DE10324279A1 - Zylinderlaufbuchse, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie Verbundteil - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material für einen Motorblock für einen Verbrennungsmotor. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche eine thermisch gespritzte Schicht aus einer niedrig legierten Eisenlegierung oder eine Haftvermittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium besteht, sowie über der Haftvermittlerschicht eine als tribologische Lauffläche dienende Schicht aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbuchse sowie ein Verbundteil aus einem Motorblock für einen Verbrennungsmotor und mindestens einer derartigen Zylinderlaufbuchse. DOLLAR A Die Erfindung erlaubt die kostengünstige Reparatur verschlissener Zylinderlaufbuchsen ohne die Notwendigkeit der Anpassung neuer Kolben.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laufbuchse für ein Kurbelgehäuse nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18 bzw. 20.
  • Gattungsgemäße Laufbuchsen sind bekannt. Sie finden sich in den Zylinderbohrungen der Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren und dienen dazu, für die in den Zylinderbohrungen aufgenommenen Kolben geeignete tribologische Laufflächen zur Verfügung zu stellen. Üblicherweise kommen Leichtmetall-Druckguss-Kurbelgehäuse mit eingegossenen Laufbuchsen aus Aluminium-Werkstoffen (Silitec 5, Alusil, Locasil, etc.) zum Einsatz. Die Laufbuchsen können auch aus Grauguss- oder keramischen Materialien hergestellt und, insbesondere in Grauguss-Gehäusen, auch eingepresst statt eingegossen sein.
  • Derartige Laufbuchsen bzw. deren tribologische Laufflächen unterliegen durch die Benutzung mit der Zeit einem Verschleiß. Bei Vorliegen einer bestimmten Verschleißrate muss die Laufbuchse repariert werden. Dazu wird die verschlissene Buchse auf ein bestimmtes Maß (bspw. 0,3 mm) heruntergedreht, gehont und anschließend freigelegt. Dadurch wird eine neue tribologische Lauffläche geschaffen. Anschließend werden neue Kolben mit Ringen auf den neuen Durchmesser der Laufbuchsen ange passt. Diese Kolben sind etwa um den Faktor 3 bis 4 teurer als Serienkolben, da es sich um Einzelanfertigungen handelt.
  • Aus der US-5,873,163 A ist ein Verfahren bekannt, bei dem der korrodierte Oberflächenbereich von Laufbuchsen durch Abschleifen und Aufsetzen eines Ringes repariert wird. Der Ring wird mittels einer anaeroben Haftsubstanz auf der abgeschliffenen Oberfläche fixiert. Dadurch wird vermieden, dass die komplette Laufbuchse ersetzt werden muss. Dieses Verfahren bietet für das vorliegende Problem keine Lösung, da ein vollständiger Ersatz der Lauffläche der Laufbuchse damit nicht möglich ist.
  • Die US-4,918,805 A beschreibt ein Schweißverfahren zur Reparatur von Zylinderköpfen für Dieselmotoren, bei dem Risse im Zylinderkopf mit verschiedenen Metallegierungen geschweißt werden. Schweißverfahren sind jedoch zur Reparatur tribologischer Laufflächen nicht geeignet, da damit die gewünschten Reib- bzw. Laufeigenschaften nicht erreicht werden können.
  • Aus der DE 28 41 446 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus einem Metallteil und einer Leichtmetallgussschicht bekannt, bei welchem auf das Metallteil eine Zwischenschicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Hochtemperaturspritzen aufgebracht wird und anschließend die Gussschicht aus einer Aluminiumlegierung gegossen wird.
  • Die DE 38 16 348 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Verbundgusswerkstücken, bei dem die zu beschichtende Oberfläche eines Werkstückes aufgerauht und mit einer Koppelschicht bspw. in Form einer niedrigschmelzenden Metallegierung wie einer Nickelbasislegierung versieht. Anschließend wird das Werkstück auf Fließtemperatur der Koppelschicht erwärmt und umgossen.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, eine Laufbuchse und ein Verfahren der o.g. Art bereit zu stellen, welche die einfache und kostengünstige Reparatur tribologischer Laufflächen von Laufbuchsen ermöglichen. Die Lösung besteht in einer Laufbuchse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verbundteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 sowie in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 18 bzw. 20.
  • Erfindunsgemäß ist also vorgesehen, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche mindestens eine thermisch gespritzte Schicht aufweist. Der überraschende Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass Zylinderlaufbuchsen aus verschiedenen Materialien, nämlich aus Grauguss, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Werkstoff auf dieselbe Weise repariert bzw. erneuert werden können. Das direkte Auftragen mindestens einer thermisch gespritzten Schicht, wobei zumindest die oberste freiliegende Schicht tribologische Eigenschaften aufweist, ermöglicht es, den Innendurchmesser der Zylinderlaufbuchse wieder an die Abmessungen der serienmäßig hergestellten Kolben (mit Ringen) anzupassen. Mit der vorliegenden Erfindung kann daher eine effektive und kostengünstige Reparatur verschlissener Laufflächen vorgenommen werden, ohne dass neue Kolben (mit neuen Ringen) angepasst werden müssen. Damit können die Kosten im optimalen Fall um den Faktor 3 bis 4 gesenkt werden.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Eine der beiden besonders bevorzugten Varianten der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass genau eine thermisch gespritzte Schicht vorgesehen ist, nämlich eine auf die verschlissene Lauffläche thermische gespritzte Schicht aus einer niedrig legierten Fe-Basis-Legierung, vorzugsweise einer niedrig legierten Fe-C-Legierung. Überraschenderweise ist diese Legierung für Zylinderlaufkolben bzw. Laufflächen aus beliebigen Materialien geeignet und weist geeignete Hafteigenschaften auf der verschlissenen Lauffläche auf.
  • Eine derartige Legierung wird vorzugsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen aufgetragen, wobei als Spritzmaterial ein oder zwei Drähte aus der jeweils verwendeten Legierung zum Einsatz kommen können. Diese Schicht hat tribologische Eigenschaften und kann in üblicher Weise gehont und ggf. freigelegt werden, so dass eine neue Lauffläche entsteht. Bei der Nachbearbeitung kann der Innendurchmesser der mit dieser neuen Lauffläche versehenen Zylinderlaufbuchse wieder an die Maße der serienmäßig gefertigten Kolben (mit Ringen) angepasst werden. Daher richtet sich die Dicke der neu aufgetragenen Schicht auch nach dem Grad der notwendigen Anpassung des Innendurchmessers.
  • Die zweite besonders bevorzugte Variante der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass die Zylinderlaufbuchse auf der verschlissenen Lauffläche eine Haftvermittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium besteht, wobei auf die Haftvermittlerschicht eine neue als tribologische Lauffläche dienende Schicht aufgetragen ist. Für den Fachmann überraschend ist hierbei, dass die Zusammensetzung der Nickel-Aluminiumlegierung ebenfalls eine feste und gleichmäßig gute Anbindung zwischen dem Material der Zylinderlaufbuchse oder der verschlissenen Lauffläche und der neu aufgebrachten Schicht gewährleistet. Darüber hinaus treten im Bereich der Anbindung keine Spalten oder Trennungen auf.
  • Die Haftvermittlerschicht weist insbesondere eine Dicke von 50 bis 200 μm, vorzugsweise von 100 μm auf und wird bevorzugt mittels Plasmaspritzen auf die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse aufgebracht. Zum Plasmaspritzen wird bevorzugt ein Pulver aus demselben Material wie die Haftvermittlerschicht, also eine Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium verwendet.
  • Die neue als tribologische Lauffläche dienende Schicht besteht vorzugsweise aus demselben Material wie die Zylinderlaufbuchse bzw. die alte, verschlissene Lauffläche. Damit entfällt auch eine Anpassung der Kolben an neue Laufflächen-Materialien und die bisherigen Laufeigenschaften des Motors können wiederhergestellt werden.
  • Für beide bevorzugte Varianten kann die Zylinderlaufbuchse in an sich bekannter Weise aus Grauguss oder einem Aluminiumwerkstoff, vorzugsweise einer an Si übereutektischen Al-Si-Legierung wie sie bspw. unter den Handelsnamen Silitec 5, Alusil etc. bekannt sind, gefertigt sein. Die Zylinderlaufbuchse kann auch aus keramischen Werkstoffen, bspw. Oxidkeramiken, Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen, Siliziumcarbidkeramiken oder faserverstärkten SiC/SiC- oder C/SiC-Keramiken gefertigt sein.
  • In jedem Falle ist es von Vorteil, vor dem Auftragen der ersten thermisch gespritzten Schicht die verschlissene Lauffläche vorzubehandeln, insbesondere aufzurauen, bspw. mittels Hochdruckwasserstrahlen oder Korundstrahlen, um die Haftung zwischen der verschlissenen Lauffläche und der ersten thermisch gespritzten Schicht noch weiter zu verbessern.
    •
  • Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden näher erläutert.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Laufbuchsen aus den verschiedensten Materialien, wie es oben bereits erläutert wurde, bearbeitet werden. Die DE 197 17 825 A1 beschreibt bspw. ein Kurbelgehäuse aus einer Aluminium-Basislegierung (wie AlSi8Cu, AlSi9Cu, AlSi10Cu als naheutektische Legierungen) mit einer im Basismaterial fest verankerten und vom Aufbau her homogenen Schicht aus Aluminiumnitrid als Lauffläche.
  • Aus der DE 44 38 550 A1 ist ferner eine Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bekannt, die feine Silizium-Primärkristalle und intermetallische Phasen in Form harter Partikel aufweist. Ein derartiges Material wird oberflächenbearbeitet, indem in einem ersten Schritt eine Feinbohrung vorgenommen wird. Anschließend wird die Oberfläche durch Honen geglättet. Dies erfolgt in der Serienfertigung in mindestens zwei Arbeitsschritten, die man als Vorhonen und Fertighonen bezeichnet. In einem letzten Schritt werden die in der Legierung enthaltenen Silizium-Partikel, welche die eigentliche Lauffläche bilden, freigelegt, indem Aluminium mit Hilfe einer wässrigen Lösung einer Säure herausgeätzt wird.
  • Aus den deutschen Patentanmeldungen DE 197 33 204 A1 und DE 197 33 205 A1 ist eine thermisch gespritzte Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legie-rung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff bekannt, die sich durch ein heterogenes Schichtgefüge aus Aluminium-Mischkristall, einem groben bis sehr feinem Netzwerk aus eutektischem Silizium, Silizium-Ausscheidungen bzw. -Partikeln, intermetallischen Phasen und extrem fein verteilten Oxiden auszeichnet. Diese Beschichtung weist charakteristische primä re Aluminium-Mischkristall-Dendrite auf, bei denen die Dendritenarme von eutektischem Silizium umhüllt sind. Die Schliffaufnahmen derartiger Beschichtungen zeigen ein charakteristisches schwammartiges Aussehen. Silizium-Primärausscheidungen und Siliziumpartikel liegen nur in einem kleinen Anteil vor und weisen einen kleinen Durchmesser auf. Bei der Oberflächenbearbeitung dieser Schichten werden die an der Oberfläche liegenden Dendritenarme angeschliffen, so dass beim nachfolgenden Freilegen das Aluminium weggeätzt wird und aluminiumfreie Silizium-Gerüste zurückbleiben, welche die eigentliche Lauffläche bilden.
  • Eine verschlissene Laufbuchse aus dem letztgenannten Werkstoff mit 23 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 25 Gew.-% Silizium, maximal 0,6 Gew.-% Zirkon, 0,25 Gew.-% Eisen und jeweils 0,01 Gew.-% Mangan, Kupfer, Nickel und Zink, Rest Aluminium, wird zur Vorbehandlung der verschlissenen tribologischen Lauffläche gereinigt, bspw. sandstrahlgereinigt und ggf. aufgeraut, bspw. durch Hockdruckwasserstrahlen oder Korundstrahlen. Die so vorbehandelte Oberfläche wird mit einer Haftschicht aus einem Haftschichtwerkstoff mit 80–95 Gew.-% Nickel und 20–5 Gew.-% Aluminium versehen. Der Haftschichtwerkstoff liegt als Legierung in Pulverform vor und wird mittels an sich bekannter Plasmaspritzverfahren, wie es bspw. in der DE 195 08 687 C2 beschrieben ist, aufgetragen. Die Dicke der Haftschicht ist so bemessen, dass die verschlissene Lauffläche einschließlich al-ler Rauheiten und Vertiefungen vollständig von der Haftschicht bedeckt ist. An den dünnsten Stellen sollte die Dicke der Haftschicht etwa 0,05 bis 0,1 mm betragen.
  • Auf die Haftschicht wird eine neue tribologische Schicht aus demselben Material aufgetragen, aus dem die Laufbuchse besteht. Auch in diesem Fall geschieht dies mittels Plas maspritzverfahren, wie es in der DE 197 33 204 A1 und der DE 197 33 205 A1 beschrieben ist. Diese neue Schicht dient wiederum als Lauffläche der reparierten Laufbuchse. Die Dicke der tribologischen Schicht ist so bemessen, dass beim gewohnten Nacharbeiten (Honen, Freilegen) der ursprüngliche Durchmesser der Laufbuchse wieder hergestellt wird, so das in Serie gefertigte Kolben (mit Ringen) eingepasst werden können.
  • Die Haftschicht verbindet sich vor dem Erstarren mit der verschlissenen Oberfläche der Laufbuchse, wobei die beiden Schichten etwa 0,01 bis 0,1 mm tief ineinander eindringen. Gleiches gilt für die Verbindung der Haftschicht mit der neu aufgetragenen tribologischen Schicht.
  • Auf vergleichbare Weise wurde eine verschlissene Zylinderlaufbuchsen von 140 mm Höhe und 93 mm Durchmesser aus dem Werkstoff Silitec 5 behandelt. Zunächst wurde die verschlissene tribologische Lauffläche durch Sandstrahlen gereinigt und anschließend mittels Plasmaspritzverfahren mit einer 100 μm dicken Haftvermittlerschicht aus 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Aluminium überzogen. Anschließend wurde die Haftvermittlerschicht ebenfalls mittels Plasmaspritzverfahren mit einer neuen als tribologische Lauffläche dienenden Schicht aus Silitec 5 überzogen. Diese Schicht wurde dann wie gewohnt gehont und freigelegt, wobei der Innendurchmesser der Zylinderlaufbuchse an die Abmessungen der gewünschten Serienkolben (mit Ringen) angepasst wurde.
  • Statt Plasmaspritzverfahren können auch andere thermische Spritzverfahren wie Flammspritzen und Lichtbogendrahtspritzen verwendet werden. Die Wahl des thermischen Spritzverfahrens hängt vom Material der Zylinderlaufbuchse und der Haftvermittlerschicht und von der Art der gewünschten Gefügestruktur ab.
  • Diese Kriterien können vom Fachmann in an sich bekannter Weise aufeinander abgestimmt werden.
  • Eine weitere Zylinderlaufbuchse aus dem oben beschriebenen Material (Silitec 5) wurde auf gleiche Weise vorbehandelt (mittels Sandstrahlen gereinigt und aufgeraut) und anschließend wurde mittels Lichtbogendrahtspritzen eine niedrig legierte Fe-C-Legierung aufgetragen. Bei der anschließenden Nachbehandlung (Honen, Freilegen) wurde der Innendurchmesser der Zylinderlaufbuchse an die Maße der zu verwendenden Kolben (mit Ringen) angepasst.

Claims (26)

  1. Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material für einen Motorblock für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche mindestens eine thermisch gespritzte Schicht aufweist.
  2. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche eine thermische gespritzte Schicht aus einer niedrig legierten Fe-Basis-Legierung aufweist.
  3. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht aus einer niedrig legierten FeC-Legierung besteht.
  4. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische gespritzte Schicht mittels Lichtbogendrahtspritzen hergestellt ist.
  5. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche – eine thermisch gespritzte Haftvermittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium besteht, – über der Haftvermittlerschicht eine als tribologische Lauffläche dienende thermisch gespritzte Schicht aufweist.
  6. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht eine Dicke von 50 bis 150 μm, vorzugsweise von 100 μm aufweist.
  7. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht mittels Plasmaspritzen aufgebracht ist.
  8. Zylinderlaufbuchse nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die als tribologische Lauffläche dienende Schicht aus demselben Material wie die Zylinderlaufbuchse oder die verschlissene Lauffläche besteht.
  9. Zylinderlaufbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einer an Si übereutektischen Al-Si-Legierung gefertigt ist.
  10. Verbundteil aus einem Motorblock für einen Verbrennungsmotor und mindestens einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche mindestens eine thermisch gespritzte Schicht aufweist.
  11. Verbundteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche eine thermische gespritzte Schicht aus einer niedrig legierten Fe-Basis-Legierung aufweist.
  12. Verbundteil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch gespritzte Schicht aus einer niedrig legierten FeC-Legierung besteht.
  13. Verbundteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische gespritzte Schicht mittels Lichtbogendrahtspritzen hergestellt ist.
  14. Verbundteil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse auf ihrer verschlissenen Lauffläche – eine Haftvermittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium besteht, – über der Haftvermittlerschicht eine als tribologische Lauffläche dienende Schicht aufweist.
  15. Verbundteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht mittels Plasmaspritzen auf die Innenfläche der mindestens einen Zylinderlaufbuchse aufgebracht ist.
  16. Verbundteil nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die als tribologische Lauffläche dienende Schicht aus demselben Material wie die Zylinderlaufbuchse oder die verschlissene Lauffläche besteht.
  17. Verbundteil nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse aus einer an Si übereutektischen Al-Si-Legierung gefertigt ist.
  18. Verfahren zur Reparatur einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material, dadurch gekennzeichnet, dass auf die verschlissene Lauffläche der Zylinderlaufbuchse mittels Lichtbogendrahtspritzen eine Schicht aus einer niedrig legierten Fe-Basis-Legierung aufgebracht wird.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass als Spritzmaterial eine niedrig legierte FeC-Legierung verwendet wird.
  20. Verfahren zur Reparatur einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Aufbringen einer Haftvermittlerschicht aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium auf die verschlissene Lauffläche der Zylinderlaufbuchse, – Aufbringen einer als tribologische Lauffläche dienenden Schicht.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Haftvermittlerschicht die verschlissene Lauffläche der Zylinderlaufbuchse vorbehandelt, insbesondere gereinigt wird.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftvermittlerschicht in einer Dicke von 50 bis 150 μm, vorzugsweise von 100 μm aufgetragen wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die als tribologische Lauffläche dienenden Schicht aus demselben Material hergestellt wird wie die Zylinderlaufbuchse oder die verschlissene Lauffläche.
  24. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse aus einer an Si übereutektischen Al-Si-Legierung gefertigt wird.
  25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Haftvermittlerschicht mittels Plasmaspritzverfahren aufgetragen wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass zum Plasmaspritzen ein Pulver aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium verwendet wird.
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