DE102006010190A1

DE102006010190A1 - Thermisch gespritzte Aluminium/Stahl-Zylinderlaufbuchse

Info

Publication number: DE102006010190A1
Application number: DE102006010190A
Authority: DE
Inventors: Marc-Manuel Matz; Michael Buchmann; Peter Gödel; Jürgen Gillen; Rudolf Mundl
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen, basierend auf einer Aluminium-Matrix, wobei die Zylinderlaufbuchse vollständig durch thermisches Spritzen, insbesondere Lichtbogen-Drahtspritzen, als komplett gespritztes freistehendes Bauteil herstellbar ist und im Wesentlichen aus einer Aluminium-Stahl-Werkstoffmischung bzw. einem Werkstoffverbund besteht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch gespritzte Aluminium/Stahl-Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren und ein Verfahren zur Herstellung der vorgenannten Zylinderlaufbuchsen.
Der Motorblock von Verbrennungskraftmaschinen besteht üblicherweise aus einer Gusseisen- oder Aluminiumlegierung. In dem im Gießverfahren hergestellten Motorblock werden Zylinderlaufbuchsen eingegossen. Als Laufbuchsenwerkstoffe dienen verschleißfeste Metalle oder Metalllegierungen. Die Laufflächen der Buchsen müssen zusätzlich aufwändig spanabhebend bearbeitet werden und gegebenenfalls sind die Laufflächen mit verschleißfesten Beschichtungen versehen. Diese Zylinderlaufbuchsen können auf verschiedene Art und Weisen hergestellt werden.

Im Stand der Technik werden üblicherweise Graugussbuchsen aus einer reinen Aluminium-Zink- oder Nickel-Legierung bei unterschiedlichen Oberflächenrauheiten beschichtet. Die Herstellungen von thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchsen erfolgt aus Stahl- bzw. Aluminium- oder Siliziumlegierungen (vgl. DE 100 19 793 C1 , Federal-Mogul).

Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbuchsen (Silitec^®) oder aus Blocklegierungen (Alusil^®, Lokasil^®) besitzen eine hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Verschleißfähigkeit derartiger Zylinderlaufbuchsen wird durch die vorliegenden, nach dem Honen herausragenden Silizium Partikel bestimmt. Bei Gusswerkstoffen ist verfahrenstechnisch ein Siliziumanteil von maximal etwa 20% erreichbar. Bei sprühkompaktierten Werkstoffen können höhere Siliziumanteile erzielt werden; prozessbedingt führt dies aber zu ansteigenden Bauteilkosten. Aufgrund der hohen mechanischen Belastung bei neuen Motoren mit Benzindirekteinspritzung sind die mechanischen Festigkeitswerte mit konventionellen Aluminium-Silizium-Legierungen allerdings grenzlastig.

In der DE 196 05 946 C1 wird ein Herstellungsverfahren für Zylinderlaufbuchsen offenbart, mit dem eine Zylinderlaufbuchse bei hoher Verschleißfestigkeit einfach und kostengünstig mit optimal dünner Wandstärke hergestellt werden kann und anschließend als eigenständiges Bauteil in einem Motorblock einsetzbar ist. Auf die Außenfläche eines als Formkörper dienenden Dorns wird durch ein thermisches Spritzverfahren eine erste Verschleißschicht und darauf eine Deckschicht aufgebracht und anschließend wird die gebildete Zylinderlaufbuchse vom Dorn abgezogen.

Im Automobilbau werden immer mehr Graugusskurbelgehäuse von Hubkolbenmaschinen durch solche aus Leichtmetallen verdrängt, um das Kraftfahrzeuggesamtgewicht zu verringern und damit die Kraftstoffausnutzung zu verbessern. Zur Herstellung von Kurbelgehäusen aus Leichtmetall bietet sich aus wirtschaftlichen und technischen Gründen zunächst ein Druckgießen von niedrig legiertem Aluminium, beispielsweise AlSi9Cu3, an. Solche Legierungen zeigen im Gegensatz zum im Motorenbau etablierten aber erheblich aufwendigeren atmosphärischen Guss von übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierungen, beispielsweise AlSi₁₇, ein unbefriedigendes Reibungs- und Verschleißverhalten im Kontakt mit Aluminiumkolben und Kolbenringen und sind daher als Reibpartner ungeeignet. Daher kann auch für Leichtmetall-Motoren auf das Eingießen von tribologisch geeigneten Buchsen aus Grauguss oder übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierungen nicht verzichtet werden.

In der DE 197 33 205 A1 wird eine Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine auf Eisen-, Aluminium- oder Magnesium-Basis mit einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung und/oder einem Aluminium/Silizium-Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung offenbart. Die Beschichtung wird hier direkt auf der Innenwand der Zylinderbohrung im Motorblock aufgetragen. Hierzu wird entweder ein um die Mittelachse der Zylinderbohrung rotierender Innenbrenner, der auf einem rotierenden Aggregat aufgebaut ist, in die Zylinderbohrung eingeführt und axial bewegt. Oder es wird der Innenbrenner in die Zylinderbohrung des rotierenden Kurbelgehäuses eingeführt und entlang der Mittelachse der Zylinderbohrung axial bewegt, um die Beschichtung auf die Zylinderwand aufzuspritzen.

Die Herstellung der Beschichtung direkt auf der Wand der Zylinderbohrung benötigt ein kompliziertes Aggregat mit Innenbrenner, das selber innerhalb der Bohrung rotiert, um die Beschichtung gleichmäßig auftragen zu können. Für die zweite Möglichkeit der Beschichtung, bei der der Innenbrenner nicht rotiert, ist es jedoch erforderlich, dass der gesamte Motorblock mit der Zylinderbohrung um den Innenbrenner rotiert. Beide Verfahren sind nur aufwendig und kostenintensiv umzusetzen und durchzuführen. Somit existiert ein Bedarf an einem einfachen Verfahren, um Zylinderlaufbuchsen herzustellen, die in Zylinderbohrungen von Leichtmetall-Motoren einsetzbar bzw. eingießbar sind.

EP 1 148 229 B1 (Federal-Mogul) beschreibt Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungskraftmaschinen aus Leichtmetall, herstellbar durch thermisches Aufspritzen einer Deck- bzw. Anbindeschicht auf die Verschleißschicht. Die Verschleißschicht ist aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung hergestellt und die Deck- bzw. Anbindeschicht besteht aus einer eutektischen oder untereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung.

DE 199 566 22 beschreibt unter Anderem auch die Herstellung von Zylinderlaufbuchsen, die im Bereich ihrer Gleitflächen mit einer auf das Grundmaterial aufgebrachten Beschichtung aus Aluminium-Bronze versehen sind. Die Beschichtung wird als ein- oder mehrlagige Beschichtung im Thermosprühverfahren hergestellt.

US 5,884,388 sowie US 6,200,032 beschreiben Reibkontakte, beispielsweise für Bremsscheiben etc.. Diese Automobil-Zubehörteile bestehen aus einem Grundkörper, der mit einer Aluminium/Stahlbeschichtung versehen ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen, basierend auf einer Aluminium-Matrix, für Leichtmetall-Motoren bereit zu stellen. In diesem Zusammenhang soll die tribologische Belastbarkeit einer Zylinderlaufbuchse, basierend auf einer Aluminium-Matrix, verbessert werden, um das geringe Gewicht und eine hohe Wärmeleitfähigkeit einer verschleißfähigen und reibungsarmen Stahlhartphase ausnutzen zu können. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, Zylinderlaufbuchsen mit einer Aluminium-Matrix zu schaffen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar sind und in Zylinderbohrungen von Leichtmetall-Motoren eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 bzw. durch das Verfahren gemäß Anspruch 7 gelöst.

Die Erfindung betrifft daher eine vollständig mittels thermischem Spritzen, insbesondere mittels Lichtbogen-Drahtspritzen, gespritzte Zylinderlaufbuchse aus einer Aluminium-Stahl-Werkstoffmischung bzw. einem Werkstoffverbund. Mit anderen Worten handelt sich dabei um ein komplett gespritztes freistehendes Bauteil und keine Beschichtung. Im erfindungsgemäß verwendeten thermischen Spritzen, insbesondere im Lichtbogen-Drahtspritzen, werden zwei unterschiedliche Drahtwerkstoffe eingesetzt, nämlich ein Aluminium- bzw. ein Stahldraht.

Der Werkstoffverbund der Zylinderlaufbuchse umfasst daher ein Gemisch, enthaltend etwa 40 bis 80 Volumen-% Aluminium oder eine Aluminium-Legierung und etwa 60 bis 20 Volumen-% einer Stahllegierung. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Werkstoffverbund der Zylinderlaufbuchse 70 Volumen-% Aluminium und 30 Volumen-% Stahl oder in einer alternativen Ausführungsform 60 Volumen-% Aluminium und 40 Volumen-% Stahl.

Durch die Kombination eines Aluminium- und Stahldraht-Werkstoffes lassen sich erfindungsgemäß hochfeste Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoffe abscheiden.

Der Aluminium-Werkstoffdraht kann bevorzugt bis zu 12 Gew.-% Silizium und gegebenenfalls bis zu 4 Gew.-% Kupfer als Legierungsbestandteil enthalten.

Der Stahlwerkstoff ist insbesondere ein kohlenstoffhaltiger Stahl mit 0,1 bis 2,0 Gew.-% Kohlenstoff. Der Stahlwerkstoff bildet nach dem Aufschmelzen und schlagartigen Erstarren martensitische Phasen im Werkstoffverbund.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der oben genannten Zylinderlaufbuchsen durch thermisches Spritzen, insbesondere durch Lichtbogen-Spritzen. Die komplette Zylinderlaufbuchse wird dabei aus einem Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoff hergestellt.

Das prozentuale Verhältnis der vorliegenden Materialphasen kann durch den eingestellten Drahtvorschub variiert werden. Die Materialhärte wird durch die Steigerung des Stahlanteils erhöht und die Wärmeleitfähigkeit kann durch den Aluminiumanteil variabel eingestellt werden.

Durch die Kombination eines Aluminium- und Stahlwerkstoffdrahtes lassen sich erfindungsgemäß hochfeste Aluminiumstahlverbundwerkstoffe mittels Lichtbogendrahtspritzens abscheiden.

Erfindungsgemäß werden jeweils getrennte Werkstoffdrähte aus Aluminium und Stahl eingesetzt. Der Aluminiumdraht enthält einen Siliziumgehalt von 0 bis zu 12 Gew.-%. Der Kupferanteil kann von 0 bis zu 4 Gew.-% betragen. Vorzugsweise besteht der Aluminiumwerkstoffdraht aus Aluminium oder AlSi₁₂/AlSiCu. Im Stahlwerkstoffdraht können 0,1 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff vorliegen.

Durch die Erfindung können somit Zylinderlaufbuchsen für Leichtmetallmotoren geschaffen werden, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach und kostengünstig herstellbar sind. Die erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse ist weiterhin mit optimalen Verschleißfestigkeitswerten und tribologischen Eigenschaften herstellbar.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher dargestellt.
Beispiel
Eine Zylinderlaufbuchse aus einem Aluminium-Stahl-Verbundwerkstoff wird mit einer Lichtbogen-Spritzanlage hergestellt. Hierzu werden zwei unterschiedliche Drahtwerkstoffe (AlSi₁₂ und Stahldraht 0,8) zugeführt, kontaktiert, im Lichtbogen aufgeschmolzen und das Bauteil als freistehendes Bauteil hergestellt. Das Bauteil hat eine Wandstärke von 4 mm. Die Materialhärte liegt bei etwa 220 HB.

Claims

Zylinderlaufbuchse für Verbrennungskraftmaschinen, basierend auf einer Aluminium-Matrix, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse vollständig durch thermisches Spritzen, insbesondere Lichtbogen-Drahtspritzen, als komplett gespritztes freistehendes Bauteil herstellbar ist und im Wesentlichen aus einer Aluminium-Stahl-Werkstoffmischung bzw. einem Werkstoffverbund besteht.
Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Aluminium-Werkstoffdraht und ein zweiter Stahldraht im thermischen Spritzverfahren einsetzbar sind.
Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoffverbund ein Gemisch umfasst, dass etwa 40 bis 80 Volumen-% Aluminium oder einer Aluminium-Legierung und etwa 60 bis 20 Volumen-% Stahl enthält.
Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminium-Werkstoffdraht bis zu 12 Gew.-% Silizium und gegebenenfalls bis zu 4 Gew.-% Kupfer als Legierungsbestandteil enthält.
Zylinderlaufbuchse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoffdraht einen kohlenstoffhaltigen Stahl mit 0,1 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff im Stahlwerkstoff aufweist.
Zylinderlaufbuchse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumwerkstoffdraht Aluminium oder AlSi₁₂/AlSiCu umfasst.
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse vollständig durch thermisches Spritzen, insbesondere Lichtbogen-Drahtspritzen, aus einer Aluminium-Stahl-Werkstoffmischung bzw. einem Werkstoffverbund als komplett gespritztes freistehendes Bauteil hergestellt wird.
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster Aluminium-Werkstoffdraht und ein zweiter Stahldraht im thermischen Spritzverfahren eingesetzt werden.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das prozentuale Verhältnis der vorliegenden Materialphasen durch den eingestellten Drahtvorschub variiert wird.
Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialhärte durch die Steigerung des Stahlanteils erhöht wird und die Wärmeleitfähigkeit durch den Aluminiumanteil variable eingestellt wird.