluss (22) ausgestattet ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der als Vakuumkammer dienende Hohlraum (12, 16, 42) querschnittlich polygon ausgebildet ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der als Vakuumkammer dienende Hohlraum (12, 16, 42) querschnittlich kreisförmig, insbesondere als Zylinder, ausgestaltet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da­ durch gekennzeichnet, dass das hohle Bauteil (10, 40) mit den Verschlussplatten (18, 18 _a) einen Rezipienten bildet und die eine Verschlussplatte als Rezipienten­ boden in den Hohlraum (12, 16, 42) einfahrbar angeord­ net ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 16, da­ durch gekennzeichnet, dass eine Verschlussplatte (18 _a) als Rezipientendeckel mit in ihm vorgesehener Stab­ kathode (28) ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (20, 20 _a) Teil eines elastischen Dichtungsteils insbesondere aus Gummi oder aus einer Kautschukmasse hergestellt ist.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (20, 20 _a) Teil eines Dichtungsteils aus einem Plastikwerkstoff hergestellt ist, insbesondere aus einem temperaturbe­ ständigen Kunststoff.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 17, da­ durch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (20, 20 _a) eine polierte metallische Oberfläche ist.

21. Vorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Andruckein­ richtung (46, 46 _a) zum Aufsetzen der Verschlussele­ mente (18, 18 _a) sowie zum Abdichten der Reaktionskam­ merteile aufweist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch eine mechanische Andruckeinrichtung (46, 46 _a), insbe­ sondere eine pneumatische oder hydraulische Andruck­ einrichtung.

23. Verwendung des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder der Vorrichtung nach wenig­ stens einem der Ansprüche 10 bis 22 zum Beschichten der Zylinderausnehmung/en in einem Motorblock.