DE102004043640B4

DE102004043640B4 - Zylinderkopfdichtung für Leichtmetallkurbelgehäuse

Info

Publication number: DE102004043640B4
Application number: DE200410043640
Authority: DE
Inventors: Jochen Dr. Betsch; Dirk Heinrich
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-09-07
Filing date: 2004-09-07
Publication date: 2006-12-14
Anticipated expiration: 2024-09-08
Also published as: DE102004043640A1

Abstract

Motorblock umfassend Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und Zylinderkopfdichtung, wobei das Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder der Leichtmetallzylinderkopf an der Kontaktfläche zur Zylinderkopfdichtung zumindest im Bereich der Dichtungsfunktionslagen zur Härtung eine Beschichtung trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Hartmetall oder durch einen Metall/Keramik-Verbundwerkstoff gebildet ist

Description

Die Erfindung betrifft die Ausgestaltung der Kontaktflächen zwischen Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und Zylinderkopfdichtung eines Motorblocks gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 1, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Abdichtung zwischen Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und einer zwischen diesen angeordneten Zylinderkopfdichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruch 8.

An moderne Kraftfahrzeugmotoren werden zunehmend die Anforderungen eines geringeren Bauraums und des Leichtbaus gestellt. Hierdurch steigen die thermischen und mechanischen Belastungen der Motoren ständig an. Für den Leichtbau werden bevorzugt Kurbelgehäuse und/oder Zylinderköpfe aus Leichtmetalllegierungen hergestellt. Die Steigerung der Motorleistungen bei abnehmendem Bauraum wird unter anderem durch Erhöhung der Zünddrücke erreicht. Die vermehrte Verwendung von Leichtmetalllegierungen, insbesondere Al-Legierungen und neuerdings auch Mg-Legierungen, hat eine verringerte Festigkeit und Steifigkeit der Bauteile zur Folge. Dabei gilt es die immer höher werdenden Zünddrücke durch Weiterentwicklung der Dichtungstechnik konstruktiv zu beherrschen. Zu der bewährten Technologie gehören zumeist mehrlagige Zylinderkopfdichtungen aus Federstählen, wie beispielsweise in der DE 198 08 544 A1 ausgeführt.

Im Vergleich zu den sehr festen Materialien der Zylinderkopfdichtung sind die Leichtmetalle des Zylinderkopfs oder des Kurbelgehäuses relativ weich, insbesondere bei der erhöhten Temperatur des Motorbetriebs. Das Material neigt dabei zum Kriechen, wodurch sich die Dichtung beispielsweise in das Kurbelgehäuse oder den Kopf-Flansch eingraben kann. Die Kriechvorgänge führen auf kürzer oder länger zu nicht erwünschten Undichtigkeiten.

Eine Verringerung der Anpresskräfte der Zylinderkopfdichtung, beispielsweise durch Reduzieren der Vorspannkräfte der Zylinderkopf schrauben kann dabei in der Regel nicht zugelassen werden.

In der DE 3500071 A1 wird eine Verbesserung der Abdichtung vorgeschlagen, indem auf die metallische Zylinderkopfdichtung Elastomerbeschichtungen aufgetragen werden.

Die Beschichtung mit Elastomeren hat den grundsätzlichen Nachteil einer in der Regel unzureichenden thermischen Beständigkeit gekoppelt mit einer zu geringen Chemikalienbeständigkeit bei hohen Temperaturen.

Aus der DE 18 08 027 A1 ist ein Leichtmetall-Zylinderkopf für Reihen der Kolbenkraftmaschine mit Leichtmetallzylindern bekannt, bei der die Dichtfläche jedes Zylinderkopfes eine harte dünne Schicht trägt. Bevorzugt wird ein aus Schwermetall bestehender Ring so in den Zylinderkopfboden eingegossen, dass ein Teil der Oberfläche des Rings die Dichtfläche des Zylinderkopfs bildet.

In der DE 20 00 597 A1 wird ein Leichtmetall-Zylinderkopf für Hubkolbenbrennkraftmaschinen beschrieben, der mit einem Schwermetall-Zylinder dichtend verspannt ist, und die Dichtfläche des Leichtmetall-Zylinderkopfs anodisch hartoxidiert ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung einen Motorblock mit Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf bereitzustellen, mit verbesserter und langfristiger Abdichtung zwischen Kurbelgehäuse und Zylinderkopf bereitzustellen, sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser hochfesten Abdichtung aufzuzeigen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Motorblock, umfassend Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und Zylinderkopfdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie einem Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Abdichtung zwischen Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und einer zwischen diesen angeordneten Zylinderkopfdichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.

In einem ersten Aspekt der Erfindung ist somit eine Abdichtung vorgesehen, bei der das Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder der Leichtmetallzylinderkopf an der Kontaktfläche zur Zylinderkopfdichtung zumindest im Bereich der Dichtungsfunktionslagen zur Härtung eine Beschichtung trägt. Durch die erhöhte Härte der Kontaktfläche, zumindest im Bereich der Dichtungsfunktionslagen, können vergleichsweise hohe Pressungen der Zylinderkopfdichtung eingestellt werden, ohne dass ein störendes Kriechen des Leichtmetallkurbelgehäuses oder -zylinderkopfs beobachtet wird. Durch die erfindungsgemäße Lösung können somit auch bewährte Zylinderkopfdichtungen- bzw. -dichtsysteme ohne Verringerung der Flächenpressungen zum Einsatz kommen. Hieraus resultiert eine wesentliche Verbesserung der Langzeitstabilität der Dichtung.
Bereits durch Beschichtung nur eines der beiden Leichtmetallbauteile lässt sich der Vorteil der Erfindung realisieren. Bevorzugt wird die härtende Beschichtung jedoch auf der Kontaktfläche sowohl des Leichtmetallkurbelgehäuses als auch des Leichtmetallzylinderkopfs vorgenommen.
Erfindungsgemäß ist zumindest die mittels Beschichtung hervorgerufene Härtung der Bereiche der Dichtungsfunktionslagen erforderlich.
Ebenso ist es aber auch möglich, die gesamte Kontaktfläche zwischen Zylinderkopfdichtung und Leichtmetallkurbelgehäuse oder -zylinderkopf mit der härtenden Beschichtung auszustatten. Dies kann unter anderem auch verfahrenstechnische Vorteile bei der Beschichtung mit sich bringen.
Die zur erfindungsgemäßen Härtung führenden Schichten können aus unterschiedlichen Hartstoffen aufgebaut sein. Dabei sind grundsätzlich auch alle metallischen Werkstoffe mit deutlich höherer Härte als die verwendeten Leichtmetalllegierungen zu den geeigneten Hartstoffen zu zählen.
Die Dicke der Beschichtung kann im Bereich einigen μm bis einiger mm liegen. Die erforderliche Härte wird typischerweise bei Schichtdicken im Bereich von 50 μm bis 500μm erreicht. Dickere Schichten sind bevorzugt in Gradientenform ausgebildet, um innerhalb der Schicht unterschiedliche Werkstoffeigenschaften zu nutzen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Beschichtung durch ein Hartmetall gebildet ist. Besonders bevorzugt sind dabei Stähle, Co-, Ni-, Co/Mo- oder Co/Cr-Legierungen.
Es ist offensichtlich, dass die Beschichtungen, je nach Aufbau oder Zusammensetzung der Zylinderkopfdichtung in ihren Eigenschaften angepasst werden können und sich auch auf der Seite des Leichtmetallkurbelgehäuses oder des -zylinderkopfs unterscheiden können.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Beschichtung aus unterschiedlichen Materiallagen aufgebaut. Eine erste Materiallage, die unmittelbar auf dem Substrat angeordnet ist, wird dabei durch eine Haftvermittlungsschicht gebildet. Dabei sind Ni/Al-Legierungen, sowie Ni/Ti-Legierungen gut als Haftvermittler zwischen Al-Druckgusslegierungen und Stählen geeignet.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird die Beschichtung nicht nur durch einen metallischen Werkstoff, sondern durch einen Metall/Keramik-Verbundwerkstoff gebildet. Dieser Werkstoff ist dergestalt, dass keramisches Material in einer Matrix aus Metall eingebettet ist. Durch das eingebettete keramische Material wird die Härte des Metalls wesentlich erhöht. Bevorzugt wird der Metall/Keramik-Verbundwerkstoff durch eine Eisenlegierung und Partikel aus keramischen Hartstoffen gebildet. Zu den Hartstoffen gehören unter anderem Carbide oder Silizide, beispielsweise WC, TiC oder SiC.
Bevorzugt wird die Beschichtung so ausgelegt, dass sie sich für die Verwendung von üblichen Zylinderkopfdichtungen eigenen. Unter den Begriff der Zylinderkopfdichtung fallen erfindungsgemäß auch Systeme aus unterschiedlichen Metalllagen oder Lagen aus unterschiedlichen Werkstoffen.
Bevorzugt ist die Kontaktfläche der Zylinderkopfdichtung zum Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder zum Leichtmetallzylinderkopf zumindest teilweise durch eine Metalllegierung hoher Härte gebildet. In der Regel wird diese Metalllegierung von hoher Härte durch einen Federstahl gebildet.
Besonders bevorzugt ist die Härte der Beschichtung zumindest in den Bereichen der Dichtungsfunktionslagen höher als die der korrespondierenden Bereiche der Zylinderkopfdichtung, so dass die Beschichtung den härtesten Partner des Dichtsystems bildet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder der Leichtmetallzylinderkopf im Bereich der Kontaktflächen zur Zylinderkopfdichtung im Wesentlichen aus einer Al- oder Mg-Legierung gebildet. In der Regel umfassen diese Bauteile, insbesondere im Bereich der Laufbuchse, auch weitere Werkstoffe, die die Reibeigenschaften verbessern oder die Festigkeit erhöhen können. Ebenso können auch Kühlkanäle aus anderen Metallen im Leichtmetall-Gehäuse enthalten, insbesondere eingegossen sein. Dies ist im Prinzip bekannt und wird beispielsweise in der DE 102 33 359 A1 beschrieben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Abdichtung zwischen einem Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder einem Leichtmetallzylinderkopf und einer Zylinderkopfdichtung.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass vor der Montage der Zylinderkopfdichtung auf die Kontaktfläche des Leichtmetallkurbelgehäuses und/oder des Leichtmetallzylinderkopfs zur Zylinderkopfdichtung eine thermische Spritzschicht aus Hartmetall oder Metall/Keramik-Verbundwerkstoff aufgetragen wird.
Durch die Härte der Beschichtung wird sichergestellt, dass das vergleichsweise weiche Material der Al- oder Mg-Legierungen von Kurbelgehäuse und/oder Zylinderkopf im Langzeitbetrieb nicht durch das Material der Zylinderkopfdichtung geschädigt wird. Die erfindungsgemäße Beschichtung kann insbesondere das Kriechen der Leichtmetalllegierungen mit darauf folgendem Eingraben oder Einsenken der Zylinderkopfdichtung verhindern.
Zu den bevorzugten thermischen Spritzverfahren gehört das Plasmaspritzen. Besonders bevorzugt ist das Lichtbogendrahtspritzen (LDS). Dabei ist es von Vorteil, dass die Substratmaterialien beim Abscheidevorgang nur einer geringen thermischen Belastung ausgesetzt sind.
Zur Herstellung von Beschichtungen aus Stählen, Co-, Ni-, Co/Mo- oder Co/Cr-Legierungen wird das Lichtbogendrahtspritzen, auch als Flammdrahtspritzen bekannt, bevorzugt mit zwei Drähten aus demselben Material durchgeführt.
Das LDS-Verfahren zeichnet sich durch hohe Abtragsraten und einfache Prozessführung aus. Darüber hinaus sind durch eine Fülldraht- oder Mehrdraht-Technik auch komplexere Werkstoffsysteme, zugänglich. So können nach dieser Technik beispielsweise die nicht in Drahtmaterial erhältlichen Co/Mo-Hartlegierungen oder Metall/Keramik-Verbundwerkstoffe abgeschieden werden.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die thermische Spritzschicht nicht auf die gesamte Kontaktfläche des Leichtmetallkurbelgehäuses und/oder des Leichtmetallzylinderkopfs aufgetragen, sondern nur auf die Bereiche, welchen eine besondere Dichtfunktion zukommt. Diese selektive Beschichtung der Dichtungsfunktionslagen kann beispielsweise durch bekannte Masken-Technologie erreicht werden.
Es ist nicht ausgeschlossen, dass die Zylinderkopfdichtung selbst ebenfalls eine Beschichtung trägt. Dabei ist insbesondere eine im Vergleich zur erfindungsgemäßen thermischen Spritzschicht auf der Kontaktfläche von Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf weichere Beschichtung von Vorteil.

Claims

Motorblock umfassend Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und Zylinderkopfdichtung, wobei das Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder der Leichtmetallzylinderkopf an der Kontaktfläche zur Zylinderkopfdichtung zumindest im Bereich der Dichtungsfunktionslagen zur Härtung eine Beschichtung trägt, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Hartmetall oder durch einen Metall/Keramik-Verbundwerkstoff gebildet ist
Motorblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Kontaktfläche eine Beschichtung trägt.
Motorblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Hartmetall durch Stahl, Co- oder Ni-Basislegierung oder durch Co/Cr-Legierungen gebildet ist.
Motorblock nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Metall/Keramik-Verbundwerkstoff durch eine Eisenlegierung und Partikel aus keramischen Hartstoffen gebildet ist.
Motorblock nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen der Zylinderkopfdichtung zum Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder zum Leichtmetallzylinderkopf zumindest teilweise durch eine Metalllegierung hoher Härte gebildet sind.
Motorblock nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung der Zylinderkopfdichtung einen Stahlwerkstoff umfasst.
Motorblock nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder der Leichtmetallzylinderkopf zumindest im Bereich der Kontaktflächen zur Zylinderkopfdichtung aus einer Al- oder Mg-Legierung gebildet sind.
Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Abdichtung zwischen Leichtmetallkurbelgehäuse und/oder Leichtmetallzylinderkopf und einer Zylinderkopfdichtung, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Anbringen der Zylinderkopfdichtung auf die Kontaktfläche des Leichtmetallkurbelgehäuses und/oder des Leichtmetallzylinderkopfs zur Zylinderkopfdichtung eine thermische Spritzschicht aus Hartmetall oder Metall/Keramik-Verbundwerkstoff aufgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzschicht mittels Lichtbogendrahtspritzens aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Spritzschicht nur auf die Bereiche der Dichtungsfunktionslagen aufgetragen wird.