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Die
Erfindung betrifft eine thermisch gespritzte Zylinderlaufbahnbeschichtung
nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Verfahren
zu deren Herstellung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs
4.
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Aus
dem Stand der Technik ist, wie in
WO 2005/033353 A2 beschrieben, eine Legierung,
insbesondere für
eine Gleitschicht bekannt. Die Legierung besteht aus Elementen,
die eine Matrix und zumindest eine Weichphase und/oder eine Hartphase
ausbilden, wobei die Weichphasenelemente und/oder die Hartphasenelemente
mit dem Matrixelement eine feste Lösung oder eine Verbindung bilden.
Die Weichphase und/oder die Hartphase liegt in der Matrix dispergiert
vor und es ist nur im Bereich der Phasengrenze der Matrix zur Weichphase
und/oder zur Hartphase die feste Lösung oder Verbindung ausgebildet.
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In
DE 697 00 387 T2 wird
ein Zylinderelement, insbesondere eine Zylinderbüchse, ein Kolben, ein Kolbenhemd
oder ein Kolbenring für
einen Dieselmotor beschrieben. Dieser Dieselmotor ist insbesondere
ein Zweitakt-Kreuzkopfmotor, der bei Volllast einen maximalen Verbrennungsdruck
von über
100 bar aufweist und bei dem der Kolben mit mehreren Kolbenringen
versehen ist und in einer Zylinderbüchse mit einem Hub von mindestens
600 mm hin- und hergehend bewegt wird, wobei die Kolbenringe in
einem in Ringnuten mit einer in axialer Richtung über die Kolbenringstärke hinausgehenden
Höhe montierten Zustand
einen Außendurchmesser
von mindestens 150 mm aufweisen, wobei jeder Kolbenring eine radial äußere Oberfläche aufweist,
die an der Innenoberfläche
der Zylinderbuchse entlang gleitet, und wobei das Zylinderelement
an wenigstens einem Teil seiner Seite mit wenigstens einer thermisch
aufgesprühten Beschichtung
versehen ist. Das Zylinderelement ist mit wenigstens zwei aufgesprühten, aus
AL-Bronze bestehenden Beschichtungslagen versehen, von denen die äußere Schicht
eine Einlaufschicht mit einer durchschnittlichen Härte von
höchstens
330 HV20, und die darunter liegende Schicht eine Tragschicht bildet,
deren durchschnittliche Härte
größer als
die Härte
der Einlaufschicht ist und mindestens 130 HV20 beträgt.
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In
der
US 2006/0134447
A1 wird ein thermisch gespritztes Kupfer-Aluminium Verbundmaterial
und dessen Herstellungsverfahren beschrieben. Das Verbundmaterial,
bestehend aus einer Kupferlegierung und einer Aluminiumlegierung,
hat eine verbesserte Abriebfestigkeit. Durch thermisches Spritzen
wird ein Kupfer-Aluminium Verbundmaterial erzeugt. Dieses besteht
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, zum Beispiel einer Kupfer-Blei-Legierung, welches
zumindest eine ungeschmolzene Phase beinhaltet, und Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung, welches zumindest eine geschmolzene Phase beinhaltet.
Weitere Legierungen für
Einlaufschichten finden sich z. B. in der
DE 69700387 T2 oder der
US 5080056 A .
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Zylinderlaufbahnbeschichtung
und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
thermisch gespritzte Zylinderlaufbahnbeschichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst.
Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch die im Anspruch
4 angegebenen Merkmale gelöst.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine
thermisch gespritzte Zylinderlaufbahnbeschichtung ist erfindungsgemäß aus einer
Kupferlegierung mit einem Mangananteil von 11 bis 15 Gewichtsprozent
und einem Aluminiumanteil von 5 bis 9 Gewichtsprozent oder mit einem
Zinnanteil von 10 bis 14 Gewichtsprozent gebildet.
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Durch
diese Legierung ist die Zylinderlaufbahnbeschichtung ausreichend
hart und widerstandsfähig,
um eine optimale Verschleißfestigkeit
zu erreichen. Gleichzeitig weist diese Zylinderlaufbahnbeschichtung
eine derart poröse
Oberfläche
auf, dass eine gute Schmiermittelanlagerung an dieser Oberfläche möglich ist
bzw. eine Ölrückhaltefunktion gegeben
ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass es im Betrieb eines
mit diesen Zylinderlaufbahnbeschichtungen ausgestatteten Motors
nicht zu einem Abriss eines Schmierfilms und damit zu einer Beschädigung eines
Kolbens oder der Zylinderlaufbahnbeschichtung kommt. Durch diese
stets optimale Schmierung ist eine Reduzierung von Reibung zwischen
Kolbenringen und der Zylinderlaufbahnbeschichtung erreichbar, wodurch
ein Verschleiß und ein
Kraftstoffverbrauch und auch ein benötigtes Schmiermittelvolumen
verringerbar sind. Mit einem Wegfall separat gefertigter Zylinderlaufbuchsen,
beispielsweise aus Grauguss, welche nur in aufwändigen Gießprozessen in den Verbrennungsmotor
integriebar sind, sind erhebliche Fertigungserleichterungen, Kosteneinsparungen
und eine Gewichtsreduktion verbunden. Durch diesen Wegfall ist auch
bei gleichen Abmessungen des Verbrennungsmotors, insbesondere bei
einer gleich bleibenden Geometrie eines Kurbelgehäuses, ein
größerer Hubraum
des Verbrennungsmotors realisierbar, da ein Bauraumbedarf dieser
thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnbeschichtung geringer ist.
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Vorzugsweise
sind diese thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnbeschichtungen
in Verbrennungsmotoren aus Eisenlegierungen, Stahl oder Edelstahl,
sowie Leichtmetall auf der Basis von Aluminium, Titan und/oder Magnesium
und auch bei Zylinderdrücken über 200
bar verwendbar, da die Eigenschaften der Zylinderlaufbahnbeschichtungen, beispielsweise
durch Veränderung
von Parametern des thermischen Spritzverfahrens optimal an die Erfordernisse
des jeweiligen Verbrennungsmotors anpassbar sind.
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In
einem Verfahren zur Herstellung einer thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnbeschichtung für Verbrennungsmotoren
wird erfindungsgemäß auf eine
Innenseite eines Zylinders mittels thermischen Spritzens eine Schicht
aus einer Kupferlegierung mit einem Mangananteil von 11 bis 15 Gewichtsprozent und
einem Aluminiumanteil von 5 bis 9 Gewichtsprozent oder mit einem
Zinnanteil von 10 bis 14 Gewichtsprozent aufgebracht. Durch das
thermische Spritzen sind Zylinderlaufbahbeschichtungen einfach,
kostengünstig
und mit geringem Materialeinsatz herstellbar, besonders im Vergleich
zu Verfahren nach dem Stand der Technik, d. h. einem aufwändigen Eingießen von
Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss in einen Verbrennungsmotor, welche
zudem eine erheblich dickere Wandstärke aufweisen und somit ein
höheres
Gewicht des Verbrennungsmotors verursachen. Durch die Kupferlegierung
ist eine erforderliche Verschleißfestigkeit und optimale Reibungsminderung
erreichbar.
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In
vorteilhafter Weise wird das thermische Spritzen als Lichtbogendrahtspritzen
oder High Velocity Air Fuel-Arc Spray (HVAC-Arc) durchgeführt. Dabei
wird das zu spritzende Material als Draht verarbeitet, wobei zwischen
zwei Drähten
ein Lichtbogen durch Anlegen einer Spannung erzeugt wird. Dabei schmelzen
die Drahtspitzen ab und werden beispielsweise mittels eines Zerstäubergases
auf das zu beschichtende Substrat befördert, wo sie sich anlagern.
Beim HVAC-Arc wird zusätzlich
ein brennbares Gas verwendet, wodurch die Temperatur und der Volumenstrom
des Zerstäubergases
erhöht wird.
Dadurch wird das Material feiner aufgeschmolzen und abgeschieden,
die Partikelgröße wird
geringer und die Partikelgeschwindigkeit wird erhöht, wodurch
Eigenschaften der gespritzten Schicht gegenüber dem Lichtbogendrahtspritzen
veränderbar
sind.
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Als
Parameter beim thermischen Spritzen werden bevorzugt eine Zusammensetzung
und/oder eine Menge eines Zerstäubergases
und/oder eine Spannung zum Betrieb des Lichtbogens und/oder ein Spritzabstand
und/oder eine Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder eine Robotergeschwindigkeit variiert.
Dadurch sind mittels des Verfahrens optimale Eigenschaften der gespritzten
Schicht erzielbar bzw. die Eigenschaften variierbar und an die Erfordernisse
des herzustellenden Verbrennungsmotors optimal anpassbar. Durch
eine Veränderung
der genannten Parameter ist beispielsweise eine Schichtdicke, eine
Größe aufgeschmolzener
Partikel und daraus resultierend eine Struktur der Schicht und deren Oberfläche veränderbar.
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Vorzugsweise
wird die Innenseite des Zylinders vor dem thermischen Spritzen aufgeraut,
wobei das Aufrauen beispielsweise mechanisch oder mittels Hochdruckwasserstrahlbearbeitung
oder Korundstrahlen oder Sandstrahlen durchgeführt wird. Durch dieses Aufrauen
wird die Haftung der gespritzten Schicht auf dem Substrat deutlich
verbessert.
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In
einer besonders günstigen
Ausführungsform
wird die Innenseite des Zylinders vor dem thermischen Spritzen im
Bereich einer Oberfläche
bis in eine vorgegebene Tiefe angeschmolzen, so dass ein schmelzflüssiges Substrat
entsteht. Dies ist eine weitere Möglichkeit, die Haftung der
gespritzten Schicht im Zylinder zu verbessern, da ein Teil der gespritzten Partikel
in das schmelzflüssige
Substrat hinein diffundiert, wodurch eine stoffschlüssige Verbindung
zwischen dem Substrat und der gespritzten Schicht gebildet wird.
Dieses Anschmelzen erfolgt bevorzugt mittels eines Lasers als Anschmelzwerkzeug
oder durch induktive Erwärmung
mittels einer Induktionsspule als Anschmelzwerkzeug.
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Vorzugsweise
wird die Zylinderlaufbahnbeschichtung nach dem thermischen Spritzen
thermisch und/oder mechanisch nachbearbeitet, beispielsweise gehont.
Auf diese Weise wird im Betrieb des Motors eine optimale Verteilung
eines Schmiermittels entlang der Zylinderlaufbahnbeschichtung sichergestellt.
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Die
Zylinderlaufbahnbeschichtung wird zweckmäßigerweise in einem aus Eisenlegierungen, Stahl
oder Edelstahl gebildeten Zylinder oder in einem aus Leichtmetall
auf der Basis von Aluminium, Titan und/oder Magnesium gebildeten
Zylinder hergestellt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit zur
Herstellung von Zylinderlaufbahnbeschichtungen für eine Vielzahl von Verbrennungsmotoren
geeignet, wobei es entsprechend der jeweiligen Anforderungen angepasst
wird.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 einen
Aufbau einer thermisch gespritzten Schicht einer Zylinderlaufbahnbeschichtung,
und
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2 eine
Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Zylinderlaufbahnbeschichtung.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
einen Aufbau einer thermisch gespritzten Schicht GS einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbahnbeschichtung
eines Verbrennungsmotors. Diese thermisch gespritzte Schicht GS
ist zusammengesetzt aus einer Kupferlegierung E mit einem Mangananteil
von 11 bis 15 Gewichtsprozent und einem Aluminiumanteil von 5 bis
9 Gewichtsprozent oder mit einem Zinnanteil von 10 bis 14 Gewichtsprozent.
Somit ist sichergestellt, dass die gespritzte Schicht GS hohen Belastungen,
welche in einem Innenraum des Zylinders auf diese einwirken, standhält. Gleichzeitig
ist diese Kupferlegierung E zum thermischen Spritzen und für eine erforderliche Nachbearbeitung
der Zylinderlaufbahnbeschichtung gut geeignet, wie beispielsweise
ein Honen von Zylinderlaufbahnen. Die thermisch gespritzte Schicht
GS bildet eine poröse
Struktur aus, das heißt,
es bilden sich Poren F, welche im Betrieb eines Motors ein Schmiermittelrückhaltevolumen
darstellen, wodurch eine optimale Schmiermittelversorgung des Motors, d.
h. ein stets optimaler Schmierfilm zwischen der Zylinderlaufbahnbeschichtung
und einem Kolben bzw. Kolbenringen sichergestellt ist. Durch eine
damit verbundene Reduzierung der Reibung sind ein Verschleiß und ein
Kraftstoffverbrauch und auch ein benötigtes Schmiermittelvolumen
verringerbar. Mit den erfindungsgemäßen Zylinder laufbahnbeschichtungen
sind beispielsweise separat gefertigte Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss
ersetzbar, welche nur in aufwändigen
Gießprozessen
in den Verbrennungsmotor integrierbar sind. Damit sind erhebliche
Fertigungserleichterungen, Kosteneinsparungen und eine Gewichtsreduktion
verbunden. Durch diesen Wegfall ist auch bei gleichen Abmessungen
des Verbrennungsmotors, insbesondere bei einer gleich bleibenden
Geometrie eines Kurbelgehäuses,
ein größerer Hubraum
des Verbrennungsmotors realisierbar, da ein Bauraumbedarf dieser
thermisch gespritzten Zylinderlaufbahnbeschichtungen geringer ist.
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2 zeigt
eine Darstellung eines Verfahrens zur Herstellung der Zylinderlaufbahnbeschichtung
mittels thermischen Spritzens, beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen
oder HVAC-Arc. Mittels dieses Verfahrens sind Zylinderlaufbahnbeschichtungen herstellbar,
welche eine deutlich geringere Wandstärke aufweisen als die nach
dem Stand der Technik häufig
verwendeten eingegossenen Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss, wobei
sogenannte tribologische Eigenschaften, d. h. die Reibung bzw. Reibungsminderung
dieser Zylinderlaufbahnbeschichtungen ähnlich oder sogar besser sind
als die herkömmlicher
Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss. Daraus ergeben sich die bereits
erwähnten
Vorteile.
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Als
Werkstoff, welcher thermisch gespritzt wird, wird die Kupferlegierung
E mit einem Mangananteil von 11 bis 15 Gewichtsprozent und einem
Aluminiumanteil von 5 bis 9 Gewichtsprozent oder mit einem Zinnanteil
von 10 bis 14 Gewichtsprozent verwendet, da dieser Werkstoff gut
verarbeitet werden kann und gute tribologische Eigenschaften aufweist. Als
besonders vorteilhaft haben sich die folgenden Legierungen erwiesen:
CuMn13Al7, CuSn12. Bei dem thermischen Spritzen der Kupferlegierung
E entstehen Poren F, welche ein Schmiermittelrückhaltevolumen bilden, welches
durch eine Nachbearbeitung mittels Honen noch verbessert wird. Dadurch
ist eine ausreichende Benetzung einer Zylinderinnenwand mit Schmiermittel
sichergestellt. Des Weiteren ist die Kupferlegierung E ausreichend
hart, um eine gute Verschleißfestigkeit
sicherzustellen.
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Um
eine Zylinderlaufbahnbeschichtung thermisch zu spritzen, wird zunächst die
Oberfläche
des Substrates S aufgeraut, um eine gute Haftung der gespritzten
Schicht GS zu erzielen. Dies kann beispielsweise durch Raudrehen,
Korundstrahlen oder mittels Hochdruckwasserstrahlen erfolgen. Dadurch
wird die Oberfläche
derart aufgeraut, dass die gespritzten schmelzflüssigen Partikel sich in dadurch
gebildeten Hinterschneidungen anlagern können, wodurch eine gute mechanische
Haftung der gespritzten Schicht GS auf dem Substrat S erzielbar
ist. Eine weitere Möglichkeit
besteht darin, die Oberfläche des
Substrates S aufzuschmelzen, beispielsweise mittels eines Lasers
oder durch induktive Erwärmung,
wodurch eine stoffschlüssige
und dadurch sehr gut haftende Verbindung zwischen dem Substrat S
und der gespritzten Schicht GS entsteht. Anschließend wird
das Substrat S, d. h. der Grundwerkstoff des Verbrennungsmotors,
im Bereich des Zylinders durch thermisches Spritzen beschichtet.
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Hier
dargestellt ist ein Beschichtungsvorgang mittels Lichtbogendrahtspritzen.
Eine weitere Möglichkeit
ist das HVAC-Arc, welches sehr ähnlich ist.
Beim HVAC-Arc wird zusätzlich
ein brennbares Gas verwendet, wodurch die Temperatur und der Volumenstrom
des Zerstäubergases
erhöht
wird. Dadurch wird das Material feiner aufgeschmolzen und abgeschieden,
die Partikelgröße wird
geringer und die Partikelgeschwindigkeit wird erhöht, wodurch
Eigenschaften der gespritzten Schicht gegenüber dem Lichtbogendrahtspritzen
veränderbar
sind.
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Bei
dem dargestellten Lichtbogendrahtspritzen werden zwei Drähte aus
der Kupferlegierung E mit Hilfe eines geregelten Drahtvorschubs 1 in
eine Spritzpistole 2 gezogen. Mittels kupferner Drahtführungen
werden die Drähte
geführt
und gleichzeitig Strom auf diese übertragen. Die Drähte werden
zu einer Berührung
aufeinander zugeführt,
wodurch an einem Kontaktpunkt als Folge eines sehr hohen Kurzschlussstroms
eine starke Erwärmung
der Drähte
erfolgt. Dadurch schmelzen bzw. verdampfen die Drähte und
es entzündet
sich der Lichtbogen. Entstehende Spritzpartikel werden durch das
Zerstäubergas
Z in einem Partikelstrahl 3 zum Substrat S hin beschleunigt,
wodurch es zu einer Bildung der gespritzten Schicht GS kommt. Dieses
Verfahren ist einfach und wirtschaftlich anwendbar und im Vergleich
mit den bereits beschriebenen Verfahren zum Einsetzen von Graugusszylinderbuchsen
mit deutlich geringerem Fertigungsaufwand und geringeren Kosten
verbunden.
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Um
eine optimal thermisch gespritzte Schicht GS zu erhalten, sind Parameter
an der Spritzpistole 2 vor bzw. auch während des Verfahrens veränderbar,
beispielsweise eine Zusammensetzung und/oder eine Menge des Zerstäubergases Z,
eine Spannung zum Betrieb des Lichtbogens, ein Spritzabstand, eine
Drahtvorschubgeschwindigkeit und/oder eine Robotergeschwindigkeit.
Durch optimale Anpassung aller Parameter ist eine thermisch gespritzte
Schicht GS erzielbar, welche die Anforderungen des jeweiligen Verbrennungsmotors
an die Zylinderlaufbahbeschichtung erfüllt.
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Nach
dem Spritzen wird die Zylinderlaufbahnbeschichtung thermisch und/oder
mechanisch nachbearbeitet, beispielsweise gehont. Auf diese Weise
wird im Betrieb des Motors eine optimale Verteilung eines Schmiermittels
entlang der Zylinderlaufbahnbeschichtung sichergestellt.
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- 1
- Drahtvorschub
- 2
- Spritzpistole
- 3
- Partikelstrahl
- E
- mangan-
und aluminiumverstärkte
Kupferlegierung
- S
- Substrat
- Z
- Zerstäubergas
- GS
- Schicht