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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks mit zumindest einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse. Die Erfindung betrifft außerdem einen nach diesem Verfahren hergestellten Motorblock und eine Zylinderlaufbuchse für ein solches Verfahren.
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Aus der
DE 10 2009 056 919 A1 ist eine Zylinderlaufbuchse mit einer äußeren, eine Oberflächenstruktur aufweisenden Mantelfläche bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass die Mantelfläche mit Erhebungen versehen ist, wobei jede Erhebung im Bereich ihrer Basis mindestens eine Verrundung aufweist und wobei ein Teil der Erhebungen mindestens eine Hinterschneidung aufweist. Zwischen zwei Erhebungen mit Hinterschneidungen ist mindestens eine Erhebung ohne Hinterschneidung angeordnet. Hierdurch soll eine möglichst zuverlässig formschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und einem Kurbelgehäuse, das heißt einem Motorblock, geschaffen werden, die zudem einen hohen Wärmeübertrag erlaubt.
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Zylinderlaufbuchsen werden in heutigen Kurbelgehäusen bzw. Motorblöcken bereits vielfältig eingesetzt und bilden eine Lauffläche für einen Kolben. Durch das üblicherweise andere Material der Zylinderlaufbuchse im Vergleich zum Motorblock können insbesondere höhere tribologische Ansprüche erfüllt werden.
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Kritisch ist bei Motorblöcken mit Zylinderlaufbuchsen eine zuverlässige Anbindung derselben, die zudem einen optimalen Wärmeübertrag und damit eine optimale Kühlung ermöglicht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks mit zumindest einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse anzugeben, mit welchem insbesondere eine Anbindung einer Zylinderlaufbuchse an den Motorblock sowie ein Wärmeübertrag verbessert werden können.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, ein Verfahren anzugeben, bei welchem die Zylinderlaufbuchse sowohl formschlüssig mit einem Motorblock, das heißt einem Kurbelgehäuse, als auch durch eine stoffschlüssige Verbindung verbunden wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird dabei zunächst eine eine Negativform der Zylinderlaufbuchse abbildende Kokille bereitgestellt, aufgeheizt und in Rotation versetzt. Anschließend wird zumindest eine Schlichteschicht auf eine Innenfläche der Kokille aufgebracht, woraufhin ein Pulver mit Teilchen aus intermetallischen Phasen derart auf die zumindest eine Schlichteschicht aufgebracht, beispielsweise aufgespritzt, wird, dass die Teilchen teilweise in die Schlichteschicht eindringen und von der Schlichteschicht aufgenommen und gehalten werden. Hierbei kann es beispielsweise von Vorteil sein, sofern die zumindest eine Schlichteschicht zumindest teilweise erstarrt ist, bevor die Teilchen aufgebracht werden, um bei einem Schleuderguss zu verhindern, dass die Teilchen zu tief in die Schlichteschicht eindringen oder sogar darin versinken. Anschließend wird ein erster flüssiger Gusswerkstoff eingebracht, der im Weiteren die Zylinderlaufbuchse bildet und der die Teilchen des Pulvers anschmilzt und dadurch stoffschlüssig mit dem ersten Gusswerkstoff verbindet. Die gegossene Zylinderlaufbuchse wird anschließend aus der Kokille entnommen und eventuell noch anhaftende Schlichtereste werden entfernt. Dies kann beispielsweise mittels Pressluft oder mittels eines Spülverfahrens erfolgen. Anschließend wird die Zylinderlaufbuchse mit einem Aluminium aufweisenden zweiten Gusswerkstoff des Zylinderkurbelgehäuses bzw. des Motorblocks umgossen und so der Motorblock hergestellt. Hierzu wird die vorgefertigte Zylinderlaufbuchse in eine entsprechende Gussform zur Herstellung des Motorblocks eingelegt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann erstmals erreicht werden, dass die die Hinterschnittverbindung bildenden Teilchen zugleich stoffschlüssig mit dem Werkstoff der Zylinderlaufbuchse verbunden werden, wodurch nicht nur eine durch Hinterschnitte der Teilchen im zweiten Gusswerkstoff bewirkte formschlüssige, sondern auch eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock erreicht werden können, so dass mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die zumindest eine Zylinderlaufbuchse äußerst fest und damit zuverlässig im Motorblock gehalten und zugleich hinsichtlich einer Wärmeübertragung optimal an diesen angebunden ist, wodurch eine verbesserte Kühlung der Zylinderlaufbuchse und damit eine höhere Leistungsfähigkeit einer diesen Motorblock aufweisenden Brennkraftmaschine erreicht werden können.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung werden Teilchen mit intermetallischen Phasen aus den Werkstoffen Ni0,75Al0,25, Fe0,65Zr0,35, FeCrAl, FeCrAl-Cr3C2, (FeNi)CrAl-Cr3C2 verwendet. Als besonders zweckmäßig hat sich hierbei Fe0,65Zr0,35 erwiesen, da hier die beste Anbindung sowohl an den ersten Werkstoff der Zylinderlaufbuchse, beispielsweise Gusseisen, als auch an den zweiten Werkstoff des Motorblocks, hier Aluminium, beobachtet werden konnten. Bei all diesen Werkstoffen findet eine stoffliche Verbindung an den umgossenen Aluminiummotorblock statt.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung werden Teilchen mit einem mittleren Durchmesser von 0,2 bis 1,0 mm, vorzugsweise von 0,4 bis 0,7 mm, verwendet. Bei derartigen durchschnittlichen Durchmessern konnte eine besonders gute Anbindung und damit ein besonders guter Formschluss beobachtet werden, da hier einerseits der entstehende Hinterschnitt groß genug ist, andererseits die Teilchen so groß sind, dass sie beim Einbringen des ersten Gusswerkstoffs, beispielsweise Gusseisen, nicht komplett aufgeschmolzen, sondern lediglich angeschmolzen werden und dadurch noch an der Außenoberfläche in Form von Teilkugelsegmenten anhaften.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung wird eine Sand, Binder, Seife und Wasser aufweisende Schlichteschicht verwendet. Derartige Schlichteschichten bieten dabei den besonderen Vorteil, dass sie einfach aufzubringen und kostengünstig sind.
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Zweckmäßig wird eine Kokille aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl, verwendet und diese insbesondere auf ca. 300 °C aufgeheizt. Das Aufheizen einer aus Stahl ausgebildeten Kokille begünstigt ein vergleichsweise schnelles Abtrocknen der Schlichteschicht, wodurch wiederum ein vergleichsweise schnelles Aufspritzen bzw. generell Aufbringen des Pulvers mit den Teilchen aus intermetallischen Phasen erreicht werden kann. Zudem ermöglicht ein derartiges Aufheizen der Kokille verringerte Temperaturspannungen beim Gießen der Zylinderlaufbuchse, wodurch ebenfalls Vorteile erzielt werden können.
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Zweckmäßig wird die Schlichteschicht mit einer Dicke von ca. 0,2 bis 2,0 mm, bevorzugt 0,8 bis 1,0 mm aufgebracht, insbesondere aufgespritzt. Die Schlichteschicht wird somit lediglich so dick aufgetragen, dass sie ein Halten des aufgebrachten Pulvers und der aufgespritzten Teilchen problemlos bewältigen kann, jedoch eine Taktzeit, insbesondere nach dem Aufbringen der zumindest einen Schlichteschicht und dem anschließenden zumindest teilweise Erstarren derselben möglichst kurz gehalten werden kann. Die bevorzugte Dicke ist darüber hinaus derart gewählt, dass die aufgebrachten Teilchen aus intermetallischen Phasen unabhängig von einer Auftreffgeschwindigkeit und einem Erstarrungszustand der zumindest einen Schlichteschicht nicht vollständig in dieser versinken können, wodurch ein anschließendes Anschmelzen derselben durch den ersten Gusswerkstoff der Zylinderlaufbuchse nicht mehr möglich wäre.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung kann die Schlichteschicht eine erste und eine zweite Lage aufweisen. Hierbei ist beispielsweise denkbar, dass nach dem Aufbringen einer ersten Lage der Schlichteschicht diese zumindest teilweise abtrocknet und dann anschließend eine zweite Lage der Schlichteschicht aufgebracht, beispielsweise aufgespritzt, wird, wodurch ebenfalls zuverlässig verhindert werden kann, dass beim Aufspritzen der Teilchen aus intermetallische Phasen diese vollständig in der Schlichteschicht versinken. Hierzu wird die zweite Lage der Schlichteschicht hinsichtlich ihrer Dicke deutlich geringer ausgeführt, als ein Durchmesser der aufgebrachten Teilchen. Rein theoretisch ist dabei auch denkbar, dass die beiden Lagen der zumindest einen Schlichteschicht unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen, wodurch ebenfalls Vorteile erzielbar sind: Allgemein ist durch die Dicke der Schlichteschicht die thermische Isolierwirkung steuerbar, wobei eine dünne Schlichteschicht eine schnellere Abkühlung der anschließend gegossenen Zylinderlaufbuchse und eine hierzu dickere Schlichteschicht eine langsamere Abkühlung bewirken. Die zweite Schicht ist eine Funktionsschicht, da diese die Teilchen aufnehmen und positionieren soll. Durch die zweite Lage kann eine dicke Schlichteschicht aus Kombination der ersten und der zweiten Lage aufgebracht werden. Dies verstärkt die thermische Isolierungswirkung.
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Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine für das zuvor beschriebene Verfahren verwendbare Zylinderlaufbuchse bereitzustellen, an deren äußerer Mantelfläche die zuvor beschriebenen Teilchen aus intermetallischen Phasen stoffschlüssig angebunden sind. Die intermetallischen Phasen der Teilchen weisen dabei vorzugsweise Ni0,75Al0,25, Fe0,65Zr0,35, FeCrAl, FeCrAl-Cr3C2, (FeNi)CrAl-Cr3C2 auf. Die Zylinderlaufbuchse ist beispielsweise aus Grauguss ausgebildet. Die Teilchen können einen mittleren Durchmesser von 0,2 bis 2,0 mm, bevorzugt von 0,4 bis 0,7 mm, aufweisen. Die Teilchen können auch als Kügelchen ausgebildet sein und dadurch eine Kugelform aufweisen, wobei auch andere geometrische Formen denkbar sind, wie beispielsweise Würfel. Von besonderem Vorteil bei den erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchsen sind die stoffschlüssig fest an die äußere Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse angebundenen Teilchen, die nach dem Herstellen des Motorblocks zugleich auch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Aluminiumgusswerkstoff des Motorblocks eingehen, wodurch eine indirekte stoffschlüssige Verbindung der Zylinderlaufbuchse über deren Teilchen mit dem zweiten Gusswerkstoff des Motorblocks erreicht werden. Durch eine hinterschnittartige Form der stoffschlüssig angebundenen Teilchen kann zudem auch noch eine formschlüssige Verbindung zwischen Zylinderlaufbuchse und Motorblock erreicht werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch,
- 1 eine Schnittdarstellung durch eine Kokille mit aufgebrachter Schlichteschicht und aufgebrachtem Pulver mit Teilchen aus intermetallischen Phasen vor einem Gießen einer Zylinderlaufbuchse,
- 2 von links nach rechts unterschiedliche Stadien eines Anschmelzens und damit eines stoffschlüssigen Anbindens eines Teilchens beim Gießen der Zylinderlaufbuchse,
- 3 eine Schnittdarstellung durch eine von einem zweiten Gusswerkstoff eingegossene Zylinderlaufbuchse.
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Entsprechend den 1 bis 3 sind einzelne Verfahrensschritte zur Herstellung eines Motorblocks 1, üblicherweise eines Kurbelgehäuses, mit zumindest einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse 2 gezeigt. Dabei wird im ersten Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst eine eine Negativform der Zylinderlaufbuchse 2 abbildende Kokille 3 bereitgestellt, aufgeheizt und in Rotation versetzt. Anschließend wird zumindest eine Schlichteschicht 4, welche beispielsweise zwei Lagen 5 und 6 aufweisen kann, auf eine Innenfläche 7 der Kokille 3 aufgebracht, beispielsweise aufgespritzt, insbesondere im Schleuderguss. Gemäß den 1 bis 3 ist dabei eine Innenfläche 7 der Kokille 3 bzw. eine Innenfläche 7' der Zylinderlaufbuchse 2 ohne Krümmung dargestellt, was selbstverständlich nur der Übersichtlichkeit halber so gewählt wurde, da üblicherweise klar ist, dass die Innenfläche 7 als auch die Innenfläche 7' gekrümmt sind. Anschließend wird ein Pulver 8 mit Teilchen 9 aus intermetallischen Phasen derart auf die zumindest eine Schlichteschicht 4 aufgebracht, beispielsweise aufgespritzt, dass die Teilchen 9 teilweise von der Schlichteschicht 4 aufgenommen werden bzw. in diese eindringen, wie dies gemäß der 1 dargestellt ist.
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Entsprechend der 2 kann man dabei erkennen, dass die Teilchen 9 des Pulvers 8 ca. 0,3 bis 0,5 mm tief in die Schlichteschicht 4 eingedrungen und mit einem Bereich 10 noch frei liegen.
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Die Teilchen 9 können dabei insbesondere durch Flammspritzen in der Art einer durchgängigen Schicht 9' aufgebracht werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird nun ein erster flüssiger Gusswerkstoff 11, beispielweise Gusseisen, eingebracht, der die Teilchen 9 des Pulvers 8 anschmilzt und stoffschlüssig mit dem ersten Gusswerkstoff 11 verbindet. In der 2 sind dabei die einzelnen Aufschmelz- bzw. Anschmelzphasen der Teilchen 9 bzw. deren Bereiche 10 von links nach rechts dargestellt. Ganz links wird der erste flüssige und heiße Gusswerkstoff 11 zunächst eingebracht, während er in dem Stadium, welches am zweiten Teilchen 9 von links dargestellt ist, bereits beginnt, leicht abzukühlen und zugleich den Bereich 10 des Teilchens 9 aufzuschmelzen. Bei dem dritten von links gezeigten Teilchen 9 erfolgt bereits ein Abkühlen des Bereichs 10 und damit ein stoffschlüssiges Verbinden des Teilchens 9 mit dem ersten Gusswerkstoff 11, wie dies in Vollendung bei dem ganz rechts dargestellten Teilchen 9 gemäß der 2 gezeigt ist.
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Anschließend wird die gegossene Zylinderlaufbuchse 2 aus der Kokille 3 entnommen und zugleich werden unter Umständen noch vorhandene Schlichtereste entfernt. Gemäß der 3 erfolgt dann ein Einbringen der Zylinderlaufbuchse 2 mit den stoffschlüssigen daran angebundenen Teilchen 9 in ein entsprechendes Gusswerkzeug bzw. eine Gießform, die eine Negativform des herzustellenden Motorblocks 1 bildet. Daraufhin wird die Zylinderlaufbuchse 2 mit einem Aluminium aufweisenden zweiten Gusswerkstoff 12 umgossen und dadurch der Motorblock 1 hergestellt. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit eine formschlüssige und stoffschlüssige Verbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse 2 und dem Gusswerkstoff 12, das heißt dem Material des Motorblocks 1 erreichen, wodurch die Zylinderlaufbuchse 2 nicht nur äußerst zuverlässig im Material des Motorblocks 1 verankert werden kann, sondern auch in einem deutlich gesteigerten wärmeübertragenden Kontakt, insbesondere aufgrund der stoffschlüssigen Verbindung zwischen dem Teilchen 9 und der Zylinderlaufbuchse 2. Hierdurch lässt sich eine verbesserte Kühlung der Zylinderlaufbuchse 2 während des Betriebes erreichen und damit eine Steigerung der Leistung einer mit einem solchen Motorblock 1 ausgestatteten Brennkraftmaschine 13.
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Wie der 3 dabei zu entnehmen ist, erfolgt beim Umgießen der Zylinderlaufbuchse 2 mit dem zweiten Gusswerkstoff 12 des Motorblocks 1 zugleich auch eine intermetallische Verbindung 14, das heißt eine stoffschlüssige Verbindung, zwischen den Teilchen 9 und dem zweiten Gusswerkstoff 12 des Motorblocks 1, wodurch ein durchgehend stoffschlüssiger Kontakt zwischen der Zylinderbuchse 2 und dem Motorblock 1 und damit ein optimal wärmeübertragender Kontakt geschaffen werden können. Die Zylinderlaufbuchse 2 ist dabei möglicherweise aus einer Eisenlegierung bzw. Gusseisen, hergestellt, während der zweite Gusswerkstoff 12 beispielsweise eine Aluminiumlegierung ist.
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Die Teilchen 9 mit intermetallischen Phasen können beispielsweise aus Ni0,75Al0,25, Fe0,65Zr0,35, FeCrAl, FeCrAl-Cr3C2, (FeNi)CrAl-Cr3C2 aufweisen. Die Teilchen 9 selbst haben vorzugsweise einen mittleren Durchmesser von 0,2 bis 2,0 mm, bevorzugt von 0,4 bis 0,7 mm, wodurch in Abstimmung mit der Eindringtiefe von 0,3 bis 0,5 mm (vgl. 2) ein optimales Anhaften bzw. Halten der Teilchen 9 in der Schlichteschicht 4 erreicht werden kann. Die Schlichteschicht 4 weist beispielsweise Sand, Binder, Seife und Wasser auf und ist dadurch wasserlöslich, wodurch eventuell verbleibende Schlichtereste durch einfache Spülvorgänge entfernt werden können.
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Die Kokille 3 wiederum ist vorzugsweise aus einem Eisenwerkstoff, insbesondere aus Stahl, ausgebildet und wird auf ca. 300 °C aufgeheizt, wodurch nicht nur eine schnellere Taktzeit erzielt werden kann, da die Schlichteschicht 4 schneller abtrocknet, sondern auch thermische Spannungen beim Gießen der Zylinderlaufbuchse 2 zumindest minimiert werden können. Die Schlichteschicht 4 selbst besitzt eine Dicke zwischen 0,2 und 2,0 mm, bevorzugt zwischen 0,8 und 1,0 mm, und kann, wie dies gemäß den 1 und 2 darstellt ist, auch aus mehreren Lagen 5, 6 ausgebildet sein, wobei die erste Lage 5 beispielsweise dünner ist und dadurch schneller erstarrt, während die zweite Lage 6 etwas dicker ist und die Einbettung bzw. ein Eindringen der Teilchen 9 des Pulvers 8 bis zur Grenze zur ersten Lage 5 erlaubt.
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Das Pulver 8 bzw. deren Teilchen 9 werden üblicherweise aufgespritzt, wobei vorzugsweise die zumindest eine Schlichteschicht 4 bzw. beispielsweise deren erste Lage 5 bereits getrocknet ist, um ein zu tiefes Eindringen bzw. auch ein Versinken der Teilchen 9 in der Schlichteschicht 4 zuverlässig verhindern zu können. Wichtig beim Aufbringen der Teilchen 9 auf die Schlichteschicht 4 ist nämlich, dass diese mit einem vordefinierten Bereich 10 aus der Schlichteschicht 4 herausragen und über diesen Bereich 10 die stoffschlüssige Verbindung durch Aufschmelzen mit dem ersten Gusswerkstoff 11 der Zylinderlaufbuchse 2 erreicht werden kann. Betrachtet man nochmals die 1, so kann man erkennen, dass ein Abstand zwischen zwei benachbarten Teilchen 9 zwischen 2 und 2,5 mm beträgt, wobei selbstverständlich die genannten Angaben zum Abstand bzw. zum Durchmesser oder Eindringtiefe der Teilchen 9 lediglich rein exemplarisch zu verstehen sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich somit ein Motorblock 1 herstellen, bei welchem die darin eingebauten Zylinderlaufbuchsen 2 stoffschlüssig und formschlüssig an das Material, hier den zweiten Gusswerkstoff 12, des Motorblocks 1 angebunden und dadurch nicht nur optimal darin verankert, sondern auch optimal wärmeübertragend mit diesen verbunden sind.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch die für das zuvor beschriebene Verfahren verwendbare Zylinderlaufbuchse 2, an deren äußerer Mantelfläche die zuvor beschriebenen Teilchen 9 aus intermetallischen Phasen stoffschlüssig angebunden sind. Die intermetallischen Phasen der Teilchen 9 weisen dabei vorzugsweise Ni0,75Al0,25, Fe0.65Zr0.35, FeCrAl, FeCrAl-Cr3C2, (FeNi)CrAl-Cr3C2 auf. Die Zylinderlaufbuchse 2 ist aus einem ersten Gusswerkstoff 11 hergestellt, beispielsweise aus Grauguss. Die Teilchen 9 können einen mittleren Durchmesser von 0,2 bis 2,0 mm, bevorzugt von 0,4 bis 0,7 mm, aufweisen. Die Teilchen 9 können auch als Kügelchen ausgebildet sein und dadurch eine Kugelform aufweisen, wobei auch andere geometrische Formen denkbar sind, wie beispielsweise Würfel. Die Teilchen 9 können auch Bestandteil einer durchgängigen Schicht 9' und/oder durch Flammspritzen aufgebracht sein.
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Von besonderem Vorteil bei den erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchsen 2 sind die im Bereich 10 stoffschlüssig fest an die äußere Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse 2 angebundenen Teilchen 9, die nach dem Herstellen des Motorblocks 1 zugleich auch eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Aluminiumgusswerkstoff des Motorblocks 1 eingehen. Hierdurch kann somit eine indirekte stoffschlüssige Verbindung der Zylinderlaufbuchse 2 über deren Teilchen 9 mit dem zweiten Gusswerkstoff 12 des Motorblocks 1 erreicht werden. Durch eine hinterschnittartige Form der stoffschlüssig angebundenen Teilchen 9 kann zudem auch noch eine formschlüssige Verbindung zwischen Zylinderlaufbuchse 2 und Motorblock 1 erreicht werden, wodurch die Verbindung nochmals verbessert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009056919 A1 [0002]
