DE202019106342U1

DE202019106342U1 - Zylinderlaufbuchse mit Außenbeschichtung auf Aluminium-Basis von hoher Schichthaftfestigkeit

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Publication number: DE202019106342U1
Application number: DE202019106342.4U
Authority: DE
Original assignee: Federal Mogul Friedberg GmbH
Current assignee: Federal Mogul Friedberg GmbH
Priority date: 2019-11-14
Filing date: 2019-11-14
Publication date: 2019-12-12
Anticipated expiration: 2029-11-15
Also published as: CN211370565U

Abstract

Zylinderlaufbuchse (2), die an einer Mantel-Außenfläche eine Beschichtung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dassdie Beschichtung (8) eine Beschichtung auf Aluminium-Basis ist,unddie Beschichtung (8) eine Schichthaftfestigkeit zwischen 40MPa und 90MPa, bevorzugt zwischen 42MPa und 80MPa, und weiter bevorzugt zwischen 45MPa und 55MPa aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Zylinderlaufbuchsen mit einer Beschichtung auf Aluminium-Basis, die an einer Mantel-Außenfläche aufgebracht ist, und eine hohe Schichthaftfestigkeit auf der Zylinderlaufbuchse aufweist.
Es ist prinzipiell bekannt, beschichtete Zylinderlaufbuchsen zu verwenden, wobei vor allem Innenbeschichtungen bekannt sind, die als Verschleißschutzschicht dienen. Es ist ebenfalls bekannt, Haftvermittlerschichten bei Zylinderlaufbuchsen zu verwenden, die in Motorblöcke eingegossenen werden, um eine metallische Verbindung zu dem Material des Motorblocks zu erreichen. Dies ist insbesondere bei Zylinderlaufbuchsen auf Eisenbasis wünschenswert, die in einen Motorblock aus Aluminium eingegossen werden sollen, um eine gute Verbindung zwischen dem Eisenwerkstoff der Zylinderlaufbuchse und dem Aluminiumwerkstoff des Motorblocks zu erreichen.
Es ist wünschenswert, insbesondere bei eingegossenen Zylinderlaufbuchsen die Verbindung zwischen dem Material der Zylinderlaufbuchse und dem Material des Motorblocks zu verbessern. Es ist daher ebenfalls wünschenswert, eine Zylinderlaufbuchse zur Verfügung zu haben, die eine Außenbeschichtung aufweist, die besonders stark mit dem Material der Laufbuchse verbunden ist, und die es gestattet, bei einem Eingießen ebenfalls eine besonders starke Verbindung mit dem Material des Motorblocks einzugehen.
Dies wird erreicht durch eine Zylinderlaufbuchse, die an einer Mantel-Außenfläche eine Beschichtung aufweist. Die Beschichtung ist eine Beschichtung auf Aluminium-Basis. Die Beschichtung ist auf einer Mantel-Außenfläche der Zylinderlaufbuchse angebracht und bedeckt diese zumindest teilweise. Die Beschichtung weist eine Schichthaftfestigkeit zwischen 40MPa und 90MPa, bevorzugt zwischen 45MPa und 70MPa, und weiter bevorzugt zwischen 45MPa und 55MPa auf.
Die Schichthaftfestigkeit wird durch einen Zugversuch bestimmt. Bei dem Testverfahren werden in Radialrichtung drei Kreisscheiben mit einem Durchmesser von 20mm aus der Zylinderlaufbuchse herausgeschnitten (in Axialrichtung oben/Mitte/unten). Beide Seiten der Kreisscheiben/Chips (Außendurchmesser mit Al Beschichtung und Innendurchmesser aus Eisen) werden mit Zugbolzen verklebt. Die eingesetzten Klebewerkstoffe, z.B. Delo Monopopox AD 295, HKT Ultrabond 100, haben eine Haftfestigkeit von min 100 MPa. Die Zugproben werden in eine kardanische Aufnahme eingespannt - um Querkräfte an der Kontaktfläche zu vermeiden - und in einer Zugprüfmaschine getestet. Die Proben werden mit einer Prüfgeschwindigkeit von 250 N/s beaufschlagt. Wenn die Schicht z.B. mit einer Normalkraft von 20.000 N vom Grundmaterial vollständig abgezogen wird, liegt eine Schichthaftfestigkeit von 64 MPa vor. Die Schichthaftfestigkeit wird als Mittelwert aus drei Probemessungen pro Zylinderlaufbuchse bestimmt. Die Abweichung der Schichthaftfestigkeit einer gekrümmten Probe von einer ebenen Probe wird durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt (wobei aufgrund von Scherkräften die Schichthaftfestigkeit einer gekrümmten Probe niedriger ist als die einer ebenen Probe).
Die Zylinderlaufbuchse weist eine Beschichtung auf Aluminium-Basis auf, um beim Eingießen eine besonders gute Verbindung zu einem aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gegossenen Motorblock zu erreichen. Die Beschichtung ist auf einer Mantel-Außenfläche der Zylinderlaufbuchse angebracht und bedeckt diese zumindest teilweise, um die Teile der Zylinderlaufbuchse zu bedecken, die eingegossen werden. Es ist ebenfalls möglich, nur einen Teil der Fläche, die später eingegossen wird, mit der Beschichtung zu versehen, um beispielweise eine Rissausbreitung positiv zu beeinflussen, wobei Stellen der Zylinderlaufbuchse, die so stark belastet sind, dass Risse zwischen der Laufbuchse und dem Motorblock zu erwarten sind, nicht beschichtet werden. Die Beschichtung weist eine Schichthaftfestigkeit zwischen 40MPa und 90MPa, bevorzugt zwischen 42MPa und 70MPa, und weiter bevorzugt zwischen 45MPa und 55MPa auf, um auch die Kräfte aufnehmen zu können, die beim Betrieb des Motors zwischen dem Motorblock und der Zylinderlaufbuchse auftreten, ohne dass es zu einer Ablösung zwischen der Schicht und einem Basismaterial der Laufbuchse kommt. Durch den Aluminiumwerkstoff der Beschichtung kann erreicht werden, dass die Beschichtung beim Gussvorgang zumindest teilweise aufschmilzt und so mit dem Aluminiumgussmaterial verschweißt.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform kann die Zylinderlaufbuchse ebenfalls auf der Innenseite mit einer Verschließschutzschicht versehen sein.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse ist die Beschichtung eine Lichtbogendrahtspritzschicht. Hierbei kann insbesondere durch die Verwendung von geringen Zerstäubergas-Drücken bzw. -Mengen in Verbindung mit hohen Prozessspannungen und niedrigen Drahtvorschüben eine sehr gut haftende Beschichtung erzielt werden. Es kann insbesondere durch die hohen Partikeltemperaturen, mit der die Partikel auf die Oberfläche treffen, eine im Vergleich zu anderen Methoden deutlich erhöhte Schichthaftfestigkeit erreicht werden.
Hier und im Weiteren sowie in den Ansprüchen werden Prozentangaben im Sinne von Gewichtsprozent (Gew.-%) verstanden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse umfasst die Beschichtung auf Aluminium-Basis eine Aluminium-Silizium-Legierung und besteht bevorzugt aus einer Aluminium-Silizium-Legierung. Die Beschichtung soll hier mindestens eine Aluminium-Basislegierung oder Aluminium-Silizium-Legierung umfassen, wobei weitere Legierungsbestandteile ebenfalls vorhanden sein können. In einer bevorzugten Ausführung handelt es sich um eine Aluminium-Silizium-Legierung, die lediglich einzelne Verunreinigungen mit jeweils unter 2% und insgesamt unter 4% bevorzugt jeweils unter 1% und insgesamt unter insgesamt 4%, und weiter bevorzugt jeweils unter 0,5 und insgesamt unter 2% , umfassen kann. Die Aluminiumlegierungen gestatten einerseits eine hervorragende Haftung an der beschichteten Oberfläche und erlauben zudem ein hervorragendes Verschmelzen bzw. Verschweißen mit dem Gussmaterial eines Motorblocks, in den die Zylinderlaufbuchsen eingegossen werden.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse umfasst die Beschichtung eine Aluminium-Silizium-Legierung mit Al, AlSi, Al₂O₃ und/oder SiO₂, wobei bevorzugt weiter Restmaterial zwischen 1 und 3% vorhanden ist. Das Restmaterial kann dabei vermeidbare oder unvermeidbare Verunreinigungen aus einem Drahtspritzmaterial, Rückstände aus Bearbeitungsmitteln wie Kühlschmiermittel, Schneidöle, Bearbeitungsöle oder Korrosionsschutzmittel umfassen. Diese Bearbeitungsmittel und Verunreinigungen können zudem beim Spritzen durch den Lichtbogen weiter chemisch verändert worden sein.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse besteht die Beschichtung auf Aluminium-Basis aus einer Aluminium-Silizium-Legierung AlSi10 bis AlSi14, bevorzugt AlAi11 bis AlSi13, und weiter bevorzugt AlSAi12, wobei weiter Restmaterial zwischen 0,5 und 4%, bevorzugt zwischen 1 und 3%, und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5% zulässig oder umfasst ist. Diese Legierung gestattet einerseits eine hervorragende Schichthaftfestigkeit an dem Material der Zylinderlaufbuchse im Falle von thermischen Sprühschichten und andererseits eine gute Verbindung bzw. Vergießbarkeit mit einem Motorblockmaterial. So kann sichergestellt werden, dass sich auch im Betrieb des Motors die Zylinderlaufbuchse weder zwischen dem Eisenbasismaterial und der Beschichtung noch zwischen der Beschichtung und dem Gussmaterial lösen kann.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse ist die Beschichtung auf Aluminium-Basis eine Aluminium-Silizium-Legierung mit den Bestandteilen Al, Al₂O₃ und Si sowie Restmaterial. Der Aluminiumanteil beträgt dabei zwischen 75% und 95%, der Al₂O₃ Gehalt zwischen 0,5 und 4%, der Si Anteil zwischen 1 und 15% und ein Rest wird durch Restmaterial zwischen 1 und 23,5 % gebildet.
Bevorzugt kann der Aluminiumanteil dabei 80 und 90% betragen, das Al₂O₃ zwischen 1 und 3%, und der Si Anteil zwischen 5 und 13% liegen, wobei Restmaterial bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5% vorliegt.
Der Aluminiumanteil liegt dabei zwischen 75% und 95%, bevorzugt zwischen 80 und 90%, und weiter bevorzugt zwischen 83 und 87%, der Al₂O₃ beträgt zwischen 0,5 und 4%, bevorzugt zwischen 1 und 3%, und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5%, wobei ein Si Anteil zwischen 1 und 15%, bevorzugt zwischen 5 und 13%, und weiter bevorzugt zwischen 10 und 12% beträgt, wobei ein Rest durch Restmaterial gebildet wird, wobei bevorzugt zwischen 1 und 23,5 % und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5% Restmaterial vorliegt. In den hier gegebenen Beispielen soll die Zusammensetzung jeweils so gewählt sein, dass sich die einzelnen Bestandteile zusammen zu 100% ergänzen.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist die Beschichtung eine Schichtdicke zwischen 100 und 400µm, bevorzugt zwischen 140 und 300µm, und weiter bevorzugt zwischen 180 und 240µm auf. Die hier angegebenen Werte gestatten eine hinreichend große Bedeckung der Mantelfläche sowie ein geeignetes Aufschmelzverhalten beim Eingießen, sodass eine Schichthaftfestigkeit zwischen 40MPa und 90MPa, bevorzugt zwischen 42MPa und 80MPa, und weiter bevorzugt zwischen 45MPa und 55MPa auch zwischen dem Gusswerkstoff und der Beschichtung auf Aluminium-Basis erreicht werden kann.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist diese eine Wanddicke von 1 bis 3mm bevorzugt von 1,2 bis 2,5mm, und weiter bevorzugt von 1,5 bis 2mm auf. Die Wandstärke betrifft dabei eine Dicke der Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse, wobei angeformte Flansche oder Rillen nicht berücksichtigt werden. Die Wanddicke betrifft bevorzugt die Wandstärke der Zylinderlaufbuchse, einschließlich der Beschichtung. Die Wanddicke soll dabei als die Wanddicke angesehen werden, die flächenmäßig mindestens 80% der Fläche der Zylinderlaufbuchse ausmacht, bevorzugt 90% der Fläche der Zylinderlaufbuchse. Sofern die Zylinderlaufbuchse nur teilweise beschichtet ist, soll hier lediglich die Wandstärke der beschichteten Teile betrachtet werden.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse ist ein Grundmaterial der Zylinderlaufbuchse eine Eisen-Basislegierung wie Stahl oder Grauguss. Graugusslegierungen für Linermaterialien bestehen üblicherweise aus 2 - 4 Gew% Kohlenstoff, 1 - 3 % Silizium, bis zu 1 % Mangan, 0.2 - 1 % Chrom und bis zu 0,5 % Kupfer, der Rest ist Eisen. Stahlguss besteht aus 0.5% Kohlenstoff, 1% Mangan, 0,5% Silizium, der Rest ist Eisen. Zudem können noch weitere Legierungselemente wie Nickel oder Chrom beigefügt werden.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse ist die Beschichtung auf Aluminium-Basis eine thermische Lichtbogenspritzschicht. Lichtbogenspritzen eignet sich hier besonders gut, da die Zerstäubung der Partikel kostengünstig durch Druckluft erreicht wird. Die Oberfläche der Aluminiumpartikel oxidiert, d.h. es findet eine exotherme Reaktion statt. d.h. die Partikel werden heißer und verklammern intensiver mit der aufgerauten Grundmaterialoberfläche. Weiterhin gestattet das Lichtbogenspritzen eine große Bandbreite der Beschichtung. Je nach eingesetzter Prozessspannung, Vorschub der Drähte des gewählten Spritzgases und der Zerstäubergasart/- menge kann die Beschaffenheit der Beschichtung beeinflusst werden.
In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist die Beschichtung eine durchschnittliche Rauigkeit von 60 bis 150µm, bevorzugt 80 bis 130µm, und weiter bevorzugt 90 bis 110µm auf. Weiter bevorzugt liegt die durchschnittliche Rauheit immer unterhalb der Schichtdicke der Beschichtung. Die relativ große Rauheit bewirkt eine große Oberfläche, die wiederum beim Eingießen ein schnelles Aufschmelzen der Schicht ermöglicht. Die relativ große Rauheit wird ebenfalls durch bevorzugte Spritzparameter begünstigt, mit denen die hohe Schichthaftfestigkeit erreicht wird. Die Schichthaftfestigkeit wird dabei durch Spritzparameter erreicht, die besonders heiße Partikel beim Aufschlag auf die zu beschichtende Oberfläche ermöglichen. Die Rauheit muss unterhalb der Schichtdicke der Beschichtung liegen, um auszuschließen, dass die Beschichtung Fehlstellen aufweist. Bei einer durchgängig löchrigen Beschichtung lässt sich die Schichthaftfestigkeit nicht durch das vorstehend genannte Verfahren bestimmen, da der Testträger dann nicht nur mit der Beschichtung, sondern im Bereich der durchgehenden Löcher bzw. Poren ebenfalls mit dem Grundmaterial der Zylinderlaufbuchse verklebt wäre. In einem solchen Fall würde die ermittelte Schichthaftfestigkeit durch die direkte Verbindung des Klebstoffes mit dem Grundmaterial verfälscht werden. Somit ist die Beschichtung als geschlossene Beschichtung ausgeführt.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist die Beschichtung eine Schichtporosität zwischen 6 und 20%, bevorzugt zwischen 8 und 12%,und weiter bevorzugt zwischen 9 und 11% auf. Die Schichtporosität beschreibt dabei, wie hoch der Anteil an Poren in der Schicht ist, nicht jedoch die Größe der Poren oder die Bedeckungsrate. Die Poren sind kleiner als die Schichtdicke, wodurch eine nicht geschlossene Beschichtung vermieden wird. Die Porosität erzeugt eine größere Fläche, die beim Eingießen einen besseren Wärmeübertrag von dem Gussmaterial zu dem Material der Beschichtung ermöglicht. Durch eine bessere Verbindung zwischen Gussmaterial und Beschichtung kann eine Ablösung im Betrieb zwischen der Beschichtung und dem Gussmaterial des Motorblocks vermieden werden.
Die Beschichtung wird beim thermischen Spritzen durch aufgeschmolzene und beschleunigte Tropfen gebildet, die in Richtung einer Oberfläche geschleudert werden. Diese Tropfen verfestigen bereits auf dem Weg zu der Oberfläche teilweise an einer Außenseite, die Partikel bleiben innen jedoch noch flüssig. Nach dem Auftreffen der Partikel oder Metalltropfen auf der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse verbleiben diese dort. Durch das Auftreffen bilden die Partikel jeweils mehr oder weniger runde und fladige Beschichtungselemente, die als Spritzfläche, Spritzklecks, Spritzfladen oder Spritzfleck betrachtet werden können und im Folgenden Splat genannt werden.
Die Beschichtung umfasst gemäß einer beispielhaften Ausführung besonders große Splats. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist die Beschichtung einen Splat-Durchmesser von zwischen 80 und 400µm, bevorzugt zwischen 100 und 300µm, und weiter bevorzugt zwischen 150 und 200µ auf. In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist die Beschichtung einen Splat-Durchmesser größer als 100µm auf. Die Splats weisen in Umfangsrichtung und in Axialrichtung diese großen Durchmesser auf, nicht jedoch in der Radialrichtung, da sie in dieser Richtung stark abgeflacht sind. Die großen Splats werden durch hohe Lichtbogenströme und hohe Lichtbogenspannungen erzeugt, die mit geringen Zerstäubergasdrücken kombiniert werden. Die großen Metalltropfen und Sprühpartikel weisen ein günstigeres Masse-Oberflächen-Verhältnis auf, wodurch die Sprühpartikel weniger stark abkühlen und heißer auf die Oberfläche treffen und dadurch besser an dieser verklammern können. Die Splats sind größer und können daher besser an dem Untergrund haften und bilden eine größere Kontaktflächen mit dem Untergrund aus. Die Partikel können durch die größere Masse mehr Wärme transportieren und größere Strukturen bilden. Durch die größeren Partikel muss darauf geachtet werden, dass die Geschwindigkeit der Partikel beim Beschichten nicht zu hoch ist, um zu verhindern, dass ein zu großer Teil des Partikels beim Auftreffen zerstäubt wird.
Bei einer anderen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse weist die Zylinderlaufbuchse einen Außendurchmesser von 50 bis 180mm, bevorzugt von 60 bis 150mm, und weiter bevorzugt von 80 bis 120mm auf. Die vorliegende Erfindung ist hier besonders auf den Bereich von Fahrzeugmotoren und insbesondere auf Automobilmotoren ausgerichtet.
Bei einer zusätzlichen beispielhaften Ausführungsform der Zylinderlaufbuchse ist die Zylinderlaufbuchse an einer Außenfläche mindestens einer umlaufenden Rille oder mindestens einer Vertiefung versehen. Die Oberfläche der mindestens einen umlaufenden Rille oder der mindestens einen Vertiefung ist dabei ebenfalls beschichtet. Die Vertiefungen tragen dazu bei, die Zylinderlaufbuchsen auch durch Formschluss in dem Motorblock zu verankern. Weiterhin erhöhen die Vertiefungen die Oberfläche, die eingegossen wird, und damit auch die Stärke der Verbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, die gesamte Außenfläche beispielsweise mit kleinen Vertiefungen wie bei einem Golfball oder einer Bienenwabe zu versehen. Dadurch kann zusätzlich zum Materialschluss noch eine Formschlusskomponente zur Verankerung der Zylinderlaufbuchsen in dem Motorblock beitragen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Motor und/oder ein Motorblock einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse, wie sie vorstehend beschrieben wurde bereitgestellt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand von beispielhaften und schematischen Figuren erläutert, wobei:

1 zeigt eine beschichtete Zylinderlaufbuchse in einer Teil-Schnittansicht.
2 stellt die Entnahme von drei Probenkörpern dar.
3A bis 3E stellen die Schritte zur Bestimmung einer Schichthaftfestigkeit bei einer Zylinderlaufbuchse dar.
4 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer beschichteten Zylinderlaufbuchse mit zweiumlaufenden Rillen außen an der Mantelfläche.
5 zeigt eine beispielhafte Ausführung einer teilweisen Beschichtung dar. Es ist vorgesehen, beispielsweise einen oberen Rand der Zylinderlaufbuchse und/oder einen unteren Rand der Zylinderlaufbuchse nicht zu beschichten.

Im Folgenden werden sowohl in den Figuren als auch in den Zeichnungen gleiche Bezugszeichen verwendet, um auf gleiche oder ähnlichen Komponenten oder Merkmale Bezug zu nehmen.
1 stellt eine erfindungsgemäße zweischichtige Zylinderlaufbuchse 2 in einer perspektivischen Teil-Schnittansicht dar. Die Zylinderlaufbuchse 2 umfasst ein Basismaterial aus Gusseisen oder Stahl, das einen Grundkörper 4 bildet. Der Grundkörper 4 stellt im Wesentlichen eine nicht beschichtete Zylinderlaufbuchse dar. Zusammen mit dem Grundkörper 4 bildet die Beschichtung 8 die erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse 2. Die Beschichtung 8 bedeckt dabei eine äußere Mantelfläche des Grundkörpers 4, zumindest teilweise. Es ist vorgesehen, beispielsweise einen oberen Rand nicht zu beschichten. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, einen unteren Rand der Zylinderlaufbuchse unbeschichtet zu lassen. Die Zylinderlaufbuchse 2 kann weiter mit einem nicht dargestellten Flansch versehen sein. Die Beschichtung 8 umfasst ein Material aus einer Aluminium-Basislegierung. Die Beschichtung 8 ist durch Lichtbogen-Drahtspritzen hergestellt und weist eine Schichthaftfestigkeit zwischen 45MPa und 55MPa auf. Dies wird durch einen besonders heißen Lichtbogen in Kombination mit einem relativ geringen Spritzdruck und somit einer relativ geringen Geschwindigkeit des Spritzpartikel erreicht. Andere Beschichtungen erreichten durch Lichtbogen-Drahtspritzen eine Schichthaftfestigkeit zwischen 40MPa und 90MPa.
Aus der Figur ergibt sich, dass die Zylinderlaufbuchse ein Bimetall-Rohr bildet, was jedoch aufgrund der geringen Schichtdicke und dem relativ weichen Aluminium-Basismaterial der Beschichtung 8 nicht weiter relevant ist. Der Bimetall-Effekt wirkt sich bei einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse hingegen sehr stark aus, da sich das Material nicht ohne weiteres verformen kann. Die durch den Bimetall-Effekt erzeugten Kräfte müssen an der Grenze zwischen dem Grundkörper 4 und der Beschichtung 8 aufgenommen werden, weshalb die sehr hohe Schichthaftfestigkeit von mindestens 40MPa und bevorzugt zwischen 45MPa und 70MPa besonders wichtig ist. Die Wanddicke A der Zylinderlaufbuchse wird zusammen mit der Beschichtungsdicke B angegeben. Die Dicke B der Beschichtung 8 liegt dabei zwischen 100 und 400µm. In dem vorliegenden Fall beträgt sie 210µm. Es ist klar zu erkennen, dass die Figuren nicht maßstabgerecht sind. Die Gesamtdicke A der Wandstärke beträgt zwischen 1 und 3mm und bei dem dargestellten Beispiel 1,8mm.
2 stellt eine Entnahme von Testkörpern aus der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse 2 dar. Dazu werden mehrere Probenkörper 40, beispielsweise durch einen Kernlochbohrer oder durch Laserschneiden oder durch ein anderes spanendes Verfahren, entnommen. Der oberste Probenkörper 40 wurde lediglich herausgeschnitten und es ist nur die Schnitt-, Säge- oder Bohrlinie zu erkennen. Der mittlere Probenkörper 40 wurde in radialer Richtung leicht aus der Zylinderlaufbuchse 2 herausgeschoben. Der untere Probenkörper 40 ist vollständig von der Zylinderlaufbuchse 2 getrennt dargestellt. Der Probenkörper weist vorzugsweise einen Probendurchmesser zwischen 10 und 30mm auf, um Verfälschungen der Messung durch die Krümmung der Kontaktfläche zwischen Grundkörper 4 und Beschichtung 8 so klein wie möglich zu halten.
3A zeigt eine vergrößerte Ansicht des Probenkörpers 40 von 2. Der Probenkörper 40 ist in der Form einem flachen Zylinder bzw. einer Scheibe ähnlich. Die Stirnflächen des Probenkörpers 40 sind jedoch durch Teile von koaxialen Kreiszylinder-Flächen gebildet.
3B zeigt eine Seitenansicht des Probenkörpers 40 von 3A. Der Probenkörper 40 weist einen Durchmesser von 10mm und eine Wanddicke A von 2mm auf. In der Seitenansicht ist die leichte Krümmung der Oberfläche und der Zylinderinnenfläche zu erkennen.
3C stellt eine Seitenansicht des Probenkörpers 40 von 3A dar, an den zwei Testträger 44 mittels eines Klebstoffs 42 angeklebt sind. Die Testträger 44 sind in der Form an die Stirnflächen des Probenkörpers 40 angepasst, um eine möglichst dünne Verklebung bzw. einen möglichst kleinen Klebespalt zu erreichen. Die Testträger sind mit einer Öffnung versehen, um den Probenkörper einer Zugbelastung unterwerfen zu können. Im Idealfall wirkt sich die Krümmung der Stirnflächen des Probenkörpers 40 nicht auf die Bestimmung der Schichthaftfestigkeit aus und kann vernachlässigt werden. Dies kann durch weitere Versuche mit glatten Probenkörpern und gleichen Materialpaarungen nachgewiesen werden.
In 3D wird der Probenkörper 40 durch eine über die zwei Testträger 44 angebrachte Zugkraft belastet, wobei die Kraft, bei der die Trennung der Beschichtung 8 von dem Grundmaterial der Zylinderlaufbuches auftritt, dividiert durch die Probenfläche in eine Schichthaftfestigkeit umgerechnet wird.
Die 3E stellt den zerstörten Probenkörper 40 und die zwei Testträger 44 dar. Die Beschichtung 8 wurde durch die in 3D aufgebrachte Zugkraft von dem Grundkörper abgerissen. Im Falle eines Abrisses des Klebstoffs 42 gegenüber dem Grundkörper der Beschichtung oder einem der Testkörper liegt eine Fehlmessung vor und der Versuch muss wiederholt werden. Es wird ein arithmetisches Mittel von mindestens drei Probenkörpern ermittelt, das oberhalb von 40MPa und bevorzugt zwischen den geforderten 45MPa und 70MPa liegen muss.
Der Klebstoff kann für die jeweilige Paarung Aluminium-Testträgermaterial bzw. Gusseisen/Stahl-Testträgermaterial unterschiedlich sein. Es ist ebenfalls möglich, Testträger aus einem jeweils unterschiedlichen Material für die Beschichtung 8 und das Grundkörper 4 zu verwenden, um die hohen Zugkräften aufnehmen zu können. Es wird darauf hingewiesen, dass die Messmethode nur für geschlossene Schichten angewendet werden kann, da im Falle von durchgängigen Öffnungen in der Beschichtung, die bis zum Gusseisen bzw. Stahl reichen, die Ergebnisse durch die Schichthaftfestigkeit des Klebstoffs auf dem Gusseisen bzw. Stahl verfälscht werden würden.
4 stellt eine erfindungsgemäße beschichtete Zylinderlaufbuchse 2 dar, dessen Grundkörper 4 im Bereich der axialen Enden der Zylinderlaufbuchse durch Nuten 18 verringert ist. Die Zylinderlaufbuchse 2 umfasst zwei Außennuten 8, jeweils eine obere und eine untere Außen-Nut. Die Lage und Breite der Nuten kann variieren. Es sind ebenfalls breitere und flachere Nuten weiter innen denkbar. Es ist ebenfalls vorgesehen, lediglich runde oder eckige Vertiefungen an dem Grundkörper 4 anzuordnen. Die Nuten 18 und die Vertiefungen werden dabei von der Beschichtung 8 überdeckt.
5 stellt eine erfindungsgemäße beschichtete Zylinderlaufbuchse 2 dar. Die Beschichtung 8 endet jeweils vor dem unteren Ende des Grundkörpers 4. Die in der 5 dargestellte Zylinderlaufbuches ist ein Beispiel für eine nur teilweise beschichtete Zylinderlaufbuchse. Die dargestellte Zylinderlaufbuchse kann an einem unteren Ende in das Kurbelgehäuse ragen. Es kann ebenfalls vorgesehen sein, dass die Zylinderlaufbuchse über die obere Kontaktfläche zum Zylinderkopf hinausragt, um beispielsweise eine höhere Flächenpressung der Zylinderkopfdichtung gegenüber einem Zylinderkopf zu erreichen. Der obere Rand ist rotationssymmetrisch ausgeführt, der untere hingegen weist eine Dreh- und eine Spiegelsymmetrie auf.
Neben dem Zugversuch, bei dem ein ausgeschnittenes Kreissegment zwischen Zugstäben eingespannt, verklebt und anschließend die Beschichtung abgezogen wird, können auch gekrümmte Zugstempel aus Stahl direkt auf die beschichtete Zylinderlaufbuchse aufgeklebt und über eine Zugvorrichtung abgezogen werden (PAT Test). Aus der Abzugskraft und dem Stempelquerschnitt wird die Schichthaftfestigkeit berechnet. Es muss darauf geachtet werden, dass sich die Oberfläche der beschichteten Zylinderlaufbuchse beim Abziehen des Stempels nicht verformt.
Bezugszeichenliste

2: Zylinderlaufbuchse
4: Grundkörper bzw. unbeschichtete Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen oder Stahl
8: Beschichtung auf Aluminiumbasis
18: Vertiefung / umlaufende Nut
40: Probenkörper
42: Klebstoff
44: Testträger
46: Bruch
A: Wanddicke der Zylinderlaufbuchse
B: Schichtdicke der Beschichtung

Claims

Zylinderlaufbuchse (2), die an einer Mantel-Außenfläche eine Beschichtung (8) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (8) eine Beschichtung auf Aluminium-Basis ist, und die Beschichtung (8) eine Schichthaftfestigkeit zwischen 40MPa und 90MPa, bevorzugt zwischen 42MPa und 80MPa, und weiter bevorzugt zwischen 45MPa und 55MPa aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (2) eine Lichtbogendrahtspritzschicht ist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Beschichtung auf Aluminium-Basis eine Aluminium-Silizium-Legierung umfasst und bevorzugt aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht.
Zylinderlaufbuchse (2) nach Anspruch 3, wobei die Beschichtung (8) auf Aluminium-Basis eine Aluminium-Silizium-Legierung Al, AlSi, Al2O3 und/oder SiO2 umfasst, und bevorzugt weiter Restmaterial zwischen 1 und 3% umfasst.
Zylinderlaufbuchse (2) nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung (8) auf Aluminium-Basis eine Aluminium-Silizium-Legierung AlSi10 bis AlSi14, bevorzugt AlSi11 bis AlSil3, und weiter bevorzugt AlSAi12 umfasst, wobei weiter Restmaterial zwischen 0,5 und 4%, bevorzugt zwischen 1 und 3% und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5% umfasst sind.
Zylinderlaufbuchse (2) nach Anspruch 4, wobei die Beschichtung (8) auf Aluminium-Basis eine Aluminium-Silizium-Legierung Al, Al₂O₃, Si und Restmaterial umfasst, wobei der Aluminiumanteil zwischen 75% und 95%, bevorzugt zwischen 80 und 90%, und weiter bevorzugt zwischen 83 und 87% liegt, der Al₂O₃ Gehalt zwischen 0,5 und 4%, bevorzugt zwischen 1 und 3%, und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5% beträgt, wobei ein Si Anteil zwischen 1 und 15%, bevorzugt zwischen 5 und 13, und weiter bevorzugt zwischen 10 und 12% beträgt, wobei ein Rest durch Restmaterial gebildet wird, wobei bevorzugt zwischen 1 und 23,5 % und weiter bevorzugt zwischen 1,5 und 2,5% Restmaterial vorliegen .
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (8) auf Aluminium-Basis eine Schichtdicke zwischen 100 und 400µm, bevorzugt zwischen 140 und 300µm, und weiter bevorzugt zwischen 180 und 240µm aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zylinderlaufbuchse (2) eine Wanddicke von 1 bis 3mm, bevorzugt von 1,2 bis 2,5 und weiter bevorzugt von 1,5 bis 2mm aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein Grundmaterial der Zylinderlaufbuchse (2) Stahl oder Grauguss ist, wobei der Stahl bevorzugt 0.3 bis 0,6% Kohlenstoff, 0,8 bis 1,2% Mangan, 0,3 bis 0,7% Silizium und optional Nickel oder Chrom ist, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und bevorzugt das Gusseisen aus 2 - 4 Gew% Kohlenstoff, 1 - 3 % Silizium, bis zu 0 bis 1 % Mangan, 0.2 - 1 % Chrom und bis zu 0,5 % Kupfer, wobei der Rest aus Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (8) auf Aluminium-Basis eine thermische Lichtbogenspritzschicht ist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (8) eine durchschnittliche Rauigkeit von 60 bis 150µm, bevorzugt 80 bis 130µm, und weiter bevorzugt 90 bis 110µm aufweist, wobei die durchschnittliche Rauheit immer unterhalb der Schichtdicke der Beschichtung (8) liegt.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (8) eine Schichtporosität zwischen 6 und 20%, bevorzugt zwischen 8 und 12%, und weiter bevorzugt zwischen 9 und 11% aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Beschichtung (8) einen Splat-Durchmesser zwischen 80 und 400 µm, bevorzugt zwischen 100 und 300 µm, und weiter bevorzugt zwischen 150 und 200 µm, oder einen Splat-Durchmesser größer als 100 µm aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zylinderlaufbuchse (2) einen Außendurchmesser von 50 bis 180mm, bevorzugt von 60 bis 150mm, und weiter bevorzugt von 80 bis 120mm aufweist.
Zylinderlaufbuchse (2) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Zylinderlaufbuchse (2) an einer Außenfläche mindestens eine umlaufende Rille (18) und/oder mindestens eine Vertiefung aufweist.