EP1124660A1 - Zylinderkurbelgehäuse, verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen dafür und verfahren zur herstellung des zylinderkurbelgehäuses mit diesen zylinderlaufbuchsen - Google Patents

Zylinderkurbelgehäuse, verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen dafür und verfahren zur herstellung des zylinderkurbelgehäuses mit diesen zylinderlaufbuchsen

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EP1124660A1
EP1124660A1 EP00954591A EP00954591A EP1124660A1 EP 1124660 A1 EP1124660 A1 EP 1124660A1 EP 00954591 A EP00954591 A EP 00954591A EP 00954591 A EP00954591 A EP 00954591A EP 1124660 A1 EP1124660 A1 EP 1124660A1
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EP
European Patent Office
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layer
cylinder
cylinder crankcase
alloy
running
Prior art date
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EP00954591A
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English (en)
French (fr)
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EP1124660B2 (de
EP1124660B1 (de
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Dietmar Hoffmann
Josef Steibl
Frank Dörnenburg
Markus Nolte
Achim Sach
Berthold Aumüller
Klaus Dotzler
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ATZ-Evus applikations- und Technikzentrum
Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
ATZ-Evus applikations- und Technikzentrum
Bayerische Motoren Werke AG
Vereinigte Aluminium Werke AG
Vaw Aluminium AG
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Publication date
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F05C2253/12—Coating
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    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/4927—Cylinder, cylinder head or engine valve sleeve making

Definitions

  • the invention relates to a light metal cylinder crankcase for internal combustion engines according to the preamble of claim 1. It also relates to a method for producing cylinder liners for a cylinder crankcase and a method for producing a cylinder crankcase with such cylinder liners.
  • gray cast iron is also suitable for the cylinder surfaces
  • cast aluminum alloys are reinforced in this area by cylinder liners.
  • a cylinder liner which consists of a running layer made of molybdenum and an outer layer made of an aluminum alloy, which is profiled on its outside. Both layers are formed by thermal spraying on a rotating mandrel.
  • molybdenum a non-stick agent, a mandrel with a hard chrome layer and the like, the adhesion of the running layer to the mandrel is reduced to such an extent that the bushings can be pulled off the mandrel.
  • the oxide skin on an aluminum body that is to be cast in an aluminum casting material prevents the attachment to the casting material, according to DE 197 45 725 AI the oxide skin on the casting body is mechanically destroyed by thermal spraying, the resulting oxide particles in the spray layer be distributed. In addition, the spray material particles that have not completely melted on impact protrude from the spray layer, which improves the connection to the casting material.
  • a nickel or molybdenum alloy is used as the spray material.
  • the object of the invention is to provide a light, easy to manufacture cylinder liner, which leads to a perfect solid attachment to the cast material of the cylinder crankcase during the entire life of the internal combustion engine.
  • the outer bonding layer of the cylinder liner is formed by thermal spraying, which is carried out in such a way that a spraying layer with a high open porosity of at least 10% by volume, in particular 30-70% by volume, is formed.
  • the layer thickness of the binding layer is preferably 60 ⁇ m - 800 ⁇ m, in particular 100 ⁇ m - 500 ⁇ m.
  • the binding layer is preferably produced with a coarse-grained wettable powder with a grain size of 60 ⁇ m - 400 ⁇ m, in particular 90 ⁇ m - 250 ⁇ m.
  • the mean grain size of the wettable powder of the binding layer is therefore preferably more than 100 ⁇ m, in particular more than 130 ⁇ m. If such coarse-grained wettable powder is used to spray a very thin bonding layer, only a layer of correspondingly high roughness can be formed instead of an openly porous layer.
  • the openly porous or rough layer produced in this way leads to a cohesive connection of the cylinder liner to the cylinder crankcase when the light metal cylinder crankcase is cast.
  • the oxide skin protects the melt flowing inside from further oxidation.
  • the high roughness or open porosity of the bonding layer of the cylinder liner according to the invention leads to the oxide skin of a flowing light metal melt being torn open again and again, so that there is direct contact between the melt and the surface of the bonding layer.
  • the oxide skin of the melt is thus continuously pierced by the fine tips of the porous, rough surface of the bonding layer produced by thermal spraying.
  • connection layer melts on the surface. In this way, a high degree of cohesion between the connection layer of the cylinder liner and the cylinder crankcase is obtained. That is, according to the invention, at least 60%, preferably at least 80%, based on the cylindrical outer surface of the bonding layer and in particular at least 90% of the binding layer of the
  • the cylinder liner is connected to the cast material of the cylinder crankcase by material bonding.
  • the degree of connection can be determined by ultrasound.
  • the integral connection of the cylinder liners to the encapsulation material ensures that the cylinder liners are properly anchored in the cylinder crankcase during the entire service life of the internal combustion engine.
  • the integral bond leads to a perfect heat flow through the phase boundaries. This also prevents thermal delays.
  • thermally sprayed, tribologically optimized cylinder liners according to the invention can be cast into commercially available, inexpensive aluminum alloys.
  • Thermal spraying offers the advantage that, in comparison to other techniques, an almost freely selectable material composition that meets local requirements is possible.
  • the cylinder liner produced according to the invention by thermal spraying can be adjusted in terms of alloy both on the tread side with regard to the tribological properties and on the engine block side with regard to the connection.
  • the material forming the cylinder barrel surface must also be corrosion-resistant. It must also be machinable so that the cylinder liner can be brought to functional dimensions after casting.
  • a carrier layer is preferably first thermally sprayed onto a mandrel as a molded body. After the backing layer has been sprayed on, the running layer is applied to the backing layer by thermal spraying and then the binding layer is applied to the running layer by thermal spraying. The cylinder barrel blank thus produced is then removed from the mandrel, the carrier layer, due to its low adhesion to the mandrel, making it easier to detach the blank from the mandrel.
  • the blanks are arranged in the casting mold on quills. After the casting and demolding of the cylinder crankcase, the base layer is removed by machining and the running layer is brought to its functional dimension.
  • the cylinder liner according to the invention has sufficient dimensional stability, it preferably has a wall thickness of 1 mm to 5 mm.
  • the socket can thus be easily stored and handled from production to pouring.
  • cylinder liners with standard diameters and lengths can be produced for all common engine types.
  • the mandrel is preferably made of tool steel or another material that is not melted during thermal spraying. During thermal spraying of the individual layers of the cylinder liner according to the invention, the mandrel is set in rotation.
  • the mandrel has the same dimensions as the sleeves so that the sleeves can be fitted precisely on the sleeves. Accordingly, the mandrel with the same cone angle of z. B. 0.5 ° as the quills be conical in order to be able to fit the cylinder sleeve barrel with a precise fit on the quill.
  • the mandrel can be made hollow in order to cool it with a medium such as water. After thermal spraying, the mandrel can then be scraped out of the still hot thermal cylinder barrel by cooling. The mandrel can also be removed from the cylinder barrel by pressing.
  • the carrier layer is preferably produced by flame spraying with spray wire, since this process can be carried out particularly economically.
  • Tin, zinc, aluminum and their alloys are preferably used as spraying materials for the support layer, since on the one hand they lead to sufficient adhesion of the support layer on the mandrel and on the other hand ensure that the sprayed bushing can be detached from the mandrel in a simple manner.
  • the carrier layer preferably has a thickness of 20 ⁇ m to 500 ⁇ m, in particular 50 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the support layer is generally required in the cylinder liner according to the invention in particular if the running layer consists of a light metal alloy which would have adhered to the mandrel without a supporting layer such that the cylinder liner cannot be detached from the mandrel without being destroyed.
  • the overlay which, for reasons of weight, consists of a light metal alloy, in particular an aluminum or magnesium alloy, namely an ecologically suitable, corrosion-resistant light metal alloy, is preferably an aluminum-silicon alloy with an Si content of in particular 12 to 50% by weight. %. With an Si content of ⁇ 12% by weight, the biological properties can leave something to be desired; with an Si content of> 50%, the material is usually brittle and therefore difficult to process.
  • the light metal alloy can contain other tribologically active additives, for example silicon carbide, graphite or molybdenum.
  • Al-S alloy can also contain the following alloy components, based on the weight:
  • Ni 0.5 - 2.0%, preferably 0.5 - 1.5%
  • Mg 0.5-2.0%, preferably 0.5-1.5%
  • the tread can be produced by atmospheric plasma spraying (APS), flame spraying and high-speed flame spraying (HVOF) with a wettable powder.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • HVOF high-speed flame spraying
  • CGDM Cold-Gas Dynamic Spray Method
  • the mean grain size is preferably less than 100 ⁇ m, in particular less than 80 ⁇ m, and a sieve fraction between 10 ⁇ m and 125 ⁇ m is preferably used in order to obtain a corrosion-resistant and machinable tread that can be machined.
  • the overlay can also be produced with wire-shaped spray materials, for example by wire flame spraying or arc spraying. Because of the larger choice of materials, powder spraying is generally preferred.
  • the running layer preferably has a thickness of 0.5 mm to 3 mm, in particular 1 mm to 2 mm.
  • the porous bonding layer of the cylinder liner according to the invention can be formed by using a wettable powder with a correspondingly large grain size and a suitable thermal spraying process.
  • the wettable powder preferably has an average grain size between 60 ⁇ m and 400 ⁇ m, in particular more than 100 ⁇ m, in particular more than 150 ⁇ m.
  • a sieve fraction between 90 ⁇ m and 250 ⁇ m is preferably used. All powder processes can be used as thermal spray processes, in particular flame or plasma spraying. For flame spraying, a spraying distance of 50 mm to 400 mm, in particular 100 mm to 250 mm, can be used.
  • the spray material for the bonding layer consists of a similar type of light metal alloy. That is, since the molding material is usually one
  • the binding layer also consists of an aluminum alloy.
  • a cast material and a bonding layer e.g. made of a magnesium alloy.
  • the material used for spraying the bonding layer is preferably adapted on the one hand to the overlay material and on the other hand to the cast material. That is, if the cast alloy is made of an Al-Si alloy and the overlay is made of an Al-Si alloy, an Al-Si alloy is preferably also used for the bonding layer.
  • the Si content of the Al-Si alloy of the bonding layer is preferably between the Si content of the Al-Si cast alloy and that of the barrel alloy. That is, if a cast alloy made of Al-Si with an Si content of 9 to 10% by weight and a running layer made of Al-Si with an Si content of 25% by weight is used, the Si content of the Al-Si Alloy of the binding layer, for example, be between 10 and 25% by weight.
  • the thickness of the binding layer can be 60 ⁇ m to 800 ⁇ m; it is preferably between 100 ⁇ m and 500 ⁇ m.
  • the thermally sprayed cylinder bushing thus produced can be poured into the cylinder crankcase immediately after the spraying process.
  • the cylinder barrel is preferably subjected to a thermal treatment before the casting in order to obtain a stable structure through artificial aging.
  • the heat treatment can be carried out at a temperature between 300 ° C and 550 ° C for half an hour to several hours.
  • the temperature of the melt is preferably above the melting temperature of the connection layer of the cylinder liner in order to melt the connection layer on its surface during casting in order to improve the material connection.
  • the formation of the interface between the casting material and the cylinder liner is significantly influenced by the casting process used.
  • the gravity process can be carried out for casting, pressure-assisted casting processes are preferred over pressureless casting processes according to the invention.
  • a mandrel made of tool steel (hollow mandrel) with a taper of 0.5 ° is rotated at a speed of 180 U / mm.
  • a cylindrical support layer with a thickness of approx. 70 ⁇ m is applied to the mandrel by flame spraying with a zinc wire at a spraying distance of approx. 100 mm to 150 mm.
  • a 2 mm thick tread layer is applied to the base layer by plasma spraying with an Al-Si alloy powder with an Si content of 25% by weight and a grain size (sieve size) of 10 ⁇ m to 125 ⁇ m.
  • an approximately 300 ⁇ m thick bonding layer is then applied by flame spraying with an Al-Si alloy powder with an Si content of 15% by weight and a grain size (sieve fraction) of 90 ⁇ m to 250 ⁇ m.
  • the mandrel is quenched with cold water and is thus shrunk from the hot cylinder barrel bushing.
  • the blank is then placed on the quill in a casting mold and die-cast with an Al-Si Cast in alloy with a Si content of 9% by weight. After removal from the mold, the carrier layer is removed by machining and the running layer is brought to the cylindrical functional dimension.
  • An ultrasound examination shows that, based on the cylindrical outer surface of the binding layer, over 90% of the binding layer is connected to the casting material by material bonding.

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Abstract

Ein Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall für Verbrennungskraftmaschinen weist Zylinderlaufbuchsen mit einer die Lauffläche bildenden Laufschicht und einer rauhen äusseren Anbindeschicht zur Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das Zylinderkurbelgehäuse beim Giessen des Zylinderkurbelgehäuses auf. Bezogen auf die Mantelfläche der Anbindeschicht sind wenigstens 60 % der Anbindeschicht mit dem Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses durch Stoffschluss verbunden.

Description

Zylmderkurbelgehause , Verfahren zur Herstellung der
Zylinderlaufbuchsen dafür und Verfahren zur Herstellung des
Zylinderkurbelgehauses mit diesen Zylinderlaufbuchsen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Leichtmetall-Zylinder- kurbelgehause für Verbrennungskraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie hat auch ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen für ein Zylmderkurbelgehause sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehauses mit solchen Zylinderlaufbuchsen zum Gegenstand.
Aus Leichtbaugrunden erfolgt gegenwartig eine Substitution von Grauguss durch Alumimumlegierungen bei Zylinderkurbeigehausen von Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge. Wahrend bei Grauguss der Werkstoff zugleich auch für die Zylinderlaufflachen geeignet ist, werden Alummium-Gusslegierungen in diesem Bereich durch Zylinderlaufbuchsen verstärkt.
Aus DE 196 05 946 C 1 ist eine Zylinderlaufbuchse bekannt, die aus einer Laufschicht aus Molybdän und einer äußeren Schicht aus einer Aluminiumlegierung besteht, die an ihrer Außenseite profiliert ist. Beide Schichten werden durch thermisches Spritzen auf einem rotierenden Dorn gebildet. Durch die Verwendung von Molybdän, einem Antihaftmittel, einem Dorn mit einer Hartchromschicht und dergleichen wird die Haftung der Laufschicht an dem Dorn soweit verringert, daß die Buchsen von dem Dorn abgezogen werden können.
Beim Gießen des Zylinderkurbelgehauses werden die auf Pmolen m der Gießform angeordneten Zylinderlaufbuchsen mit ihrer profilierten Außenflache m t dem Gussmaterial formsc lussig verbunden. Durch die schwere MolybdanlaufSchicht besitzt die bekannte Zylinderlaufbuchse ein erhebliches Gewicht. Zudem besteht die Gefahr einer Buchsenlockerung, des Zylinderverzugs und damit einer Erhöhung der Blow-by-Werte . Auen können m den Mikrospalt an der Phasengrenze zwischen dem Gussmaterial und den Buchsen Ruckstande aus dem Verbrennungsprozeß eindringen.
Um die Anbmdung der Zylmderlaufbuchse an das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehauses zu verbessern, wird nach DE 196 34 504 A 1 durch Bestrahlen der Oberflache der Zylmderlaufbuchse mit scharfkantigen Partikeln eine Rauheit von 30 - 60 μm in Form pyramidenahnlicher Ausstülpungen erzielt .
Da die Oxidhaut auf einem Aluminium-Korper, der in ein Aluminiumgussmaterial eingegossen werden soll, die Anbmdung an das Gussmaterial verhindert, wird nach DE 197 45 725 AI die Oxidhaut auf dem Emgusskorper durch thermisches Spritzen mechanisch zerstört, wobei die hierbei anfallenden Oxidpartikel in der Spritzschicht verteilt werden. Zudem ragen die beim Auftreffen nicht komplett aufgeschmolzenen Spritzwerkstoffpartikel aus der Spritzschicht, wodurch die Verbindung mit dem Gussmaterial verbessert wird. Als Spritzwerkstoff wird eine Nickel- oder Molybdän-Legierung verwendet .
Aufgabe der Erfindung ist es, eine leichte, einfach herstellbare Zylmderlaufbuchse bereitzustellen, die zu einer einwandfreien festen Anbmdung an das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehauses wahrend der gesamten Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine fuhrt.
Dies wird erfmdungsgemaß mit dem im Anspruch 1 gekennzeichneten Zylmderkurbelgehause erreicht. In den Ansprüchen 2 bis 8 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des erf dungungsgemaßen Zylinderkurbelgehauses angegeben. Im Anspruch 9 ist em bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der Zylinderlaufbuchsen gekennzeichnet, welches durch die Ansprüche 10 bis 22 in vorteilhafter Weise ausgestaltet wird. Der Anspruch 23 hat em bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehauses zum Gegenstand, das durch die Ansprüche 24 und 25 in vorteilhafter Weise weiter ausgebildet wird.
Bei dem erfmdungsge aßen Zylmderkurbelgehause ist die äußere Anbindeschicht der Zylmderlaufbuchse durch thermisches Spritzen gebildet, das derart ausgeführt wird, dass eine Spritzschicht mit einer hohen offenen Porosität von wenigstens 10 Vol.-%, insbesondere 30 - 70 Vol.-% gebildet wird.
Die Schichtdicke der Anbindeschicht betragt vorzugsweise 60 μm - 800 μm, insbesondere 100 μm - 500 μm. Zur Bindung einer hohen offenen Porosität wird die Anbindeschicht vorzugsweise mit einem grobkörnigen Spritzpulver, mit einer Korngroße von 60 μm - 400 μm, insbesondere 90 μm - 250 μm erzeugt. Die mittlere Korngroße des Spritzpulvers der Anbindeschicht betragt damit vorzugsweise mehr als 100 μm, insbesondere mehr als 130 μm. Wenn em so grobkörniges Spritzpulver verwendet wird, um eine sehr dünne Anbindeschicht zu spritzen, kann statt einer offen porösen Schicht nur noch eine Schicht entsprechend hoher Rauhigkeit gebildet werden.
Die so hergestellte offen poröse bzw. rauhe Schicht fuhrt beim Gießen des Le chtmetallzylmderkurbelgehauses zu einer stoffschlussigen Verbindung der Zylmderlaufbuchse an das Zylmderkurbelgehause .
Leichtmetalle, also insbesondere Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen, bilden nämlich im geschmolzenen Zustand eine äußere Oxidhaut, die durch die Reaktion des
Leichtmetalls mit dem ümgebungssauerststoff entsteht. Die Oxidhaut schützt die im Inneren stromende Schmelze vor weiterer Oxidation.
Beim Eingießen der Zylinderlaufbuchsen findet beim Einströmen der Metallschmelze zunächst e Kontakt zwischen der Oxidhaut und der Oberflache der Zylmderlaufbuchse statt. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität und ihrer geringen Benetzungsneigung gegenüber festen Korper, wie den Zylinderlaufbuchsen, liefert die Oxidhaut jedoch keinen Beitrag zur Verbindung zwischen dem festen Korper und dem Umguss. Em Stoffschluss kann bei bisherigen Buchsensystemen daher nur in sehr eingeschränktem Maße stattfinden.
D e hohe Rauhigkeit bzw. offene Porosität der Anbindeschicht der erfmdungsgemaßen Zylmderlaufbuchse fuhrt dazu, die Oxidhaut einer umströmenden Leichtmetallschmelze immer wieder aufzureißen, so daß ein direkter Kontakt zwischen Schmelze und Oberflache der Anbindeschicht stattfindet. Die Oxidhaut der Schmelze wird also ununterbrochen von den feinen Spitzen der durch thermisches Spritzen erzeugten porösen, rauhen Oberflache der Anbindeschicht durchstochen.
Nach Aufreißen der Oxidhaut infiltriert die Schmelze die poröse Anbindeschicht. Es kommt damit zu einem direkten Kontakt zwischen der Schmelze und der Oberflache der Anbindeschicht, der zu einer stoffschlussigen Anbmdung fuhrt. Zudem findet durch den hohen Warmeemtrag des Umgussmaterials in die Anbindeschicht em Aufschmelzen der Anbindeschicht an der Oberflache statt. Auf diese Weise wird ein hoher stoffschlussiger Anbmdungsgrad zwischen der Anbindeschicht der Zylmderlaufbuchse und dem Zylmderkurbelgehause erhalten. Das heißt, erfmdungsgemaß sind, bezogen auf die zylindrische Mantelflache der Anbindeschicht wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 80% und insbesondere wenigstens 90% der Anbindeschicht der
Zylinderlaufbuchse mit dem Gussmaterial des Zylinderkurbelgehauses durch Stoffschluss verbunden. Der Anbindungsgrad kann dabei durch Ultraschall ermittelt werden.
Durch die stoffschlussige Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das Umgussmaterial wird eine einwandfreie Verankerung der Zylinderlaufbuchsen in dem Zylinderkurbelgehäuse wahrend der gesamten Lebensdauer des Verbrennungsmotors sichergestellt. Der stoffschlüssige Verbund führt zu einem einwandfreien Warmefluß durch die Phasengrenzen. Damit werden auch thermisch bedingte Verzüge verhindert.
Die erfindungsgemäßen thermisch gespritzten, tribologisch optimierten Zylinderlaufbuchsen können in handelsübliche, kostengünstige Aluminiumlegierungen eingegossen werden.
Das thermische Spritzen bietet den Vorteil, daß im Vergleich zu anderen Techniken eine nahezu frei wählbare, den lokalen Anforderungen entsprechende WerkstoffZusammensetzung möglich ist. Dabei kann die erfindungsgemaß durch thermisches Spritzen hergestellte Zylinderlaufbuchse sowohl laufflachenseitig im Hinblick auf die tribologischen Eigenschaften als auch motorblockseitig im Hinblick auf die Anbindung legierungsmaßig angepaßt werden. Der die Zylinderlauffläche bildende Werkstoff muß zudem korrosionsbeständig sein. Auch muß er sich spanabhebend bearbeiten lassen, damit die Zylinderlaufbuchse nach dem Eingießen auf Funktionsmaß gebracht werden kann.
Zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse wird erfindungsgemäß auf einen Dorn als Formkorper vorzugsweise zuerst eine Tragerschichc thermisch aufgespritzt. Nach dem Aufspritzen der Tragerschicht wird auf die Tragerschicht die Laufschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht und dann auf die LaufSchicht durch thermisches Spritzen die Anbindeschicht. Der so hergestellte Zylmderlaufbuchsenrohlmg wird anschließend vom Dorn entfernt, wobei die Tragerschicht durch ihre geringe Haftung am Dorn das Ablosen des Rohlings vom Dorn erleichtert.
Zur Herstellung des Zylinderkurbelgehauses werden die Rohlinge in der Gießform auf Pinolen angeordnet. Nach dem Gießen und Entformen des Zylinderkurbelgehauses wird durch spanabhebende Bearbeitung die Tragerschicht entfernt und die Laufschicht auf ihr Funktionsmaß gebracht.
Zum thermischen Spritzen können alle bekannten Verfahrensvarianten angewendet werden; dies gilt sowohl hinsichtlich der Spritzwerkstoffe (Pulver oder Draht) wie hinsichtlich der Art des Energieträgers (Flamme, Lichtbogen, Plasma) .
Damit die erfmdungsgemaße Zylmderlaufbuchse eine ausreichende Formstabilitat besitzt, weist sie vorzugsweise eine Wandstarke von 1 mm bis 5 mm auf. Die Buchse kann damit von der Herstellung bis zum Emguss problemlos gelagert und genandhabt werden. Erfmdungsgemaß können Zylinderlaufbuchsen mit Normdurchmessern und Langen für alle gangigen Motorentypen hergestellt werden.
Der Dorn besteht vorzugsweise aus Werkzeugstahl oder einem anderen Material, das beim thermischen Spritzen nicht aufgeschmolzen wird. Beim thermischen Spritzen der einzelnen Schichten der erfmdungsgemaßen Zylmderlaufbuchse wird der Dorn m Rotation versetzt.
Damit die Buchsen beim Eingießen auf den Pinolen paßgenau aufgesetzt werden können, weist der Dorn die gleichen Abmessungen wie die Pinolen auf. Demgemäß kann der Dorn mit dem gleichen Konuswinkel von z. B. 0,5° wie die Pinolen konisch ausgebildet sein, um die Zylmderlaufbuchsenrohlmge paßgenau auf die Pinolen aufstecken zu können.
Um das Entfernen des Zylinderlaufbuchsenrohlmgs vom Dorn zu erleichtern, kann der Dorn hohl ausgebildet sein, um ihn mit einem Medium, wie Wasser, kühlen zu können. Nach dem thermischen Spritzen kann dann der Dorn durch Abkühlen aus dem noch heißen thermischen Zyl derlaufbuchsenrohlmg ausgeschrumpt werden. Auch kann der Dorn durch Auspressen aus dem Zylmderlaufbuchsenrohlmg entfernt werden.
Als thermische Spritzverfahren sind erfmdungsgemaß alle bekannten Spritzverfahren anwendbar. Zur Herstellung der gesamten Zylmderlaufbuchse ist es zwar denkbar, nur ein Spritzverfahren zu verwenden. Aus wirtschaftlichen Gründen sowie im Hinblick auf die jeweiligen Schichteigenschaften w rd jedoch vorzugsweise eine Kombination verschiedener Verfahren verwendet.
So wird die Tragerschicht vorzugsweise durch Flammspritzen mit Spritzdraht hergestellt, da dieses Verfahren besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Als Spritzwerkstoffe werden für die Tragerschicht vorzugsweise Zinn, Zink, Aluminium und deren Legierungen verwendet, da sie einerseits zu einer ausreichenden Haftung der Tragerschicht auf dem Dorn fuhren und andererseits sicherstellen, daß die fertig gespritzte Buchse in einfacher Weise vom Dorn abgelost werden kann. Die Tragerschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 20 μm bis 500 μm, insbesondere 50 μm bis 100 μm auf. Die Tragerschicht ist bei der erfmdungsgemaßen Zylmderlaufbuchse im allgemeinen insbesondere dann erforderlich, wenn die Laufschicht aus einer Leichtmetallegierung besteht, die ohne Tragerschicht an den Dorn derart haften wurde, dass die Zylmderlaufbuchse vom Dorn ohne Zerstörung nicht ablösbar ist. Die Laufschicht, die aus Gewichtsgrunden erfmdungsgemaß aus einer Leichtmetallegierung besteht, insbesondere einer Aluminium- oder Magnesiu legierung, und zwar einer tπbologisch geeigneten, korrosionsbeständigen Leichtmetallegierung, ist bevorzugt eine Alummium-Silizium- Leg erung mit einem Si-Gehalt von insbesondere 12 bis 50 Gew.%. Bei einem Si-Gehalt von < 12 Gew.% können die tπbologischen Eigenschaften zu wünschen übrig lassen, bei einem Si-Gehalt von > 50% ist das Material meist spröde und damit nur schwer zu bearbeiten.
Die Leichtmetallegierung kann weitere tribologisch wirksame Zusätze enthalten, beispielsweise Silizimcarbid, Graphit oder Molybdän.
Falls eine Al-S -Legierung für die Laufschicht verwendet wird, kann sie noch folgende Legierungsbestandteile, bezogen auf das Gewicht, enthalten:
Fe: 0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1,5%
Ni: 0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1,5%
Mg: 0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1,5%
Cu: 0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1,5%
Durch diese Legierungsbestandteile wird die Harte und Warmfestigkeit der LaufSchicht erhöht.
Die Herstellung der Laufflache kann durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS) , Flammspritzen und Hochgeschwmdigkeitsflammspπtzen (HVOF) mit einem Spritzpulver erfolgen. Auch kann e spezielles Verfahern auf dem Gebiet des Hochgeschwmdigkeit-Flammspritzens, das unter dem Namen CGDM (Cold-Gas Dynamic Spray Method) bekannt geworden ist, angewendet werden. Falls em Spritzpulver verwendet wird, liegt d e mittlere Korngroße vorzugsweise unter 100 μm, insbesondere unter 80 μm, vorzugsweise wird eine Siebfraktion zwischen 10 μm und 125 μm eingesetzt, um eine tπbologisch geeignete korrosionsfeste und spanabhebend bearbeitbare Laufflache zu erhalten. Die Laufschicht kann jedoch auch mit drahtformigen Spritzwerkstoffen beispielsweise durch Drahtflammspritzen oder Lichtbogenspritzen hergestellt werden. Wegen der größeren Werkstoffauswahl wird jedoch im allgemeinen das Pulverspritzen vorgezogen.
Im endbearbeiteten Zustand m Zylmderkurbelgehause weist die Laufschicht vorzugsweise eine Dicke von 0,5 mm bis 3 mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm auf.
Die Bildung der porösen Anbindeschicht der erfmdungsgemaßen Zylmderlaufbuchse kann durch Verwendung eines Spritzpulvers mit entsprechend großer Korngroße und ein geeignetes thermisches Spritzverfahren erfolgen. Das Spritzpulver weist dazu vorzugsweise eine mittlere Korngroße zwischen 60 μm und 400 μm, insbesondere von mehr als 100 μm, insbesondere mehr als 150 μm auf. Vorzugsweise wird eine Siebfraktion zwischen 90 μm und 250 μm eingesetzt. Als thermisches Spritzverfahren können alle Pulver-Verfahren angewendet werden, insbesondere das Flamm- oder Plasmaspritzen. Beim Flammspritzen kann em Spritzabstand von 50 mm bis 400 mm, insbesondere 100 mm bis 250 mm angewendet werden.
Es ist jedoch auch der Einsatz eines Spritzdrahtes möglich, wobei dann die Porosität der Anbindeschicht durch Einstellung entsprechender Prozeßparameter erzielt wird, beispielsweise einen größeren Spritzabstand.
Zur stoffschlussigen Anbindung an das aus Leichtmetall bestehende Gussmaterial besteht der Spritzwerkstoff für die Anbindeschicht aus einer artgleichen Leichtmetalllegierung . Das heißt, da das Gussmaterial normalerweise eine
AIu miumlegierung ist, besteht auch die Anbindeschicht aus einer Alummiumlegierung. Es ist jedoch auch em Gussmaterial und eine Anbindeschicht, z.B., aus einer Magnesiumlegierung denkbar.
Der zum Spritzen der Anbindeschicht verwendete Werkstoff wird vorzugsweise einerseits an den Laufschichtwerkstoff und andererseits an den Gusswerkstoff angepaßt. D.h., wenn die Gusslegierung aus einer Al-Si-Legierung und die Laufschicht aus einer Al-Si-Legierung besteht, wird für die Anbindeschicht vorzugsweise ebenfalls eine Al-Si-Legierung verwendet. Der Si-Gehalt der Al-Si-Legierung der Anbindeschicht liegt dabei vorzugsweise zwischen dem Si- Gehalt der Al-Si-Gusslegierung und dem der Laufsch chtlegierung. D.h., wenn eine Gusslegierung aus Al-Si mit einem Si-Gehalt von 9 bis 10 Gew.% und eine LaufSchicht aus Al-Si mit einem Si-Gehalt von 25 Gew.% verwendet wird, kann der Si-Gehalt der Al-Si-Legierung der Anbindeschicht beispielsweise zwischen 10 und 25 Gew.% betragen. Auch ist es möglich, einen gradierten Übergang der Zusammensetzung der Anbindeschicht zwischen der Laufschicht und der Gusslegierung durch entsprechende Änderung des Spritzwerkstoffs wahrend des Spritzens der Anbindeschicht durchzufuhren. Auch kann durch Änderung der Prozeßparameter die Porosität der Anbindeschicht von der Laufschicht zum Gusswerkstoff geändert werden.
Durch die Verwendung artgleicher Verfahren und Werkstoffe für die Laufschicht und die Anbindeschicht wird ein inniger Verbund zwischen LaufSchicht und Anbindeschicht erzielt. Zugleich fuhrt die offen poröse Struktur der Anbindeschicht zu einer stoffschlussigen Anbindung der Gusslegierung nicht nur an der Oberflache der Anbindeschicht, sondern tief in sie hinein. Die Dicke der Anbindeschicht kann 60 μm bis 800 μm betragen; vorzugsweise liegt sie zwischen 100 μm und 500 μm.
Der so hergestellte thermisch gespritzte Zylmderlaufbuchsenrohlmg kann unmittelbar nach dem Spritzprozeß in das Zylmderkurbelgehause eingegossen werden.
Vorzugsweise wird der Zylmderlaufbuchsenrohlmg vor dem Emguss jedoch einer Warmeoehandlung unterworfen, um durch künstliche Alterung em stabiles Gefuge zu erhalten.
Die Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 550 °C eine halbe Stunde bis zu mehreren Stunden durchgeführt werden.
Beim Gießen des Zylinderkurbelgehauses liegt die Temperatur der Schmelze vorzugsweise über der Schmelztemperatur der Anbindeschicht der Zylmderlaufbuchse, um zur Verbesserung der stofflichen Anbindung die Anbindeschicht an ihrer Oberflache beim Gießen anzuschmelzen.
Die Ausbildung der Grenzflache zwischen dem Gussmaterial und der Zylmderlaufbuchse wird erheblich von dem eingesetzten Gießverfahren beeinflußt. Zwar kann zum Gießen das Schwerkraftverfahren durchgeführt werden, jedoch werden gegenüber drucklosen Gießverfahren erf dungsgemaß druckunterstutzte Gießverfahren bevorzugt.
Bei druckunterstutzten Gießverfahren fuhrt nämlich die Aufbringung einer äußeren Kraft beim Füllen der Gießform und wahrend der Erstarrung zu einer weiteren Erhöhung des stoffschlussigen Anbmdungsgrades . Dies gilt insbesondere, wenn das Gießen mit einem druckunterstutzten Verfahren bei einer Anschnittgeschwmdigkeit von großer als 1 m/s durchgeführt wird. Bei druckunterstutzten Gießverfahren, insbesondere Hoch- und Mitteldruck-Gießverfahren wird die Schmelze auch in feinste Hohlräume eingepreßt. Durch den vollständigen Formschluss mit einer stark vergrößerten Oberflache werden ideale Bedingungen auch für einen Stoffschluss geschaffen. Durch die gezielte Einstellung der Formfullgeschwmdigkeit und des Temperaturhaushaltes laßt sich der stoffliche Verbund weiter optimieren. Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
Beispiel
Em aus Werkzeugstahl bestehender Dorn (Hohldorn) mit einer Konizitat von 0,5° wird mit einer Geschwindigkeit von 180 U/mm umlaufen gelassen. Auf den Dorn wird durch Flammspritzen mit einem Draht aus Zink bei einem Spritzabstand von ca. 100 mm bis 150 mm eine an ihrer Außenseite zylindrische Tragerschicht mit einer Dicke von ca. 70 μm aufgebracht.
Bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit und gleichem Spritzabstand wird durch Plasmaspritzen mit einem Al-Si-Legierungspulver mit einem Si-Gehalt von 25 Gew.% und einer Korngroße (Siebfranktion) von 10 μm bis 125 μm eine 2 mm dicke Laufflachenschicht auf die Tragerschicht aufgetragen. Bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit des Dorns und gleichem Spritzabstand erfolgt dann der Auftrag einer etwa 300 μm dicken Anbindeschicht durch Flammspritzen mit einem Al-Si- Legierungspulver mit einem Si-Gehalt von 15 Gew.% und einer Korngroße (Siebfraktion) von 90 μm bis 250 μm.
Der Dorn wird mit kaltem Wasser abgescnreckt und damit durch Ausschrumpfen von dem noch heißen Zylmderlaufbuchsenrohlmg gelost .
Der Rohling wird anschließend auf die Pinole in einer Gießform gesteckt und durch Druckguss mit einer Al-Si- Legierung mit einem Si-Gehalt von 9 Gew.% eingegossen. Nach dem Entformen wird durch spanabhebende Bearbeitung die Trägerschicht entfernt und die Laufschicht auf das zylindrische Funktionsmaß gebracht.
Eine Ultraschalluntersuchung ergibt, daß, bezogen auf die zylindrische Mantelfläche der Anbindeschicht, über 90 % der Anbindeschicht mit dem Gussmaterial durch Stoffschluss verbunden sind.

Claims

Patentansprüche
1. Zylinderkurbeigehause aus Leichtmetall für Verbrennungskraftmaschinen m t Zylinderlaufbuchsen mit einer die Laufflache bildenden Laufschicht und einer rauhen äußeren Anbindeschicht zur Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das Zylinderkurbeigehause beim Gießen des Zylinderkurbelgehauses, dadurch gekennzeichnet, dass, bezogen auf die Mantelflache der Anbindeschicht, wenigstens 60 % der Anbindeschicht mit dem Gussmaterial des Zylinderkurbelgehauses durch Stoffschluss verbunden sind.
2. Zylinderkurbelgehause nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der stoffschlussige Anbindungsgrad zwischen der Anbindeschicht und dem Gussmaterial wenigstens 90 % betragt.
3. Zylinderkurbeigehause nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindeschicht eine Schichtdicke von 50 μm bis 800 μm aufweist.
4. Zylinderkurbeigehause nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anbindeschicht eine durch thermisches Spritzen erzeugte offene Porosität besitzt .
5. Zylmderkurbelgehause nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die offene Porosität der Anbindeschicht wenigstens 10 Volumen% betragt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindeschicht und das Gussmaterial aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung bestehen.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung besteht.
Zylmderkurbelgehause nach Anspruch 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laufschicht der Zylmderlaufbuchse aus einer Alummium-Silizium-Legierung mit einem hohen Silizium-Gehalt und das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehauses aus einer Alummium-Silizium- Legierung mit einem geringen Silizium-Gehalt gebildet ist und die Anbindeschicht aus einer Aluminium-Silizium- Legierung mit einem Silizium-Gehalt besteht, der zwischen dem Silizium-Gehalt der Laufschicht und dem Silizium- Gehalt des Gussmateπals liegt.
Verfahren zur Herstellung einer Zylmderlaufbuchse für em Zylmderkurbelgehause nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Laufschicht auf einen als Formkorper dienenden Dorn und auf die Laufschicht die Anbindeschicht thermisch aufgespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzen der Anbindeschicht derart durch gefuhrt wird, daß die Anbindeschicht eine offene Porosität von wenigstens 10 Vol.-% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzen der Anbindeschicht mit einem Spritzpulver mit einer mittleren Korngroße zwischen 60 μm und 400 μm durchgeführt w rd.
11. Verfahren nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzen der Anbindeschicht durch Flamm- oder Plasmaspritzen erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum thermischen Spritzen der Laufschicht ein Spritzwerkstoff aus einer Aluminium- Silizium-Legierung verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminium-Silizium-Legierung einen Silizium-Gehalt von 12 bis 50 Gew.% aufweist.
14. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Spritzwerkstoff als weitere Legierungsbestandteile Eisen, Nickel, Magnesium und/oder Kupfer in einem Anteil von 0,5% bis 2%, bezogen auf das Gewicht der Legierung, aufweist.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzen der Laufschicht mit einem Spritzpulver mit einer Korngröße von weniger als 150 μm durchgeführt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Dorn vor dem Aufspritzen der Laufschicht eine Trägerschicht thermisch aufgespritzt wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß für die Trägerschicht ein Spritzwerkstoff aus Zink, Zinn, Aluminium und/oder einer Legierung dieser Metalle verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht von der Laufschicht durch spanabhebende Bearbeitung entfernt wird.
19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Entfernung der Trägerschicht durchgeführt wird, wenn die Laufschicht der in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchse durch spanabhebende Bearbeitung auf ihr zylindrisches Funktionsmaß gebracht wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn beim thermischen Spritzen der Trägerschicht, der Laufschicht und/oder der Anbindeschicht in Rotation versetzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Dorn vor der Entfernung aus der noch erwärmten thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchse durch Abschrecken ausgeschrumpft wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300 °C und 550°C unterworfen wird.
23. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach einem der Ansprüche 1 bis 6 unter Verwendung einer nach einem der Ansprüche 7 bis 20 hergestellten Zylinderlaufbuchse, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Schmelze beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses über der Schmelztemperatur der Anbindeschicht liegt.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen des Zylinderkurbelgehäuses mit einem druckunterstützten Verfahren durchgeführt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das druckunterstützte Gießen mit einer Anschnittgeschwindigkeit von mehr als 1 m/sec durchgeführt wird.
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