EP1119651B1 - Verfahren zum herstellen einer verschleissschicht bei zylinderlaufbahnen - Google Patents

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EP1119651B1 EP99969454A EP99969454A EP1119651B1 EP 1119651 B1 EP1119651 B1 EP 1119651B1 EP 99969454 A EP99969454 A EP 99969454A EP 99969454 A EP99969454 A EP 99969454A EP 1119651 B1 EP1119651 B1 EP 1119651B1
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Herbert MÖDING
Otto Stenzel
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KS Aluminium Technologie GmbH
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    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
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Definitions

  • the invention relates to a method for producing a Wear layer in the cylinder raceways of light metal cylinders for internal combustion engines, one of which Metal alloy with a wear layer Layer thickness between 10 and 600 microns on the inside of the Cylinder barrel forming cylinder space is applied
  • the present invention is based on the object Specify the procedure of the type mentioned, in which the Connection of a wear layer to the light metal alloy of the cylinder is improved, the wear layer in their properties themselves are not changed.
  • This object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned in that an electromagnetic alternating field with a frequency between 10 kHz and 5 MHz is radiated onto the wear layer from within the cylinder space for a duration of 1 to 30 seconds and thereby an interface area at the transition Partly melted from the base material of the cylinder to the wear layer with a liquid content of less than 50% and that this creates interfacial diffusion processes.
  • the interface area is heated for a very short time above the solidus temperature of the base material, but only partially melted so that the liquid content is below 50%, since otherwise the dimensional accuracy would be feared.
  • the conductivity of light alloy cylinder alloys aluminum alloys in particular are usually like this great that the penetration depth of the electromagnetic waves is very small and is only about 1 to 10 microns.
  • Within this interface area becomes eddy currents generated, which in turn penetration of the field after the Lenz's rule seek to prevent so the field strength of the penetrating alternating electromagnetic field increasing depth decreases exponentially.
  • Through the eddy currents can be a very strong local, essentially on the Limited heating of the light metal alloy be reached through their solidus point.
  • the Interface area in the transition between base material and Wear layer is partially melted with a Liquid content of less than 50%. By doing Transitional areas will then find interface diffusion processes due to the increased mobility with increasing temperature of the alloy components.
  • the ones described above Processes take place within a very short period, from 1 to 30 Seconds of limited time. They lead to one continuous metallurgical connection of the wear layer to the light alloy of the cylinder.
  • the figure shows an overall reference number 2 designated device that as self-employed is considered fundamental to the invention, for generating and Irradiation of an alternating electromagnetic field in a Wear layer or an underlying one Light alloy of a cylinder raceway Cylinder blocks of an internal combustion engine.
  • the Device 2 is in the longitudinal direction of the cylinder, ie in the direction of arrow 4, inserted into a cylinder bore.
  • the Device comprises a carrier body 6 consisting of a Outer tube 8 and an inner tube 10, the outer tube 8 has a flange-shaped section 11 with which the Device 2 on the head side on the not shown Cylinder block can be placed.
  • the outer tube 8 and that Inner tube 10 also provide the electrical coax feed an induction coil 12 in the form of a waveguide 14 with rectangular cross section, which is helical around the Longitudinal axis is provided around.
  • a field concentrating means 16 in the form of ferrite cores for high-frequency alternating fields or in shape of sheet metal packages made of nickel alloy for alternating fields up to 50 kHz provided through which the occurrence of eddy currents largely avoided within the induction device shall be.
  • the helical waveguide 14 forms at the same time a conduit 18 for a coolant, which in the shown case fed through the inner tube 10 and in Area fed from the lower end into the waveguide 14 becomes.
  • the cooling medium flows through the helical Waveguide 14 and leaves the arrangement in the upper area between the inner tube 10 and the outer tube 8 in axial Direction.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of another preferred arrangement of a device 20 for generating and Irradiation of an alternating electromagnetic field.
  • This Arrangement is compared to that described above in advantageously with only a single internally cooled Turn 22 formed, d. H. the coil is in axial Direction as short as possible.
  • the winding 22 has in the area its radially outer surface 24 to be treated a pointed geometry. To this A way can be within the surface of the cylinder race circumferential, but extreme in the axial direction short, locally limited heating zone can be achieved.
  • This device 20 is then relative in the axial direction 24 moved to the cylinder bore. It has been shown that with this tapered geometry radially the base material outside of the solidus temperature according to the invention increasing interface area kept colder can be. This proves to be advantageous as a result of the Treatment generated warpage of the component to be manufactured in occur to a lesser extent.
  • Coil can be used with a field concentrator, it allows a very short in the axial direction 24 To generate heat input distance. In any case, one such arrangement relative to the coated and treating cylinder race moves.
  • the Arrangement 2 or 20 in the longitudinal direction 4 in a cylinder bore an internal combustion engine introduced.
  • the arrangement 2 remains stationary, while the arrangement 20 opposite the Cylinder track is moved in the axial direction. It will short-term currents of several thousand amperes in the area between 10 kHz and 5 MHz for a period of 1 to 30 Seconds via the coaxial feed into or through the Waveguide 14 generated 1 to 30 seconds.
  • This alternating electromagnetic field penetrates the surface a wear layer of a cylinder race and that Base material of the cylinder race and warms you up Interface area in the heterogeneous area one of the Materials (above solidus temperature). This will cause agitation of the interface diffusion processes that arise intimate metallic connection between the metal of the Base material of the cylinder block and the wear layer generated.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Verschleißschicht bei Zylinderlaufbahnen von Leichtmetall-Zylindern für Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine die Verschleißschicht bildende Metalllegierung 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.
Die DE 197 02 893 A1 beschreibt ein Verfahren zur Randschichtbehandlung von Aluminiumwerkstoffen, wonach Metalle oder metallische Verbindungen aufgebracht und induktiv auf Temperaturen unterhalb der Solidustemperatur des Grundwerkstoffes erwärmt und längere Zeit gehalten werden. Diese Stoffe sollen dann in den Grundwerkstoff diffundieren und dort mit dem Grundmaterial verschleißmindernde harte Verbindungen erst ausbilden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Anbindung einer Verschleißschicht an die Leichtmetalllegierung des Zylinders verbessert wird, wobei die Verschleißschicht in ihren Eigenschaften selbst nicht verändert 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 für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunden auf die Verschleißschicht eingestrahlt wird und dass dadurch ein Grenzflächenbereich am Übergang vom Grundmaterial des Zylinders zur Verschleißschicht teilerschmolzen wird mit einem Flüssiganteil von weniger als 50 % und dass dadurch Grenzflächendiffusionsprozesse erzeugt werden.
Der Grenzflächenbereich wird sehr kurzzeitig über die Solidustemperatur des Grundmaterials erhitzt, jedoch dabei nur teilerschmolzen so dass der Flüssiganteil unter 50 % liegt, da andernfalls eine Beeinträchtigung der Maßhaltigkeit zu befürchten wäre.
Die Leitfähigkeit von Leichtmetallzylinderlegierungen, insbesondere von Aluminiumlegierungen ist üblicherweise so groß, dass die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen 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, im wesentlichen auf die Eindringtiefe begrenzte Erhitzung der Leichtmetalllegierung über ihren Soliduspunkt erreicht werden. Der Grenzflächenbereich im Übergang zwischen Grundmaterial und Verschleißschicht wird teilerschmolzen mit einem Flüssigkeitsanteil von weniger als 50 %. In dem Übergangsbereich finden dann Grenzflächendiffusionsprozesse auf Grund der mit steigender Temperatur erhöhten Beweglichkeit der Legierungsbestandteile auf. Die vorstehend beschriebenen Prozesse finden innerhalb eines sehr kurzen, auf 1 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:
Figur 1
eine Längsschnittansicht einer Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Figur 2
eine Längsschnittansicht einer weiteren Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens in schematischer Darstellung.
Die Figur zeigt eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnete Vorrichtung, die als selbstständig 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 Wirbelströmen 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.
Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung eine weitere bevorzugte Anordnung einer Vorrichtung 20 zum Erzeugen und Einstrahlen eines elektromagnetischen Wechselfelds. Diese Anordnung ist gegenüber der vorstehend beschriebenen in vorteilhafter Weise mit nur einer einzigen innengekühlten Windung 22 ausgebildet, d. h. die Spule ist in axialer Richtung so kurz wie möglich. Die Windung 22 hat im Bereich ihrer radial äußeren der zu behandelnden Oberfläche 24 zugewandten Seite eine spitz auslaufende Geometrie. Auf diese Weise kann innerhalb der Oberfläche der Zylinderlaufbahn eine in Umfangsrichtung umlaufende, in axialer Richtung aber extrem kurze, also lokal stark begrenzte Aufheizzone erreicht werden. Diese Vorrichtung 20 wird dann in axialer Richtung 24 relativ zu der Zylinderbohrung bewegt. Es hat sich gezeigt, daß mit dieser spitz auslaufenden Geometrie das Grundmaterial radial außerhalb des erfindungsgemäß über die Solidus-Temperatur zu erhöhenden Grenzflächenbereichs leichter kälter gehalten werden kann. Dies erweist sich als vorteilhaft, da infolge der Behandlung erzeugte Verzüge des herzustellenden Bauteils in geringerem Maße auftreten.
Anstelle einer einwindigen Spule kann auch eine mehrwindige Spule mit einem Feldkonzentrator verwendet werden, der es ermöglicht, eine in axialer Richtung 24 sehr kurze Wärmeeintragsstrecke zu erzeugen. In jedem Fall wird eine derartige Anordnung relativ zur beschichteten und zu behandelnden Zylinderlaufbahn bewegt.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Anordnung 2 bzw. 20 in Längsrichtung 4 in eine Zylinderbohrung einer Verbrennungskraftmaschine eingeführt. Die Anordnung 2 verbleibt stationär, während die Anordnung 20 gegenüber der Zylinderlaufbahn in axialer Richtung bewegt wird. Es 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 1 bis 30 Sekunden erzeugt.
Dieses elektromagnetische Wechselfeld dringt in die Oberfläche einer Verschleißschicht einer Zylinderlaufbahn und das Grundmaterial der Zylinderlaufbahn ein und erwärmt einen Grenzflächenbereich ins heterogene Gebiet einer der Materialien (über Solidustemperatur). Hierdurch wird auf Grund der sich einstellenden Grenzflächendiffusionsprozesse eine innige metallische Anbindung zwischen dem Metall des Grundmaterials des Zylinderblocks und der Verschleißschicht erzeugt.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Verschleißschicht bei Zylinderlaufbahnen von Leichtmetall-Zylindern für Verbrennungskraftmaschinen, wobei eine die Verschleißschicht bildende Metalllegierung 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 für eine Dauer von 1 bis 30 Sekunden auf die Verschleißschicht eingestrahlt wird und dass dadurch ein Grenzflächenbereich am Übergang vom Grundmaterial des Zylinders zur Verschleißschicht teilerschmolzen wird mit einem Flüssiganteil von weniger als 50 % und dass dadurch 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 als Verschleißschicht z.B. eine Eisen-Basislegierung aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht Stoffe mit hoher Diffusionsgeschwindigkeit im Grundmaterial umfasst, insbesondere Lithium, Beryllium, Bor.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial gekühlt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,dass das Grundmaterial von der von der Verschleißschicht abgewandten Seite her gekühlt wird.
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