DE102006016524B3

DE102006016524B3 - Zylinderlaufbuchse und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006016524B3
Application number: DE200610016524
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Scherer; Michael Buchmann; Peter Gödel
Original assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Current assignee: Federal Mogul Burscheid GmbH
Priority date: 2006-04-07
Filing date: 2006-04-07
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-04-08

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, die dadurch gekennzeichnet ist, dass ihre Stirnflächen eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen, wobei die Stirnflächen zur Entfernung von Verschmutzungen bzw. Oxiden oberflächenbehandelt worden sind, um eine aktivierte und gereinigte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von Ra>2 mum herzustellen, und dass auf die Stirnflächen eine Beschichtung aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere einer Al/Li-Legierung aufgetragen worden ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Zylinderlaufbuchsen aus Gusswerkstoffen, wie z. B. Grauguss, Stahl oder Leichtmetall, wie z. B. Aluminium oder einer Leichtmetalllegierung, wie z. B. eine Al/Si-Legierung, insbesondere mit einem Si-Anteil von 0,1 bis 13 Gew.-%, die im Allgemeinen für Zylindergehäuse aus Leichtmetall bestimmt sind und die in einem Leichtmetall-Gießprozess in das Zylindergehäuse integriert werden.
Die Stirnflächen der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchsen erhalten durch Texturierung bzw. Aufrauung eine Strukturierung ihrer Oberfläche, wodurch das Anbindeverhalten zum Zylinderblockmaterial durch Formschluss verbessert wird. Durch die aufgebrachte Beschichtung auf der Stirnfläche wird eine stoffschlüssige Anbindung zwischen Buchsen-Schichtwerkstoff und Umguss-Material erzielt.
Zylinderlaufbuchsen aus Gusswerkstoffen, Stahl oder Leichtmetall wie z. B. Aluminium, im Allgemeinen bestimmt für Zylindergehäuse aus Leichtmetall, werden in einem Leichtmetall-Gießprozess in das Zylindergehäuse integriert. Die Zylinderlaufbuchse hat die Aufgabe, den Verschleiß zwischen Kolbenringen und Zylinderwand zu minimieren, die Verbrennungswärme abzuleiten und die mechanische Stabilität des Systems im Betrieb zu verbessern. Beim Gießen der Zylinderkurbelgehäuse, d.h. beim Druckguss oder Schwerkraftguss, können dabei am Übergang der Stirnflächen der Zylinderlaufbuchse zum umgebenden Leichtmetall des Zylindergehäuses Ablösungen oder Delaminationen zwischen Umgussmaterial und Zylinderlaufbuchse entstehen, entweder direkt nach dem Gießprozess oder auch erst im motorischen Betrieb.
Die technische Aufgabe ist es daher, durch Gestaltung der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse die Anbindung zwischen dem Grundmaterial der Zylinderlaufbuchse und dem umgebenden Leichtmetall des Zylindergehäuses, beispielsweise bei übergossenen Zylinderlaufbuchsen, grundlegend zu verbessern.
Allseitig oder nur teilweise durch spanabhebende Verfahren bearbeitete Zylinderlaufbuchsen werden zum Eingießen in einen Zylinderblock verwendet. Die Stirnflächen sind in einem Zustand, wie ihn die spanabhebende Bearbeitung hinterlässt, in der Regel glatt gedreht oder gefräst.
Zur Verbesserung der Anbindung zwischen Außenmantelfläche der Zylinderlaufbuchse und dem umgebenden Leichtmetall wird diese entweder gar nicht spanabhebend bearbeitet (as-cast/Spiny) oder über einen thermischen Spritzprozess beschichtet ("Hybrid-Liner").
Moderne Zylinderlaufbuchsen werden aus Kostenreduktionsgründen und der Flexibilität ihres Eigenschaftsprofils durch thermische Spritzverfahren als reibungsreduzierende Schicht auf den Grundwerkstoff aufgetragen. In der Regel werden hier die konventionellen Plasma- oder Flammspritzverfahren eingesetzt.

Die Druckschrift JP 2004-84622 A offenbart eine Laufbuchse aus einem auf Aluminium basierenden Verbundmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Die Druckschrift DE 101 03 459 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses mit wenigstens einer Zylinderbohrung, in der eine Laufbuchse aus tribologisch hochwertigen Werkstoff angeordnet wird.

Die Druckschrift DE 103 47 511 A1 offenbart eine Zylinderlaufbuchse mit makroskopisch gestalteter Oberflächenstruktur für Verbrennungskraftmaschinen.

Die Druckschrift WO 2005/037463 A2 offenbart eine Zylinderlaufbuchse mit thermisch gespritzter Rauschicht für Verbrennungsmotoren.

Aus der EP 0 716 158 B1 ist ein Verfahren zum Beschichten von Zylinderbohrungswänden eines Motorblocks aus Aluminium bekannt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Gießens eines Motorblocks aus einer Aluminium-Legierung, der Oberflächenbehandlung der gegossenen Zylinderwände, um Verunreinigungen zu entfernen und um eine gereinigte Oberfläche bereitzustellen, Bloßlegen des frischen Metalls auf der gereinigten Oberfläche, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen, Abscheiden einer plasmageschützten Beschichtung auf der bloßgelegten frischen Metalloberfläche aus einem Pulvergemisch, das Feststoff-Schmierpartikel enthält.

Aus der DE 19637737 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Beschichtung auf Leichtmetall-Substraten auf Basis von niedrig legiertem Stahl bekannt, der dispergierte Partikel aus Eisenoxid enthält. Dabei wird mittels Lichtbogendrahtspritzen niedrig legierter Stahldraht verwendet und eine Schicht aufoxidiert.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Anbindung zwischen der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse und dem umgebenden Leichtmetall zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 gelöst, deren Stirnflächen eine Texturierung/Aufrauung enthalten. Die Aufrauung/Texturierung wurde dadurch hergestellt, dass zunächst die Stirnfläche zur Entfernung von Verschmutzungen bzw. Oxiden bzw. eine Aufrauung der Oberfläche auf Ra > 2 μm hergestellt wird und dann die Stirnfläche mit Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung beschichtet wird, wobei der Si-Anteil der Al/Si-Legierung auf zwischen 0,1 bis 13 Gew.-% eingestellt werden kann. Die Schicht kann weiterhin Spuren an Fe, Cu, Mn oder Mg enthalten. Durch die Strukturierung der Oberfläche wird das Anbindeverhalten zum Zylinderblockmaterial durch einen Formschluss verbessert. Durch die Beschichtung wird eine stoffschlüssige Anbindung zwischen Buchsen-Schichtwerkstoff und Umgussmaterial erzielt.

Durch diese Maßnahmen werden die mechanische Stabilität im System sowie der Wärmefluss verbessert. Zusätzlich schützt die Beschichtung einer Guss- oder Stahlbuchse vor Korrosion am Außenmantel und an den Stirnflächen.

Die obige Aufgabe wird weiterhin durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Bei dem Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen mit texturierten Stirnflächen besteht die Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung und soll an einen Verbundkörper, insbesondere einem Aluminium-Kurbel-Gehäuse, angebunden werden. Eine Oberflächenbehandlung der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse zur Entfernung von Verschmutzung bzw. Oxiden bzw. ein Aufrauhen der Stirnoberfläche erfolgt auf Ra > 2 μm. Das frische Metall auf der gereinigten Oberfläche wird freigelegt, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen, und auf der bloßgelegten frischen Metall-Oberfläche erfolgt eine Beschichtung der Stirnfläche, insbesondere mit einer Al-Si-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 bis 13 Gew.-%. Durch Sandstrahlen, gefolgt von ölfreiem Hochdruckstrahlen oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Koks-Spanen oder durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln wird eine Aktivierung der Stirnfläche durchgeführt. Die Beschichtung der Stirnfläche wird mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, durchgeführt.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.

Das Entfernen von Verunreinigungen kann durch Sandstrahlen, wie oben dargelegt wurde, gefolgt von ölfreiem Hochdruck-Sandstrahlen durchgeführt werden oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen vor der Beschichtung und durch Ätzen mit Freon oder anderen halogenhaltigen Lösungsmitteln.

Nachdem die Oberfläche so aktiviert worden ist, erfolgt eine Beschichtung der Stirnfläche mit einer Al-Si-Legierung. Dies kann üblicherweise mittels Plasmaspritzen durchgeführt werden. Die Schichtdicke der Oberflächenschicht beträgt üblicherweise 50 bis 500 μm, bevorzugt 100 bis 300 μm.

Die Erfindung wird nun anhand des beigefügten Beispiels näher erläutert, ohne diese jedoch darauf einzuschränken.
Beispiel
Eine GG-Buchse wurde aufrauhgestrahlt (Stirnflächen und Zylinderaußenflächen). Die Rauheit nach dem Strahlprozess liegt bei ca. 6–8 μm. Anschließend wurde die Buchse mittels Lichtbogendrahtspritzen mit Al/Si₁₂ beschichtet. Die Schichtdicke an den Stirnflächen lag zwischen 20 und 120 μm. Die Rauheit der Beschichtung betrug Kz: 40–120 μm.

Claims

Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Stirnflächen eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen, die dadurch erhältlich ist, dass die Stirnflächen zur Entfernung von Verschmutzungen bzw. Oxiden oberflächenbehandelt worden sind, um eine aktivierte und gereinigte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von Ra > 2 μm herzustellen, und dass auf die Stirnflächen eine Beschichtung aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer Al/Si-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 und 13 Gew.-%. aufgetragen worden ist.
Zylinderlausbuchse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflächenbeschichtung Spuren der Elemente aus der Gruppe aus Fe, Cu, Mn, Mg enthalten sind.
Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Oberflächen der Stirnflächen über Sandstrahlverfahren, gefolgt von ölfreiem Hochdruckstrahlen oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen und durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen durchführbar ist.
Zylinderlaufbuchse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufbringen der Beschichtung auf die Stirnfläche eine Oberflächenstruktur erhalten wird, so dass das Anbindeverhalten zum Zylinderblockmaterial durch Formschluss verbessert ist.
Zylinderlaufbuchse gemäß der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten der Stirnflächen mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, herstellbar ist.
Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen mit Stirnflächen, welche strukturierte Oberflächen enthalten, wobei die Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung besteht und an einen Verbundkörper, insbesondere an ein Aluminium-Kurbel-Gehäuse, angebunden werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenbehandlung der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse zur Entfernung von Verschmutzung bzw. von Oxiden bzw. ein Aufrauhen der Stirnoberfläche auf Ra > 2 μm erfolgt und danach eine Beschichtung der Stirnflächen mit einer AlSi-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 bis 13 Gew.-% erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das frische Metall auf der gereinigten Oberfläche freigelegt wird, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen, und auf der bloßgelegten frischen Metall-Oberfläche eine Beschichtung der Stirnfläche mit einer Al/Si-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 bis 13 Gew.-% erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Sandstrahlen, gefolgt von ölfreiem Hochdruckstrahlen oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen oder durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln eine Aktivierung der Stirnfläche durchführt.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beschichtung der Stirnfläche mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, durchführt.