DE10352225B4

DE10352225B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Einbringen von Silizium-Partikeln in Leichtmetallgrundwerkstoffe von Zylinderlaufbahnen sowie beschichtete Zylinderlaufbahn

Info

Publication number: DE10352225B4
Application number: DE10352225A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Ing. Heigl (FH); Helmut Dipl.-Ing. Schäfer (FH)
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-08
Filing date: 2003-11-08
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2023-11-09
Also published as: DE10352225A1

Abstract

Verfahren zum Einlegieren von Silizium-Partikeln in den Leichtmetallgrundwerkstoff von Zylinderlaufbahnen mittels Laser, wobei
– die Laserstrahlen quer zur Längsachse der Zylinderlaufbahn entlang einer Linie kreisringorientiert derart einstrahlen, dass die Zylinderlaufbahn vollumfänglich bestrichen wird,
– in die erhaltene Laserschmelze Silizium-Partikel eingebracht werden und
– die Laserstrahlen längs zur Zylinderlaufbahn bewegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einbringen von Silizium-Partikeln in Leichtmetallgrundwerkstoffe von Zylinderlaufbahnen mittels Laser. Die Erfindung betrifft außerdem beschichtete Zylinderlaufbahnen.
Kurbelgehäuse können 12-25% Silizium in einer eingesetzten Aluminiumlegierung enthalten. So sind übereutektische Kokillengusslegierungen mit 17% Silizium im Aluminiumgrundwerkstoff bekannt (M 119). Die Silitec-Buchse mit 25% Silizium im Aluminiumgrundwerkstoff hat die kostengünstige Druckgussausführung GD AlSi9Cu3 eines Kurbelgehäuses im Ottomotor ermöglicht. Auch für Dieselmotoren sind einlegierte Silizium-Partikel in einer Aluminiumlegierung von Interesse.
Im Stand der Technik haben sich Laserverfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbahnen bewährt. Insbesondere können mittels Laser Silizium-Partikel in eine Aluminiumlegierung in eine Randschicht vorteilhaft eingebracht oder einlegiert werden ( DE 39 22 378 A1 , EP 0 622 476 A1 ). Im Prinzip entsteht beim Auftreffen eines Laserstrahls ein Schmelzbad auf der Zylinderlaufbahn und im Schmelzbad werden die Silizium-Partikel zugeführt und beigemengt. Es bilden sich die gewünschten Siliziumprimärkristalle aus. Das derartige Einlegieren hat ins besondere den Vorteil, dass die Grundfestigkeit des eingesetzten Leichtmetallgrundwerkstoffes, beibehalten werden kann. Es ist kein Buchsensetzen bei eingegossenen Buchsen festzustellen. Des weiteren ist ein Laserverfahren vorteilhaft, falls z.B. eine Formenthebeschräge am Rohteil vorliegt, die eine mechanische Vorbearbeitung erfordert. Dadurch verursachte Poren können im Laserverfahren im Zuge der Laserschmelze reduziert werden.
Aus der DE 100 32 082 A1 und der DE 44 04 141 A1 sind Laseranordnungen bekannt geworden, bei denen über eine Umlenkoptik ein rotierender Strahlengang erzeugt wird.
In WO 00/60136 A1 ist ein Laserverfahren zum Einbringen von Silizium-Partikeln in eine Zylinderlaufbahn beschrieben. Allerdings erfolgt das Verfahren zwingend mittels einer Spiralbewegung des Lasers unter Ausbildung von Streifen auf der Zylinderlaufbahn. Dies ist von Nachteil, da eine vollständige homogene Beschichtung, insbesondere an den Streifengrenzen und deren Überlagerung, nicht erzielt werden kann. Es mangelt zudem an der Gleichförmigkeit des Verlaufes. Letztlich ist dies in der Kombination aus einer translatorischen und rotatorischen Bewegung des arbeitenden Lasers begründet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Einlegieren von Silizium-Partikeln in den Leichtmetallgrundwerkstoff von Zylinderlaufbahnen mittels Laser zu verbessern.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Das Einstrahlen eines oder mehrerer Laser in einer Linie quer zur Längsachse der Zylinderlaufbahn ermöglicht besonders vorteilhaft das simultane, gleichmäßige und vollumfängliche Bestreichen der Zylinderlaufbahn und kann kontinuierlich erfolgen. Eine aufwendige „Punktbestrahlung" – gar in Spiralbewegung –, wie im obigen Stand der Technik beschrieben, entfällt.
Die maximal notwendige, vorzugsweise gleichförmige translatorische Bewegung (auch: axial) von einem oder mehreren Lasern kann beispielsweise mittels einer Führungssonde ausgeführt werden, vorzugsweise längs der Zylinderlaufbahn, in dessen Folge die Zylinderlaufbahn vollständig bestrichen wird.
Dies führt zu einer erheblichen Qualitätsverbesserung der Zylinderlaufbahn bzw. der erhaltenen Schicht oder Beschichtung (siehe Beispiel und 4a, 4b, 4c).
Im Rahmen dieser Erfindung ist unter „Einlegieren" ebenfalls das „Einbringen" oder entsprechende funktionelle Bezeichnungen zu verstehen, wobei Silizium-Partikel in den Leichtmetallgrundwerkstoff gelangen, im Wege des Schmelzbades, verursacht mittels Laserschmelze. Infolge dessen kann ebenfalls eine Beschichtung des Leichtmetallgrundwerkstoffes erfolgen. Die erzielte Schichtdicke hängt von der Wahl der Parameter ab (Pulverzufluss, Auftragungsmenge, Laserintensität, Laufzeit, etc.).
Es können daher Schichtdicken bis zu 1 mm mit einer Schichthärte bis zu 170 HV und einer Haftfestigkeit bis zu 200 N/mm² erzielt werden.
Unter Leichtmetallgrundwerkstoff sind vorzugsweise Aluminiumgrundwerkstoffe oder Magnesiumgrundwerkstoffe zu verstehen, wie sie dem Fachmann zur Herstellung von Zylinderlaufbahnen oder eines Zylinderblockes bekannt sind. Im weitesten Sinne sind dies Aluminium oder Legierungen davon oder Magnesium oder Legierung davon.
In einer weiteren Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren als einstufiger oder zweistufiger Prozess ausgeführt werden.
Bei dem einstufigen Verfahren werden die Silizium-Partikel (Pulver/Kristalle) über einen Pulverstrom in das Schmelzbad simultan zugeführt (1).
Im Wege des zweistufigen Verfahrens werden zunächst Silizium-Partikel (Pulver/Kristalle) auf einen Träger, beispielsweise eine Folie oder Doppelfolie (synonym: Band), aufgewalzt. Dann wird der Träger mit den Silizium-Partikeln in den Zylinder eingesetzt, wobei durch Laserschmelzen die Silizium-Partikel in die jeweilige Zylinderlaufbahn eingebracht werden. Zusätzlich zum Aufwalzen kann ein Binder (z.B. Kleber) eingesetzt werden. Zum Beispiel kann eine Aluminiumfolie in einer Dicke von 30–50 μm verwendet werden (2). Eine Anlagenbeschreibung zum Aufwalzen einer solchen Folie ist in 3 erläutert.
Beim Aufwalzen werden die Silizium-Kristalle (Partikel) zertrümmert. Der Volumenanteil an Silizium-Kristallen im Silizium-Band beträgt meist über 50 %. Die Größe der Silizium-Kristalle beträgt vor dem Aufwalzen vorzugsweise zwischen ca. 20–100 μm und kann nach dem Aufwalzen Werte von 2-40 μm (4b) erreichen. Ferner können Trockenschmierstoffe wie Titandioxid o.ä. dem Pulverstrom mit Silizium-Kristallen (Partikel) zugesetzt werden. Zuschläge aus Mg-Partikeln senken zudem den Schmelzpunkt des Silizium-Bandes beim Laserschmelzen.
In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Laserschmelzen in Gegenwart eines Schutzgases,um die Laseroptik vor Schmelzspritzern zu schützen.
Aufgrund des Einsatzes des erfindungsgemäßen Verfahrens können Abkühlgeschwindigkeiten wie beim Sprühkompaktieren erzielt werden und zwar bis zu 10.000 K/s.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird außerdem durch eine beschichtete Zylinderlaufbahn erhältlich nach einem erfindungsgemäßen Verfahren und einen Zylinderblock enthaltend eine derartige Zylinderlaufbahn gelöst. Insbesondere weist die Zylinderlaufbahn eine Schichtdicke bis zu 1 mm, eine Schichthärte bis zu 170 HV und eine Haftfestigkeit bis zu 200 N/mm² auf.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung mit Lasern, die ein erfindungsgemäßes Einstrahlen in einer Linie gemäß Anspruch 1 ermöglichen, gelöst, wobei eine rotierende Bewegung des Lasers/der Laser vermieden wird. Eine solche Anordnung ist beispielsweise eine kreisringorientierte Laserstrahlanordnung (5).
Insbesondere betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, aufweisend einen oder mehrere Laser, die in einer kreisringorientierten Anordnung ausgestaltet ist/sind, so dass der Laserstrahl quer zur Längsachse der Zylinderlaufbahn in einer Linie austritt und mit Mitteln zur Bewegung der kreisringorientierten Anordnung axial zur Längsachse der Zylinderlaufbahn. Dabei kann ein ringförmig ausgestaltetes Prisma Verwendung finden.
Ebenfalls kann eine diodengepumpte Laseranordnung (Diodenlaser, vorzugsweise mit mehr als 6000 W Leistung) vorgesehen sein, die als kreisringorientierte Laserstrahlanordnung ausgestaltet werden kann (6). In einer weiteren Ausführungsform ist erfindungsgemäß die Strahlenbündelung und Konzentration ringförmig am Laserkopf angeordnet, so dass ein Laserstrahl in einer Linie gemäß Anspruch 1 entsteht. Andere Laser wie Festkörper- oder Gaslaser, solche wie Nd: YAG-Laser oder CO₂-Laser sind erfindungsgemäß nicht ausgeschlossen. Hilfsweise können die Laser mehrfach übereinander angeordnet werden. Die Führung des Lasers kann mittels einer Vorschubachse oder Führungsstab erfolgen, wobei der Laserkopf in den Hohlzylinder einmündet. Bevorzugt ist in den Ausführungen eine Glasfaseranordnung von mehr als 50 Leitern, die aus mehreren Laserquellen versorgt werden. Eine entsprechende Kühlung kann nach bekannten Methoden ermöglicht werden.
Nachfolgende Beispiele und Figuren dienen zur näheren Erläuterung der Erfindung.
Eine durch die Erfindung hergestellte, erfindungsgemäße Zylinderlaufbahn kann beispielsweise folgende Werte aufweisen

• Beschichtung auf der Zylinderlaufbahn: Erhaltene Schichtdicke 0,8-0,9 mm
• Flächenanteile Silizium: 31
• Schichthärte: 150 HV 10
• Haftfestigkeit 140-170N/mm²
• Spuren sind rissfrei
• Silizium-Teilchen sind stellenweise agglomeriert
• Poren, die in der Beschichtung auftreten können: 10 μm im Durchmesser

4c

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Einzelheiten der Erfindung sind der folgenden Beschreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert ist.
In der Zeichnung zeigen:
1: Das Einbringen von Silizium Partikeln in eine Schmelzen durch kontinuierliches Zuführen der Partikel gemäß dem bekannten Stand der Technik;
2: Schematischer Querschnitt durch eine Folie enthaltend Silizium-Partikel;
3: eine Anlage zum Aufwalzen von Silizium-Partikeln auf Folien;
4: a, b, c: Diverse Schnitte durch Silizium-Partikel enthaltende Schichten auf einer Zylinderlaufbahn;
5: Querschnitt einer kreisringorientierten Laserstrahlanordnung;
6: Aufsicht auf eine ringförmige Anordnung einer Diodenoptik.
1 zeigt einen einstufigen Prozess des Laserschmelzens; wobei in der Schmelze 1 mittels eines Laserstrahls 2 ein Partikelstrom aus Silizium-Partikeln 3 unter Ausbildung einer Beschichtung 4 auf der Zylinderlauffläche 5 der Laserschmelze zugeführt wird.
2 zeigt ein Silizium-Band 6 mit Silizium-Kristallen 7 verschiedener Größen auf Basis von Weichaluminium mit ca. 99,8 % Aluminium als Matrixfunktion (kurz: Aluminiumfolie enthaltend Silizium – Partikel);
3 zeigt folgendes: Ausgehend von einer Aluminiumfolie aufgewickelt als Coil auf einer Haspel 8, wird diese zwischen Führungswalze und Zugwalze eingespannt und induktiv erwärmt 9 (450-800 K) um einen effektiveren Eintrag von Silizium-Kristallen (Partikeln) in die weiche Aluminiumfolie zu erzeugen. Die vorbereitete Aluminiumfolie wird über ein Vibrationskissen 10 geführt. Darüber angeordnet findet sich eine Pulverzuführung 11 (z.B. Mehrfachdüse) von Silizium-Kristallen. Die Vibrationen ermöglichen eine homogene Pulverschichtverteilung. Mittels Druckluftunterstützung 12 werden die Silizium-Kristalle auf die Aluminiumfolie aufgebracht.
Vorverdichtungswalzen und Fertigverdichtungswalzen 13 drücken die Silizium-Kristalle in die weiche Aluminiumfolie. Überschüssige Silizium-Kristalle können über die Überschusswanne 14 in den Vorratsbehälter zurückgeführt werden. Parallel angeordnete Beschnittklingen 15 sorgen für ein gleichmäßiges Breitenmaß und gewünschtes Längenmaß der aufgebrachten Aluminiumfolie entsprechend der Zylinderlänge und Winkellänge. Eine Mehrfachwicklung erzeugt aus dem Silizium-Bandabschnitt eine zylindrische Hülse, welche durch Laserimpulse zwecks Herstellung von schmelztechnischen punktförmigen Verbindungen stabilisiert werden kann. Die Wickeleinheiten 16 sind mehrfach angeordnet, da das Wickeln länger dauert als über die Bandgeschwindigkeit nachgelieferte Silizium-Bandabschnitte. Die Siliziumbandabschnitte werden durch Ablenken den einzelnen Wickeleinheiten 16 zugeführt. Die derart erzeugte Zylinderhülse besitzt eine Wandstärke zwischen 200–500 μm und wird in das Kurbelgehäuse (Zylinderhohlraum) eingesetzt. Mit tels Laser wird partiell die Zylinderhülse und der darunter liegende Aluminiumwerkstoff geschmolzen. Es kommt infolge dessen zu einem Auflegieren des untereutektischen Aluminium-Kurbelgehäusewerkstoffes.
4a zeigt einen Schnitt durch die erhaltene Schicht enthaltend Silizium – Partikel in homogener Verteilung.
4b zeigt eingebrachte Siliziumkristalle in einer Größe von 2-40 μm, die mittels eines zweistufigen Prozesses hergestellt wurden.
4c zeigt den Übergangsbereich der erzielten Schicht/Substrat (hier: Aluminiumgrundwerkstoff der Zylinderlaufbahn) mit einer Diffusionszone von maximal 0,06 mm.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt einer kreisringorientierten Laserstrahlanordnung im Hohlzylinder. Die Laser 17 werden über eine Faserbündelzuführung 18 aus dem Oberraum versorgt. Das ringförmige Prisma 19 erlaubt eine Fokussierung des Laserstrahls 20, der in einer Linie austritt und zwar entlang des ringförmigen Prismas 19 und auf die Zylinderlaufbahn 21 eines Hohlzylinders quer zu seiner Längsachse auftrifft und die Laserschmelze auf dem Leichtmetallgrundwerkstoff erzeugt.
6 zeigt eine Ausführungsform einer kreisringorientierten Laserstrahlanordnung für Diodenlaser, wobei die Diodenoptik aus einer ringförmigen Anordnung 22 mit Austrittsblenden 23 für Laserstrahlenl besteht. Die Blendenbreite und der Abstand der Blenden voneinander ist derart gewählt, dass ein Laserstrahl nahezu in einer Linie austritt und zwar quer zur Längsachse der Zylinderlaufbahn. Die Laserstrahlanordnung ist axial zur Längsachse einer Zylinderlaufbahn verfahrbar angeordnet.

Claims

Verfahren zum Einlegieren von Silizium-Partikeln in den Leichtmetallgrundwerkstoff von Zylinderlaufbahnen mittels Laser, wobei – die Laserstrahlen quer zur Längsachse der Zylinderlaufbahn entlang einer Linie kreisringorientiert derart einstrahlen, dass die Zylinderlaufbahn vollumfänglich bestrichen wird, – in die erhaltene Laserschmelze Silizium-Partikel eingebracht werden und – die Laserstrahlen längs zur Zylinderlaufbahn bewegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallgrundwerkstoff Aluminium, oder Legierungen davon, oder Magnesium, oder Legierung davon ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger mit aufgewalzten Silizium-Partikeln auf die Zylinderlaufbahn aufgebracht und in die Zylinderlaufbahn einlegiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Silizium-Partikel über einen Pulverstrom in das Schmelzbad simultan zugeführt werden.
Beschichtete Zylinderlaufbahn erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Beschichtete Zylinderlaufbahn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke auf der Zylinderlaufbahn bis zu 1 mm, die Schichthärte bis zu 170 HV, die Haftfestigkeit bis zu 200 N/mm² beträgt.
Vorrichtung zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, aufweisend eine Laseranordnung, deren Laserstrahlen entlang einer Linie kreisringorientiert derart austreten, dass eine Zylinderlaufbahn vollumfänglich bestrichen werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseranordnung Diodenlaser aufweist, die aus einer ringförmigen Anordnung mit Austrittsblenden bestehen.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Laseranordnung ein ringförmiges Prisma aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Führungssonde für eine translatorische Bewegung längs der Zylinderachse der Laseranordnung vorgesehen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserkopf der Laseranordnung über eine Glasfaseranordnung versorgt wird.