DE102021005106A1

DE102021005106A1 - Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und derartig ausgebildete Beschichtung

Info

Publication number: DE102021005106A1
Application number: DE102021005106.8A
Authority: DE
Inventors: Gerd Paczkowski; Hendrik Liborius; Andreas Schubert; Thomas Lampke
Original assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2023-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und derartig ausgebildete Beschichtungen. Die Verfahren und die Beschichtungen zeichnen sich insbesondere durch die Realisierung einer hochdichten Schicht mit verbesserten Gleit- und Notlaufeigenschaften aus. Dazu werden in einem ersten Schritt Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder eingebracht. In einem zweiten Schritt werden die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders zur Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und einer Verbindungsschicht auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders mit den Verbindungen thermisch beschichtet. In einem dritten Schritt erfolgt ein Materialauftrag auf die Verbindungsschicht mittels Laserauftragschweißen. In einem vierten Schritt erfolgt eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung der laserauftraggeschweißten Schicht zur Ausbildung einer Innenlauffläche der Zylinderbuchse oder des Zylinders. Abschließend werden in einem fünften Schritt Vertiefungen in die laserauftraggeschweißte Schicht als Schmierstoffreservoire eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und derartig ausgebildete Beschichtungen.
Die Druckschrift EP 1 645 652 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems. Dazu werden auf ein Substrat mindestens eine Zwischenschicht und eine Deckschicht so aufgebracht, dass die äußere Schicht oder die Zwischenschicht aufgrund einer Vertiefung nur zumindest teilweise auf dem Substrat oder auf der Zwischenschicht vorhanden ist. In den Vertiefungen werden Verankerungsmittel erzeugt. Mittels eines Lasers oder eines Plasmabrenners werden die Vertiefungen eingebracht und die jeweilige Schicht aufgebracht. Die Verankerungsmittel werden als separat ausgeführte und durchgehende oder innere Verankerungsmittel ausgebildet.
Durch die Druckschrift WO 2013/083 672 A1 sind ein Plasmaspritzgerät sowie ein Beschichtungsverfahren bekannt. Dabei ist das Gerät vorzugsweise zur Beschichtung von konvexen Oberflächen ausgebildet, wie Innenflächen von Bohrungen oder Rohren, konzipiert. Charakteristisch dabei ist, dass die Vorrichtung sowohl einen Plasmabrenner zum thermischen Spritzen als auch eine sogenannte Behandlungseinrichtung aufweist. Die Behandlungseinrichtung kann ein weiterer Plasmabrenner aber auch ein Laser sein. Dem Behandlungsstrahl kann aber auch Beschichtungsmaterial zugeführt werden um eine weitere Schicht durch Laserauftragschweißen zu applizieren. Verankerungen sind nicht vorgesehen.
In der Druckschrift DE 10 2016 210 507 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement sowie ein Maschinenelement beschrieben. Vor dem Aufbringen einer Beschichtung oder von Beschichtungen erfolgt eine Behandlung des Grundwerkstoffs mittels eines Lasers, wobei die Oberfläche strukturiert wird. Danach erfolgt ein Schichtaufbau mittels PVD und/oder PACDV und/oder CVD. Nach der Beschichtung liegt eine profilierte Gleitschicht vor.
Der in den Patentansprüchen 1 und 9 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochdichte Schicht mit verbesserten Gleit- und Notlaufeigenschaften als Innenlauffläche einer Zylinderlaufbuchse oder einem Zylinder aus einem Leichtmetall zu realisieren.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 9 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Die Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und derartig ausgebildete Beschichtungen zeichnen sich insbesondere durch die Realisierung einer hochdichten Schicht mit verbesserten Gleit- und Notlaufeigenschaften von Zylinderlaufbuchsen oder Zylindern aus einem Leichtmetall aus.
Dazu werden in einem ersten Schritt Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder eingebracht. In einem zweiten Schritt werden die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders zur Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und einer Verbindungsschicht auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders mit den Verbindungen thermisch beschichtet. In einem dritten Schritt erfolgt ein Materialauftrag auf die Verbindungsschicht mittels Laserauftragschweißen. In einem vierten Schritt erfolgt eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung der laserauftraggeschweißten Schicht zur Ausbildung einer Innenlauffläche der Zylinderbuchse oder des Zylinders. Abschließend werden in einem fünften Schritt Vertiefungen in die laserauftraggeschweißte Schicht zur Verwendung als Schmierstoffreservoir eingebracht.
Auf der Innenfläche der aus einem Leichtmetall insbesondere aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinderlaufbuchse oder des aus einem Leichtmetall insbesondere aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinders ist zur Ausbildung der Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors dazu eine thermisch beschichtete Verbindungsschicht angeordnet. Diese ist weiterhin in eingebrachten Vertiefungen mit Hinterschnitten verankert. Auf der Verbindungsschicht befindet sich die laserauftraggeschweißte Schicht, deren Oberfläche durch eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung die Innenlauffläche der Zylinderbuchse oder des Zylinders ausbildet. Weiterhin weist die laserauftraggeschweißte Schicht eingebrachte Vertiefungen als Reservoir für einen Schmierstoff auf.
Das Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders stellt vorteilhafterweise eine Kombination der Verfahren thermisches Beschichten und Laserauftragschweißen dar. Mit dem Laserauftragschweißen wird vorteilhafterweise eine hochdichte und die Innenlauffläche darstellende Schicht aufgetragen. Damit kann eine Zylinderlaufbuchse oder ein Zylinder aus einem Leichtmetall in einem Verbrennungsmotor verwendet werden, welche verschleißfest ausgebildet ist und sich durch verbesserte Gleit- und Notlaufeigenschaften auszeichnet. Mit der Kombination der beiden Beschichtungsverfahren wird eine Möglichkeit geschaffen, indirekt auf Leichtmetallen mittels Laserauftragschweißen eine Schicht zu applizieren. Zur Erzeugung tribologisch günstiger Eigenschaften dieser Schicht erfolgt die Nachbearbeitung mittels Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden und/oder der randschichtumformenden Bearbeitung. Die Schicht lässt sich aufgrund seiner Materialeigenschaften schnell, reproduzierbar, verschleißarm und durch Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide ohne Kühlschmiermittel nachbearbeiten. Damit ist eine tribologisch beständige Schicht realisiert. Aufgrund der geringen schichteigenen Porosität wird zur Erzeugung eines notwendigen Rückhaltevolumens für einen Schmierstoff die Schicht mit Vertiefungen versehen, so dass eine Optimierung der hydrodynamischen Schmierung gegeben ist. Die Vertiefungen können dazu entsprechend der auf den Kolben wirkenden Kräfte eingebracht werden. So kann die Anzahldichte in den oberen und unteren Wendepunkten variiert werden. Damit ist ein neues Schmierkonzept möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Weiterbildungen angegeben, welche das Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder aus einem Leichtmetall mit einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors jeweils einzeln oder in einer Kombination weiterbilden.
In Ausführungsformen können im Querschnitt kopfstehend L-Förmig, kopfstehend T-förmig oder trapezförmig ausgebildete Vertiefungen in die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder eingebracht werden. Die im Querschnitt trapezförmig ausgebildeten Vertiefungen bilden in Verbindung mit der Verbindungsschicht eine Schwalbenschwanzverbindung aus.
Die Vertiefungen können mittels eines spanabhebenden Verfahrens, elektromagnetischer Wellen oder Elektronenstrahlen eingebracht werden. Spanabhebende Verfahren können dazu Drehen, Fräsen oder Ausspindeln sein. Dazu können Sonderwerkzeuge beispielsweise mit diamantbestückten Schneideinsätzen verwendet werden. Elektromagnetische Wellen sind insbesondere die elektromagnetischen Wellen eines Lasers.
Die Vertiefungen können insbesondere so eingebracht werden, dass die Zylinderlaufbuchse oder der Zylinder bereichsweise radial und/oder radial wendelförmig verlaufende und beabstandet zueinander angeordnete Vertiefungen aufweist.
Die formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und die Verbindungsschicht können vorteilhafterweise mittels Plasmaspritzen oder Drahtlichtbogenspritzen ausgebildet werden. Dazu kann insbesondere das atmosphärische Plasmaspritzen verwendet werden.
Die formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und die Verbindungsschicht können aus einem Eisenbasiswerkstoff bestehen.
Die laserauftraggeschweißte Schicht kann eine Eisenbasisschicht sein.
Die formschlüssigen Verbindungen, die Verbindungsschicht und die laserauftraggeschweißte Schicht können aus demselben Material bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:

1 ein Ausschnitt einer Beschichtung mit einer Verbindungsschicht und einer laserauftraggeschweißten Schicht auf einer Zylinderlaufbuchse oder einem Zylinder zur Ausbildung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors.

Im folgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse 1 oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und eine derartige Beschichtung zusammen näher erläutert.
Eine Schichtanordnung für eine Zylinderlaufbuchse 1 oder einen Zylinder zur Ausbildung der Innenlauffläche für einen Kolben eines Motors besteht im Wesentlichen aus einer Verbindungsschicht 2 mit Vertiefungen und einer laserauftraggeschweißte Schicht 3.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Beschichtung mit einer Verbindungsschicht 2 und einer laserauftraggeschweißten Schicht 3 auf einer Zylinderlaufbuchse 1 oder einem Zylinder zur Ausbildung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors in einer prinzipiellen Darstellung.
In einem ersten Schritt werden Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse 1 oder den Zylinder aus einem Leichtmetall eingebracht. Das Leichtmetall ist dazu beispielsweise ein Aluminiumwerkstoff oder besteht aus einer Aluminiumlegierung. Die Vertiefungen sind im Querschnitt trapezförmig für eine Schwalbenschwanzverbindung ausgebildet. Die Vertiefungen werden dazu so eingebracht, dass wenigstens die Zylinderlaufbuchse 1 oder den Zylinder bereichsweise umlaufende und beabstandet zueinander angeordnete Vertiefungen entstehen und so vorhanden sind. Die Vertiefungen sind so grabenförmig ausgebildet.
In einem zweiten Schritt werden die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse 1 oder des Zylinders zur Ausbildung von Verbindungen in den Vertiefungen und einer damit verbundenen Verbindungsschicht 2 thermisch beschichtet. Die Verbindungen der Vertiefungen und die Verbindungsschicht 2 bestehen dazu insbesondere aus einem Eisenbasiswerkstoff, welcher durch Plasmaspritzen partikelweise aufgebracht wird.
In einem dritten Schritt erfolgt ein Materialauftrag auf die Verbindungsschicht 2 mittels Laserauftragschweißen. Dazu wird ein Eisenbasiswerkstoff aufgetragen. Die so vorhandene laserauftraggeschweißte Schicht 3 wird in einem vierten Schritt nachfolgend spanend und/oder randschichtumformend nachbearbeitet.
Abschließend wird diese laserauftraggeschweißte Schicht 3 in einem fünften Schritt mit Vertiefungen 4 versehen. Dazu wird insbesondere ein Verfahren des Laserbohrens verwendet, so dass die laserauftraggeschweißte Schicht 3 Sacklöcher zur Aufnahme eines Schmiermittels als Schmierstoffreservoir aufweist.
Damit ist auf der Innenfläche der aus einem Leichtmetall bestehenden Zylinderlaufbuchse 1 oder des aus einem Leichtmetall bestehenden Zylinders die thermisch beschichtete Verbindungsschicht 2 angeordnet. Diese ist mit Verbindungen in den Vertiefungen mit Hinterschnitten in der Zylinderlaufbuchse 1 oder dem Zylinder verankert. Die Verbindungen in den Vertiefungen und die Verbindungsschicht 2 sind so einstückig ausgebildet. Auf der Verbindungsschicht 2 befindet sich die laserauftraggeschweißte Schicht 3, deren Oberfläche durch eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung die Innenlauffläche der Zylinderbuchse 1 oder des Zylinders ausbildet. Weiterhin weist die laserauftraggeschweißtete Schicht 3 Vertiefungen 4 auf, die durch Laserbohren eingebrachte Sacklöcher sein können. Diese sind gezielt und musterförmig strukturiert eingebracht. Diese Strukturierung erfolgt in erster Linie zur Erhöhung eines Rückhaltevolumens für den Schmierstoff. Die Geometrie, die Anzahl und die Verteilung dieser Vertiefungen 4 kann individuell an das Eigenschaftsprofil des Verbrennungsmotors angepasst werden und so sein. Dadurch kann insbesondere in den Wendepunkten der Bewegung des Kolbens an unterschiedlichen Positionen des Kolbens das Rückhaltevolumen variiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1645652 A1 [0002]
WO 2013083672 A1 [0003]
DE 102016210507 A1 [0004]

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse (1) oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors mit den folgenden Schritten: - Einbringen von Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse (1) oder den Zylinder, - thermisches Beschichten der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse (1) oder des Zylinders zur Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und einer Verbindungsschicht (2) auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse (1) oder des Zylinders mit den Verbindungen, - Materialauftrag auf die Verbindungsschicht (2) mittels Laserauftragschweißen, - spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung der laserauftraggeschweißten Schicht (3) zur Ausbildung einer Innenlauffläche der Zylinderbuchse (1) oder des Zylinders und - Einbringen von Vertiefungen (4) in die laserauftraggeschweißte Schicht (3) zur Verwendung als Schmierstoffreservoir.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Querschnitt kopfstehend L-Förmig, kopfstehend T-förmig oder trapezförmig ausgebildete Vertiefungen in die Zylinderlaufbuchse (1) oder den Zylinder eingebracht werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen mittels eines spanabhebenden Verfahrens, elektromagnetischer Wellen oder Elektronenstrahlen eingebracht werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen so eingebracht werden, dass die Zylinderlaufbuchse (1) oder der Zylinder bereichsweise radial und/oder radial wendelförmig verlaufende und beabstandet zueinander angeordnete Vertiefungen aufweist.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und die Verbindungsschicht (2) mittels Plasmaspritzen oder Drahtlichtbogenspritzen ausgebildet werden.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und die Verbindungsschicht (2) aus einem Eisenbasiswerkstoff bestehen.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die laserauftraggeschweißte Schicht (3) eine Eisenbasisschicht ist.
Verfahren nach den Patentansprüchen 1, 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen, die Verbindungsschicht (2) und die laserauftraggeschweißte Schicht (3) aus demselben Material bestehen.
Zylinderlaufbuchse oder Zylinder aus einem Leichtmetall mit einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenlauffläche der Zylinderlaufbuchse (1) oder des Zylinders Vertiefungen mit Hinterschnitten, formschlüssige Verbindungen in den Vertiefungen und eine Verbindungsschicht (2), welche durch Verwendung eines thermischen Beschichtungsverfahren zusammen ein- und aufgebracht sind, und eine laserauftraggeschweißte Schicht (3), deren Oberfläche durch eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung die Innenlauffläche der Zylinderbuchse (1) oder des Zylinders ausbildet, aufweist und dass sich in der laserauftraggeschweißten Schicht (3) Vertiefungen (4) zur Verwendung als Schmierstoffrückhaltevolumen befinden.