覆层方法、热覆层以及具有热覆层的缸与流程

本发明涉及根据对应类属的独立权利要求前序部分的一种覆层方法，其用于对弯曲的表面、尤其是钻孔壁或缸壁的凹形内表面进行覆层，一种热覆层以及一种具有热覆层的缸。

背景技术：

热喷射方法、例如等离子喷射方法或高速喷射方法(hwof)以及相应的热喷射设备、例如等离子喷射设备、所谓的等离子燃烧器一般被用于对在热方面或力学方面高要求的部件进行覆层，其方式是，适当的材料、例如陶瓷或金属合金通过等离子燃烧器中产生的弧光被熔融并借助于气体流动的支持被施布到待覆层的面上。只要待覆层的面可以容易地从外部接近或不具有弯曲的表面，那么该面可以利用常规的热喷射设备来覆层。但是，如果例如要内部覆层钻孔的内壁部或管状的几何结构，那么会出现一定的问题。如果这种几何结构的壁部通过常规的热喷射设备、例如利用等离子喷射设备以关于其纵轴线主要沿轴向发出的等离子射束来覆层，那么这是极其没有效率的，因为仅熔融的覆层材料的微不足道的小的部分被有效地施布到关于等离子喷射设备的纵轴线沿径向布置的壁部上。

该问题在尤其热覆层内燃机缸运转面时的技术应用中出现，其中，相应的覆层通过现有技术中的不同的热喷射方法来施加。其目前尤其、但不仅仅在用于所有形式的机动车、飞机、艇和船的马达中被非常广泛地应用。

在此如今常见的是，为了对缸的凹形内表面进行覆层而使用具有旋转式等离子燃烧器的等离子喷射装置或也可行的是使内胆本身旋转。在这些特殊的等离子喷射装置中，覆层射束要么垂直于等离子燃烧器的旋转轴，要么相对于旋转轴在一特定倾斜角度下从等离子燃烧器中出来，并且例如在压力加载的、经常由稀有气体或氮气那样的惰性气体或还有简单地通过空气所形成的气体流的辅助措施下，为了形成预期的表面层而被抛到柱体形的凹形表面上。在此，覆层方法或者说等离子喷射装置在实践中被证明特别有效，它们使用热的喷射粉末作为用于覆层的原材料。这种旋转式的等离子喷射装置以及相应的等离子喷射方法例如已经在ep0601968a1中公开。最先进的设备、例如oerlikonmetco公司的燃烧器sm-f210已经非常成功地使用了很久并在市场上稳固立足。但是，在旋转式燃烧器中使用喷射线材的解决方案也是已知的，例如在wo2008/037514中示出。

在此，相应的缸运转面通常在热覆层之前通过不同的方法来活化，例如通过金刚砂射束、冷硬铸造射束、高压水射束、各种激光方法或通过另外的本身已知的活化方法。在此最经常的是，衬底由基于al或mg的轻金属性合金制成，但是这种衬底也基于铁或钢被预先处理并接下来被覆层。在此，表面活化尤其保证了以热方式喷置的覆层的更好的附着。

在此，也一定存在特殊的应用示例，在那里有利地表现出多层系统，这些多层系统相继地由不同的覆层材料来喷置，或者这些多层系统虽然由相同材料制成，但在使用不同喷射参数的情况下被喷置，使得被施加的层获得非常特殊的化学的、物理的、拓扑的或另外的特性，这些特性可以例如通过层厚度来改变。

通过这些和很多其他的革新措施，它们对于本领域技术人员现在是公知的，层特性、尤其是还有缸内部覆层的层特性可以迄今为止逐步地总是被进一步改善。

但是在此已显示出的是，不同的运转面材料一定也对利用其来施加覆层的方法提出了不同的要求。

因此已证实的是，例如陶瓷性的层原料、例如申请人的已有的层原料f6399(cr2o3)与金属性层原料、例如xpt512(低合金碳钢)相比在过程技术上加工要求更高。这尤其又造成了经常较低的层施布率和由此所引起的较长的过程时间。

因此，在现有技术中至少针对利用粉末状覆层材料的等离子覆层而言常见的是，燃烧器的旋转被限界到一最大值上，其中，同时也必须相应限界粉末的最大输送率。等离子燃烧器单元的旋转频率的前面提到的限界当然也适用于申请人的rotaplasma^tm单元，其是一种工具操纵器，利用该工具操纵器使aps内燃烧器被置于旋转，以便在缸钻孔的内部施加粉末状材料。在此，旋转频率被限界到大约200u/min不仅适用于rotaplasma^tm单元，而且符合量级地是如下旋转频率的限界，该旋转频率在现有技术中即便在使用另外的利用粉末状材料来工作的旋转式等离子燃烧器时也被维持住。

旋转频率的限界迄今为止被看作是必须的，以便阻止已喷射的层中的太高的、可能导致已喷射的层上的有害裂纹或其他缺陷的内应力。这例如在对内燃机缸内胆进行覆层的情况下会导致致命的后果，这点对于本领域技术人员来说当然是公知的。

在此已显示出的是，该危险在使用陶瓷性覆层原料的情况下不仅存在，而且在特别的程度上存在，并因此导致：当要制造足够品质的覆层时，尤其这种陶瓷性覆层原料仅可以用非常低的输送率进而相关地比较低的等离子燃烧器旋转率来施布。仅该状况就造成，尤其在工业标准上不能足够地在缸内面上经济地制造陶瓷性覆层。

但是，即使将覆层以等离子燃烧器的非常低的旋转率和以相应低的粉末输送率来施布，仍然还会因此产生高的内应力，使得总是产生所施布的层的裂纹或另外的损坏，它们虽然在一定的限度内是可容忍的，但是显然不是希望的，因为即使例如仅很少地表现出的裂纹当然也最终负面地影响了覆层品质。这尤其在用于内燃机的缸覆层的情况下发挥了决定性作用，因为不仅仅是通过立法机构也总是提出关于环境标准和燃料消耗的越来越高的要求，这些要求原则上可以较简单地利用较高品质的覆层来实现。较差品质的覆层当然也会导致运行中的较短的停机时间，因此缩短了维护间隔并总体上导致较小的使用寿命并最终导致配备其的马达的较高的运行成本。

技术实现要素：

因此，本发明的任务是，提供一种等离子覆层方法，其用于对弯曲的表面、尤其是钻孔壁或管壁的凹形内表面、特别是用于内燃机的缸钻孔或缸内胆的运转面的内壁进行覆层，利用该等离子覆层方法避免了由现有技术已知的缺点并尤其是明显改善了等离子覆层借助于粉末状喷射材料的施加，从而使得所产生的层与现有技术相比具有大大减少的内应力，因此具有明显较少的或不再具有裂纹或其他的损坏，并且与此同时覆层可以比由现有技术已知的方法更有效、更快速且更成本低廉地施加。

本发明的解决这些任务的技术方案的特征在于独立权利要求1、12和13的特征。

对应的从属权利要求涉及本发明的特别有利的实施方式。

因此，本发明涉及一种覆层方法，其用于借助于粉末状覆层材料在使用热喷射设备、尤其是等离子喷射设备或hvof喷射设备的情况下对弯曲的表面、尤其是钻孔壁或缸壁的凹形内表面进行覆层。在此，在热喷射设备的燃烧器杆上设置有燃烧器、尤其是等离子燃烧器，用于特别是借助于弧光由粉末状覆层材料来产生覆层射束，并且燃烧器绕燃烧器杆的杆轴线以预先给定的旋转频率进行旋转，其中，覆层射束为了将一覆层施加到弯曲的表面上而至少部分地沿径向从杆轴线离开朝向弯曲表面指向。根据本发明，选择燃烧器的关于燃烧器的基础旋转频率而言更高的旋转频率并且粉末状覆层材料的输送率根据预先给定的模式被这样地改变，使得输送率与燃烧器的更高的旋转频率相适配。

就像开头已经提到的那样，运转面材料、例如申请人的市场上已知的f6399(cr2o3)的特征在于其陶瓷性的材料特性。与金属性层原料、例如xpt512(低合金碳钢)相比，一般陶瓷性原料在过程技术上加工要求更高。这尤其又造成经常较低的层施布率和由此引起的较长过程时间。

尤其地，该问题通过本发明首次被认真地定位并最终被解决。至今，等离子燃烧器、例如rotaplasma^tm单元的最大转速被限界到大致200u/min上，这也限界了粉末状覆层材料的最大输送率。该限界曾经是需要的，如果不想冒险在层中产生高的内应力的话。该危险尤其在陶瓷性原料的情况下存在，并导致：这些陶瓷性原料一般仅能够以非常低的输送率来施布，这使得这种陶瓷性覆层的经济性产生问题。

与本领域技术人员的所有至今的假设相反，通过本发明如今首次认识到，等离子燃烧器的旋转频率的提高，例如提高到800u/min或甚至还要更高，在同时适当地升高粉末状覆层材料在覆层过程中的输送率的情况下可以大幅地改善层特性。因此，本发明的主要认知是：与所有假设相反，等离子燃烧器的旋转频率的提高不是一定会自动导致层特性的劣化，如果粉末状层材料的输送率仅被适当进行适配的话。在此，通过发明人所执行的喷射试验已明确显示出：粉末射束与待覆层表面之间的相对速度的提高(作为更高转速的结果)具有对层品质的正面影响。这点尤其在陶瓷性层的情况下可以观察到。由此当然除了改善的层特性之外也可以大幅地减少覆层时间。用于对缸的缸运转面进行覆层的覆层时间以2至3或甚至还要更高的系数的减少可以利用根据本发明的方法被毫无问题地实现。

此外，根据本发明的覆层尤其在内部覆层的缸的上边缘区域和下边缘区域中比现有技术已知的覆层明显品质更好。就此而言，例如在用于内燃机的缸的缸运转面的情况下总是又在缸的上端部和下端部上所施布的覆层的品质存在问题。因为在热喷射时在这些边缘区域上例如增加了覆层射束中的扰流和/或可能出现另外的负面效应，所以这些边缘区域曾经常常例如在孔隙率、硬度、附着强度等方面具有比缸运转面的进一步在缸内部中的剩余部分明显更差的品质。该缺陷也通过本发明基本上被完全消除，使得利用本发明可以即使在缸的边缘区域上也产生始终相同高品质的覆层。

在针对实践特别优选的实施例中，粉末状覆层材料被这样地用预先给定的输送率朝等离子燃烧器输送并且输送率被这样地适配等离子燃烧器的旋转频率，使得在等离子燃烧器的较大旋转频率时也选择粉末状覆层材料的较高输送率。也就是说，当等离子燃烧器的旋转速度被提高时，优选地同样提高粉末状覆层材料的输送率。由此例如可以尽管通过等离子燃烧器的较短加工时间，即尽管等离子燃烧器的较快旋转而产生就像等离子燃烧器的较小旋转频率下那样的类似或相同的层厚度。较高旋转频率的选择和/或输送率与较高旋转频率的适配可以在开始一覆层批次开始之前进行，即例如在粉末状覆层材料被输入之前，从而使得在一覆层批次期间不需要对旋转频率和/或输送率进行适配。在此情况下，覆层批次可以被理解为施加具有粉末状覆层材料和/或另一粉末状覆层材料的一个或多个分层的层。

在实践中，经常通过待使用的等离子燃烧器、例如rotaplasma^tm单元出于技术原因来限定进而预先给定等离子燃烧器的基础旋转频率以及用于输送粉末状覆层材料的与基础旋转频率相对应的基础输送率。在此，等离子燃烧器的基础旋转频率和与基础旋转频率相对应的基础输送率在实践中非常经常性地不仅与具体使用的等离子燃烧器单元相关地，而且附加地也由所使用的覆层材料或还有与钻孔的几何结构所连带地确定。因此，基础旋转频率和基础输送率对于具体的覆层过程而言可以附加地在很多情况下也根据喷射原料来选择。

基础旋转频率和基础输送率由此与利用其在现有技术中迄今为止符合标准地进行工作的旋转频率和输送率没有不同。

在实践中，旋转频率大多被选择得比基础旋转频率大出根据n＝fmnxn0预先给定的旋转系数，以便达到更好的覆层和更短的覆层时间，其中，特别优选地同时将输送率选择得比基础输送率大出根据f＝fmfxf0预先给定的输送系数。

尤其地，当尽管等离子燃烧器旋转较快而仍应当实现覆层的不被改变的层厚度时，于是可以选择与旋转系数相同的输送系数。在此，本领域技术人员理解的是，覆层的层厚度通过根据fv＝fmn/fmf适当选择系数比例来确定，层厚度、但是还有覆层的其他层特性、尤其是硬度、微硬度、孔隙率、屈服极限、弹性、附着强度或覆层的其他层特性可以通过适当选择旋转系数和/或通过适当选择输送系数、尤其是通过根据fv＝fmn/fmf适当选择系数比例按照要求来确定。系数关系fv可以处在0.5≤fv≤10的范围内，优选处在0.75≤fv≤8的范围内，特别优选处在1≤fv≤4的范围内。系数比例fv但是也可以为fv＝4或fv＝3或fv＝2或fv＝1。

在实践中，粉末等离子燃烧器的提高的旋转频率例如被理解为大于200u/min、优选大于400u/min或大于600u/min、特别是等于或大于800u/min的旋转频率。提高的输送率例如被理解为大于25g/min、优选大于50g/min或大于50g/min、特别是等于或大于100g/min的输送率。前面提到的提高的旋转频率和输送率尤其对于型号rotaplasma^tm的等离子燃烧器单元是典型的。但是，对于其他粉末等离子燃烧器单元来说可以完全通用的去理解，因为技术上有意义的施布率主要通过衬底的特性和所使用的喷射材料、尤其是陶瓷性或金属性或非陶瓷性的喷射材料来确定并次要地才与旋转式等离子燃烧器的特定型号相关。

尤其在对针对内燃机缸的缸运转面进行覆层时，作为覆层材料优选使用陶瓷性覆层材料、尤其是tio2或cr2o3，和/或其中，作为覆层材料但是也使用金属性覆层材料、尤其是低合金钢、特别是fe-1.4cr-1.4mn1.2c或另一覆层材料。

在此，视需要或应用而定也可以以本身已知的方式以多层的覆层形式来施布根据本发明的覆层，该覆层可以由相同或不同的覆层材料组成，其中，多层的覆层然后可以具有相同或不同的层特性、尤其是硬度、微硬度、孔隙率、屈服极限、弹性或附着强度。

本发明此外涉及一种热覆层，其按照根据本发明的覆层方法被施加在缸壁的内表面、尤其是内燃机缸的缸运转面上，以及涉及一种用于内燃机的缸，其具有借助于根据本发明的覆层方法所施加的热覆层。

附图说明

下面根据附图来详细阐释本发明。在示意图中示出：

图1示意性以缸运转面的例子示出了根据本发明的覆层方法的实施例；

图2示出了用于阐释旋转频率和输送率之间的相互关系的示意曲线图；

图3a示出了穿过由tio2在200u/min下喷射制成的覆层的截面的绘制图；

图3b示出了穿过由tio2在400u/min下喷射制成的覆层的截面的绘制图；

图3c示出了穿过由tio2在600u/min下喷射制成的覆层的截面的绘制图；

图3d示出了穿过由tio2在800u/min下喷射制成的覆层的截面的绘制图。

具体实施方式

下面示例性根据等离子喷射方法来阐释本发明。本身显而易见的是，本发明不被限制到等离子喷射方法上，而是可以以任何适当的热喷射方法、例如以hvof方法来执行。

图1以示意图以对轿车pkw马达的缸的缸运转面进行覆层的示例示出了根据本发明的方法的简单实施例的执行。

在根据图1示出的根据本发明的方法中，直接将一覆层8施加到弯曲的表面1上，该表面在这里是轿车的缸的凹形缸运转面。

以本身已知的方式，在等离子喷射设备4的燃烧器杆5上根据图1设置了等离子燃烧器6，其用于借助于弧光由粉末状覆层材料3来产生覆层射束7，其中，离子燃烧器6为了对弯曲的表面1进行覆层而绕燃烧器杆5的杆轴线a可旋转地布置。在图1的特别示例中，燃烧器杆3在此以旋转频率n进行旋转，就像通过箭头n简示的那样。在此，覆层射束7为了将覆层8施加到弯曲的表面1上，即这里施加到缸的缸运转面上，基本上沿径向从杆轴线a离开地朝向弯曲的表面1指向，从而使得表面1尽可能有效地以覆层材料3加载。在此，关于等离子燃烧器6的基础旋转频率n0(见图2)而言选择等离子燃烧器6的更高的旋转频率n并且粉末状覆层材料3的输送率f根据图1中未示出的预先给定的模式被改变，使得输送率f适当地适配等离子燃烧器6的更高的旋转频率n。等离子燃烧器6的基础旋转频率在此在图1中使用的特殊的等离子喷射设备4的情况下大致为200u/min，该等离子喷射设备在这里例如包括rotaplasma^tm单元。

特别地，在根据图1的方法中，粉末状覆层材料3以如下方式用预先给定的输送率f向等离子燃烧器6输送并且输送率f这样地适配等离子燃烧器6的旋转频率n，使得与等离子燃烧器6的大于其基础旋转频率n0的旋转频率n匹配地也选择粉末状覆层材料3的较高的输送率f。也就是说，输送率f高于基础输送率f0。

根据图2图解了用于阐释旋转频率n和输送率f之间的相互关系的示意曲线图。在竖直的纵坐标轴上标记输送率f并在水平的横坐标上标记旋转频率n。所画入的曲线示出了一特别示例，就像在给出的等离子喷射设备4和待使用的粉末状覆层材料3的情况下可以适当被选择的参数对(输送率f/旋转频率n)那样。在此，所画入的坐标(f0/n0)相应于就像迄今为止现有技术中所使用那样的参数对，而该参数(fmfxf0/fmnxn0)相应于如下的特别的参数对(f1/n1)，在就像例如图1中描述的根据本发明的喷射方法中利用该特别的参数对来覆层。

在此显而易见的是，图2中的曲线走向要纯示例性地去理解。非常常见的是，根据图2的曲线在实践中例如是直线，从而使得旋转频率n和输送率f总是以相同的系数被改变，使得即使在旋转频率n不同的情况下也总是实现覆层8的相同层厚度d。

显然原则上也可行的是，选择这样的参数对(n/f)，该参数对处在根据图2的曲线的上方或下方。由此例如可以实现：在另一旋转频率f下实现小的或较大的层厚度d和/或通过适当选择旋转系数fmn和/或通过适当选择输送系数fmf、尤其是通过根据fv＝fmn/fmf来适当选择系数比例fv来确定覆层8的其他参数、例如覆层8的尤其是硬度、微硬度、屈服极限、弹性、附着强度或其他层特性。

图3a至3d最后分别示出了穿过由tio2制成的四个覆层的截面的绘制图，这些覆层分别在不同的旋转频率n和相应被适配的不同的输送率f的情况下被喷射。

图3a示出了覆层8，该覆层利用来自现有技术的方法在使用rotaplasma^tm等离子喷射设备4的情况下被喷射到缸壁2上。在这里选择常规的参数，其具有n＝200u/min的旋转频率和f＝25g/min的输送率。就像明显可以看到的那样，覆层8具有细的裂纹r，该裂纹迄今为止被看作可容忍的，但是原则上被看作不希望的。除了裂纹r，在图3a至3d的所有覆层中也可以看到细的孔p，这些孔的大多是希望的或甚至有目的地以预先给定的孔隙率来置入。

根据图3b的覆层8利用n＝400u/min的相比于根据图3a的现有技术的双倍旋转频率和f＝50g/min的双倍输送率来喷射。就像明显可以看到的那样，裂纹r在覆层8中的形成已被减少。该覆层的品质由此已经被明显改善。

根据图3c的覆层8利用n＝600u/min的相比于根据图3a的现有技术的三倍旋转频率和f＝75g/min的三倍输送率来喷射。在这里实际上在覆层8中不再能够找到裂纹r。该覆层的品质由此被更进一步地改善。

根据图3d的覆层8最后相比于根据图3a的现有技术利用n＝800u/min的四倍旋转频率和f＝100g/min的四倍输送率来喷射。在这里在覆层8中完全不再能够找到裂纹r。该覆层的品质由此更进一步被改善并可以看作对于实践是理想的。

显而易见，本发明不被限制到所描述的实施例上，并尤其地所示实施例的所有适当的组合也由本发明所包括。