DE4040436A1 - Verfahren zur herstellung von verschleissschutzschichten - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten nach der Gattung des Haupt­ anspruchs. Es ist bekannt, Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen nach verschiedenen Verfahren herzustellen.

Nach dem US-Pat. 47 50 945 erfolgt die lokale Aufhärtung von Aluminium-Zylinderlaufflächen mit Laser- oder Elektronen­ strahl mit verschleißfesten Zonen zwischen 5% und 60% der Oberfläche ohne erforderliche Nachbearbeitung. Weiterhin ist nach dem US-Pat. 40 68 645 die kontrollierte Abkühlung der Gußteile aus der Schmelze zur Erzeugung von fein verteiltem eutektischem Silizium auf der Lauffläche von Zylindern bekannt.

Die EP-PS 00 33 969 und das DE-GM 80 03 574 offenbaren einen Bimetallzylinder durch eine Schutzschicht aus dünnwandigem Rohr, welches kalt an die Zylinderwand angeformt und wieder entfernbar ist.

Nach der DE-PS 27 40 569 und der GB-PS 15 87 235 erfolgt das Legieren der Oberfläche von Aluminium oder Aluminium­ legierungen während des Umschmelzens mit verschiedenen Legierungsbestandteilen. Weiterhin ist nach der DE-PS 29 23 315 B2 das elektrochemische Aufbringen von Nickel-Eisen- und Chromschutzschichten bekannt, während nach der DE-PS 22 52 607 der Einsatz übereutektischer Basis­ legierungen mit anschließendem Herausätzen von Aluminium bekannt geworden ist, so daß als Lauffläche Silizium­ spitzen der Matrix dienen.

Allgemein bekannt ist auch das Einschrumpfen bzw. Eingießen von Graugußbüchsen und die metallische Bindung von Stahl­ büchsen in Aluminiumzylinder. Der Einsatz von Keramik­ büchsen sowie das elektrochemische Aufbringen von Schutz­ schichten mit Dispersion nach dem sogenannten NIKASIL-Verfahren sind ebenso bekannt wie das Aufhärten von Grau­ gußbüchsen mittels Laser- oder Elektronenstrahl.

Der Nachteil galvanisch aufgetragener Nickelschichten mit eingelagerten Siliziumkarbidteilchen besteht darin, daß sie sehr zeit- und kostenaufwendig sind, sie erfordern eine aufwendige Schleifbearbeitung sowie eine umweltgerechte Ent­ sorgung der Chemikalien, was aber auch auf andere naß­ chemische Verfahren zutrifft. Mit diesem Verfahren werden nur geringe Schichtdicken von 0,02 bis 0,04 mm erreicht und damit ein Reparaturausschliff unmöglich gemacht. Bei Grauguß- und Stahlbuchsen wirkt sich nachteilig aus, daß sie eine passungsgenaue Zerspanung, Montage und Ab­ dichtung von Motorblock und Laufbuchse erfordern und nur eine begrenzte thermische Belastbarkeit besitzen und das Gewicht des Verbrennungsmotors erhöhen. Übereutektische Gußlegierungen bringen einen erhöhten Fertigungsaufwand durch zerspanungstechnische Probleme mit sich, während Bimetallzylinder einen erhöhten Fertigungsaufwand durch den zusätzlichen Materialeinsatz und hohe Anforderungen an die Oberflächengüte mit sich bringen. Ein großer Nach­ teil für den Serieneinsatz von Keramikbüchsen besteht der­ zeitig noch in dem relativ hohen Kostenaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Alternativ­ verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufflächen aus Leichtmetallegierungen zu schaffen, welches die o.g. Nach­ teile beseitigt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Ver­ schleißschutzschichten mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen ohne zusätzlichen Werkstoffeinsatz z. B. Grauguß oder Stahl bzw. ohne die Anwendung von elektrochemischen bzw. chemischen Beschichtungsverfahren erzeugt werden. Damit werden Rohstoffeinsparungen und Kostenreduzierungen erreicht, und es wird zur Verminde­ rung der Umweltbelastungen beigetragen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Er­ findung wird eine Lebensdauererhöhung von Kolben und Zylinder, verbunden mit geringer Reparaturanfälligkeit und erhöhter Zuverlässigkeit der Bauteile erreicht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf der gesamten Zylinderlauffläche eine Phasenumwandlung fest-flüssig-fest mit rascher Abkühlung erzeugt wird. Die Phasenumwandlung erfolgt mittels Elektronenstrahl bzw. anderen Hochenergiestrahlen, wie z. B. Laserstrahlen, wobei parallel dazu eine Legierung der gesamten Oberfläche mit Nickel als Verfahrensvariante erfolgen kann, indem die Zylinderlauffläche vor der Phasenumwandlung galvanisch oder anderweitig beschichtet wird. Die Umwandlungstiefe der Oberflächenschicht ist bis zu 2 mm variierbar, und es wird eine Homogenisierung und Feinkörnigkeit der Leicht­ metallegierung im Vergleich zum unbehandelten Werkstoff erreicht, was zur Festigkeit und Härtesteigerung führt. Im Anschluß an die Phasenumwandlung erfolgt eine mecha­ nische Feinbearbeitung der Oberfläche durch Feindrehen und Honen analog zur herkömmlichen Bearbeitung der Lauf­ fläche. Dabei kommen Honwerkzeuge definierter Zusammen­ setzung zur Anwendung.

Die erzeugte Verschleißschutzschicht der Zylinderoberfläche wird gepaart mit Kolben, deren Oberflächen wie folgt gal­ vanisch beschichtet sind:

• a) gal. Ni + SiC,
• b) gal. Ni + Al₂O₃,
• c) gal. Fe + SiC,
• d) gal. Fe + Al₂O₃.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 eine Prinzipskizze der Verfahrensanordnung des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Ausschnittsvergrößerung A der Zylinder­ lauffläche 6 aus Fig. 1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die Bewegung des Elektronenstrahls 1 in Fig. 1 aus einer nicht dargestellten Elektronenstrahlanlage ist so programmiert, daß durch die Rotation des in einer Vorrichtung 2 aufge­ spannten Zylinderkörpers 3, bestehend aus einer Aluminiumle­ gierung, die Umschmelzspur 4 in Form einer Wendel 5 auf die Zylinderlauffläche 6 aufgebracht wird.

In der Ausschnittsvergrößerung A ist das unbehandelte Material 7 im Ausgangszustand erkennbar, wo sich die umge­ schmolzene Zone 8 an das unbehandelte Material 7 an­ schließt.

Bezugszahlenliste

1 Elektronenstrahl
2 Vorrichtung
3 Zylinderkörper
4 Umschmelzspur
5 Wendel
6 Zylinderlaufflächen
7 unbehandeltes Material
8 umgeschmolzene homogenisierte Zone

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung von Verschleißschutzschichten auf Zylinderlaufflächen aus Leichtmetallegierungen mittels Elektronenstrahlen oder anderen Hochenergiestrahlen, z. B. Laser, und nachfolgender mechanischer Feinbearbei­ tung, dadurch gekennzeichnet, daß durch einen definierten Phasenübergang fest-flüssig-fest eine Homogenisierung und Feinkörnigkeit von Oberflächenbereichen sowie eine Härtesteigerung erreicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umgeschmolzene homogenisierte Zone (8) bis zu 2 mm Tiefe feinkörnig und mit erhöhter Härte herstellbar ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die umgeschmolzene und homogenisierte Zone (8) legiert werden kann.

4. Verfahren nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der Zylinderlauffläche (6) erzeugte Ver­ schleißschutzschicht gepaart wird mit Kolben, deren Oberflächen wie folgt beschichtet sind:

• a) gal. Ni + SiC,
• b) gal. Ni + Al₂O₃,
• c) gal. Fe + SiC,
• d) gal. Fe + Al₂O₃.