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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft beschichtete Bohrungen für Aluminium-Zylinderlaufbuchsen, zum Beispiel für Aluminium-Gussblöcke.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Aluminium-Motorblöcke weisen im Allgemeinen eine Gusseisen-Laufbuchse oder, wenn keine Laufbuchse vorhanden ist, eine Beschichtung auf der Bohrungsoberfläche auf. Gusseisen-Laufbuchsen erhöhen im Allgemeinen das Gewicht des Blocks und resultieren in unstimmigen Wärmeeigenschaften zwischen dem Aluminiumblock und den Gusseisen-Laufbuchsen. Bei Blöcken ohne Laufbuchsen müssen ggf. erhebliche Investitionen für jeden Block, der eine Beschichtung (z. B. ein plasmabeschichtetes Bohrungsverfahren) erhalten soll, erfolgen. Die Logistik zum Herstellen eines Blocks ohne Laufbuchse kann komplex sein, was die Herstellungskosten erhöhen kann. Außerdem kann die geometrische Massüberwachung zum Ermöglichen einer gleichförmigen Plasmabeschichtungsdicke von der Oberseite zur Unterseite der Zylinderbohrung schwierig sein.
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KURZDARSTELLUNG
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In mindestens einer Ausführungsform wird ein Motorblock bereitgestellt. Der Motorblock kann aufweisen: einen Aluminium-Gusskörper; und mehrere eingegossene Laufbuchsen, die jeweils aufweisen: (a) eine äußere Schicht aus Aluminium der Serie 2xxx, die stoffschlüssig mit dem Aluminium-Gusskörper verbunden ist, und (b) eine innere Schicht, die aus einer Stahlbeschichtung gebildet ist, die direkt mit der äußeren Schicht in Kontakt tritt und mindestens einen Abschnitt einer Motorbohrung bildet.
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Ein Bohrungswandabschnitt des Aluminium-Gusskörpers kann sich mindestens teilweise über mindestens entweder eine Oberseite oder Unterseite mindestens einer eingegossenen Laufbuchse erstrecken. Die äußere Schicht des Aluminiums der Serie 2xxx kann eine T4-, T5-, T6- oder T351-Härte aufweisen. Die äußere Schicht aus Aluminium der Serie 2xxx kann eine erreichbare Zugfestigkeit (UTS) von mindestens 400 MPa und eine Dauerfestigkeit von mindestens 100 MPa aufweisen.
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In mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren bereitgestellt, das beinhaltet: Extrudieren eines länglichen Strangpressprofils aus Aluminium der Serie 2xxx, das einen inneren Hohlraum aufweist, der durch eine innere Oberfläche begrenzt wird; Aufbringen einer vesrchleißfesten Beschichtung auf die innere Oberfläche; Unterteilen des Strangpressprofils in mehrere Zylinderlaufbuchsen; und Gießen mindestens einiger der mehreren Zylinderlaufbuchsen in einen Aluminium-Motorblock, sodass jede eingegossene Laufbuchse mindestens einen Abschnitt einer inneren Oberfläche einer Motorbohrung in dem Motorblock bildet.
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Das Verfahren kann das Aufrauen der inneren Oberfläche vor dem Aufbringen der verschleißfesten Beschichtung beinhalten. Der Aufrauungsschritt kann das mechanische Aufrauen beinhalten. Der Gießschritt kann das Gießen der Zylinderlaufbuchsen in den Aluminium-Motorblock beinhalten, sodass sich der gegossene Aluminium-Motorblock mindestens teilweise über mindestens eine Oberseite oder eine Unterseite jeder eingegossenen Laufbuchse erstreckt. Der Gießschritt kann das Gießen der Zylinderlaufbuchsen in den Aluminium-Motorblock beinhalten, sodass eine äußere Oberfläche jeder eingegossenen Laufbuchse stoffschlüssig mit dem Aluminium-Motorblock verbunden ist.
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In einer Ausführungsform beinhaltet das Aufbringen einer verschleißfesten Beschichtung auf die innere Oberfläche das Einführen einer Beschichtungssprühvorrichtung in den inneren Hohlraum und das Drehen des Strangpressprofils um eine Längsachse. Die verschleißfeste Beschichtung kann eine Stahlbeschichtung sein. Das Aufbringen der verschleißfesten Beschichtung kann das thermische Spritzen einer PTWA-Beschichtung (plasmaübertragene Lichtbogen-Beschichtung) beinhalten. Der Gießschritt kann Hochdruckspritzgießen beinhalten.
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In mindestens einer Ausführungsform wird ein Motorblock bereitgestellt. Der Motorblock kann mehrere eingegossene Laufbuchsen aufweisen, die jeweils aufweisen: eine äußere Schicht aus Aluminium der Serie 2xxx; und eine verschleißfeste Beschichtung, die direkt mit der äußeren Schicht in Kontakt tritt und mindestens einen Abschnitt einer Motorbohrung bildet; und einen Aluminium-Gusskörper, der stoffschlüssig mit der äußeren Schicht verbunden ist und sich mindestens teilweise über mindestens eine Oberseite oder Unterseite mindestens einer eingegossenen Laufbuchse erstreckt.
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Der Aluminium-Gusskörper kann einen Abschnitt mindestens einer Motorbohrung bilden. Ein Abschnitt des Aluminium-Gusskörpers kann koplanar zu einer inneren Oberfläche der verschleißfesten Beschichtung, die mindestens einen Abschnitt einer Motorbohrung bildet, verlaufen. Der Aluminium-Gusskörper kann mit einer Oberseite und einer Unterseite der äußeren Schicht und der verschleißfesten Beschichtung mindestens einer eingegossenen Laufbuchse in Kontakt treten. Die verschleißfeste Beschichtung kann eine Stahlbeschichtung sein. In einer Ausführungsform kann die äußere Schicht aus Aluminium der Serie 2xxx eine erreichbare Zugfestigkeit (UTS) von mindestens 400 MPa und eine Dauerfestigkeit von mindestens 100 MPa aufweisen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Es zeigen:
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1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Motorblocks;
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2 eine perspektivische Ansicht einer Zylinderlaufbuchse gemäß einer Ausführungsform;
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3 eine schematische Ansicht eines Laufbuchsen-Beschichtungssystems gemäß einer Ausführungsform;
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4 ein Schema eines extrudierten Hohlzylinders, der in zahlreiche Zylinderlaufbuchsen eingeteilt ist, gemäß einer Ausführungsform;
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5 einen Querschnitt einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse gemäß einer Ausführungsform;
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5A eine vergrößerte Ansicht von 5; und
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6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Bildung eines Motorblocks mit einer eingegossenen Laufbuchse gemäß einer Ausführungsform.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Wie erforderlich, werden hierin ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein beispielhaft für die Erfindung sind, die in verschiedenen und alternativen Formen ausgeführt werden kann. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details besonderer Komponenten zu zeigen. Daher sind spezifische hierin offenbarte strukturelle und funktionelle Details nicht als einschränkend auszulegen, sondern nur als repräsentative Grundlage, um einen Fachmann verschiedene Anwendungen der vorliegenden Erfindung zu lehren.
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Mit Bezug auf 1 ist ein Motor oder Zylinderblock 10 dargestellt. Der Motorblock 10 kann eine oder mehrere Zylinderbohrungen 12 aufweisen, die zum Aufnehmen von Kolben einer Brennkraftmaschine konfiguriert sein können. Der Motorblock-Körper kann aus jedem geeigneten Material gebildet sein, wie z. B. Aluminium, Gusseisen oder Legierungen davon. In mindestens einer Ausführungsform können die Zylinderbohrungen 12 im Motorblock 10 Zylinderlaufbuchsen 14 aufweisen, wie in 2 dargestellt. Die Laufbuchsen 14 können ein Hohlzylinder oder Rohr sein, der bzw. das eine äußere Oberfläche 16, eine innere Oberfläche 18 und eine Wanddicke 20 aufweist.
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In herkömmlichen Motorblöcken kann, wenn das Motorblock-Grundmaterial Aluminium ist, eine Gusseisen-Laufbuchse oder eine Beschichtung in den Zylinderbohrungen bereitgestellt werden, um der Zylinderbohrung eine erhöhte Festigkeit, Steifigkeit, Verschleißfestigkeit oder andere Eigenschaften zu verleihen. Zum Beispiel kann eine Gusseisen-Laufbuchse in den Motorblock eingegossen werden oder in die Zylinderbohrungen gepresst werden, nachdem der Motorblock gebildet wurde (z. B. durch Gießen). In einem anderen Beispiel können die Aluminiumzylinderbohrungen ohne Laufbuchse hergestellt sein, aber mit einer Beschichtung beschichtet werden, nachdem der Motorblock gebildet wurde (z. B. durch Gießen).
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Wenn eine Gusseisen-Laufbuchse in den Motorblock-Zylindern verwendet wird, beinhaltet das Herstellungsverfahren gewöhnlich die folgenden Schritte: 1) Gießen der Gusseisen-Laufbuchse; 2) Bearbeiten der Gusseisen-Laufbuchse zu einer bestimmten Geometrie; 3) Transportieren der Laufbuchse zu einer Gießerei; 4) Gießen des Motorblocks (mit oder ohne Gusseisen-Laufbuchse); 5) Einsetzen der Gusseisen-Laufbuchse (falls nicht eingegossen); 6) Cubing-Vorgang (z. B. Verarbeiten einer Rohgussmasse zu einem halbfertigen Zustand und Erzeugen von Festpunkten für die Endbearbeitung) zum Erzeugen der Zylinderbohrungsmitte; 7) Aufbohren; 8) Feinbohren; und 9) Honen.
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Wenn es sich bei dem Motorblock um einen Motorblock ohne Laufbuchse handelt, beinhaltet das Herstellungsverfahren gewöhnlich die folgenden Schritte: 1) Gießen des Motorblocks; 2) Cubing; 3) Rohschnitt; 4) Halbrohschnitt; 5) Aufrauen des Innendurchmessers der Zylinderbohrungen; 6) Abdecken von Abschnitten des Motorblocks, um einen Beschichtungsnebel zu verhindern; 7) Aufbringen der Beschichtung auf die Zylinderbohrungen; 8) Entfernen des Abdeckmaterials; 9) Feinbohren; und 10) Honen. Zum Aufbringen der Beschichtung in Schritt 7 ist ggf. der gesamte Motorblock zu drehen oder zu umzudrehen, was schwierig sein kann und/oder zusätzliche Ausrüstung und Platz erfordert.
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In mindestens einer Ausführungsform können der offenbarte Motorblock 10 und die Laufbuchsen 14 aus Aluminium gebildet sein (z. B. aus reinem oder einer Legierung). Ein hohles Strangpressprofil 22 kann mit einer Länge gebildet werden, die länger als eine einzelne Laufbuchse 14 ist, z. B. mit einer Länge mehrerer Laufbuchsen. Das hohle Strangpressprofil 22 kann ein Hohlzylinder sein, und das hohle Strangpressprofil 22 wird in der folgenden Beschreibung als Hohlzylinder 22 bezeichnet. Das Strangpressprofil 22 kann jedoch eine nicht kreisförmige äußere Oberfläche und eine kreisförmige innere Oberfläche aufweisen. In einer Ausführungsform kann der extrudierte Hohlzylinder 22 eine Länge von mindestens zwei Laufbuchsen 14 aufweisen, wie z. B. von mindestens 4, 6 oder 8 Laufbuchsen. In einer weiteren Ausführungsform kann der extrudierte Hohlzylinder 22 eine absolute Länge von mindestens 2, 4, 6 oder 8 Fuß aufweisen.
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Mit Bezug auf 3 kann der extrudierte Hohlzylinder 22 extrudiert und mit einer Beschichtung bereitgestellt werden, bevor er zu einzelnen Laufbuchsen 14 geschnitten wird. Vor dem Aufbringen der Beschichtung kann der Zylinder 22 bearbeitet werden und/oder einer anderen Bildung, Formung oder Strukturierverfahren unterzogen werden. In einer Ausführungsform können der Innen- und/oder Außendurchmesser des Zylinders 22 vor dem Beschichten eingestellt werden, z. B. durch Drehen oder andere Verfahren. Da das Material entfernt wird, kann der Außendurchmesser auf eine bestimmte Abmessung reduziert werden und der Innendurchmesser kann auf eine bestimmte Abmessung erhöht werden. Entsprechend kann der extrudierte Zylinder 22 einen Außendurchmesser, der größer als eine Endabmessung der Laufbuchsen 14 ist, und einen Innendurchmesser, der kleiner als eine endgültige Abmessung der Laufbuchsen 14 ist, aufweisen.
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In mindestens einer Ausführungsform kann die innere und/oder äußere Oberfläche des Zylinders 22 strukturiert oder aufgeraut sein, bevor die Beschichtung auf die innere Oberfläche aufgebracht wird. Das Aufrauen der inneren Oberfläche kann die Adhäsions- oder Bindungsfestigkeit der Beschichtung an dem Zylinder 22 verbessern und das Aufrauen oder Strukturieren der äußeren Oberfläche kann die Adhäsions- oder Bindungsfestigkeit des Zylinders/der Laufbuchse an dem Ausgangs- oder Gussmaterial des Motorblocks verbessern. Die Aufrauungsverfahren, die auf den inneren und äußeren Oberflächen verwendet werden, können die gleichen oder unterschiedliche sein. Das Aufrauungsverfahren kann ein mechanisches Aufrauungsverfahren sein, das z. B. ein Werkzeug mit einer Schneidkante, Sandstrahlen oder Wasserstrahlen verwenden kann. Andere Aufrauungsverfahren können Ätzen (z. B. chemisches oder Plasma), Funken-/Elektroentladung oder andere einschließen.
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In mindestens einer Ausführungsform können der Zylinder
22 und die daraus abgeleiteten Laufbuchsen
14 aus Aluminium gebildet sein, z. B. aus einer Aluminiumlegierung. Die Aluminiumlegierung kann eine behandelbare Legierung sein, z. B. eine Legierung, die ausscheidungs- oder ausgehärtet sein kann. In einer Ausführungsform können der Zylinder
22 und die Laufbuchsen
14 aus einer Aluminiumlegierung der Serie 2xxx gebildet sein. Die Aluminiumlegierungen der Serie 2xxx (z. B. gemäß IADS) schließen Kupfer als Haupt- oder Grundlegierungselement (im Allgemeinen von 0,7 bis 6,8 Gew.-%) ein und können auf sehr hohe Festigkeitswerte ausscheidungsgehärtet werden (in Bezug auf andere Aluminiumlegierungen). Die 2xxx-Serie kann im Allgemeinen zu Festigkeiten ausscheidungsgehärtet werden, die höher als alle außer der Aluminiumlegierungen der Serie 7xxx sind. Die Legierungen der 2xxx-Serie halten die hohe Festigkeit auch bei hohen Temperaturen, wie z. B. bei etwa 150 °C. Zum Beispiel ist ein Vergleich einer herkömmlichen Legierung der Serie 2xxx, 2024, und einer herkömmlichen Legierung der Serie 6xxx, 6061, bei einer T6-Härte (ausscheidungsgehärtet auf Höchstfestigkeit) und bei Raumtemperatur und 150 °C in Tabelle 1 unten dargestellt:
| Prüftemperatur | 25 °C | 150 °C |
| Legierung und Wärmebehandlung | 2024-T6 | 6061-T6 | Typisches Graugusseisen, das in Laufbuchsen verwendet wird | 2024-T6 | 6061-T6 |
| Erreichbare Zugfestigkeit (MPa) | 476 | 310 | 360 (min.) | 310 | 234 |
| Streckfestigkeit (MPa) | 393 | 296 | - | 248 | 214 |
| % Dehnung | 10 | 17 | - | 17 | 20 |
| 500kg Brinell-Härte | 130 | 95 | - | - | - |
| Relative maschinelle Verarbeitbarkeit | B (Erfordert Spanbrecher zum Verhindern von laufenden Spänen) | C | A | - | - |
Tabelle 1. Vergleich der mechanischen Eigenschaften.
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Wie in der Tabelle dargestellt, weist die Legierung der Serie 2xxx, 2024, eine signifikant höhere UTS und YS sowohl bei Raumtemperatur (25 °C) als auch erhöhter Temperatur (150 °C) auf. Tatsächlich entspricht die UTS des 2024-Aluminiums bei 150 °C der UTS des 6061-Aluminiums bei Raumtemperatur. Das 2024-Aluminium weist auch eine höhere Härte auf. Obschon die Eigenschaften basierend auf den spezifischen Legierungen innerhalb der Serien 2xxx und 6xxx variieren können, gelten die allgemeinen oben beschriebenen Trends. Der Zylinder 22 kann aus einer Aluminiumlegierung der Serie 2xxx mit einer UTS von mindestens 400, 425, 450 oder 475 MPa und einer YS von mindestens 300, 325, 350, 375 oder 390 MPa bei Raumtemperatur (z. B. 25 °C) gebildet werden. Obschon eine T6-Härte in Tabelle 1 dargestellt ist, können andere Härten verwendet werden, wie z. B. T4, T5 oder T351.
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Tabelle 1 schließt auch die UTS für ein typisches Graugusseisen ein, das für Zylinderlaufbuchsen verwendet wird. Wie dargestellt, beträgt die UTS für das Gusseisen mindestens 360 MPa. Das Graugusseisen ist daher signifikant fester als die 6061-Legierung, besitzt aber eine signifikant geringere UTS als die 2024-Legierung. Die minimale UTS für herkömmliche Gusseisen-Laufbuchsen ist wesentlich höher als die UTS der Serie 6xxx, daher können Legierungen der Serie 6xxx in einigen Ausführungsformen ungeeignet sein. Zusätzlich weist das Graugusseisen typischerweise eine Dauerfestigkeit von weniger als 75 MPa auf (z. B. etwa 62 MPa) und eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 50 W/m-K (z. B. etwa 46,4 W/m-K). Im Gegensatz dazu können der Zylinder 22 und die Laufbuchsen 14 aus einer Aluminiumlegierung der Serie 2xxx (z. B. 2024) gebildet werden, die eine Dauerfestigkeit von mindestens 100 MPa aufweist, wie z. B. mindestens 110, 120 oder 130 MPa (z. B. 138 MPa) und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 100 W/m-K, sie mindestens 110 oder 120 W/m-K (z. B. 121 W/m-K).
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Die Aluminiumlegierungen der Serie 2xxx können weniger korrosionsbeständig sein als andere Legierungsserien, wie z. B. die Serie 6xxx. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die auf den Zylinder 22 aufgebrachte Beschichtung das Korrosionspotenzial abschwächen kann. Entsprechend wurde gefunden, dass eine Aluminiumlegierung der Serie 2xxx zum Bilden der Zylinderlaufbuchsen 14 verwendet werden kann. Die Legierung kann eine höhere UTS, YS, Dauerfestigkeit und Wärmeleitfähigkeit aufweisen als herkömmliche Gusseisen-Laufbuchsen und kann eine signifikant höhere UTS und YS als andere Aluminiumlegierungen aufweisen, beispielsweise Serie 6xxx.
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Zusätzlich hat sich herausgestellt, dass, obwohl eine hohe Bruchdehnung typischerweise eine positive Eigenschaft ist, eine geringere Bruchdehnung der Serie 2xxx tatsächlich vorteilhaft für das mechanische Aufrauungsverfahren der Laufbuchsen 14 ist. Zum Beispiel besitzt, wie in Tabelle 1 dargestellt, 2024-Aluminium eine Bruchdehnung von 10 % während 6061 eine Bruchdehnung von 17 % aufweist. Es hat sich herausgestellt, dass die höhere Dehnung des Aluminiums der Serie 6xxx in einer langen, drahtartigen Materialentfernung resultieren kann, wenn ein Schneidwerkzeug zur Aufrauung verwendet wird. Dies resultiert in einer Oberfläche, die im Allgemeinen diskrete Aussparungen aufweist, damit die Beschichtung eindringen und mechanisch verriegeln kann. Demgegenüber hat sich herausgestellt, dass die Serie 2xxx leichter solche Aussparungen bilden wird. Entsprechend ist eine reduzierte Duktilität eine überraschend positive Eigenschaft des Aluminiums der Serie 2xxx im Vergleich zu anderen Legierungsserien (z. B. 6xxx). Nicht einschränkende Beispiele spezifischer Aluminiumlegierungen der Serie 2xxx können 2024, 2008, 2014, 2017, 2018, 2025, 2090, 2124, 2195, 2219, 2324 oder Modifikationen/Variationen davon einschließen. Die 2xxx-Legierungen können auch basierend auf den mechanischen Eigenschaften definiert werden, wie den oben beschriebenen (z. B. UTS, YS, Dauerfestigkeit, thermische Leitfähigkeit usw.).
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In einer Ausführungsform, die in 3 dargestellt ist, kann der Zylinder 22 auf einer horizontalen Achse 24 angeordnet sein und um die Achse 24 gedreht werden, während eine Beschichtung von einer Sprühvorrichtung 26 aufgebracht wird. Selbstverständlich kann der Zylinder 22 auf jeder beliebigen Achse angeordnet werden, wie z. B. einer vertikalen oder in einem Winkel zwischen horizontal und vertikal. Die Sprühvorrichtung 26 kann ortsfest sein, sodass die Drehung von Zylinder 22 bewirkt, dass die Beschichtung auf die gesamte innere Oberfläche des Zylinders 22 aufgebracht wird. In anderen Ausführungsformen kann sich die Sprühvorrichtung 26 statt (oder zusätzlich dazu) des Zylinders 22 drehen.
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Zum Aufbringen der Beschichtung entlang einer gesamten Länge des Zylinders 22 oder mindestens 75 %, 85 % oder 95 % der Länge des Zylinders 22 kann der Zylinder 22 in einer Richtung bewegt werden, die parallel zu seiner Längsachse verläuft (z. B. sich gleichzeitig um eine Achse drehen). Zum Beispiel kann, wie in 3 dargestellt, der Zylinder 22 in horizontaler Richtung bewegt werden, wenn der Zylinder 22 auf der horizontalen Achse 24 angeordnet ist. Wenn der Zylinder 22 jedoch auf einer anderen Achse angeordnet ist, kann er in einer Richtung parallel dazu bewegt werden. In Ausführungsformen, bei denen der Zylinder 22 entlang seiner Längsachse bewegt wird, kann die Sprühvorrichtung 26 ortsfest sein. Zum Beispiel kann, wie in 3 gezeigt, der Zylinder 22 um die Achse 24 drehen und sich auch horizontal in axialer Richtung drehen, während die Sprühvorrichtung 26 ortsfest bleibt. Die innere Oberfläche des Zylinders 22 kann daher mit einer gesprühten Beschichtung entlang einer Länge des Zylinders 22 ohne Bewegen der Sprühvorrichtung 26 beschichtet werden.
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Obschon die Sprühvorrichtung 26 ortsfest und/oder nichtdrehend sein kann, können auch andere Konfigurationen des Zylinders 22 und der Sprühvorrichtung 26 verwendet werden. Zum Beispiel kann der Zylinder 22 entlang einer Achse drehen, aber in axialer Richtung ortsfest bleiben, und die Sprühvorrichtung 26 kann sich in axialer Richtung zum Beschichten der inneren Oberfläche des Zylinders drehen. Alternativ können sich die Sprühvorrichtung 26 und der Zylinder 22 beide in axialer Richtung bewegen. In einer anderen Ausführungsform kann sich der Zylinder 22 in axialer Richtung bewegen, kann sich aber nicht um eine Achse drehen, während die Sprühvorrichtung 26 um eine Achse drehen kann, aber in der gleichen axialen Position verbleiben kann. Der Zylinder 22 kann auch komplett ortsfest sein – sich nicht drehen oder axial bewegen – während sich die Sprühvorrichtung sowohl um eine Achse dreht als auch in axialer Richtung bewegt. Entsprechend kann sich jede Kombination aus Zylinder 22 und Sprühvorrichtung 26 in axialer Richtung bewegen und/oder um eine Achse drehen, um die innere Oberfläche des Zylinders entlang seiner Länge zu beschichten.
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Die Sprühvorrichtung 26 kann jeder Typ von Sprühvorrichtung sein, wie z. B. eine thermische Sprühvorrichtung. Nicht einschränkende Beispiele von thermischen Sprühtechniken, die verwendet werden können, schließen Plasmaspritzen, Detonationsspritzen, Lichtbogenspritzen (z. B. plasmaübertragenes Lichtbogenspritzen oder PTWA), Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF), Warmspritzen oder Kaltspritzen ein. Andere Beschichtungstechniken können ebenfalls verwendet werden, wie z. B. Dampfabscheidung (z. B. PVD oder CVD) oder chemische/elektrochemische Techniken. In mindestens einer Ausführungsform kann die Sprühvorrichtung 26 eine plasmaübertragene Lichtbogen-Sprühvorrichtung (PTWA-Sprühvorrichtung) sein.
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Die Beschichtung, die durch die Sprühvorrichtung 26 oder eine andere Beschichtungstechnik aufgebracht wird, kann jede geeignete Beschichtung sein, die ausreichend Festigkeit, Steifigkeit, Dichte, Poisson-Verhältnis, Dauerfestigkeit und/oder Wärmeleitfähigkeit für eine Motorblock-Zylinderbohrung bereitstellt. In mindestens einer Ausführungsform kann die Beschichtung eine Stahlbeschichtung sein. Nicht einschränkende Beispiele geeigneter Stahlzusammensetzungen können jede AISI-/SAE-Stahlsorte von 1010- bis 4130-Stahl einschließen. Der Stahl kann auch Edelstahl sein, wie diejenigen aus der AISI-/SAE-400-Serie (z. B. 420). Es können jedoch auch andere Stahlzusammensetzungen verwendet werden. Die Beschichtung ist nicht auf Stahl beschränkt und kann andere Metalle oder Nichtmetalle aufweisen oder daraus gebildet sein. Zum Beispiel kann die Beschichtung eine keramische Beschichtung, eine Polymerbeschichtung oder eine amorphe Kohlenstoffbeschichtung sein (z. B. DLC oder ähnliches). Die Beschichtung wird daher vielmehr basierend auf ihren Eigenschaften anstatt auf ihrer spezifischen Zusammensetzung beschrieben.
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In einem Beispiel kann eine Metallbeschichtung eine Adhäsionsfestigkeit von mindestens 45 MPa aufweisen, gemäß ASTM-E633-Messverfahren. In einem anderen Beispiel kann eine Laufbuchse eine minimale Verschleißtiefe aufweisen, wie z. B. 6 µm, nach einem Verschleißtest. Zum Beispiel kann eine Laufbuchse mit einer 300 µm-1010-stahlbasierten Beschichtung, die per PTWA-System aufgebracht wird, mithilfe einer Cameron-Plint-Prüfvorrichtung getestet werden. Die Vorrichtung wird mit den folgenden Parametern verwendet: Mo-CrNi-Kolbenring, 5W-30-Öl bei einer Temperatur von 120 °C, 350N Last, 15 mm Hublänge und 10 Hz Testfrequenz, die Laufbuchse darf nicht mehr als 6 µm Verschleißtiefe nach 100 Stunden Test aufweisen.
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Mit Bezug auf 4 kann der beschichtete Zylinder 22 geschnitten, unterteilt oder in mehrere Laufbuchsen 14 aufgeteilt werden, die zum Einsetzen in eine Zylinderbohrung 12 bemessen sind (z. B. durch Eingießen). Die Laufbuchsen 14 können leicht länger als ihre endgültig eingesetzte Länge geschnitten werden, um einen Abschluss oder andere abschließende Bearbeitungsprozesse zu ermöglichen. In mindestens einer Ausführungsform kann der Zylinder 22 geschnitten, unterteilt oder in zwei Laufbuchsen 14 aufgeteilt werden, wie z. B. mindestens 4, 6 oder 8 Laufbuchsen oder mehr. Der Zylinder 22 kann mithilfe eines geeigneten Verfahrens wie Schneiden (z. B. Sägen), Drehen (z. B. mithilfe einer Drehbank), Laser, Wasserstrahl oder anderen Bearbeitungsverfahren in mehrere Laufbuchsen 14 getrennt werden. Während der Zylinder 22 als zuerst beschichtet dargestellt ist, wonach er in mehrere Laufbuchsen 14 geschnitten wird, wird auch in Betracht gezogen, dass der Zylinder 22 zuerst geschnitten und dann jede Laufbuchse 14 einzeln beschichtet werden kann. Die Beschichtung des Zylinders 22 kann zunächst eine verbesserte Effizienz bereitstellen und die Zykluszeiten reduzieren. Die Beschichtung des Zylinders 22 und das Unterteilen davon in mehrere Laufbuchsen 14 kann die zusätzliche Verarbeitung beseitigen, die für wärmegesprühte Blöcke (z. B. Blöcke ohne Laufbuchsen) in der abschließenden Bearbeitungslinie oder in der Gießerei während des Cubings erforderlich ist. Sie stellt auch eine größere Vertrauenswürdigkeit bereit, dass die Beschichtung gleichförmig mit den definierten technischen Spezifikationen vor dem Gießen zu einem Block aufgebracht wurde. Dies reduziert die Ausschussrate und Ausschusskosten des fertigen Motorblocks, weil der Ausschuss einer fehlerhaften Laufbuchse sehr viel günstiger ist im Hinblick auf Ausgaben, Zeit und Maschinenstunden, als der Ausschuss eines fehlerhaften Motorblocks nach Ende des Verfahrens.
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Mit Bezug auf 5 und 5A können die Zylinderlaufbuchsen 14 in die Zylinderbohrungen 12 im Motorblock 10 eingegossen sein. Wie oben beschrieben, kann der Motorblock 10 aus jedem geeigneten Material gebildet sein, wie z. B. Aluminium, Gusseisen oder Legierungen davon. In mindestens einer Ausführungsform kann der Motorblock 10 aus Aluminium gebildet sein (z. B. reinem oder einer Legierung). Der Motorblock 10 kann ein gegossener Motorblock sein. Der Motorblock 10 kann mithilfe jedes geeigneten Gießverfahrens gegossen werden, wie Spritzgießen (z. B. Nieder- oder Hochdruck-Spritzgießen), Dauerformguss, Sandgießen und andere. Diese Gießverfahren sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden hier nicht ausführlich beschrieben. Ein Durchschnittsfachmann wird im Hinblick auf die vorliegende Offenbarung in der Lage sein, das Eingießverfahren mithilfe der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren zu implementieren.
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Kurz, schließt das Spritzgießen das Einleiten eines geschmolzenen Metalls (z. B. Aluminium) in eine Form oder Gussform unter Druck ein. Das Hochdruck-Spritzgießen kann Drücke von 8 bar oder größer verwenden, um das Metall in die Gussform zu leiten. Der Dauerformguss schließt im Allgemeinen die Verwendung von Formen und Kernen ein. Geschmolzenes Metall kann in die Form geschüttet werden, oder es kann ein Vakuum angelegt werden. Beim Dauerformguss werden die Formen mehrmals verwendet. Beim Sandstrahlen wird eine Nachbildung oder Schablone des fertigen Produkts allgemein in ein Gemisch aus feinem Sand gepresst. Dies bildet die Form, in die das Metall (z. B. Aluminium) gegossen wird. Die Nachbildung kann größer als das herzustellende Teil sein, um die Schrumpfung während der Verfestigung und Abkühlung einzubeziehen.
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Bei Ausführungsformen, bei denen der Motorblock 10 aus Aluminium gebildet ist, kann es jede geeignete Aluminiumlegierung oder -zusammensetzung sein. Nicht einschränkende Beispiele von Legierungen, die als Motorblock-Ausgangsmaterial verwendet werden können, schließen A319, A320, A356, A357, A359, A380, A383, A390 oder andere oder Modifikationen/Variationen davon ein. Die Legierung, die verwendet wird, hängt von dem Gusstyp (z. B. Sand, Gussformguss, usw.) ab. Die Ausgangs-Aluminiumlegierung kann anders als die Laufbuchse sein (z. B. 2xxx-Serie). Wie oben beschrieben, können die Aluminium-Zylinderlaufbuchsen 14 in die Zylinderbohrungen 12 des Motorblocks 10 eingegossen werden. Die Laufbuchsen 14 können in angemessene Gusskomponenten eingeführt werden, je nach dem spezifischen Gießverfahren, bevor das geschmolzene Aluminium eingeleitet wird. Zum Beispiel können beim Spritzgießen die Zylinderlaufbuchsen 14 zusätzlich zu oder als Teil der Kerne aufgenommen werden, welche die Zylinderbohrungen 12 bilden.
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Nach dem Einsetzen der Laufbuchsen 14 in die Form kann das Gießen des Motorblocks 10 erfolgen. Als Ergebnis des Gießverfahrens können die Laufbuchsen 14 in den Motorblock 10 (z. B. eingegossen) aufgenommen werden. Während des Gießverfahrens tritt das erwärmte, flüssige Ausgangsaluminium mit der äußeren Oberfläche 16 der Laufbuchse 14 in Kontakt. Die hohe Temperatur des Ausgangsaluminiums kann bewirken, dass die äußere Oberfläche 16 schmilzt. Die Schmelze kann sich nur auf die äußere Oberfläche 16 der Laufbuchse 14 beschränken, sodass ein Hauptteil der Wanddicken 20 nicht betroffen oder geschmolzen wird. In einer Ausführungsform kann die Schmelze der äußeren Oberfläche 16 von 10 bis 50 µm von der äußeren Oberfläche betragen oder jeden Unterbereich darin. Zum Beispiel kann die Schmelze auf 10 bis 45 µm, 15 bis 40 µm, 15 bis 45 µm oder 18 bis 38 µm begrenzt sein. Die Schmelze kann auf der gesamten äußeren Oberfläche 16 oder nur in bestimmten Abschnitten oder einem bestimmten Prozentsatz der äußeren Oberfläche 16 auftreten. Wenn das Ausgangsaluminium abkühlt und sich verfestigt kann es daher eine metallurgische oder Stoffbindung mit dem geschmolzenen Abschnitt der äußeren Oberfläche 16 eingehen. Entsprechend kann, ungleich einer Laufbuchse, die nach dem Gießen eingesetzt wird (z. B. Presspassung) die eingegossene Laufbuchse 14 eine nahtlose metallurgische Bindung eingehen, die nur per metallurgischer Analyse erkennbar ist. Diese metallurgische Bindung ist sehr stark und kann jede relative Bewegung zwischen dem Ausgangsmaterial und der Laufbuchse (z. B. Block und Laufbuchse) verhindern.
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Ein Querschnitt einer einzelnen Zylinderbohrung 12, die eine eingegossene Laufbuchse 14 aufweist, ist in 5 dargestellt (vergrößert in 5A). Die Bohrungswand 30 kann eine Schnittstellenoberfläche 32 aufweisen, die das Ausgangsmaterial von der Laufbuchse 14 abgrenzt. Wie oben beschrieben, können das Ausgangsmaterial und die Laufbuchse 14 eine metallurgische oder Stoffbindung bilden, sodass keine Lücke oder Raum zwischen der Bohrungswand 30 und der äußeren Oberfläche 16 der Laufbuchse 14 vorliegt. Entsprechend ist die Schnittstellenoberfläche 32 ggf. ohne metallurgische Analyse, wie z. B. Ätzen, Hochleistungsmikroskopie, Zusammensetzungsanalyse oder andere Techniken, die zwei stoffschlüssige Materialien unterscheiden können, nicht sichtbar.
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Wie oben beschrieben, kann die Laufbuchse 14 eine Beschichtung 34 aufweisen, die vor dem Gießverfahren auf die innere Oberfläche 18 aufgebracht wird. Entsprechend kann die eingegossene Laufbuchse 14 die Beschichtung 34 auf der inneren Oberfläche 18 einschließen und die Beschichtung 34 kann die innerste Oberfläche mindestens eines Abschnitts der Zylinderbohrung 12 bilden. In mindestens einer Ausführungsform kann der Zylinder 14 überschmolzen werden, sodass das Ausgangsmaterial des Motorblocks 10 die Laufbuchse 14 auf der äußeren Oberfläche 16 und auf der Oberseite 36 und Unterseite 38 der Laufbuchse 14 umgibt (z. B. wie in 5 und 5A dargestellt). Das Ausgangsmaterial kann sowohl das Aluminium als auch die Beschichtung 34 der Laufbuchse 14 umgeben. Das Überformen der Laufbuchse 14 kann die Laufbuchse 14 ferner innerhalb des Motorblocks 10 einschließen oder verankern (z. B. zusätzlich zur molekularen Bindung).
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Anders ausgedrückt kann die Laufbuchse 14 mindestens teilweise innerhalb der Bohrungswand 30 vertieft sein, sodass sich ein Abschnitt 40 der Bohrungswand 30 mindestens teilweise über die Laufbuchse 14 an der Oberseite 36 und/oder Unterseite 38 der Laufbuchse 14 erstreckt oder darüber hängt (z. B. Aluminium und Beschichtung). In einer Ausführungsform 40 erstreckt sich die Bohrungswand 30 vollständig über die Laufbuchse 14 an der Oberseite 36 und/oder Unterseite 38 der Laufbuchse 14 oder hängt darüber. Zum Beispiel kann ein Abschnitt 40 der Bohrungswand 30 formschlüssig oder im Wesentlichen formschlüssig (z. B. koplanar) mit der Beschichtung 34 an der Oberseite 36 und/oder Unterseite 38 der Laufbuchse verlaufen, um mindestens einen Abschnitt der innersten Oberfläche der Zylinderbohrung 12 (z. B. wie in 5 und 5A dargestellt) zu bilden.
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Während oben die verschiedenen Schritte zum Formen eines Motorblocks mit eingegossenen Laufbuchsen beschrieben sind, ist ein Flussdiagramm 100 in 6 dargestellt, das ein Beispiel eines Verfahrens zum Bilden eines Motorblocks mit eingegossenen Laufbuchsen beschreibt. Bei Schritt 102 wird ein längliches, hohles Strangpressprofil (z. B. ein Zylinder) mit einer Länge extrudiert, die ein Mehrfaches der Länge einer einzelnen Zylinderlaufbuchse ist. Obschon das Strangpressprofil als Hohlzylinder dargestellt und beschrieben ist, braucht die externe Form des Strangpressprofils nicht kreisförmig zu sein (z. B. nur der innere Abschnitt des hohlen Strangpressprofils kann einen kreisförmigen Querschnitt aufweisen). Bei Schritt 104 kann das Strangpressprofil zu einem vordefinierten Innendurchmesser (ID) und Außendurchmesser (OD) gedreht werden (wenn das Strangpressprofil ein Zylinder ist). In bestimmten Ausführungsformen können die Strangpressprofil-Toleranzen strikt genug sein, um Schritt 104 auslassen zu können.
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Bei Schritt 106 kann der ID des Strangpressprofils ein Halbrohschnitt sein. Dies kann das Entfernen von Material vom Innendurchmesser des Strangpressprofils zum weiteren Verfeinern des ID einschließen. Dieser Schritt kann mithilfe eines Bohrungsverfahrens, Mahlverfahrens oder anderer Materialentfernungsverfahren durchgeführt werden. Bei Schritt 108 kann der ID des Strangpressprofils in Vorbereitung einer aufzutragenden Beschichtung aufgeraut werden. Das Aufrauen des ID kann ermöglichen, dass sich die Beschichtung besser an das Strangpressprofil bindet, z. B. durch Erhöhen des mechanischen Eingriffs zwischen Beschichtung und ID. In einer Ausführungsform kann die Aufrauung eine mechanische Aufrauung sein, wie oben beschrieben. Es können jedoch auch andere Aufrauungsverfahren verwendet werden.
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Bei Schritt 110 kann der Innendurchmesser des Strangpressprofils mit einer Beschichtung beschichtet werden. Wie oben beschrieben, kann die Beschichtung aufgespritzt werden, z. B. mithilfe eines thermischen Spritzverfahrens wie Plasmaspritzen oder Lichtbogenspritzen (z. B. PTWA). Die Beschichtung kann mithilfe einer ortsfesten Sprühvorrichtung aufgebracht werden, während das Strangpressprofil um die Sprühvorrichtung dreht und/oder die Sprühvorrichtung kann sich drehen. Die Sprühvorrichtung oder das Strangpressprofil können in axialer Richtung bewegt werden, um den ID entlang mindestens eines Abschnitts der Länge des Strangpressprofils zu beschichten (z. B. mindestens 95 % der Länge). Als Spritzschutz der Beschichtung außerhalb des Strangpressprofils können eine physische Abschirmung, Luftvorhang, Luftkanalauslass oder andere Barrieren verwendet werden. Die Beschichtung kann eine Stahlbeschichtung sein und die Beschichtung kann direkt auf den Innendurchmesser des Strangpressprofils aufgebracht werden (d. h. ohne dazwischen liegende Beschichtungen).
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Bei Schritt 112 kann das beschichtete Strangpressprofil in mehrere Laufbuchsen unterteilt, aufgeteilt oder geschnitten werden. Die Länge des zu schneidenden Strangpressprofils und die Länge der zu schneidenden Laufbuchsen können die Anzahl von Laufbuchsen bestimmen, die aus jedem Strangpressprofil gebildet werden. In mindestens einer Ausführungsform können mindestens 5 Laufbuchsen aus einem einzelnen Strangpressprofil geschnitten werden. Während das Strangpressprofil als zuerst beschichtet und dann unterteilt dargestellt ist, kann das Strangpressprofil auch erst unterteilt und dann beschichtet werden, wenn das Strangpressprofils jedoch zuerst beschichtet wird, kann eine verbesserte Effizienz bereitgestellt werden. Die unterteilten Laufbuchsen können dann zum Einsetzen in eine Gussform/Form vorbereitet werden. In einer Ausführungsform können der Innendurchmesser und/oder die Enden verfeinert werden. Zum Beispiel ist die Beschichtung nach Schritt 110 ggf. nicht zylindrisch und muss ggf. zum Verbessern der Zylindrizität verarbeitet werden. Die Enden der Laufbuchsen müssen ggf. bearbeitet werden, um ihre Längen in die Spezifikation zum Gießen oder Formen der Enden, die in die Formen/Gussformkerne einzusetzen sind, zu bringen. Die Verarbeitung der beschichteten Laufbuchsen kann basierend auf den Typ des durchzuführenden Gießens abhängig sein oder darauf basierend variieren, wie z. B. Sandstrahlen oder Gussformguss, usw.
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Bei Schritt 114 können die beschichteten Laufbuchsen zu einer Gießerei zum Eingießen in den Motorblock übertragen werden (z. B. transportiert). In der gezeigten Ausführungsform werden die Schritte 102 bis 112 an einem anderen Ort als der Gießerei durchgeführt, es können jedoch einige oder alle Schritte in der Gießerei erfolgen. Außerdem können die Schritte 102 bis 112 an mehreren Orten erfolgen, sodass zusätzliche Transportschritte zwischen den Schritten auftreten können. Bei Schritt 116 kann die äußere Oberfläche der Laufbuchsen zum Gießen vorbereitet werden. Zum Beispiel können die Laufbuchsen zum Entfernen von Oxiden aus der äußeren Oberfläche zum Erleichtern des Gießens und Verbessern der Bindung zwischen der Laufbuchse und Ausgangsmaterial behandelt werden. Die Behandlung kann die chemische Behandlung (z. B. Lösungsmittel) oder mechanische Behandlung einschließen (z. B. Polieren, Schleifen, Sandstrahlen).
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Bei Schritt 118 kann der Motorblock mit den eingegossenen Laufbuchsen gegossen werden. Wie oben beschrieben, kann das Gießen mithilfe von Spritzgießen (z. B. HPDC), Dauerformguss oder Sandstrahlen durchgeführt werden. Die Laufbuchsen können mithilfe von Zylinderbohrungskernen oder anderen geeigneten Verfahren eingegossen werden. Bei Schritt 120 kann ein Cubing durchgeführt werden. Das Cubing kann das Verarbeiten einer Rohgussmasse zu einem halbfertigen Zustand und Erzeugen von Festpunkten für die Endbearbeitung einschließen. Zum Beispiel kann der Cubing-Schritt die Zylinderbohrungsmitten erzeugen. Bei Schritt 122 und 124 können Aufbohr- und Feinbohrabläufe durchgeführt werden, um den Innendurchmesser der Motorbohrungen weiter zu verfeinern. Während die Schritte als Bohren beschrieben werden, können andere Materialentferngungsverfahren ebenfalls verwendet werden, wie z. B. Mahlen. Das Aufbohren kann den ID um eine größere Menge als das Feinbohren erhöhen. Bei Schritt 126 kann ein Honen durchgeführt werden, um den Innendurchmesser der Motorbohrungen weiter zu verfeinern und abzuschließen. Der Honschritt kann mehrere Honabläufe einschließen, wie z. B. Auf- und Feinbohren. Die Schritte 120 bis 126 können die gleichen oder ähnliche wie die bei Gusseisen-Laufbuchsen durchgeführten sein. Das offenbarte Verfahren ist daher geeignet, in derzeitige Verarbeitungsverfahren aufgenommen und eingeführt zu werden, ohne die Ausrüstung oder Nachbearbeitungsschritte, die derzeit verwendet werden, vollständig zu übergehen. Dies kann es dem offenbarten Verfahren ermöglichen, auf kosten- und zeiteffektive Weise implementiert zu werden.
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Die offenbarten Verfahren zum Bilden eines Aluminium-Motorblocks mit eingegossenen Aluminiumlaufbuchsen und dadurch gebildete Motorblöcke besitzen dadurch zahlreiche Vorteile und Nutzen gegenüber herkömmlichen Motorblöcken. Im Gegensatz zu Motorblöcken, bei denen eine Beschichtung nach dem Gießen aufgebracht wird, beseitigt das offenbarte Verfahren mehrere Schritte und vereinfacht andere. Es werden zum Beispiel die Schritte zum Abdecken von Abschnitten des Motorblocks zum Verhindern von Beschichtungsnebel und Entfernen des Abdeckmaterials danach beseitigt (z. B. Schritt Nr. 6 und 8 in dem oben beschriebenen Verfahren ohne Laufbuchsen). Außerdem müssen zum Beschichten der Bohrungen eines Gussblocks entweder die Sprühvorrichtung oder der gesamte Motorblock um die Bohrachse gedreht werden. Das Drehen der Sprühvorrichtung oder das Drehen des großen, schweren Motorblocks tragen zu einer zusätzlichen Komplexität und Schwierigkeit des Beschichtungsverfahrens bei. In dem offenbarten Verfahren kann ein hohles Strangpressprofil um eine ortsfeste Sprühvorrichtung gedreht werden. Außer der Vereinfachung des Verfahrens kann dies auch mehrere unterschiedliche Strangpressprofil-Durchmesser und -Längen mit einer einem einzigen Sprühvorrichtungs-Setup ermöglichen.
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Die offenbarten Verfahren und Motorblöcke besitzen auch Vorteile gegenüber eingegossenen Eisenlaufbuchsen oder Laufbuchsen, die nach dem Gießen eingesetzt werden (z. B. Presspassung). Die Laufbuchsen aus Aluminium der Serie 2xxx in den offenbarten Verfahren und Motorblöcken können eine geringere Dichte, eine höhere UTS, eine höhere Dauerfestigkeit und eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Gusseisen-Laufbuchsen besitzen. Aufgrund der stoffschlüssigen, lückenlosen Bindung zwischen der eingegossenen Aluminiumlaufbuchse und dem Ausgangsaluminium besteht eine Reduktion oder Beseitigung von Leckagen in die Kühlmittelkanäle um die Motorbohrungen herum. Die nahtlose Laufbuchse und Motorbohrung weisen auch sehr einheitliche mechanische Eigenschaften um den Umfang der Bohrung auf, wodurch die Laufbuchse mechanische Lasten verteilen und zusätzlich als Verschleißoberfläche dienen kann (der herkömmliche Zweck einer Laufbuchse). Die eng gebundene Aluminiumlaufbuchse und Aluminiumausgangsmaterial besitzen des Weiteren sehr ähnliche Wärmedehnungseigenschaften.
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Wenngleich vorstehend Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die Begriffe, die in der Spezifikation verwendet werden, beschreibende und keine einschränkenden Begriffe, wobei es sich versteht, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Außerdem können die Merkmale verschiedener implementierender Ausführungsformen zur Bildung weiterer Ausführungsformen der Erfindung kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ASTM-E633-Messverfahren [0036]
