DE102010043527A1

DE102010043527A1 - Zylinderlaufbahn mit einer Verschleißschutzschicht

Info

Publication number: DE102010043527A1
Application number: DE201010043527
Authority: DE
Inventors: Dr. Gaßner Franz; Martin Scholz; Gernut Schröder; Martin Walter; Goetz Mielsch
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2010-11-08
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Eine Zylinderlaufbahn ist mit einer Verschleißschutzschicht aus Bronze versehen, die 15 bis 28 Gew.-%, insbesondere 18 bis 19 Gew.-% Zinn enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Zylinderlaufbahn mit einer Verschleißschutzschicht.
Die Zylinderlaufbahnen von Hochleistungsverbrennungsmotoren sind zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit mit einer Schutzschicht versehen. Dazu sind eine Vielzahl von Beschichtungswerkstoffen und Beschichtungsverfahren vorgeschlagen worden.
Als Verschleißschutzschicht wird jedoch meist eine unter der eingetragenen Marke „Nikasil” bekannte Schicht aus galvanisch abgeschiedenen Nickel-Siliziumkarbid verwendet. Beispielsweise wird aber auch das Lichtbogendrahtspritzen mit einem Spritzdraht z. B. aus einer Eisenlegierung zum Auftragen einer solchen Verschleißschutzschicht auf die Zylinderlaufbahnen angewendet.
Die Reibleistungsminderung der bekannten Verschleißschutzschichten lässt jedoch zu wünschen übrig.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verschleißschutzschicht für die Zylinderlaufbahnen eines Hochleistungsverbrennungsmotors bereit zu stellen, welche außer einer hohen Verschleißfestigkeit eine deutlich verringerte Reibleistung besitzt.
Dies wird erfindungsgemäß mit der im Anspruch 1 gekennzeichneten Verschleißschutzschicht aus Bronze, also einer Kupfer-Zinn-Legierung, erreicht, deren Zinngehalt 15 bis 28 Gew.-%, insbesondere 17 bis 22 Gew.-% beträgt. In den Unteransprüchen sind bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung wiedergegeben.
Hochleistungsverbrennungsmotoren, für die die Erfindung vor allem bestimmt ist, werden insbesondere für Motorräder und für Motorsport-Fahrzeuge, vor allem im Automobilsport, verwendet. Das Kurbelgehäuse dieser Motoren besteht dabei aus einem Leichtmetall, insbesondere einer Aluminiumgusslegierung.
Bei Hochleistungsmotoren kann ein Abriss des Ölfilms zur Schmierung des Kolbens auftreten. Ein solcher Schmierfilm-Abriss hat eine Trockenreibung zur Folge.
Überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine Verschleißschutzschicht aus Bronze, also einer Legierung aus Kupfer und Zinn, die einen Zinnanteil von 15 bis 28 Gew.-%, insbesondere 18,0 bis 19,0 Gew.-% aufweist, zu einer erheblichen Herabsetzung der Trockenreibung und damit der Reibleistung des Motors führt. Die Verschleißschutzschicht kann dabei wie üblich ein keramisches Material als Dispergid enthalten, beispielsweise Siliziumcarbid (SiC), Bornitrid (BN) oder Borcarbid (B4C), wobei Borcarbid wegen seiner geringeren Dichte bevorzugt wird, weil es besser auszuscheiden ist. Das heißt, die Bronze bildet erfindungsgemäß die Matrix, in der die Keramikteilchen enthalten sind.
Eine Zylinderlaufbahn mit einer erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht weist normalerweise einen Reibwert von weniger als 0,6 bei Raumtemperatur nach dem von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) entwickelten Stift/Scheibe-Test auf. Dieser Reibwert der Trockenreibung liegt beispielsweise um etwa 40% unter dem Reibwert einer herkömmlichen Nickel-Siliziumcarbid-Verschleißschutzschicht.
Die Bronzeschicht kann durch thermisches Spritzen oder ein anderes Verfahren auf die Zylinderlaufbahn aufgebracht werden. Als thermisches Spritzverfahren kann beispielsweise das Lichtbogendrahtspritzen, das Laser-Drahtspritzen oder das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen angewendet werden. Die galvanische Beschichtung wird vorzugsweise alkalischzyanidisch durchgeführt.
Die Zylinderlaufflächen werden nach dem Auftragen der Bronzeschicht im allgemeinen durch Honen nachgearbeitet.
Die Bronzeschicht kann nach dem Auftragen eine Schichtdicke von beispielsweise 50 bis 200 μm und nach dem Honen von 30 bis 100 μm aufweisen.
Neben dem niedrigen Reibwert besitzt die erfindungsgemäße Verschleißschutzschicht den Vorteil, dass sie eine Nachbeschichtung zulässt.
Während beispielsweise eine Verschleißschutzschicht aus Nickel und Siliziumkarbid z. B. aufgrund eines Fehlers beim Honen oder nach längerer Motorlaufzeit nicht oder erst nach einer aufwändigen Entfernung der oxidierten Oberflächenschicht nachbeschichtet werden kann, stellt eine Verschleißschutzschicht aus Bronze zugleich eine Haftschicht für eine Nachbeschichtung mit Bronze dar.
Die nachstehenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel 1
Die Zylinderlaufflächen des Kurbelgehäuses eines Automobilsportmotors werden mit einer Bronze aus Kupfer und Zinn mit einem Zinngehalt von 18,5 Gew.-% und Borcarbid (B4C) als Dispergid galvanisch beschichtet.
Dazu wird das Kurbelgehäuse auf einer Beschichtungsplatte angeordnet, welche an den Zylinderlaufbahnen mit einer Öffnung versehen ist. Zwischen der Öffnung und dem Kurbelgehäuse ist ein Metallring angeordnet, der aus der gleichen Aluminiumgusslegierung wie das Kurbelgehäuse besteht. Der Metallring ist gegenüber der Beschichtungsplatte und dem Kurbelgehäuse flüssigkeitsdicht abgedichtet.
Während das Kurbelgehäuse und der Metallring die Kathode bilden, besteht die zur galvanischen Beschichtung verwendete Anode aus einer Bronze aus 81,5 Gew.-% Kupfer und 18,5 Gew.-% Zinn.
Der Zylinder des Kurbelgehäuses ist mit der elektrolytischen Badflüssigkeit gefüllt.
Auf der Zylinderlauffläche des Kurbelgehäuses und dem Metallring wird eine Bronzeschicht mit einer Schichtdicke von 150 μm galvanisch abgeschieden. Die Bronzeschicht wird anschließend bis auf eine Schichtdicke von 50 μm gehont.
Anschließend wird der Reibwert der Bronzeschicht auf dem Metallring bestimmt. Der Reibwert wird durch den von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Berlin-Lichtenfelde, entwickelten Stift/Scheibe-Test mit einer Kugel aus Chromstahl mit einem Chromgehalt von 6 Gew.-% als Gegenkörper bei Raumtemperatur 23° und einer Luftfeuchte von 30% ermittelt.
1 stellt die Reibwertmessung im Diagramm dar, wobei die Ordinate den (dimensionslosen) Reibwert und die Abszisse die Anzahl der Hübe des Gegenkörpers wiedergibt. Die Reibwertmesssung der Trockenreibung der Bronzeschicht ist in 1 mit „B4C” gekennzeichnet. Danach beträgt der Reibwert 0,53.
Beispiel 2
Das Beispiel 1 wurde wiederholt, ausser dass anstelle von Borcarbid als Dispergid die gleiche Menge Siliciumcarbid (SiC) verwendet wurde. Es wurde der gleiche Reibwert ermittelt.
Vergleichsbeispiel 1
Das Beispiel 1 wird wiederholt, außer dass statt der Bronzeschicht auf der Zylinderlaufbahn und dem Metallring eine Schutzschicht aus Nickel mit Siliciumcarbid als Dispergid galvanisch abgeschieden wird. Die abgeschiedene Schicht wird anschließend gehont und der Reibwert der Schicht auf dem Metallring, wie in Beispiel 1 angegeben, bestimmt. Der Reibwert der Nickel-Siliziumcarbid-Schicht ist in 1 mit „NiSiC” gekennzeichnet und beträgt 0,87.
Vergleichsbeispiel 2
Auf die Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses und den Metallring, die wie im Beispiel 1 auf einer Beschichtungsplatte angeordnet sind, wird durch Lichtbogendrahtspritzen eine Schutzschicht aufgebracht, die anschließend gehont wird. Die Reibwertmessung der Schutzschicht wird wie im Beispiel 1 durchgeführt. Der gemessene Reibwert ist in 1 mit „LDS” bezeichnet und beträgt 0,95.
Das heißt, der Reibwert der Trockenreibung der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht nach den Beispielen 1 und 2 ist gegenüber der Nickel-Siliciumcarbid-Schicht nach dem Vergleichsbeispiel 1 um ca. 40% und gegenüber der durch Lichtbogendrahtspritzen aufgebrachten Verschleißschutzschicht nach dem Vergleichsbeispiel 2 um nahezu 50% verringert.

Claims

Zylinderlaufbahn mit einer Verschleißschutzschicht aus einer Bronzeschicht, die 15 bis 28 Gew.-% Zinn enthält.
Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronzeschicht 18,0 bis 19,0 Gew.-% Zinn enthält.
Zylinderlaufbahn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronzeschicht durch galvanische Beschichtung aufgebracht ist.
Zylinderlaufbahn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bronzeschicht eine Schichtdicke von 30 bis 100 μm aufweist.