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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Komponente eines Verbrennungsmotors, insbesondere mindestens eine Zylinderlaufbuchse, die durch Gießen in einen Motorblock eingeführt wird, wobei die Umfangsaußenfläche mit einer Beschichtung versehen ist, die Haftung zwischen der Laufbuchse und dem Motorblock begünstigen kann.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In Abhängigkeit von den neuen Anforderungen des Marktes müssen innere Komponenten von Motoren höheren Ansprüchen gerecht werden, und in dieser Hinsicht ist es erforderlich, Lösungen zu präsentieren, die eine bessere Leistung gewährleisten können und weiterhin zu einer größeren Zuverlässigkeit und Leistung des Motors beitragen können.
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Viele Hersteller von Kraftfahrzeugkomponenten suchen nach verschiedenen technischen Lösungen, in der Regel unter anderem für Zylinderlaufbuchsen von Verbrennungsmotoren. Es sei darauf hingewiesen, dass Zylinder von Verbrennungsmotoren durch Zylinderlaufbuchsen gebildet werden können, die durch Gießen des Motorblocks um den Umfangsaußenteil der Laufbuchsen herum in den Motorblock eingeführt werden.
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Unabhängig von der verwendeten technischen Lösung sind Zylinderlaufbuchsen von Verbrennungsmotoren Motorkomponenten, die aufgrund der Art von Arbeit, die sie ausführen, großem Verschleiß unterliegen. Zu den Belastungen, denen sie ausgesetzt sind, sei die axiale Spannung der Laufbuchse in der Zylinderbohrung und dass gestattet werden kann, dass Verbrennungswärme zu dem Motorblock fließt, erwähnt.
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Der Wärmefluss und die Wanddicke der Laufbuchse sind wichtige Faktoren zur Minimierung von thermischem und mechanischem Verzug im Betrieb. Motoren mit größeren Verzügen können einen größeren Verschleiß ihrer Komponenten sowie einen höheren Ölverbrauch und stärkere Schadstoffemissionen aufweisen. Somit wirkt sich der verstärkte Wärmeaustausch auf verschiedene Weise günstig aus, da er übermäßigen Verschleiß der Komponenten verhindert und die Bedingungen von Kraftstoffverbrauch, Öl und Emissionen verbessert.
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Darüber hinaus ermöglicht besserer Wärmeaustausch auch die Reduzierung der Abmessungen des Blocks (des Zylinderstegs).
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In der Regel bestehen Zylinderlaufbuchsen aus einem eisenhaltigen Material, insbesondere Gusseisen, wobei die modernsten Motorblöcke aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung, die in der Regel Silizium enthält, gegossen werden.
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Im Hinblick auf die Lösung der der Technologie von mit Zylinderlaufbuchsen versehenen Verbrennungsmotoren innewohnenden Probleme präsentiert die deutsche Schrift
DE19729017 eine Zylinderlaufbuchse mit einer Außenfläche, die Wellungen in Axialrichtung zur Verriegelung dieser am Motorblock aufweist. Darüber hinaus führt die Schrift die Verwendung eines thermischen Spritzvorgangs zur Bildung eines Überzugs auf der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse an. Solch ein Überzug umfasst eine Aluminium/Silizium(AlSi)-Legierung mit Si-Gehalten von unter 15%.
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Gemäß der deutschen Schrift kann die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse die Al-Si-Schicht direkt aufnehmen, oder als Alternative kann eine Binde-Zwischenschicht aufgebracht sein. Des Weiteren kann eine dünne Zinkschicht nach der AlSi-Schicht aufgebracht werden, um Schutz vor Oxidation bereitzustellen. Somit umfasst diese Schrift mindestens eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte AlSi-Schicht, und es können vor und nach der AlSi-Schicht mehrere andere Schichten aufgebracht werden.
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Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass es die durch die deutsche Schrift präsentierte Lösung nicht schafft, eines der typischen Probleme zu lösen, die sich aus Leckage der Legierung aus dem Motorblock auf die Zylinderlaufbuchsen ergeben. Obgleich Interesse daran besteht, zu versuchen, eine gewisse chemische Parität der Beschichtung des Motorblocks mit einer Legierung zu finden, indem eine Aluminiumschicht mit bis zu 15% Silizium verwendet wird, wird zunächst die Beschichtung in homogenen Schichten durchgeführt, die jeweils mit einem unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten versehen sind. Solch eine Konfiguration ist mit dem Nachteil behaftet, dass zu dem Zeitpunkt, zu dem das flüssige Metall in das Formwerkzeug des Motorblocks gegossen wird und die Zylinderlaufbuchse betrifft, es zu kühlen beginnt, wodurch seine Kontraktion verursacht wird. Solch eine Kontraktion unterscheidet sich natürlich von der aufgebrachten Laufbuchse und dem Zylinder aus eisenhaltigem Metall, wodurch die Gegenwart von Gießdefekten (Leerräumen, siehe Bezugszeichen 4, 5) im Bereich des Motorblocks neben den Zylinderlaufbuchsen begünstigt wird.
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Diese Gießdefekte, im Folgenden Leerräume genannt, weisen den großen Nachteil auf, dass sie den sich aus der im Zylinder stattfindenden Verbrennung ergebenen ordnungsgemäßen Wärmeaustausch an den Motorblock beeinträchtigen, wodurch thermischer Verzug verstärkt wird und ein früher Verschleiß des Motors oder sogar sein Ausfall verursacht wird.
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Das
US-Patent 7757652 offenbart auch eine Lösung für die Verbindung zwischen einer Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen und einem Motorblock aus Aluminium. Diese Schrift verwendet vertriebenen Spritzauftrag einer Metallschicht aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Kupfer oder einer Kupferlegierung, die auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse aufgebracht wird.
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Der große Fokus der durch die US-Schrift präsentierten Technologie liegt nicht in der Ausbildung einer speziellen Rauigkeit auf der aufgebrachten Schicht für eine bessere Haftung mit dem Motorblock. Obgleich in der Schrift angeführt wird, dass die aufgebrachte Schicht stark wärmeleitend ist, verwendet diese Lösung genauso wie die oben genannte deutsche Schrift das Auftragen von Schichten, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, was auch Leerräume in der Metallschmelze und infolgedessen einen weniger effizienten Wärmeaustausch hervorruft. Obgleich die Technologie des
US-Patents 7757652 eine Haftung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock erreicht, gewährleistet sie keinen guten Wärmeaustausch, auch aufgrund von Defekten, die sich auf der Fläche zwischen der Metallschmelze und der Laufbuchse oder in der Nähe davon ergeben.
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Die japanische Schrift
JP2008008209 offenbart eine Hybridlaufbuchse, die durch thermisches Spritzen eine AlSi-Schicht erhält. Die Herstellung des Motorblocks, der eine dieser Laufbuchsen (die nur mit AlSi beschichtet ist) enthält, erfolgt durch ein Druckgussverfahren, das heißt, eine Presse, die Druckbeaufschlagung des flüssigen Metalls begünstigt. Dann wird dieses (flüssige) Metall bei einer Gießtemperatur nahe der 'Liquidus'-Linie des Phasendiagramms von AlSi gegossen, da die für die Erstarrung des flüssigen Metalls erforderliche Zeit stark reduziert sein sollte. Ansonsten würde sich die durch thermisches Spritzen hinzugefügte Schicht verflüssigen, und die Vorzüge des Aufbringens einer AlSi-Schicht würden bei Auftreten von typischen Defekten, die den für einen guten Betrieb des Motors erforderlichen Wärmeaustausch beeinträchtigen, verlorengehen. Diese Schrift verwendet zwar eine massive AlSi-Schicht, begünstigt aber keinesfalls weder einen guten Wärmeausdehnungsgradienten, noch gewährleistet sie eine hervorragende Verankerung, die einen guten Wärmeaustausch ermöglichen kann, den eine 'schwammige' (Verbund-)Struktur erreichen kann, wie zu sehen sein wird. Des Weiteren ermöglicht die durch diese japanische Schrift offenbarte Technologie nur die Herstellung durch Druckguss, ohne zu ermöglichen, Schwerkraftgießen zu verwenden. Weiterhin sei darauf hingewiesen, dass diese Technologie keine Flexibilität bei der Temperatur der Metallschmelze zur Bildung der Verriegelung ermöglicht, was im Gegensatz zu der Verbundmatrix der vorliegenden Erfindung steht, die einen wesentlich höheren Schmelzpunkt aufweist als die Temperatur des dem Gusswerkzeug hinzugefügten flüssigen Materials.
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Unabhängig von der Lösung des Stands der Technik, die aufgebrachte Schichten verwendet, kann sie den Verankerungszustand des Zylinders aus Gusseisen im Vergleich zu einer Lösung ohne irgendwelches Material verbessern. Es wird jedoch ein besseres Ergebnis erzielt, wenn spezielle Materialien mit angemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten verwendet werden, um die Bildung von Leerräumen während des Abkühlens und die Kontraktion der Metallschmelze des Motorblocks zu verhindern.
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Es sei darauf hingewiesen, dass dieses Problem selbst bei Auswahl von Materialien mit angemessenen Wärmeausdehnungskoeffizienten in einem größeren oder geringeren Ausmaß auftreten wird. Somit bezieht sich die technische Lösung nicht nur auf eine angemessene Wahl der chemischen Zusammensetzung der Beschichtung. Unabhängig von den von dem Stand der Technik präsentierten Beschichtungen verwendet ein Metall oder eine Metalllegierung, das bzw. die mehrere Elemente zu unterschiedlichen Mengen umfasst. Die Bildung von Beschichtungen mit solchen Schichten trägt ferner auch nicht zu einem Motorblock bei, der frei von Leerräumen ist, da sich die Legierung oder das Metall über die gesamte Außenfläche des Zylinders homogen verhält. Mit anderen Worten, wenn das flüssige Metall des Motorblocks mit der Beschichtungsfläche in Kontakt kommt, kommt es in der Beschichtung bis zur Laufbuchse zu einem Temperaturgradienten, und somit weist solch ein Gradient ein homogenes Verhalten auf, da das Material durch die gesamte Beschichtung das gleiche ist. Das flüssige Metall beginnt wiederum, wenn es mit der kälteren Fläche in Kontakt kommt, einen Erstarrungszyklus, zunächst um die Zylinderlaufbuchse herum und dann zu dem äußeren Teil des Motorblocks. Da die Abkühlung erfolgt, während der Formwerkzeughohlraum bereits mit der Metallschmelze gefüllt ist, erzeugt die Kontraktion Leerräume in den Bereichen, die einen größeren Abkühlgradienten aufweisen und bei Grenzflächen mit anderen Elementen, das heißt in den Zylinderlaufbuchsen.
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Obgleich es möglich ist, eine gute Haftung der Zylinderlaufbuchse mit dem Motorblock zu gewährleisten, kommt es deshalb weiterhin zu Problemen beim Wärmeaustausch, die sich aus den im Motorblock vorhandenen Leerräumen ergeben, wie in den 2, 3, 4 und 5 gezeigt.
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Deshalb ist bisher keine technische Lösung gefunden worden, die eine hervorragende Haftung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock begünstigen kann, ohne dass Leerräume auftreten, die einen guten Wärmeaustausch mit dem Motorblock verhindern, während eine lange Lebensdauer der Verbrennungsmotoren gewährleistet wird.
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Aufgaben der Erfindung
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Deshalb besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Bereitstellung einer Zylinderlaufbuchse, die mit einer Beschichtung versehen ist, welche die Bildung von Leerräumen im Motorblock, die sich aus dessen Erstarrung ergeben, hemmen kann, wodurch eine hervorragende Haftung und folglich ein guter Wärmeaustausch zwischen der Brennkammer und dem Motorblock gewährleistet werden.
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Weiterhin besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen, die mit einer Beschichtung aus einem Verbundmaterial im festen Zustand, das Kupfer (Cu) und eine Aluminium/Silizium(AlSi)-Legierung enthält, versehen ist, wobei diese Beschichtung durch Kaltgasspritzen erhalten wird.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Zylinderlaufbuchse mit einer Beschichtung bereitzustellen, die eine Dicke in einem Bereich von 20 bis 300 Mikrometer aufweist und 30% bis 90% einer leitenden Komponente umfasst, deren Schmelzpunkt höher ist als der der Metallschmelze des Motorblocks, und wobei die Restmenge der Schicht einen Schmelzpunkt aufweist, der gleich dem der Metallschmelze des Motorblocks ist.
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Kurze Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird mittels einer Zylinderlaufbuchse zum Einführen in einen Motorblock eines Verbrennungsmotors erreicht, wobei die Zylinderlaufbuchse einen metallischen zylindrischen Körper umfasst, der eine Umfangsaußenfläche aufweist, die von einer auf die Umfangsaußenfläche des zylindrischen Körpers aufgebrachten Beschichtung umhüllt wird, wobei die Beschichtung ein Verbundmaterial umfasst, das in festem Zustand durch Kaltgasspritzen zur Bildung einer aus einer leitenden Komponente und einer Haftungskomponente bestehenden Matrix aufgetragen wird, wobei die leitende Komponente einen Schmelzpunkt aufweist, der höher als der der Metallschmelze des Motorblocks ist, und der Schmelzpunkt der Haftungskomponente gleich dem des Metalls des Motorblocks ist, wobei die Beschichtung von 30% bis 90% der leitenden Komponente und eine Wärmeleitfähigkeit, die größer ist als die des Metalls des Motorblocks, umfasst.
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Die Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden ferner durch Bereitstellen eines Motorblocks für Verbrennungsmotoren gelöst, der mindestens eine Zylinderlaufbuchse wie oben definiert umfasst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung in näherer Einzelheit unter Bezugnahme auf in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsbeispiele beschrieben. In den Figuren zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht einer Zylinderlaufbuchse;
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2 eine Querschnittsansicht einer in einen Motorblock eingeführten Zylinderlaufbuchse nach dem Stand der Technik;
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3 eine Querschnittsansicht einer in einen Motorblock eingeführten Zylinderlaufbuchse nach dem Stand der Technik, die im Detail die Bildung von Gießdefekten (Leerräumen) im Bereich neben der Laufbuchsenbeschichtung zeigt;
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4 eine Querschnittsansicht einer in einen Motorblock eingeführten Zylinderlaufbuchse gemäß dem Stand der Technik, die im Detail die Bildung von Gießdefekten (Leerräumen) im Bereich neben der Laufbuchsenbeschichtung zeigt;
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5 eine Querschnittsansicht einer in einen Motorblock eingeführten Zylinderlaufbuchse nach dem Stand der Technik, die im Detail die Bildung von Gießdefekten (Leerräumen) im Bereich neben der Laufbuchsenbeschichtung zeigt;
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6 eine Darstellung der Beschichtung der vorliegenden Erfindung;
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7 eine Darstellung der Beschichtung der vorliegenden Erfindung, wobei die Werte für Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und Schmelzpunkt ihrer Elemente verglichen werden; und
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8 ein Schaubild, das das erforderliche Ausgleichen des Verbundmaterials zum Erreichen eines optimalen Kompromisses zwischen Haftung und Wärmeaustausch darstellt.
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Detaillierte Beschreibung der Figuren
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Zum richtigen Verständnis der vorliegenden Erfindung ist es erforderlich, den Unterschied zwischen einem metallischen Material oder einer Metalllegierung und einem Verbundmaterial zu verdeutlichen.
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Ein metallisches Material, wie zum Beispiel Aluminium oder eine Aluminiumlegierung (zum Beispiel Aluminium-Silizium – AlSi), ist immer ein homogenes Material. Mit anderen Worten, dies bedeutet, dass die Elemente gegossen wurden und eine Komponente erzeugen, die wie erforderlich aufgetragen werden kann.
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Im Gegensatz dazu koexistieren im Falle eines Verbundmaterials mindestens zwei verschiedene Komponenten zwangsläufig im festen Zustand, das heißt, das Gemisch der beiden Komponenten bildet eine Matrix, die die Eigenschaften der Komponente A plus die Eigenschaften der Komponente B umfasst. Wenn das Verbundmaterial über den Schmelzpunkt beider Komponenten erwärmt wird, dann wird eine aus A und B gebildete Legierung erhalten, die nicht länger das gleiche oben definierte Verbundmaterial ist. Es sollte darauf hingewiesen werden, dass das Verbundmaterial als ein heterogenes Gemisch von Materialien verstanden werden sollte, wobei sich eines der Materialien nicht in fester Lösung befindet, das heißt, dieses Material ist an der kristallinen Struktur eines zweiten beteiligt. Solch ein Verbundmaterial kann durch Kaltgasspritzen erhalten werden, und es ist aufgrund der reduzierten Arbeitstemperatur möglich, das Gemisch aus Phasen ohne feste Lösung zu erhalten.
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Aufgrund der Eigenschaften eines Verbundmaterials sollte dem Prozess, wie es erhalten wird, besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Der betreffende Prozess verwendet somit möglicherweise keine Temperatur, die eine der Komponenten schmilzt, was zum Beispiel eine ternäre Legierung hervorrufen könnte, wenn mit zwei Zusammensetzungen gearbeitet wird, von der eine ein reines Metall und die andere eine binäre Legierung ist.
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Bei allen bekannten thermischen Spritzverfahren war es erst vor kurzem möglich geworden, eine Spritztemperatur von unter 600°C durch das Kaltgasspritzverfahren zu erhalten. Dies ist natürlich einer der Gründe, warum es vorher nicht möglich gewesen wäre, Forschungen auf dem vorliegenden technologischen Gebiet, insbesondere im Hinblick auf die Möglichkeit der Schaffung von Zusammensetzungen zum Aufbringen auf Zylinderlaufbuchsen 10, durchzuführen.
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Somit verwendet die vorliegende Erfindung ein thermisches Spritzverfahren, insbesondere Kaltgasspritzen, was auch als Metallisierung bekannt ist, wobei die Verarbeitungstemperaturen auf jeden Fall geringer als 600°C sind.
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Nach der Erläuterung der Bildung eines Verbundmaterials sollten die Merkmale der vorliegenden Erfindung genauer untersucht werden. Wie oben erläutert, bezieht sich das Gebiet der vorliegenden Erfindung auf Verbrennungsmotoren, insbesondere auf das Zusammenwirken zwischen Zylinderlaufbuchsen 10 und dem jeweiligen Motorblock 8, wobei die Laufbuchsen durch Gießen von flüssigem Metall um die zuvor in dem jeweiligen Formwerkzeug angeordneten Zylinderlaufbuchsen eingeführt werden. In der Regel handelt es sich bei dem Metall des Zylinderblocks um ein Leichtmetall, wie zum Beispiel Aluminium oder eine Aluminiumlegierung.
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Die Zylinderlaufbuchse muss, wie bereits angeführt, am Motorblock 8 haften sowie gewährleisten, dass nach dem Abkühlen des in das Formwerkzeug gegossenen flüssigen Metalls keine Leerräume 4 ohne Metall (Gießdefekte) auftreten. Wie bereits beim Stand der Technik erläutert, ist die Gewährleistung dieser Kombination komplex.
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Wie in 1 gezeigt, ist eine Zylinderlaufbuchse 10 mit einem Rohr oder gegossenen Zylinderkörper 1, das bzw. der durch eine eisenhaltige Legierung, wie zum Beispiel Gusseisen oder Grauguss, gebildet wird, versehen. Dieser zylindrische Körper 1 weist zwei Flächen auf, insbesondere die Innenfläche 3, wo die Axialbewegung eines Kolbens stattfindet, und die Umfangsaußenfläche 2. Genau dieser Außenbereich wird von dem flüssigen Metall des Motorblocks 8 umhüllt, aber erst nachdem die Außenfläche 2 mit der Beschichtung 5 versehen worden ist, was die vorliegende Erfindung ausmacht.
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Wie bereits erläutert, wird die direkt, ohne besondere Vorbereitung, auf die Außenfläche 2 aufgetragene Beschichtung 5 der vorliegenden Erfindung durch ein Verbundmaterial gebildet, das mindestens zwei verschiedene Komponenten umfasst, und eines dieser Materialien kann eine Legierung sein. Die Kombination der Komponenten wird gemäß dem in 8 vorhergesehenen Verhalten ausgeglichen. Somit besteht ein Idealfall darin, dass eine als Haftungskomponente 7 bezeichnete Komponente ein gutes Haftungsvermögen (das durch Buchstabe B gekennzeichnete Verhalten) zwischen dem Paar Zylinderlaufbuchsen 1 und Motorblock 8 begünstigen sollte und die andere als leitende Komponente 6 bezeichnete Komponente eine gute Wärmeleitfähigkeit (durch Buchstabe A gekennzeichnetes Verhalten) aufweist. Das Problem von Leerräumen 4, wie später zu sehen, wird durch die Verbundbildung der Beschichtung 5 gelöst.
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Das beste Verhältnis zwischen der leitenden Komponente 6 und der Haftungskomponente 7 wird erreicht, wenn die leitende Komponente in einem Anteil von 30% bis 90%, vorzugweise von 55 bis 90%, in der Beschichtung 5 vorhanden ist. Der Rest wird mit der Haftungskomponente 7 gefüllt. Es sei darauf hingewiesen, dass eine oder mehrere leitende Komponenten 6 und Haftungskomponenten 7 verwendet werden können, solange der oben genannte Anteil bewahrt wird. Jede Komponente kann wiederum durch ein Metall oder eine Metalllegierung gebildet werden.
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Vorzugsweise, aber nicht zwangsweise, wird die vorliegende Erfindung durch 6 dargestellt, die eine Zylinderlaufbuchse 10 in Querschnittsansicht zeigt. Die Zylinderlaufbuchse 10 der vorliegenden Erfindung umfasst deshalb einen aus Grauguss hergestellten Zylinderkörper 1, der mit einer Verbundbeschichtung 5 versehen ist, die aus einer leitenden Komponente 6 aus Kupfer (Cu) oder Legierungen davon und einer Haftungskomponente 7 aus Aluminium oder Legierungen davon, wie zum Beispiel einer Aluminium-Silizium(AlSi)-Legierung, besteht und durch Kaltgasspritzen aufgetragen wird, wobei die Zylinderlaufbuchse 10 von dem Motorblock 8 umhüllt wird, der durch eine Aluminiumlegierung, wie zum Beispiel eine Aluminium-Silizium(AlSi)-Legierung, gebildet wird. Wie leicht zu sehen, gewährleistet die Haftungskomponente 7 ihre Funktion durch Haftung dank der chemischen Parität mit der Legierung des Motorblocks 8. Andererseits gestattet die leitende Komponente 6 leichten Wärmefluss aus der Verbrennung, da sie aus Kupfer besteht, das als ein wärmeleitendes Material weithin bekannt ist. In Abhängigkeit von der Legierung des Motorblocks 8, kann das Verbundmaterial der Beschichtung 5 natürlich andere Materialien umfassen, da es das Verhältnis zwischen chemischen Parität und Wärmeübertragung ist, das gewährleistet werden soll.
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Weiterhin sollte angemerkt werden, dass das Verbundmaterial der vorliegenden Erfindung (das zum Beispiel durch die leitende und die Haftungskomponente 6, 7, Cu bzw. AlSi) gebildet wird, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem der Zylinderlaufbuchse 10 (zum Beispiel Eisen) und dem des Motorblocks 8 (zum Beispiel AlSi) aufweist – siehe 8. Die Gradierung des Ausdehnungskoeffizienten verhindert die sich aus dem Abkühlen in den Bereichen neben der Schnittstelle des geschmolzenen Materials des Motorblocks 8 (AlSi) ergebenden Defekte (Risse und Leerräume). Diese günstige Wirkung wird durch die bessere Wärmeübertragung aufgrund des Vorhandenseins der Kupfermatrix in dem Verbund verstärkt. Diese bessere Wärmeübertragung minimiert den Temperaturgradienten, was wiederum die Wirkungen von Kontraktion (Risse und Leerräume 4) während der Erstarrung und anschließenden Abkühlung des Materials eliminiert. Es sei darauf hingewiesen, dass die Wärmeleitfähigkeit der Beschichtung 5 als mindestens 250 W/(mK) betrachtet werden sollte.
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Für ein besseres Verständnis zeigt 7 die verschiedenen Werte für Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und Schmelzpunkt des Metalls des Motorblocks 8, der Laufbuchse 10 und der Beschichtung. Bei einer ähnlichen Verteilung wie die gezeigte minimiert die Wärmeausdehnung der leitenden Komponente 6 die Brüche und Defekte neben dem Graugusssubstrat der Laufbuchse 10. Das Metall des Motorblocks 8 erzeugt wiederum das lokalisierte Schmelzen des Haftungselements 7 der Beschichtung 5, was eine Vergrößerung der Oberfläche für den Wärmeaustausch begünstigt. Infolgedessen verbessert die Verbundbeschichtung 5 die Haftung und Wärmeleitung dank der Integration der Schnittstellen zwischen der Zylinderlaufbuchse 10 und der Beschichtung 5.
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Wie bereits angeführt, besteht zwischen den verwendeten Mengen jeder Komponente 6, 7 ein Balancepunkt, und dieses Verhältnis ist mit der Bildung des Verbundmaterials tief verwurzelt.
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Die Bildung des Verbundmaterials erfolgt durch Beschuss mit Teilchen jeder der Komponenten auf der Außenfläche 2 der Zylinderlaufbuchse 10, was durch das Spritzverfahren bereitgestellt wird. Wenn die Teilchen jeweils die Außenfläche erreichen, erfahren sie eine sehr starke Verformung und verbleiben zwangsläufig im festen Zustand. Dies ist ein Begrenzungsfaktor bei der Wahl der Verbindungen 6, 7, da letztere eine hohe Leitfähigkeit und Plastizität haben müssen.
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Wie in dem Schaubild von 8 gezeigt, wird die leitende Komponente 6 vorzugsweise in einer größeren Menge aufgebracht, wobei die Haftungskomponente 7 in der leitenden Komponente 6 positioniert bleibt. Für ein besseres Verständnis, wie das Verbundmaterial aussehen wird, wenn es möglich wäre, die ganze Haftungskomponente 7 zu entfernen, würde es wie eine durch die leitende Komponente 6 gebildete poröse Struktur aussehen, wobei diese Struktur eine Verbindung zwischen den Leerräumen gestattet. Des Weiteren muss die leitende Komponente 6 einen höheren Schmelzpunkt als den des Metalls des Motorblocks 8 aufweisen, und der Schmelzpunkt der Haftungskomponente 7 muss im Wesentlichen gleich dem des Metalls des Motorblocks 8 sein.
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Das Verständnis der Verbundstruktur ist von größter Wichtigkeit, da es dank dessen ermöglicht wird, das Geschehen während des Gießens des flüssigen Metalls des Motorblocks 8, der mindestens eine Laufbuchse der vorliegenden Erfindung enthält, zu verfolgen. Es gibt also zwei Metalle, die einen ähnlichen Schmelzpunkt aufweisen, nämlich die Haftungskomponente 7 und das flüssige Metall des Motorblocks 8, die beide aus einer Aluminium-Silizium(AlSi)-Legierung bestehen. Die leitende Komponente 6 wiederum weist, wenn sie aus Kupfer (Cu) hergestellt ist, einen höheren Schmelzpunkt als den der Aluminium-Silizium(AlSi)-Legierung auf. Somit werden die Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfüllt.
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Während des Gießens begünstigt das flüssige Metall des Motorblocks 8, wenn es mit der Beschichtung 5 in Kontakt kommt, deren Erwärmung, wodurch ein zumindest teilweises Schmelzen der Haftungskomponente 7 sowohl durch direkten Kontakt als auch die hohe Wärmeübertragung, die durch Kupfer gestattet wird, begünstigt wird. Da die Legierung der Haftungskomponente 7 eine hohe chemische Parität mit der Legierung des Motorblocks 8 hat, ist die Haftung extrem stark. Gleichzeitig verleiht die Legierung der Haftungskomponente 7 ..., was ermöglicht, die Haftung des flüssigen Metalls des Motorblocks 8 in der Struktur der leitenden Komponente 6, das heißt durch ihre gesamte Dicke, zu verwurzeln. Diese doppelte Haftung (chemische Parität und Verwurzelung in der Struktur des Verbundmaterials) gewährleistet eine sehr starke Haftung aufgrund dessen, dass erstmals eine kombinierte Verwendung erfolgt.
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Die Dicke der Beschichtung 5 der vorliegenden Erfindung kann in einem Bereich von 20 bis 300 Mikrometer liegen. Des Weiteren weist die Beschichtung 5 eine Rauigkeit im Aufbringungszustand auf.
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Im Gegensatz zu dem Stand der Technik, der sich nur mit der chemischen Parität oder Rauigkeit befasste, ermöglicht das Vorhandensein einer Verbundbeschichtung 5 der vorliegenden Erfindung die Steuerung des Prozesses der Verankerung der Laufbuchsen in dem gesamten Gussteil des Blocks mit größerer Tiefe, da er es ermöglicht, eine Beschichtung als Funktion der Menge jeder Komponente 6, 7, ihrer Verformbarkeit, ihrer Wärmeleitung und ihrer chemischen Parität mit dem Metall des Motorblocks 8 zu betrachten.
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Der Stand der Technik hat sich niemals weder mit diesem dreigliedrigen Verhältnis noch damit, wenn solch ein Verhältnis zur Bildung einer Verbundbeschichtung 8 konvergiert, deren Eigenschaften es ermöglichen, den Kontraktionen, die sich aus der Abkühlung des flüssigen Metalls des Motorblocks 8 ergeben, ohne Bildung von Leerräumen 4 Rechnung zu tragen, beschäftigt. Nicht nur wird somit dieser Nachteil überwunden, sondern es gelingt auch der Laufbuchse selbst, einen besseren Wärmefluss während des Betriebs des Motors durch den Motorblock 8 dank einer stärker leitenden Beschichtung, die als Ableiter zwischen den verschiedenen Materialien, welche die betreffende Anordnung bilden, wirkt, zu ermöglichen.
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Die technische Lösung der vorliegenden Erfindung ermöglicht dadurch, dass sie zu einem besseren Wärmefluss und der Ermöglichung der Reduzierung der Dicke der Laufbuchsenwand beiträgt, die Minimierung von thermischem und mechanischem Verzug bei Betrieb des Motors 8. Motoren mit größeren Verzügen neigen dazu, einen höheren Ölverbrauch und vermehrte Schadstoffemissionen aufzuweisen. Somit wirkt sich der verstärkte Wärmeaustausch auf verschiedene Weise günstig aus, da er übermäßigen Verschleiß der Komponenten verhindert und die Bedingungen von Kraftstoffverbrauch, Öl und Emissionen verbessert. Darüber hinaus ermöglicht besserer Wärmeaustausch auch die Reduzierung der Abmessungen des Blocks (des Zylinderstegs), wodurch Motorblöcke entstehen, die kompakter und deshalb leichter sind.
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Es sind zwar bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben worden, jedoch versteht sich, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung auch andere mögliche Variationen umfasst, die nur durch den Inhalt der beigefügten Ansprüche, die die möglichen Äquivalente mit enthalten, eingeschränkt werden.
