Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es somit ein einfaches, kostengünstiges
und im Serienmaßstab
anwendbares Verfahren bereitzustellen, das ermöglicht in einem Arbeitsschritt
eine Oberflächenstruktur
auf eine Zylinderlaufbuchse aufzubringen, ohne dass eine Nachbearbeitung
zwingend erforderlich ist. Ein erfindungsgemäßes Verfahren sollte weiter
ermöglichen,
dass diese Oberflächenstruktur
ohne wesentliche mechanische Krafteinwirkung auf diese Oberfläche aufgebracht
werden kann, so dass Beschädigungen
der Zylinderlaufbuchse vermieden werden können.
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Anbindung einer Zylinderlaufbuchse
an einen Verbundkörper,
der mindestens eine Zylinderlaufbuchse und Gussmaterial umfasst.
Das erfindungsgemäße Verfahren
weist folgenden Schritt auf: Aufbringen einer Spritzbeschichtung auf
die äußere Oberfläche einer
Zylinderlaufbuchse unter Verwendung einer Maskierung, wobei eine
Zylinderlaufbuchse mit einer nicht vollständig bedeckten, makroskopisch
gestalteten Oberfläche
erhalten wird.
Darüber hinaus
stellt die vorliegende Erfindung eine Zylinderlaufbuchse bereit,
wobei die äußere Oberfläche der
Zylinderlaufbuchse eine makroskopisch gestaltete Spritzbeschichtungsoberflächenschicht
aufweist, welche die äußere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse
nicht vollständig
bedeckt und ein Muster bildet.
Während der
zahlreichen Versuche, die zu der vorliegenden Erfindung führten, stellten
die Erfinder überraschend
fest, dass eine besonders gute mechanische und gegebenenfalls auch
metallurgische Anbindung von Zylinderlaufbuchsen an einen Verbundkörper erzielt
werden kann, wenn die Oberfläche
der Zylinderlaufbuchse mit einer nur teilweisen Oberflächenbeschichtung
versehen wird, wobei die Oberflächenbeschichtung
in Form eines Musters makroskopisch gestaltet ist.
Der
Begriff "makroskopisch
gestaltete Oberflächenbeschichtung", wie in der vorliegenden
Anmeldung verwendet, umfasst Oberflächenstrukturen beliebiger Form
und Erhöhung
(Dicke) von einer Breite und/oder einem Durchmesser auf der Oberfläche einer
Zylinderlaufbuchse von mindestens. 0,1 mm, vorzugsweise mindestens
1 mm, bevorzugter 2 mm bis 20 mm.
Beispiele
für geeignete
Muster sind Streifen, Rillierungen, Punkte, Rauten, Noppen, Zufallsmuster,
Kodierungen, Kennzeichen, vorzugsweise Firmen-Logos, und Kombinationen
hiervon. Ein Anbringen eines fest mit der Zylinderlaufbuchse verbundenen,
und somit im wesentlichen fälschungssicheren Kennzeichens
an einer Zylinderlaufbuchse ist von besonderem Interesse. So können Kennzeichen
angebracht werden, die den Typ der Zylinderlaufbuchse angeben und
somit Verwechslungen beim Einbau ausschließen können.
Eine
Anbringung von einem Firmen-Logo kann als Gütezeichen dienen und verhindern,
dass häufig
fehlerhafte Nachahmer-Produkte mit einem Markenprodukt verwechselt
werden, während
eine Anbringung einer Kodierung bei einer automatisierten Lagerhaltung
oder automatisierten Einbauvorgängen
von Vorteil sein kann.
Darüber hinaus
können
nicht nur geometrische Muster oder einen Rapport aufweisende Muster zur
Oberflächenbeschichtung
verwendet werden, sondern auch Muster, bei denen in statistischer
Verteilung Formen, beispielsweise Striche oder Flecken, aufgebracht
werden. Von besonderem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist, dass Striche, Flecken und Streifen, auch in einer Breite bis
hin zu mehreren Zentimetern, aufgebracht werden können.
Die
makroskopisch gestaltete Oberflächenbeschichtung
kann ein Muster aufweisen, das im wesentlichen in Längsrichtung
auf der Oberfläche
der Zylinderlaufbuchse verläuft,
das heißt
im allgemeinen im wesentlichen parallel zur Höhe der Mantelfläche der
Zylinderlaufbuchse verläuft,
und/oder im wesentlichen in Umfangsrichtung auf der Oberfläche der
Zylinderlaufbuchse verläuft,
das heißt
im allgemeinen im wesentlichen parallel zur Breite der Mantelfläche der
Zylinderlaufbuchse verläuft.
Für bestimmte
Anwendungen können
jedoch auch Muster von Vorteil sein, die im wesentlichen diagonal über die
Mantelfläche
verlaufen (beispielsweise Rautenmuster) oder helixartig um die Oberfläche der
Zylinderlaufbuchse gewunden sind.
Derartig
makroskopisch gestaltete Oberflächenbeschichtungen
bieten den Vorteil, dass der Wärmefluss,
sowohl während
des Gießvorgangs,
als auch im fertig gegossenen Verbundkörper optimiert werden kann.
In dieser Hinsicht kann es vorteilhaft sein, eine makroskopisch
gestaltete Oberflächenbeschichtung
aufzubringen, die eine höhere
oder niedrigere Wärmeleitfähigkeit
als das Material des Grundkörpers
der Zylinderlaufbuchse oder das Material des umgebenden Verbundkörpers aufweist,
beziehungsweise durch Aussparung der Beschichtung das Material des
Grundkörpers
direkt in Kontakt mit dem Material des Verbundkörpers kommt.
Darüber hinaus
ermöglichen
erfindungsgemäß makroskopisch
gestaltete Oberflächenbeschichtungen
auf Zylinderlaufbuchsen, dass während
des Gießvorgangs
der Schmelzfluss durch die makroskopischen Oberflächenstrukturen
variabel angepasst werden kann.
Insbesondere
sollte hervorgehoben werden, dass erfindungsgemäß makroskopisch gestaltete Oberflächenbeschichtungen
auf Zylinderlaufbuchsen sich vorteilhaft mit kleinteiligeren, mikroskopischen Oberflächenstrukturen
ergänzen
können,
die auf der unbeschichteten Oberfläche der Zylinderlaufbuchse oder
der Oberflächenbeschichtung
selbst vorliegen und beispielsweise materialabhängig sind.
Darüber hinaus
können
durch Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens und/oder der
erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchsen
Verbundkörper,
insbesondere Kurbelgehäuse,
erhalten werden, bei denen die "Verzüge" (während eines
späteren Betriebs
beispielsweise eines Motors) optimiert oder reduziert werden konnten.
Insbesondere
sei hervorgehoben, dass ein Fehlen einer Schicht auf der Zylinderlaufbuchse
gezielt eingesetzt werden kann, damit an den unbeschichteten Oberflächenbereichen
der Zylinderlaufbuchse keine oder nur eine geringere Anbindung erzielt
werden kann.
Eine
Zylinderlaufbuchse mit makroskopisch gestalteter Oberflächenbeschichtung
kann nun gemäß dem Fachmann
bekannten Vorgehensweisen in einer Gießform angeordnet werden, in
die das geschmolzene Gussmaterial einfließen gelassen wird. Besonders
geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung von Kurbelgehäusen.
Als Gussmaterial eignen sich beispielsweise Aluminium, Aluminiumlegierungen,
wie beispielsweise AlSi12, AlSi10Mg,
AlSi7Cu3, AlSi6Cu4, AlSi9Mg.
Die
Oberflächenbeschichtung
kann durch jedes im Stand der Technik bekannte thermische Spritzverfahren,
wie beispielsweise Lichtbogendraht-Spritzverfahren, Plasmaspritzverfahren
oder Flammspritzverfahren hergestellt werden. Darüber hinaus
können
beliebige für
ein thermisches Spritzverfahren geeignete Spritzwerkstoffe verwendet
werden, beispielsweise sowohl Pulverwerkstoffe oder Draht.
Die
Gestaltung der Oberfläche
erfolgt dabei unter Verwendung einer Maskierung, die während des
Aufbringens der Spritzschicht eingesetzt wird. Für die Maskierung können Edelstähle verwendet werden,
die relativ einfach von Beschichtungsresten chemisch gereinigt werden
können.
Der Abstand zwischen Maskierung bzw. Zylinderlaufbuchsenoberfläche liegt
z.B. zwischen 1–20
mm, je geringer umso genauer wird die Kontur der Muster.
Die
für ein
erfindungsgemäßes Verfahren einsetzbare
Zylinderlaufbuchse kann beispielsweise einen Grundkörper aus
GJL, GJV, GJS, Stahl und Aluminium aufweisen.
Bei
GJV handelt es um ein Gusseisen mit vermicularer Graphitausbildung.
Vermiculargraphit ist „wurmförmiger" Graphit, welcher
in seiner Morphologie zwischen Lamellengraphit und Kugelgraphit liegt.
Aufgrund seiner Graphitart und Ausbringung besitzt er bessere, d.
h. höhere
Festigkeitseigenschaften als Gusseisen mit Lamellengraphit, bei
einer nur leicht niedrigeren Wärmeleitfähigkeit.
Aufgrund der vermicularen Graphitausbildung weichen die Eigenschaften
im wesentlichen vom Ferrit-/Perlit-Verhältnis im Grundgefüge sowie
vom Anteil des begleitenden Kugelgraphits ab. Üblich sind hier 80–90% Vermiculargraphit,
der Rest besteht aus Kugelgraphit. GJV eignet sich daher für thermisch
beanspruchte, insbesondere temperaturwechselbeanspruchte Bauteile
wie Zylinderlaufbuchsen.
GJS
ist ein Gusseisen, mit „kugelförmiger" Graphitausbildung.
Dieser Werkstoff, bei dem der Hauptanteil des Kohlenstoffs im Gusszustand
in Form von Kugelgraphit ausgeschieden ist, hat gegenüber dem
Gusseisen mit Lammellengraphit den wesentlichen Vorteil einer deutlich
höheren
Zugfestigkeit (2–3,5-fache),
sowie eine höhere
Duktilität.
GJL
ist ein Gusseisen mit lamellarer Graphitausbildung. Dieser Werkstoff,
bei dem der Hauptanteil des Kohlenstoffes im Gusszustand in Form
von Lamellen ausgeschieden wird, hat gegenüber GJV und GJS einen besseren
Wärmeleitkoeffizienten
Das
Material, das auf der Oberfläche
der Zylinderlaufbuchse zur Bildung einer makroskopisch gestalteten
Schicht verwendet werden kann, kann weitgehend beliebig unter den
im Stand der Technik bekannten Metallen und Legierungen ausgewählt werden,
die für
eine Aufbringung mit einem thermischen Spritzverfahren geeignet
sind. Besonders vorteilhaft ist beispielsweise eine Verwendung von
Aluminiumlegierungen wie AlSi12, AlSi5, AlMg.
Darüber hinaus
kann auch eine Oberflächenbeschichtung
aufgebracht werden, die ein hochtemperaturbeständiges, im wesentlichen nicht
aufschmelzendes Material enthält,
das in diese Schicht eingebunden wird.
Der
Begriff "hochtemperaturbeständiges Material" bezeichnet in der
vorliegenden Anmeldung jedes Material, das einen Schmelzpunkt von
1200°C und
darüber,
vorzugsweise von 1600°C
und darüber, aufweist.
Als
hochtemperaturbeständiges
Material können
beispielsweise Oxidkeramiken, Carbide (z.B. SiC), Nitride (z.B.
SiN) oder hochschmelzende Metalle oder Elemente (z.B. Si) eingesetzt
werden. Die hochtemperaturbeständigen
Materialien können
dabei anwendungsspezifisch in verschiedenen Härtegraden ausgewählt werden
oder es können
Partikel mit unterschiedlichen Oberflächenformen, beispielsweise
mit hervorragenden Spitzen oder scharfen Kanten eingesetzt werden,
die ein besonders wirksames Durchbrechen der Oxidhaut der Schmelze
ermöglichen.
Für bestimmte
Anwendungen kann es auch von Vorteil sein, zwei oder mehr Partikel-Typen, beispielsweise
unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung, Partikelgröße, Härte, Oberflächenbeschaffenheit
oder unterschiedlichen Schmelzpunkts miteinander zu kombinieren.
Derartige
Schichten können
eine Oberflächenrauheit
Rz von mehr als 150 μm,
bevorzugt von mehr als 300 μm,
und insbesondere von 400 bis 500 μm
oder 500 bis 800 μm
bieten. Ein Beispiel für
eine Beschichtung, bei der eine Oberflächenrauheit Rz von mehr als
150 μm,
insbesondere von mehr als 300 μm
erhalten werden kann und die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
eingesetzt werden kann, ist eine Aluminiumlegierung in Kombination
mit Partikeln aus Oxidkeramiken, Carbiden (z.B. SiC), Nitriden (z.B.
SiN) oder hochschmelzenden Metallen oder Elementen (z.B. Si).
Die
Messung der Rauheit mit Tastschnittverfahren ist ein Bestandteil
der Geometrischen Produktspezifikation (ISO/TR 14638, DIN V 32950).
Das Tastschnittverfahren ist eine messtechnische Methode zur 2-dimensionalen
Erfassung einer Oberfläche, wobei
ein Tastsystem mit konstanter Geschwindigkeit horizontal über die
Oberfläche
bewegt wird.
Die
Ermittlung der Kenngröße Rauheit
Rz, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet wird, ist in „DIN EN
ISO 4287" grundsätzlich beschrieben. Die
Messung erfolgt nach der genannten Norm taktil mit elektrischen
Tastschnittgeräten.
Die Rauheitskenngrößen, wie
auch die Rauheit Rz, werden an einer Einzelmessstrecke definiert.
Die Einzelrauhtiefen Rzi ist dann jeweils der Abstand zwischen dem
tiefsten und dem höchstem
Punkten des aufgezeichneten Profils jeder Einzelmessstrecke. Die
Rauheit Rz ist der arithmetische Mittelwert der Einzelrauhtiefen
Rzi mehrerer Einzelstrecken, wobei 5 Einzelstrecken Standard sind.
Optische
Messverfahren zu Rauheitsmessung, wie beispielsweise mittels Laser,
Weißlichtinterferometer
können
ebenfalls eingesetzt werden. Für
die optischen Messverfahren zur Rauheitsmessung existiert jedoch
z.Zt. keine Normen.
Eine
raue Oberfläche
ermöglicht,
dass eine Oxidhaut, die sich in Gegenwart von Sauerstoff auf der
Oberfläche
von Schmelzen von Aluminium, Magnesium oder deren Legierungen bildet,
an einer Vielzahl von Stellen aufgerissen wird, wenn die Schmelze
mit der rauen Oberfläche
der Zylinderlaufbuchse in Kontakt kommt. Auf diese Weise wird ein
direkterer Kontakt zwischen der Schmelze und einer Oberfläche der
beschichteten Zylinderlaufbuchse ermöglicht und die Oberflächenbenetzung
der Zylinderlaufbuchse verbessert. Durch Verwendung von Oberflächen mit
unterschiedlicher Oberflächenrauheit
kann somit die Oberflächenanbindung
von Zylinderlaufbuchsen an einen Verbundkörper, insbesondere ein Kurbelgehäuse gesteuert
werden. Ein derartiges Aufreißen der
Oxidhaut ist insbesondere bei Schwerkraftguss- und Niederdruckgussverfahren
von hoher Wichtigkeit, kann jedoch auch bei Druckgussverfahren vorteilhaft
genutzt werden.
Die
vorstehend erwähnten,
hochtemperaturbeständigen
Materialien können
entweder über
einen Fülldraht,
insbesondere bei Lichtbogendraht- und Plasma-Spritzverfahren, oder über eine
separate Eindüsung
in den Prozess eingebracht und in die Spritzschicht eingebunden
werden. Ein besonderer Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ist, dass eine an spezifische Gießbedingungen angepasste Oberflächenrauheit
gesteuert und reproduzierbar erhalten werden kann, indem die Korngrößenverteilung
und Eindüsungsmenge
eingestellt werden kann.
Weiterhin
kann für
das erfindungsgemäßen Verfahren
eine makroskopisch gestaltete Oberflächenbeschichtung mit einer
Schichtdicke von mehr als 400 μm,
eingesetzt werden, die bei einer vergleichsweise hohe Spritztemperatur
von beispielsweise größer 600°C mit verschiedenen
thermischen Spritzverfahren, vorzugsweise Lichtbogendrahtspritzen,
aufgetragen wird und deren Oberfläche anschließend ein
oder mehrmals aufgeschmolzen wird, z.B. durch mehrere Übergänge (Variation
des Spritzabstands bzw. der elektrischen Leistung), indem eine vergleichsweise
hohe Prozesstemperatur größer 600°C auf der
Bauteiloberfläche
eingestellt wird. Eine derartige Oberflächenbeschichtung kann auch
eine Oberflächenrauheit
Rz von mehr als 150 μm,
bevorzugt von mehr als 300 μm,
und insbesondere von 400 bis 500 μm
aufweisen.
Die
vorstehend beschriebenen Oberflächenbeschichtungen
mit einer Oberflächenrauheit
Rz von mehr als 150 μm,
insbesondere von mehr als 300 μm können je
nach gewünschter
Anwendung mit anderen Oberflächenbeschichtungen
geringerer Oberflächenrauheit
Rz des Stands der Technik kombiniert werden. Für das erfindungsgemäße Verfahren
können
also Oberflächenbeschichtungen
verwendet werden, die einen sehr weiten Bereich an Oberflächenrauheiten
umfassen, beispielsweise eine Oberflächenrauheit Rz von 50 bis 800 μm aufweisen.
Dies ermöglicht
somit eine gezielte Steuerung der Anhaftung der Zylinderlaufbuchse
an den gebildeten Verbundkörper.
Eine
derartige gezielte Steuerung der Anhaftung oder anderer wichtiger
Parameter, wie Wärmeableitung,
Schwingungsübertragung
oder -dämpfung,
etc. kann durch Kombination von mindestens zwei makroskopisch gestalteten
Oberflächenbeschichtungen
unterschiedlicher Oberflächenrauheit, unterschiedlicher
chemischer Zusammensetzung, unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit und/oder unterschiedlichen
Schmelzpunkts auf eine Zylinderlaufbuchse noch weiter gesteigert
werden.
Die
vorliegende Erfindung stellt weiter eine Zylinderlaufbuchse mit
makroskopisch gestalteter Spritzbeschichtungsoberflächenschicht
bereit, welche die Oberfläche
der Zylinderlaufbuchse nicht vollständig bedeckt und ein Muster
aufweist. Muster, Materialien und weitere Charakteristika erfindungsgemäßer Zylinderlaufbuchsen
wurden vorstehend eingehend beschrieben.
Die
Zylinderlaufbuchsen können
entweder eine im wesentlichen zylindrische Form aufweisen oder sich
beispielsweise zu einem Ende hin verjüngen. Dies kann erreicht werden
indem die Oberflächenbeschichtungen)
in unterschiedlicher Höhe
beziehungsweise Schichtdicke aufgetragen wird (werden). Beispielsweise
kann die Höhe
der Oberflächenbeschichtungen)
von ihrem Beginn bis zu ihrem Ende im wesentlichen gleichmäßig abfallen.
Weiterhin
betrifft die vorliegende Erfindung einen Verbundkörper, der
durch Ein- oder Umgießen einer
erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse,
beispielsweise gemäß den vorstehend
beschriebene Verfahrensschritten, erhalten werden kann.
Bei
der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
werden Verbundgusskörper
mit einer verbesserten Anbindung der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse
erhalten, bei denen im wesentlichen keine "Verzüge" auftreten, das heißt bei denen
die Zylinderform auch unter Einwirkung von statischen und dynamischen
Kräften
auf die Zylinder während des
Motorlaufs stabil verbleibt. Dies ist wiederum von hoher Wichtigkeit,
wenn angestrebt wird, den Ölverbrauch
des Verbrennungsmotors zu verringern und die Emissionen des Verbrennungsmotors
abzusenken. Darüber
hinaus können
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
die Einbausituation, wie beispielsweise unterschiedliche Wandstärken des
Aluminium-Gussmantels und des Wassermantels und die Gegebenheiten
der Eingussseite (Zylinderkopfseite oder Kurbelwellenseite) berücksichtigt
werden. Das erfindungsgemäße Verfahren
eignet sich beispielsweise sowohl für Schwerkraftguss, Druckguss
und Niederdruckguss.