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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung mit einer mittels Lichtbogendrahtspritzen gespritzten Rauschicht für Verbrennungskraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren und ein Verfahren zur Anbindung von Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung an einen Verbundkörper.
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Stand der Technik
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Im Automobilbau werden immer mehr Graugusskurbelgehäuse von Hubkolbenmaschinen durch solche aus Leichtmetallen verdrängt, um das Kraftfahrzeuggesamtgewicht und den Kraftstoffbedarf zu verringern. Während sich bei Graugusskurbelgehäusen der verwendete Werkstoff gleichzeitig auch für die Zylinderlaufflächen eignet, werden im Allgemeinen bei Leichtmetallkurbelgehäusen Laufbuchsen aus stärker belastbaren Materialien, wie beispielsweise Grauguss, zur Verstärkung eingesetzt. Die Anbindung zwischen der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock wird im Allgemeinen durch ein Verfahren erzielt, bei dem die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse während des Gießens des Motorblocks mit Gussmaterial umgossen wird.
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Zur Sicherstellung einer einwandfreien Verankerung der Zylinderlaufbuchsen in dem Zylinderkurbelgehäuse wurden verschiedene Verfahren entwickelt, bei denen die Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse behandelt wird.
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Mehrere bekannte Verfahren des Stands der Technik beruhen darauf, dass Zylinderlaufbuchsen mit scharfkantigen Partikeln bestrahlt werden, wobei jedoch nur eine begrenzte Oberflächenrauheit erhalten werden kann. Beispielsweise beschreibt die
DE 196 34 504 A1 ein Verfahren bei dem Zylinderlaufbuchsen-Oberflächen mit einer Rauheit von 30–60 μm erhalten werden können.
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Weiterhin können Zylinderlaufbuchsen mit einer bestimmten angestrebten Oberflächenrauheit durch Verwendung von vorbehandelten Gussformen erhalten werden. So ist beispielsweise aus der
DE 102 18 714 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer Leichtmetall-Laufbuchse bekannt, bei dem zunächst auf der Oberfläche einer Gießform Partikel einer temperaturfesten Substanz adhäsiv fixiert werden, und bei dem dann die Laufbuchse in dieser vorbehandelten Gießform gegossen wird. Anschließend wird der Rohling mit den anhaftenden Partikeln aus der Gießform entnommen, und die Partikel werden aus dem Rohling entfernt. Eine Herstellung derartiger Zylinderlaufbuchsen ist jedoch mit einem relativ hohen Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
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Die
DE 199 37 934 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer komplett gespritzten Zylinderlaufbuchse z. B. aus Stahl, bei dem die Laufschicht auf einen als Formkörper dienenden Dorn und auf die Laufschicht die Anbindeschicht thermisch aufgespritzt werden. Das thermische Spritzen der Anbindeschicht wird derart durchgeführt, dass die Anbindeschicht eine offene Porosität von wenigstens 10 Vol.-% aufweist. Bei dem thermischen Spritzverfahren handelt es sich um Flamm- oder Plasmaspritzen eines Spritzpulvers.
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Die
DE 101 53 306 A1 beschreibt ein Verfahren zum Eingießen eines Einlegeteils, d. h. einer Raugussbuchse auf Eisen-Basis in ein Leichtmetall-Gussbauteil, wobei die Raugussbuchse an einer dem Gussteil zugewandten Oberfläche mit einer thermischen Spritzschicht konditioniert wird.
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Die
DE 197 50 687 A1 beschreibt ein Verfahren zum Eingießen von Zylinderlaufbuchsen in Leichtmetalllegierung, wobei die Eingussteile mit einer Oberflächenstrukturierung versehen werden. Durch zusätzliches Strahlen der Oberflächenstrukturierung werden unter verdrängender Verformung Rauspitzen in Teilflächen der Oberflächenstrukturierung erzeugt.
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Ein weiterer möglicher Ansatz zur Verbesserung der Anbindung von Zylinderlaufbuchsen-Oberflächen an einen Verbundkörper besteht darin diese Oberfläche mit einer Schicht zu versehen. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass bei Beschichtungen mit Aluminiumlegierungen im Serienmaßstab bislang lediglich Rauheitswerte Rz von bis zu 150 μm erreicht werden können.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit ein zusätzliches Verfahren bareitzustellen, das im Serienmaßstab, bei vergleichsweise niedrigem Kosten- und Arbeitsaufwand, eine gute Anbindung zwischen einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und einem Verbundkörper, insbesondere einem Aluminiumkurbelgehäuse ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Anbindung einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung an einen Verbundkörper, der Aluminium und mindestens eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung umfasst, wobei das Verfahren folgenden Schritt aufweist: Aufbringen einer Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit von mindestens 200 μm, insbesondere von mindestens 300 μm, auf mindestens einem Oberflächenbereich, insbesondere einem Außenoberflächenbereich, der Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, Anordnen der mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in einer Gussform, und Ein- oder Umgießen der mit der Oberflächenbeschichtung versehenen Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zum Eingießen in ein Verbundgussteil bereit, wobei die Zylinderlaufbuchse eine Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm, insbesondere von mindestens 300 μm, auf mindestens einem Oberflächenbereich der Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aufweist.
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Während der zahlreichen Versuche, die zu der vorliegenden Erfindung führten, stellten die Erfinder überraschend fest, dass eine besonders gute Anbindung von Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung an ein Aluminiumkurbelgehäuse erzielt werden kann, wenn auf die Oberfläche der Zylinderlaufbuchse ganz oder teilweise eine Oberflächenbeschichtung in Form einer Aluminiumlegierung aufgebracht wird, die eine Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm, insbesondere von mindestens 300 μm, aufweist.
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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.
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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 sind 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.
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Optische Messverfahren zu Rauheitsmessung, wie beispielsweise mittels Laser, Weißlichtinterferometer können ebenfalls eingesetzt werden. Für die optischen Messverfahren zur Rauheitsmessung existieren jedoch z. Zt. keine Normen.
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Eine Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm bietet den Vorteil, dass sie zuverlässig 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. Dies führt wiederum dazu, dass die Oberflächenanbindung von Zylinderlaufbuchsen an ein Kurbelgehäuse verbessert wird. Ein derartiges Aufreißen der Oxidhaut ist insbesondere bei Schwerkraftguss- und Niederdruckgussverfahren von hoher Wichtigkeit, kann jedoch auch bei Druckgussverfahren vorteilhaft genutzt werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren stellt Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bereit, die eine Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm, vorzugsweise von 300 μm bis 500 μm, insbesondere 400 μm bis 500 μm, bevorzugterweise von 500 μm bis 800 μm aufweisen.
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Bei zahlreichen Versuchen zeigte sich, dass bei einer Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm, eine besonders gute metallische und mechanische Anbindung der Oberflächen der Zylinderlaufbuchsen an das Zylinderkurbelgehäuse erfolgt, was durch eine vorteilhafte, synergistische Wechselwirkung zwischen der Oberflächenbeschichtung auf Aluminiumbasis mit hoher Rauheit, Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als Zylinderlaufbuchsenmaterial und Aluminium als Gussmaterial gedeutet werden kann. Zusätzlich wird die Wärmeleitfähigkeit verbessert, da keine Spaltbildung (Wärmebarriere) vorliegt.
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Die Zylinderlaufbuchsen mit einer Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm, die beispielsweise gemäß einer der beiden nachstehend beschriebenen Verfahrensvarianten hergestellt werden können, können gemäß dem Fachmann bekannten Vorgehensweisen nun in einer Gießform angeordnet werden, in die Aluminium eingegossen wird, um einen mindestens eine Zylinderlaufbuchse umfassenden Verbundkörper zu erhalten. Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von einem Aluminium-Kurbelgehäuse mit Zylinderlaufbuchse(n) aus Grauguss, Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
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Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann jede beliebige Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Aluminium oder Aluminiumlegierungen (wie beispielsweise Alusil-Buchsen, Silitec-Buchsen) nach Stand der Technik verwendet werden, vorzugsweise Zylinderlaufbuchsen aus GJL, GJV, GJS.
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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.
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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.
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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.
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Als Aluminiumlegierung zur Oberflächenbeschichtung kann jede beliebige Aluminiumlegierung des Stands der Technik gewählt werden. Besonders vorteilhafte Ergebnisse wurden beispielsweise mit Aluminiumlegierungen wie AlSi, AlSiC, AlTiO2, jeweils mit Al-Gehalt ≤ 95 Gew.-% erzielt.
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Die vorliegende Erfindung stellt zwei Verfahrensvarianten bereit, um eine Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm herzustellen, wobei eine Einschränkung des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung auf diese beiden Verfahrensvarianten jedoch nicht beabsichtigt ist.
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Ausführungsbeispiel
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Eine Variante zum Erhalten einer Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm, beruht darauf, dass ein hochtemperaturbeständiges, im wesentlichen nichtaufschmelzendes Material in die Aluminiumlegierung eingebracht wird, 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.
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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.
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Die Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung kann wie durch das Lichtbogendraht-Spritzverfahren, hergestellt werden. Darüber hinaus können beliebige für ein thermisches Spritzverfahren geeignete Spritzwerkstoffe verwendet werden, beispielsweise sowohl Pulverwerkstoffe, als auch Drähte.
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Vorteilhafterweise wird die Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm auf die gesamte Oberfläche der Zylinderlaufbuchse aufgebracht. Bei einigen Anwendungen kann es jedoch ausreichen eine derartige Oberflächenbeschichtung nur auf Teile der Zylinderlaufbuchse aufzubringen oder diese Oberflächenbeschichtung mit einer Oberflächenbeschichtung geringerer Rauheit zu kombinieren. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, zwei oder mehrere Schichten unterschiedlicher chemischer Zusammensetzung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm nebeneinander aufzubringen.
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Die vorstehend erwähnten, hochtemperaturbeständigen Materialien können entweder über einen Fülldraht, insbesondere bei Lichtbogendraht- und Plasma-Spritzverfahren, oder über eine separate Partikeleindüsung in den Prozess eingebracht und in die Spritzschicht auf Basis einer Aluminiumlegierung eingebunden werden. Die Partikelgröße sollte bei mehr als 50 μm, bevorzugterweise bei mehr als 100 μm liegen. Vorteilhafterweise wird die Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung und das hochtemperaturbeständige Material im wesentlichen gleichzeitig eingebracht. Für bestimmte Anwendungen kann es auch vorteilhaft sein, wenn die Partikel auf die noch nicht vollständig erstarrte Schicht aufgebracht werden und dort anhaften.
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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.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei Zylinderlaufbuchsen mit im wesentlichen glatter oder ebener Oberfläche angewendet.
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Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung, die wie vorstehend beschrieben, hochtemperaturbeständige Materialien umfassen, können zum Aufbringen von Schichten mit einer Kernschichtdicke von 50 bis 500 μm, bevorzugter 100 bis 300 μm verwendet werden, wobei bei diesen Schichtdicken eine gute Anbindung der Zylinderlaufbuchse an das Kurbelgehäuse nach Herstellung des Verbundkörpers vorliegt.
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Bei Spritzschichten mit einer Schichtdicke von mehr als 400 μm, bevorzugt von 400 μm bis 800 μm kann eine Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm erhalten werden, indem eine vergleichsweise hohe Prozesstemperatur größer 600°C auf der Bauteiloberfläche eingestellt wird. Dies wird durch Lichtbogendrahtspritzen erzeugt, wobei die Oberfläche ein oder mehrmals aufgeschmolzen wird z. B. durch mehrere Übergänge (Variation des Spritzabstands bzw. der elektrischen Leistung).
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Auch bei dieser vorstehend erwähnten Variante kann in reproduzierbarer, wirtschaftlicher und in für eine Serienproduktion geeigneter Weise eine Oberflächenbeschichtung erhalten werden, die eine gute Anbindung der Zylinderlaufbuchse an das Kurbelwellengehäuse gewährleistet.
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Eine Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von mindestens 200 μm kann auch durch die Reduzierung des Zerstäubergases auf Werte von unterhalb von 100 m3/h erreicht werden (bevorzugterweise Druckluft, N2 oder Gemisch von beiden.)
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Zylinderlaufbuchsen mit einer Oberflächenbeschichtung auf Basis einer Aluminiumlegierung mit einer Oberflächenrauheit Rz von mindestens 200 μm eingesetzt, wodurch die metallurgische und mechanische Anbindung der Zylinderlaufbuchse an den Aluminium-Umguss verbessert wird, da die Oxidhaut auf dem geschmolzenen Umgussmaterial an der rauen Oberfläche aufgerissen werden. Bei beiden vorstehend beschriebenen Beschichtungsvarianten ist eine gezielte und reproduzierbare Einstellung der Oberflächenrauheit möglich, die auf die jeweiligen Bedingungen des Gießverfahrens und des erwünschten Verbundgussteils abgestimmt werden kann.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann sowohl als Schwerkraftguss-Verfahren, als auch als ein Druckguss- beziehungsweise Niederdruckguss-Verfahren durchgeführt werden. Die erfindungsgemäßen Vorteile treten besonders deutlich bei dem Schwerkraftguss-Verfahren hervor, eine Verbesserung des Aufreißens der Oxidschicht und eine verbesserte Benetzung der Oberfläche der einzugießenden Zylinderlaufbuchse wird jedoch auch bei Druckguss- beziehungsweise Niederdruckguss-Verfahren erreicht. Weiterhin kann bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens der Benetzungswinkel verbessert werden.
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Die Zeit, die zum Beschichten der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse gemäß den beiden vorstehend beschriebenen Varianten benötigt wird beträgt jeweils etwa 6 Sekunden und ist damit einer Reihe von komplizierteren Verfahren des Stands der Technik überlegen.
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Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Verbundgusskörper mit einer verbesserten metallurgischen und mechanischen Anbindung der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse erhalten, bei denen im wesentlichen keine ”Verzüge” auftreten, das heißt die Zylinderform bleibt auch unter Einwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Zylinder während des Motorlaufs stabil, was wiederum hilft den Ölverbrauch des Verbrennungsmotors zu verringern und die Emissionen des Verbrennungsmotors abzusenken.