DE2521286B2 - Verfahren zur beschichtung der inneren gleitflaechen eines aus einer aluminiumlegierung bestehenden zylinders eines verbrennungsmotors - Google Patents

Description

Bisher wurden in Verbrennungskraftmaschinen Gußeisen- oder Aluminiumzylinder mit einer Gußeisenbuchse versehen. In den modernen, großen Hochleistungsmaschinen ist der konventionelle Zylinder wegen seiner schlechten Kühlcharakteristik aber unzulänglich. In m> einigen Fällen wurden Aluminiumzylinder verwendet, deren innere Gleitflächen mit Chrom plattiert sind. Die Herstellung solcher Zylinder beruht auf einem Piaiiierverfahren, dessen flüssige Abfälle eine Umweltverschmutzung verursachen können. Außerdem erfordert h^r> dieser Prozeß eine große Einrichtung und einen erheblichen Zeitaufwand für Vorbehandlung, Plattierung und Nachbehandlung. Demgemäß ist der erforderliche Aufwand pro Stück erheblich, und die Herstellungskosten sind entsprechend hoch.

Andererseits gab es viele Vorschläge für die Aufbringung einer Metallbeschichtung auf der inneren Gleitfläche eines Aluminiumzylinders mittels der Flammensprühbeschichtung u. dgl. Bei diesem Verfahren war es auch bereits bekannt, eine Molybdängrundierschicht auf dem Grundmaterial mittels Flammensprühung aufzubringen, um die Verbindung zwischen dem Grundmaterial und der Beschichtung zu verbessern. Mit der konventionellen Flammensprühbeschichtung ist es jedoch schwierig, Zylinderbeschichtungen hoher Dichte und Glätte billig und in großen Mengen herzustellen.

Aus DT-OS IS 47 480 ist ein Verfahren zum Aufbringen einer Schicht aus einem in die Gasphase überführten Material auf einen Metallkörper bekannt, wobei das Material durch eine Stoßstromentladung adiabatisch in eine gasähnliche Phase überführt wird und sich auf dem Körper mit hoher kinetischer Energie niederschlägt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der oben angeführten Gattung zu schaffen, mit dem es möglich ist, eine Beschichtung hoher Ha^rtfähigkeit zu erzielen, die sich leicht auf der Innenfläche eines Zylinders aufbringen läßt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Anwendung des Drahtexplosionsverfahrens gelöst, bei dem durch Stromstoßentladung ein Draht versprüht wird.

Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es möglich, einen Zylinder für Verbrennungskraftmaschinen mit ausgezeichneter Schleiß-, Riß- und Abriebfestigkeit zu erzielen. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß es nicht erforderlich ist, eine Buchse anzufertigen und in einen Zylinder einzubauen, was zu einer Verringerung der Herstellungskosten führt. Gegenüber dem Verfahren der Chromplattierung bestehen Vorteile bezüglich der Vorbehandlung, Bearbeitungszeit, Nachbehandlung dem Ausschuß und der notwendigen Einrichtungen. Gegenüber diesem Herstellungsverfahren können die Kosten um etwa 40% und mehr gesenkt werden. Ein weiterer Vorteil ist daran zu sehen, daß die Gefahr einer Umweltverschmutzung vermieden wird. Da das Drahtexplosionsverfahren elektrisch gesteuert wird, ist es einfach, Produkte gleichmäßiger Qualität zu erzeugen und die Fabrikationsausrüstung zu automatisieren und somit eine billige Massenproduktion zu realisieren. Zudem ist es möglich, einen Motor zu bauen, der leichter ist als die Motoren mit den üblichen Zylindern.

Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 11 enthalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird im folgenden anhand der Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen vergrößerten Querschnitt eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine, der erfindungsgemäß beschichtet ist,

F i g. 2 die Schaltung einer Drahtexplosionsvorrichtung zur Aufbringung der Beschichtung,

F i g, 3a und 3b Querschnitte eines Zylinders mit Verschleißmeßpunkten,

F i g. 4 ein Diagramm mit den Verschleißwerten eines konventionellen Zylinders mit Gußeisenbuchse und eines erfindungsgemäß beschichteten Zylinders und

F i g. 5 das Röntgenspektrum einer Drahtexplosionsbeschichtung mit nitrierten Eisen- und Titananteilen.

Wie oben beschrieben, ist es bekannt, bei der Flammenbesprühung irgendein Schichtn.aterial auf die Lauffläche eines AluminiumzylincU;rs aufzubringen. Wenn dabei vorher eine Molybdängrundierschicht auf die Lauffläche aufgebracht ist, so erhöht das Molybdän die Verbindung zwischen dem Grundmaterial un 1 dem flammenversprühten Schichtmaterial. Im Falle der Anwendung der Drahtexplosionssprühbeschichtung ist es indessen möglich, eine Grundierschicht von hoher Haftfestigkeit aus einem höher schmelzenden Material als Molybdän, nämlich aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder aus Wolfram herzustellen. Denn Schmelzpartikeln beispielsweise aus Molybdän oder Wolfram, die durch Drahtexplosionsversprühung erzeugt werden und eine höhere Temperatur als ihre Schmelztemperatur aufweisen, verbinden sich beim Auftreffen auf das aus einer Aluminiumlegierung bestehende Material mit diesem durch eine mechanische Verankerung, indem sie einen Teil der Oberfläche des Grundmaterials aufschmelzen, wobei Mischung und Diffusion mit dem Grundmaterial erfolgt. Dadurch wird eine Haftfestigkeit zwischen dem Grundmaterial aus einer Aluminiumlegierung und der Drahtexplosionssprühschicht von mehr als 500 kg/cm² erreicht. Diese Haftfestigkeit ist gegenüber der Wärme- und mechanischen Stoßbelastung, der die Auftragsschicht einer Gleitfläche eines Zylinders einer Verbrennungskraftmaschine ausgesetzt ist, ausreichend. Die Dicke der Auftragsschicht, die mit einer Drahtexplosionsversprühung gebildet wird, beträgt 5—15 μ. Daher beträgt die Anzahl der zur Herstellung einer Grundierschicht ausreichender Dicke erforderlichen Drahtexplosionsversprühungen eins bis drei. Vier oder mehr solcher Explosionsversprühungen sind für die Herstellung einer solchen Grundierschicht nicht erforderlich. Die nur aus einem Material hergestellte Grundierschicht hat eine zu geringe Verschleiß- und Abriebfestigkeit und kann daher nicht als Lauffläche eines Motorzylinders dienen. Vielmehr ist es erforderlich, auf der Grundierschicht Auftragsschichten aufzubringen, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen und der Gleitfläche die erforderliche Schleiß- und Abriebfestigkeit verleihen.

Nachderp also die Grundierschicht durch Explosionsversprühung des Molybdändrahtes, des Drahtes aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung oder des Wolframdrahtes aufgebracht ist, wird deshalb ein Kohlenstoffstahldraht auf die Grundierschicht explosionsversprüht, um eine Kohlenstoffstahlschicht herzustellen, die als Bewehrung für die Lauffläche dient. Sodann wird ein Drahtmaterial, wahlweise bestehend aus Molybdän, aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung, aus Wolfram, aus Chrom, aus einer Nickel-Chrom-Legierung oder aus Titan, auf die Kohlenstoffstahlschicht explosionsversprüht. Ferner wird die Explosionsversprühung des Kohlenstoffstahldrahtes und des Drahtes, ausgewählt aus den sechs Materialien, abwechselnd und wiederholt durchgeführt, um eine Beschichtung von etwa 50—120 μΐη herzustellen. Die beiden verschiedenen Materialien mischen sich in der Beschichtung und bilden eine harte Schicht gleichmäßiger Dicke. Schließlich wird die Oberfläche der Beschichtung, die die Gleitfläche des Zylinders bildet, vor- und nachgeschliffen. Durch die schnelle Abkühlung nach der Drahtexplnsionsversprühung ist der Kohlenstoffstahl in der komplexen Auftragsbeschichtung martensitisch und extrem hart ausgebildet. Die so aus Kohlenstoffstahl und Molybdän (oder aus einer Molybdän-Wolfram-Legierung, aus Wolfram, Chrom, Chrom-Nickel oder Titan) gebildete Beschichtung besitzt eine günstige Porosität (3 bis 5%): Die Poren wirken als Olreservoir und verleihen dadurch der Gleitfläche eine ausgezeichnete Schleiß- und Abriebfestigkeit. F i g. 1 zeigt beispielsweise einen Querschnitt einer derart bearbeiteten Gleitfläche.

Nunmehr werden Ausführungsformen der Erfindung erklärt. F i g. 2 zeigt die Schaltung einer Drahtexplosionssprühvorrichtung, die für die erfindungsgemäße Drahtexplosionssprühbeschichtung verwandt wird. Sie umfaßt eine Ladevorrichtung CS, einen Ladewiderstand R, einen Kondensator C mit einer Kapazität von beispielsweise 90 μΡ und einen Entladeschalter SVV, wie dargestellt in der Zeichnung. Das zu versprühende Metall Wist nahe dem zu beschichtenden Material, z. B. im Inneren eines zu beschichtenden Zylinders CYL zwischen den Anschlußklemmen der Sprühvorrichtung befestigt.

Zunächst wurde die Innenfläche eines Zylinders aus einer Aluminiumlegierung mit einem Innendurchmesser von 80,5 mm und einer Länge von 140 mm mit Perchloräthylen entfettet. Ein Wolframdraht von 1,5 mm 0 χ 180 mm wurde innerhalb des Zylinders explosionsversprüht und so eine Wolframbeschichtung auf seiner Innenfläche mit der oben beschriebenen Vorrichtung aufgebracht. Die Drahtexplosionsversprühung wurde mit einer Entladespannung von 18,9 kV durchgeführt. Die so aufgebrachte Schicht hatte eine Dicke von 5 μιη. Sodann wurden zwei Kohlenstoffstahlschichten aufgebracht durch getrennte Explosionsversprühung zweier Klavierdrähte von 1,60 mm 0 χ 180 mm bei 14,4 kV. Anschließend wurde eine Molybdänschicht aufgebracht durch die Explosionsversprühung eines Molybdändrahtes von 155mm 0 χ 180mm bei 17,4kV. Dann wurde die Drahtexplosionssprühschicht mit zwei Kohlenstoffstahlschichten und einer Molybdänschiclu zehnmal wiederholt. Danach wurde die so behandelte Oberfläche geschliffen. Die fertige Explosionssprühbeschichtung hatte eine Dicke von 80 μΐη.

Die Erfinder montierten den so bearbeiteten Zylinder und einen üblich ausgebuchsten Gußeisenzylinder und einen chromplattierten Zylinder in einen Zweitaktmotorradmotor von 360 jm¹ (Bohrung χ Hub 80.5 0 χ 68) und testeten ihre Leistungsfähigkeit. Fi g. 4 zeigt die Verschleißwerte des Gußeisenzylinders und des drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinders gemäß der Erfindung. Die F i g. 3a und 3b zeigen die Meßpunkte für die Verschleißwerte. Die in Fig.4 dargestellten Verschleißwerte sind die gemittelten Zahlen der in x- und y-Richtung an den Punkten A, A', B und ß'gemessenen Werte.

Wie aus dem Diagramm der F i g. 4 zu entnehmen ist, beträgt die Verschleißgröße des erfindungsgemäß drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinders weniger als die Hälfte des mit einer Gußeisenbuchse versehenen Zylinders. Die erfindun^sgemäß bearbeitete Zylinder besitzt somit eine ausreichende Dauerhaltbarkeit.

Ferner wurden an dem drahiexplosionssprühbeschichteten Zylinder nach einer Testdauer von 200 Stunden keinerlei Abblätterungen in der Beschichtung festgestellt. Demgegenüber trat in der Chromplattierung des plattierten Zylinders nach einer Testdauer von 2 Stunden unter gleichen Bedingungen eine Abblätterung auf.

Bei dem drahtexplosionssprühbeschichteten Zylinder ist es möglich, die Beschichtung bis auf etwa 100 bis 50 μπι zu verringern. Demzufolge hat der Zylinder eine hohe Wärmeleitfähigkeit und eine hohe Kühlleistung.

F^:crner zeigen Molybdän und Molybdän-Wolfram-Lcgierungen Selbstschmierung gegenüber metallischer Reibung, und die Poren in der Drahtexplosionssprühbeschichtung wirken als ölreservoir. Angesichts der oben beschriebenen Wirkungen und Eigenschaften besitzt der drahtexplosionssprühbeschichtete Zylinder eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit im Vergleich mit der gußeisernen Zylinderbuchse und dem chromplattierten Zylinder, wenn sie zusammen mit einem Aluminiumkolben und gußeisernen Ringen verwendet werden. ι

Wenn ein Draht aus einer Molybdän-Wolfram-Legieniiu: oder ein Wolframdraht auf die Innenfläche eines „Uiminiumlegierten Zylinders als Grundierschicht explosionsversprüht wurde und wenn man darauf Kohlen-Muffstahldraht und molyhdän-wolfram-legierten Draht ι oder Wolframdraht abwechselnd und wiederholt zur Bildung einer kombinierten Beschichtung explosionsversprühte, so zeigte der so ausgebildete Zylinder im wesentlichen die gleichen Eigenschaften, wie der oben beschriebene Gegenstand.

Für die Einbringung einer Verbundbeschichtung mittels eines Chromdrahtes, wurde dieser aus Metallpulver nach dem Extruderverfahren hergestellt und in einem Vakuumofen vorgesintert und gesintert. In diesem Falle wurde eine vielschichtige Verbundbeschichtung auf die Grundierschicht aufgebracht, bestehend aus Chrom und Kohlenstoffstahlschichten. Die Chromdrahtexplosionssprühbeschichtung besitzt eine Vickershärte von etwa 200 — 250 und die Kohlenstoffstahldrahtexplosionssprühbeschichtung von etwa 700—800. Angesichts der großen Härte der verschiedenen Schichten der Mischstruktur der Explosionssprühbeschichtung. besitzt die Verbundbeschichtung eine hohe Verschleiß- und Wärmefestigkeit. Ferner zeigt die Verbundbcschichtung angesichts des hauchdünnen Oxydfilms auf der Chromoberfläche eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit.

Als Nickel-Chrom-Legierung wurde ein Draht mit der Zusammensetzung Fe 16%, Ni 50%, Cr 33%. Mn 1% verwendet. Wegen seines erheblichen Eisenanteils wurde die Verbundbeschichtung durch abwechselnde und wiederholte Explosionsversprühung von Kohlenstoffdrähtcn und Drähten obiger Zusammensetzung durchgeführt. In diesem Falle zeigte die Verbundbeschichtung eine Vickershärte von etwa 700 und hatte im wesentlichen den gleichen Effekt, wie bei der Verwendung von Chrom.

Verwendet man einen Tilandraht, so besitzt die Verbundbeschichtung, aufgrund eines geringen Anteils an Titandioxyd, das durch die Oxydation des Titans bei der Drahtexplosionsversprühung in Luft entsteht, ausgezeichnete Dichtungseigenschaften. Wenn man einen so beschichteten Zylinder in einem Benzinmotor verwendet, so reagiert der Kohlenstoff des Benzins mit dem Titan der Beschichtung unter teilweiser Umwandlung von Ti zu TiC durch den Gettereffekt, wodurch sich Härte und Abriebfestigkeit erhöhen.

Bei Durchführung der Drahtexplosionsversprühung. beispielsweise von Stahl- und Titandrähten, in einer Stickstoffatmosphäre werden Eisen und Titan teilweise in Nitride verwandelt, wie aus Fig. 5 ersichtlich ist. Deshalb besitzen Explosionssprühbeschichtungen, die in einer Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden, eine Vickershärte von etwa 900 bis 1000. Da Nitride ausgezeichnete Abriebfestigkeit besitzten, zeigt eine Beschichtung, die solche Nitride enthält, ausgezeichnete Abrieb- und Verschleißfestigkeit.

Bei Verwendung eines Verbunddrahtmaterials, beispielsweise bestehend aus Stahl und Molybdän, Stahl und Wolfram, Stahl und Chrom und Stahl und Titan, werden die verschiedenen Materialpulver extrudiert gemäß der Technik der Pulvermetallurgie und vorgesintert und gesintert in einem Vakuumofen, um einen Verbunddraht herzustellen.

Das Rohmaterialpulver sollte vorzugsweise eine geeignete Partikelgröße (z. B. etwa 5 μιπ) aufweisen, so daß die zwei verschiedenen Materialien während der Sinterung nicht vollständig legiert werden. Da die Eigenschaften der jeweiligen Materialien in dem Drahtmaterial enthalten sind, müssen sie auch in der Drahtcxplosionssprühbeschichtung vollständig erhalten bleiben.

Es ist bekannt, daß Molybdänbisulfid und Wolframbisulfid ausgezeichnete feste Schmiermittel darstellen. Durch Imprägnierung der Drahtexplosionssprühbcschichtung mit solch einem Schmiermittel, mit dem die Poren der Schicht ausgefüllt werden, wurden die Schmiereigenschaften und die Abriebfesligkeit des Zylinders verbessert.

Die Imprägnierung der Drahtexplosionssprühbeschichtung mit Molybdänbisulfidpartikeln wurde mittels einer Suspension des Molybdänbisulfids bei gleichzeitiger Ultrabeschallung der Beschichtung mit einer Frequenz von 1OkHz während einer halben Stunde durchgeführt. Nach der Imprägnierung wurde die Beschichtung bei 170⁰C in der Luft eine Stunde lang wärmcbehandelt. um den IVir.dcr des Molybdänbisulfids auszuhärten.

Hierzu 2 Blatt Zeiclinuncen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Beschichtung der ieren Gleitflächen eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinders eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch die Anwendung des Drahtexplosionsverfahrens, bei dem durch Stromstoßentladung ein Draht versprüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Grundierschicht aus Molybdän oder Wolfram oder einer Molybdän-Wolfram-Legierung aufgesprüht wird, auf die eine Schicht aus Kohlenstoffstahl aufgesprüht wird, die wechselweise mi' Schichten aus einem Material hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit und Schichten aus Kohlenstoffstahl besprüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit ein Molybdändraht versprüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit ein molybdänwolframlegierter Draht versprüht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit ein Wolframdraht versprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit ein Chromdraht versprüht wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit ein nickelchromlegierter Draht versprüht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 2. dadurch gekennzeichnet, daß als Material mit hoher Abrieb- und Verschleißfestigkeit ein Titandraht versprüht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren in Stickstoff-Atmosphäre durchgeführt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Grundschicht nach Anspruch 2 Stahl legiert mit Molybdän oder Wolfram oder Chrom oder Titan aufgesprüht wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 — 10, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Oberfläche der fertigen Drahtexplosionsbeschichtung durch Kontaktierung mit einer Suspension von Molybdänbisulfidpulver oder Wolframbisulfid und durch gleichzeitige Ultrabeschallung imprägniert wird.