DE4040975A1 - Cylinder block prodn. of light metal alloy - comprising application of an abrasion resistant coating to the support collars - Google Patents

Cylinder block prodn. of light metal alloy - comprising application of an abrasion resistant coating to the support collars

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Abstract

Process comprises applying an abrasion resistant coating (ARC) to support collars (SC) which are then placed in the cylinder block mould and a molten alloy poured in. The SC, which are pref. steel tubes (opt. ceramic) are thermally sprayed with the coating and subsequently removed from the moulded cylinder block leaving the ARC exposed on the inner side of the cylinder bearing surface (CBS). The ARC consists of a hard outer layer, a transition layer, and an adhesion layer. The outer layer can be of transition metals Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, W or Mo or non-metallic hard materials such as Al2O3, Cr2O3, ZrO2 or MgO, it has a porosity of 2-20%, pref. 3-10%; the transition layer is of the same material but of greater porosity, and the adhesion layer is an alloy having more than 3% Al, esp. an Al bronze of pore size greater than 60 microns. USE/ADVANTAGE - An effective, simple mfg. technique with good controllability. Gives a CBS of precise and uniform structure and high abrasion resistance.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinder­ blockes aus einer Metallegierung, insbesondere einer Leichtmetallegie­ rung: für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.The invention relates to a method for producing a cylinder blocks made of a metal alloy, in particular a light metal alloy tion: for internal combustion engines, according to the preamble of claim ches 1.

Beispielsweise aus dem Aluminiumtaschenbuch/Düsseldorf 1983, Seiten 871 bis 875, ist es bekannt, Zylinderblöcke aus Leichtmetall bzw. deren Zylinderlaufflächen mit einer verschleißfesten Schicht zu versehen. Die Verschleißschicht kann dabei entweder durch Primärsiliciumausscheidung der AlSi-Legierung gebildet sein, oder es ist eine galvanische Be­ schichtung (z. B. Nikasil) aufgebracht.For example from the aluminum pocket book / Düsseldorf 1983, pages 871 to 875, it is known to cylinder blocks made of light metal or their To provide a cylinder with a wear-resistant layer. The Wear layer can either by primary silicon precipitation the AlSi alloy can be formed, or it is a galvanic Be layering (e.g. Nikasil) applied.

Ferner ist es bekannt, in die Zylinderblöcke Graugußbuchsen einzusetzen (nasse Laufbuchsen) oder einzugießen (trockene Laufbuchsen).It is also known to insert cast iron bushes into the cylinder blocks (wet liners) or pour in (dry liners).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches bei guter fertigungstechnischer Beherrschbarkeit die Herstellung von Lauf­ flächen gezielter Struktur und Verschleißbeständigkeit an gattungsge­ mäßen Zylinderblöcken ermöglicht.The object of the invention is to demonstrate a method which good manageability, the production of barrel areas of targeted structure and wear resistance on generic moderate cylinder blocks.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Ver­ fahrens sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.This object is achieved with the characterizing features of claim 1 solved. Advantageous further developments of the Ver driving can be found in the other claims.

Es wird somit vorgeschlagen, auf einer Trägerhülse die Verschleiß­ schicht aufzubringen, diese anschließend einzugießen und dann durch Abarbeiten der Trägerhülse die Verschleißschicht offenzulegen. Daraus resultieren mehrere Vorteile: It is thus proposed to wear on a carrier sleeve apply layer, then pour this and then through Process the carrier sleeve to reveal the wear layer. Out of it there are several advantages:  

Zunächst ist die fertigungstechnische Handhabung bei der Herstellung der Verschleißschicht an einer Trägerhülse wesentlich einfacher und besser beherrschbar als am gesamten, bereits gegossenen Zylinderblock. So kann für das Aufbringen der Verschleißschicht und gemäß Anspruch 2 einer weniger harten Übergangsschicht weit effektiver das thermische Spritzen eingesetzt werden, mit dem Schichten definierter Zusammen­ setzung und Struktur herstellbar sind. Aber auch galvanische Beschich­ tungen oder Aufschmelzlegierungen, beispielsweise mittels Laser aufge­ bracht, liegen im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorschlages.First of all, there is the technical handling during manufacture the wear layer on a carrier sleeve much easier and more manageable than on the entire, already cast cylinder block. So for applying the wear layer and according to claim 2 a less hard transition layer, the thermal is far more effective Syringes are used with the layers defined together setting and structure can be produced. But also galvanic coating lines or melting alloys, for example by means of a laser brings, are within the scope of the proposal according to the invention.

Ferner ist die Materialwahl für den Zylinderblock frei von den tribolo­ gischen Anforderungen an der Zylinderlauffläche und kann mehr nach der Gießbarkeit ausgerichtet werden; zudem ergibt die Verwendung von Trä­ gerhülsen die Möglichkeit, den Zylinderblock im Druckgießverfahren mit hoher Genauigkeit herzustellen. Obwohl das Abarbeiten der Trägerhülse an sich einen zusätzlichen Arbeitsgang darstellt, kann insgesamt gese­ hen der Fertigungsaufwand bei einem nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellten Zylinderblock verringert und trotzdem das Ver­ schleißverhalten der Zylinderlaufflächen verbessert werden.Furthermore, the choice of material for the cylinder block is free of the tribolo requirements on the cylinder tread and can be more according to the Pourability are aligned; in addition, the use of Trä the possibility of using the cylinder block in the die casting process high accuracy. Although the processing of the carrier sleeve represents an additional work step in itself, can be hen the manufacturing effort for a Ver according to the invention drive manufactured cylinder block reduced and still Ver wear behavior of the cylinder liners can be improved.

Wie bereits ausgeführt, wird gemäß Anspruch 2 bevorzugt eine Beschich­ tung durch thermisches Spritzen vorgeschlagen. Dabei kann insbesondere nach dem Flammspritzverfahren oder dem Plasmaspritzverfahren eine harte Verschleißschicht und eine weniger harte Übergangsschicht aufgebracht werden. Die Übergangsschicht dient insbesondere dem Ausgleich der durch unterschiedliche Wärmedehnungen entstehende Schubspannungen und verhin­ dert somit ein Abplatzen der harten Verschleißschicht bei den auftre­ tenden, oftmals extremen Temperaturänderungen.As already stated, a coating is preferred device proposed by thermal spraying. In particular, after the flame spraying process or the plasma spraying process a hard one Wear layer and a less hard transition layer applied will. The transition layer serves in particular to balance the through different thermal expansions and shear stresses thus prevents the hard wear layer from chipping tendency, often extreme temperature changes.

Zur bevorzugten Struktur und Zusammensetzung der verschleißfesten Be­ schichtung wird auf die Merkmale der Patentansprüche 3 bis 6 Bezug ge­ nommen. Als Material für die Trägerhülse kann ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech dienen. The preferred structure and composition of the wear-resistant Be Layering is ge to the features of claims 3 to 6 reference taken. A sheet steel or a can be used as the material for the carrier sleeve Serve aluminum sheet.  

Auf die harte Verschleißschicht und die Übergangsschicht kann ferner als dritte Schicht eine innige, stoffschlüssige Verbindung zum Grundma­ terial des Zylinderblockes sicherstellende Haftschicht entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche 7 und 8 aufgebracht sein.On the hard wear layer and the transition layer can also the third layer is an intimate, material connection to the basic structure material of the cylinder block ensuring adhesive layer according to the Features of claims 7 and 8 may be applied.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben. Die schematische Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine mit einer äußeren Beschichtung versehene Trägerhülse in einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine, undAn embodiment of the invention is described in more detail below with further details. The schematic drawing shows in FIG. 1 a carrier sleeve provided with an outer coating in a cylinder block of an internal combustion engine, and

Fig. 2 eine Einzelheit Z der Trägerhülse gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung. Fig. 2 shows a detail Z of the carrier sleeve according to FIG. 1 in an enlarged view.

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Zylinderblock für eine Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine angedeutet, in den eine Trägerhülse 12 mit einer an deren Außenumfang aufgebrachten Beschichtung 14 (dick ausgezogene Linien) eingegossen ist. Der Zylinderblock 10 kann bekannter Bauart sein und besteht aus einer gut gießfähigen untereutektischen Aluminium/Silicium- Leichtmetallegierung, während die Trägerhülse 12 aus Stahlblech gebil­ det ist. In nicht dargestellter Weise ist je Zylinder der Brennkraft­ maschine eine Trägerhülse 12 vorgesehen.In Fig. 1, 10 denotes a cylinder block for a reciprocating internal combustion engine, in which a carrier sleeve 12 is cast with a coating 14 applied to its outer circumference (thick solid lines). The cylinder block 10 can be of a known type and consists of a readily castable hypoeutectic aluminum / silicon light metal alloy, while the carrier sleeve 12 is made of sheet steel. In a manner not shown, a carrier sleeve 12 is provided per cylinder of the internal combustion engine.

Die Trägerhülse 12 - die entweder durch ein nahtloses Rohr gebildet oder aus einem Blechstreifen gewickelt sein kann - wird zunächst an ihrem Außenumfang im Flammspritzverfahren mit der Beschichtung 14 ver­ sehen. Die Beschichtung 14 (vgl. Fig. 2) setzt sich aus einer ersten harten Verschleißschicht 16, einer zweiten weniger harten Übergangs­ schicht 18 und schließlich einer dritten Haftschicht 20 zusammen.The carrier sleeve 12 - which can either be formed by a seamless tube or wound from a sheet metal strip - will first see ver on its outer circumference in the flame spraying process with the coating 14 . The coating 14 (see FIG. 2) is composed of a first hard wear layer 16 , a second less hard transition layer 18 and finally a third adhesive layer 20 .

Die harte Verschleißschicht 16 besteht aus CrWo Carbiden, die in Pul­ verform im Flammspritzverfahren in einer Schichtstärke von ca. 0,6 mm und mit einer tribologisch günstigen Porösität (Ölhaltung) von bis zu 10% thermisch aufgespritzt werden. The hard wear layer 16 consists of CrWo carbides, which are thermally sprayed on in powder form in a flame spraying process in a layer thickness of approximately 0.6 mm and with a tribologically favorable porosity (oil retention) of up to 10%.

Anschließend folgt die weniger harte Übergangsschicht 18 aus ebenfalls einer CrWo-Legierung mit einer Porösität von bis zu 30% und einer Schichtstärke 0,1 bis 0,2 mm beträgt. Durch die Übergangsschicht sollen unzulässige und schädliche Schub- und Druckspannungen zwischen der har­ ten Verschleißschicht 16 und dem Grundmaterial des Zylinderblockes 10 abgebaut werden.This is followed by the less hard transition layer 18 , which is likewise made of a CrWo alloy with a porosity of up to 30% and a layer thickness of 0.1 to 0.2 mm. Through the transition layer inadmissible and harmful shear and compressive stresses between the hard wear layer 16 and the base material of the cylinder block 10 are to be reduced.

Schließlich folgt ebenfalls im Flammspritzverfahren aufgetragen die Haftschicht 20 aus einer Al-Bronze (AlCuSn), die eine hohe Porösität (Porengröße um 60 µm) bei einer Schichtstärke von ca. 0,5 mm aufweist. Die Haftschicht 20 bildet so eine stark vergrößerte spezifische Ober­ fläche und beim Eingießen ein formschlüssiges Verhaken sowie aufgrund deren geringeren Schmelzpunktes ein Anschmelzen bzw. eine intermetal­ lische Verbindung mit dem Grundmaterial.Finally, the adhesive layer 20 made of an Al bronze (AlCuSn), which has a high porosity (pore size around 60 μm) and a layer thickness of approximately 0.5 mm, is also applied in the flame spraying process. The adhesive layer 20 thus forms a greatly enlarged specific surface and a positive interlocking when pouring and due to their lower melting point melting or an intermetal connection with the base material.

Nach dem Aufbringen der Beschichtung 14 wird die Trägerhülse 12 in die Gießform für den Zylinderblock 10 eingesetzt bzw. auf die für die Zy­ linderöffnungen vorgesehenen Pinolen aufgesetzt, auf die Pinolentempe­ ratur erwärmt und beim Gießen des Zylinderblockes, bevorzugt im Druck­ gießverfahren, mit umgossen, wobei aufgrund der auftretenden Schmelz­ temperaturen in Verbindung mit der Haftschicht 20 eine feste, form- und stoffschlüssige Verbindung gebildet wird.After the application of the coating 14 , the carrier sleeve 12 is inserted into the casting mold for the cylinder block 10 or placed on the quills provided for the cylinder openings, heated to the quill temperature and cast during the casting of the cylinder block, preferably in the pressure casting process, with due to the melting temperatures occurring in connection with the adhesive layer 20 a solid, positive and material connection is formed.

Um das Herausziehen der Pinolen nach dem Gießen zu erleichern, sollten die Trägerhülsen 12 (deren Innenbohrung) und die Pinolen in an sich be­ kannter Weise eine kegelige Gestalt (Gußschräge z. B. 30′) aufweisen.In order to facilitate the pulling out of the quills after casting, the support sleeves 12 (the inner bore) and the quills should be conical in a manner known per se (casting slope z. B. 30 ').

Zur Herstellung der beschichteten, verschleißfesten Lauffläche wird schließlich die Trägerhülse 12 bis zur ca. halben Schichtstärke der harten Verschleißschicht 16 (gestrichelte Linie 22) herausgearbeitet bzw. die Verschleißschicht 16 offengelegt. Es versteht sich, daß die maßliche Ausführung der Trägerhülse 12 und die Schichtdicke der Ver­ schleißschicht 16 auf den kontruktiv vorgegebenen Zylinderdurchmesser und die beabsichtigte Stärke der Verschleißschicht im Endmaß abzu­ stimmen sind.To produce the coated, wear-resistant tread, the carrier sleeve 12 is finally worked out up to approximately half the layer thickness of the hard wear layer 16 (dashed line 22 ) or the wear layer 16 is exposed. It goes without saying that the dimensional design of the carrier sleeve 12 and the layer thickness of the wear layer 16 are matched to the structurally predetermined cylinder diameter and the intended thickness of the wear layer in the final dimension.

Gegebenenfalls kann die so gebildete Lauffläche nach deren üblicher Behandlung (Honen etc.) auch noch einer Behandlung mit einem Eximer­ laser zum Öffnen oberflächennaher Poren unterzogen werden.If necessary, the tread formed in this way can be more common Treatment (honing etc.) also treatment with an eximer undergo lasers to open pores close to the surface.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführung beschränkt. So können im Rahmen konstruktiver Vorgaben (Bauteilebelastungen, etc.) auch andere Beschichtungen und andere Materialien beim Zylinderblock und bei der Trägerhülse angezeigt sein, entsprechend den in den Patent­ ansprüchen angeführten Vorgaben. So können anstelle metallischer Hart­ stoffe auch oxidkeramische Beschichtungen Anwendung finden, die im Plasmaspritzverfahren aufgetragen werden können. Auch die Trägerhülse selbst kann gegebenenfalls durch eine Keramikhülse gebildet sein.The invention is not limited to the embodiment described. So can within the framework of design specifications (component loads, etc.) also other coatings and other materials for the cylinder block and indicated on the carrier sleeve, corresponding to those in the patent specified requirements. So instead of metallic hard substances also use oxide ceramic coatings that are used in Plasma spraying can be applied. Also the carrier sleeve itself can optionally be formed by a ceramic sleeve.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Zylinderblockes aus einer Metallegierung, insbesondere einer Leichtmetallegierung für Brennkraft­ maschinen, bei dem eine jede Zylinderlaufbahn mit einer verschleiß­ festen Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet,
  • - daß die Beschichtung (14) auf die Außenumfangsfläche einer Trägerhülse (12) aufgebracht wird,
  • - daß die Trägerhülse (12) beim Gießen des Zylinderblockes (10) mit eingegossen wird, und
  • - daß schließlich durch Abarbeiten der Trägerhülse (12) die Be­ schichtung (14) freigelegt wird.
1. A method for producing a cylinder block from a metal alloy, in particular a light metal alloy for internal combustion engines, in which each cylinder barrel is provided with a wear-resistant coating, characterized in that
  • - That the coating ( 14 ) is applied to the outer peripheral surface of a carrier sleeve ( 12 ),
  • - That the carrier sleeve ( 12 ) is cast in with the casting of the cylinder block ( 10 ), and
  • - That finally by processing the carrier sleeve ( 12 ) Be the coating ( 14 ) is exposed.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch thermisches Spritzen auf die Trägerhülse (12) eine harte Ver­ schleißschicht (16) und eine weniger harte Übergangsschicht (18) aufgebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that a hard Ver wear layer ( 16 ) and a less hard transition layer ( 18 ) is applied by thermal spraying on the carrier sleeve ( 12 ). 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht (16) primäre Verbindungen der Übergangs­ metalle IVa (Ti, Zr, Hf) Va (V, Nb, Ta) und VIa (Cr, Mo, W) oder deren Carbide, Nitride, Boride oder Silicide eingesetzt werden.3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that for the wear layer ( 16 ) primary compounds of the transition metals IVa (Ti, Zr, Hf) Va (V, Nb, Ta) and VIa (Cr, Mo, W) or their carbides, nitrides, borides or silicides are used. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht (16) nichtmetallische Hartstoffe, insbeson­ dere deren Oxide (z. B. Al2O3, Cr2O3, ZrO2, MgO) verwendet werden.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for the wear layer ( 16 ) non-metallic hard materials, in particular their oxides (z. B. Al 2 O 3 , Cr 2 O 3 , ZrO 2 , MgO) are used. 5. Verfahren nach einem oder meheren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschicht (16) in einer Porösität von 2 bis 20%, insbesondere von 3 bis 10% hergestellt wird. 5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized in that the wear layer ( 16 ) is produced in a porosity of 2 to 20%, in particular 3 to 10%. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsschicht (18) mit dem glei­ chen Werkstoff wie die Verschleißschicht (16), jedoch mit einer höheren Porösität, gebildet wird.6. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that the transition layer ( 18 ) with the same chen material as the wear layer ( 16 ), but with a higher porosity, is formed. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Leichtmetall-Zylinderblock (10) als Haftschicht (20) eine Metallegierung mit einem Aluminium­ gehalt < 3%, insbesondere eine Aluminium-Bronze aufgebracht wird.7. The method according to one or more of the preceding claims, characterized in that in a light metal cylinder block ( 10 ) as the adhesive layer ( 20 ) a metal alloy with an aluminum content <3%, in particular an aluminum bronze is applied. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haft­ schicht (20) mit einer Porösität von < 60 µm aufgebracht wird.8. The method according to claim 7, characterized in that the adhesive layer ( 20 ) is applied with a porosity of <60 microns.
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