DE19842608A1 - Verfahren zum Herstellen einer Verschleißschicht bei Zylinderlaufbahnen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verschleißschicht bei Zylinderlaufbahnen von Leichtmetall-Zylindern für Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine die Verschleißschicht bildende Metalllegierung, deren elektrische Leitfähigkeit geringer ist als diejenige der Leichtmetalllegierung des Zylinders, mit einer Schichtdicke zwischen 3 und 150 mum auf die Innenseite des die Zylinderlaufbahn bildenden Zylinderraums aufgebracht wird; um die Anbindung der Verschleißschicht an die Zylinderlegierung zu verbessern, wird vorgeschlagen, dass von innerhalb des Zylinderraums ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 5 MHz auf die Verschleißschicht induziert wird und dass dadurch die Leichtmetalllegierung des Zylinders in einem Grenzflächenbereich, welcher der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds in die Leichtmetalllegierung entspricht, zumindest teilerschmolzen wird, und dass dadurch auch die Metalllegierung der Verschleißschicht in einem Grenzflächenbereich teilerschmolzen wird und somit Grenzflächendiffusionsprozesse erzeugt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verschleißschicht bei Zylinderlaufbahnen von Leichtmetall- Zylindern für Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine die Verschleißschicht bildende Metalllegierung, deren elektrische Leitfähigkeit geringer ist als diejenige der Leichtmetalllegierung des Zylinders, mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 600 µm auf die Innenseite des die Zylinderlaufbahn bildenden Zylinderraums aufgebracht wird.

Es war seither üblich, die Verschleißschicht in Form einer mit dem Leichtmetall des Zylinders umgießbaren Zylinderlaufbuchse aufzubringen. Die Anbindung der Laufbuchse an den Umguss des Zylinders ist jedoch problematisch und bildet stets eine Schwachstelle für diese Technologie.

Auch das Aufbringen von Verschleißschichten durch Plasma- oder Flammspritzen führten zu keiner vollständigen metallurgischen Bindung zwischen der Verschleißschicht und der Leichtmetalllegierung des Zylinders. Es besteht daher die Gefahr, dass sich die Verschleißschicht mechanisch ablöst. Auch das Problem der sog. Spaltkorrosion ist nach wie vor nicht zufriedenstellend gelöst.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anbindung der Verschleißschicht an die Leichtmetalllegierung des Zylinders verbessert wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass von innerhalb des Zylinderraums ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 5 MHz auf die Verschleißschicht induziert wird und dass dadurch die Leichtmetalllegierung des Zylinders in einem Grenzflächenbereich, welcher der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds in die Leichtmetalllegierung entspricht, zumindest teilerschmolzen wird, und dass dadurch auch die Metalllegierung der Verschleißschicht in einem Grenzflächenbereich teilerschmolzen wird und somit Grenzflächendiffusionsprozesse erzeugt werden.

Die Erfindung macht sich also gezielt den Umstand zu Nutze, dass die Leitfähigkeit von Hartstoffphasen aufweisenden Verschleißschichten geringer ist als diejenige der Zylinderlegierung. Dies eröffnet erfindungsgemäß die Möglichkeit, die Frequenz eines elektromagnetischen Wechselfeldes in Abhängigkeit von der spezifischen Leitfähigkeit der Metalllegierung der Verschleißschicht so zu wählen, dass die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen größer ist als die radiale Dicke der Verschleißschicht, so dass diese in das dahinter liegende Metall des Zylinders gelangen können. Die Leitfähigkeit von Leichtmetallzylinderlegierungen, insbesondere von Aluminiumlegierungen ist demgegenüber so groß, dass die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in diese Leichtmetalllegierung sehr gering ist und nur etwa 1 bis 10 µm beträgt. Innerhalb dieses Grenzflächenbereichs werden elektrische Wirbelströme erzeugt, welche ihrerseits ein Eindringen des Felds nach der Lenzschen Regel zu verhindern suchen, so dass die Feldstärke des eindringenden elektromagnetischen Wechselfelds mit zunehmender Tiefe exponentiell abnimmt. Durch die Wirbelströme kann eine sehr starke lokale, also auf die Eindringtiefe begrenzte Erhitzung der Leichtmetalllegierung bis in den Bereich ihres Schmelzpunkts und darüber erreicht werden. Die Leichtmetalllegierung wird in diesem Grenzflächenbereich quasi teilerschmolzen; sie nimmt in jedem Fall aber eine zumindest als teigig oder zähflüssig zu bezeichnende Konsistenz an. Dies führt auch zur Erhitzung bzw. zum Teilerschmelzen der die angrenzende Verschleißschicht bildenden Metalllegierung, so dass in einem Übergangsbereich zumindest Grenzflächendiffusionsprozesse auf Grund der mit steigender Temperatur erhöhten Beweglichkeit der Legierungsbestandteile auftreten. Die vorstehend beschriebenen Prozesse finden je nach Leistung innerhalb eines sehr kurzen, von 5 bis 30 Sekunden begrenzten Zeitraums statt. Sie führen zu einer durchgehenden metallurgischen Anbindung der Verschleißschicht an die Leichtmetalllegierung des Zylinders.

Es besteht die Möglichkeit, die Verschleißschicht durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen auf die Innenseite des Zylinderraums aufzubringen und anschließend eine metallurgische Anbindung durch lokales induktives Erhitzen gemäß der Erfindung durchzuführen - es ist zumindest auch theoretisch denkbar, die Verschleißschicht durch Walzplattieren auf die Innenseite des Zylinderraums aufzubringen.

Weiterhin wäre die Verwendung einer dünnwandigen Trägerbuchse, auf welche die Verschleißteilschicht aufgebracht wird, denkbar. Die Trägerbuchse wird wie eine konventionelle Laufbuchse eingegossen. Hierbei verklammert sich die Beschichtung mit dem Umguss. Bei der Bearbeitung des Kurbelgehäuses wird das Material der Trägerbuchse zerspant und somit die Verschleißschicht freigelegt.

Ferner könnte es sich als vorteilhaft erweisen, wenn die Verschleißschicht zuvor auf eine Pinole des Gießwerkzeugs buchsenförmig aufgespritzt würde.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen und der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. In der Zeichnung zeigt:
Die Figur eine Längsschnittansicht einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die Figur zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Vorrichtung, die als selbständig erfindungsbegründend angesehen wird, zum Erzeugen und Einstrahlen eines elektromagnetischen Wechselfelds in eine Verschleißschicht bzw. eine darunterliegende Leichtmetalllegierung einer Zylinderlaufbahn eines Zylinderblocks einer Verbrennungskraftmaschine. Die Vorrichtung 2 wird in Zylinderlängsrichtung, also in Richtung des Pfeils 4, in eine Zylinderbohrung eingeführt. Die Vorrichtung umfasst einen Trägerkörper 6 bestehend aus einem Außenrohr 8 und einem Innenrohr 10, wobei das Außenrohr 8 einen flanschförmigen Abschnitt 11 aufweist, mit dem die Vorrichtung 2 kopfseitig auf dem nicht dargestellten Zylinderblock auflegbar ist. Das Außenrohr 8 bzw. das Innenrohr 10 stellen zugleich die elektrische Koaxzuführung zu einer Induktionsspule 12 in Form eines Hohlleiters 14 mit rechteckigem Querschnitt dar, der schraubenförmig um die Längsachse herum vorgesehen ist. Zwischen den Windungen des Hohlleiters 14 ist ein feldkonzentrierendes Mittel 16 in Form von Ferrit-Kernen für hochfrequente Wechselfelder bzw. in Form von Blechpaketen aus Nickellegierung für Wechselfelder bis 50 kHz vorgesehen, durch welche das Auftreten von Wirbel strömen innerhalb der Induktionsvorrichtung weitestgehend vermieden werden soll. Der schraubenförmige Hohlleiter 14 bildet zugleich ein Leitungsmittel 18 für ein Kühlmittel, welches im dargestellten Fall durch das Innenrohr 10 zugeführt und im Bereich von dessen unterem Ende in den Hohlleiter 14 gespeist wird. Das Kühlmedium durchfließt den schraubenförmigen Hohlleiter 14 und verlässt die Anordnung im oberen Bereich zwischen dem Innenrohr 10 und dem Außenrohr 8 in axialer Richtung.

Je höher die Frequenz ist, desto geringer kann die Ganghöhe zwischen den Schraubengängen der Hohlleiter 14 bemessen werden.

Der Außenleiter, also das Außenrohr 8 ist üblicherweise geerdet bzw. stellt das Low-Potential dar.

Im abgebildeten Fall ist mit dem abgebildeten Windungsversatz eine Asymmetrie verbunden, die zu einer ungleichmäßigen asymmetrischen Einstrahlung von Energie in das umgebende Metall der Zylinderlaufbahn führen würde. Dieser Windungsversatz bzw. die hierdurch erzeugte Asymmetrie wird durch eine lokale Variierung der magnetischen Permeabilität der Anordnung durch zusätzliche vorgesehene, nicht dargestellte, Kupferbleche ausgeglichen.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anordnung 2 in Längsrichtung 4 in eine Zylinderbohrung einer Verbrennungskraftmaschine eingeführt. Im Anschluss hieran werden kurzzeitig Ströme von mehreren Tausend Ampere im Bereich zwischen 10 kHz und 5 MHz für eine Zeitdauer von 1 bis 30 Sekunden über die koaxiale Zuführung in bzw. durch die Hohlleiter 14 für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunden erzeugt.

Dieses elektromagnetische Wechselfeld dringt in die Oberfläche einer mit einer Verschleißschicht versehenen Zylinderlaufbahn ein und bringt das höher leitende Metall des eigentlichen Zylinderblocks in einem Grenzflächenbereich zu der elektrisch schlechter leitenden Verschleißschicht zum Schmelzen. Hierdurch wird auch die Metalllegierung der Verschleißschicht in einem Grenzflächenbereich teilerschmolzen, und es wird damit auf Grund der sich einstellenden Grenzflächendiffusionsprozesse eine innige metallische Anbindung zwischen dem Metall des Umgusses also des Zylinderblocks und der Verschleißschicht erzeugt.

Claims (9)

1. Verfahren zum Herstellen einer Verschleißschicht bei Zylinderlaufbahnen von Leichtmetall-Zylindern für Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine die Verschleißschicht bildende Metalllegierung, deren elektrische Leitfähigkeit geringer ist als diejenige der Leichtmetalllegierung des Zylinders, mit einer Schichtdicke zwischen 10 und 600 µm auf die Innenseite des die Zylinderlaufbahn bildenden Zylinderraums aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass von innerhalb des Zylinderraums ein elektromagnetisches Wechselfeld mit einer Frequenz zwischen 10 kHz und 5 MHz auf die Verschleißschicht eingestrahlt wird und dass dadurch die Leichtmetalllegierung des Zylinders in einem Grenzflächenbereich, welcher der Eindringtiefe des elektromagnetischen Wechselfelds in die Leichtmetalllegierung entspricht, zumindest teilerschmolzen wird, und dass dadurch auch die Metalllegierung der Verschleißschicht in einem Grenzflächenbereich teilerschmolzen wird und somit Grenzflächendiffusionsprozesse erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Leichtmetallzylinder aus Aluminiumlegierung gegossen ist und durch das eingestrahlte Wechselfeld eine Temperatur innerhalb des Grenzflächenbereichs von 500 bis 600 Grad C erzeugt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzflächenbereich mit einer Breite von 3 bis 15 µm auf Schmelztemperatur gebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung durch Plasmaspritzen oder Flammspritzen auf die Innenseite des Zylinderraums aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung durch Walzplattieren auf die Innenseite des Zylinderraums aufgebracht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalllegierung in Form einer von der Schmelze des Zylinders umgossenen Laufbuchse auf die Innenseite des Zylinderraums aufgebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes derart gewählt ist, dass die Eindringtiefe 15 bis 650 µm beträgt.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektromagnetische Wechselfeldes auf einen Oberflächenbereich der Zylinderlaufbahn für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunden eingestrahlt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verschleißschicht z. B. eine Eisen-Basislegierung aufgebracht wird.