EP1124660B2 - Zylinderkurbelgehäuse, verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen dafür und verfahren zur herstellung des zylinderkurbelgehäuses mit diesen zylinderlaufbuchsen - Google Patents

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EP1124660B2
EP1124660B2 EP00954591A EP00954591A EP1124660B2 EP 1124660 B2 EP1124660 B2 EP 1124660B2 EP 00954591 A EP00954591 A EP 00954591A EP 00954591 A EP00954591 A EP 00954591A EP 1124660 B2 EP1124660 B2 EP 1124660B2
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EP
European Patent Office
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layer
cylinder
spraying
bonding layer
alloy
Prior art date
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EP1124660A1 (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
Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Bayerische Motoren Werke AG
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    • F02F1/004—Cylinder liners
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    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05C—INDEXING SCHEME RELATING TO MATERIALS, MATERIAL PROPERTIES OR MATERIAL CHARACTERISTICS FOR MACHINES, ENGINES OR PUMPS OTHER THAN NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES
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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 method for producing cylinder liners for a cylinder crankcase.
  • gray cast iron For lightweight construction reasons, a substitution of gray cast iron by aluminum alloys is currently being carried out in cylinder crankcases of internal combustion engines for motor vehicles. While the material of gray cast iron is also suitable for the cylinder running surfaces, cast aluminum alloys in this area are reinforced by cylinder liners.
  • a cylinder liner which consists of a running layer of molybdenum and an outer layer of an aluminum alloy, which is profiled on its outer side. Both layers are formed by thermal spraying on a rotating mandrel.
  • molybdenum an anti-sticking agent, a mandrel with a hard chrome layer and the like, the adhesion of the overlay to the mandrel is reduced to such an extent that the bushes can be pulled off the mandrel.
  • the oxide skin on an aluminum body which is to be poured into a cast aluminum material, prevents the connection to the casting material, is after DE 197 45 725 A1 the oxide skin on the sprue body mechanically destroyed by thermal spraying, wherein the resulting oxide particles are distributed in the sprayed layer.
  • the sprayed-on particles which are not completely melted on impact, protrude from the sprayed layer, whereby the connection with the casting material is improved.
  • the spray material used is a nickel or molybdenum alloy.
  • a method for producing a cylinder liner in which serving as a shaped body mandrel forming a tread, for example of a molybdenum alloy, and on the tread layer, a cover layer, for example of an aluminum alloy, are applied by a thermal spraying process.
  • the coated on its inner surfaces liner is inserted into a finished cast cylinder block.
  • the solid material is provided with a coating which exothermically reacts with the metal casting material during casting and thereby produces intermetallic compounds on the surface of the solid material. In this way, the connection of the solid material to the casting material is to be improved.
  • the solid material may be, for example, a cylinder liner used in an internal combustion engine.
  • the latent exothermic coating is preferably applied by thermal spraying.
  • an aluminum cylinder crankcase with cast-in cylinder liners known.
  • a coating for example a zinc coating
  • the coating is applied by pickling with zincate solution.
  • an additional protective layer may be applied to the liner to prevent oxidation of the molten aluminum used in the casting if the zinc coating alone is not sufficiently thick.
  • This additional protective layer can be applied as a spray coating.
  • the protective layer has the lowest possible porosity. To achieve this, the coating is applied under an inert atmosphere.
  • the object of the invention was to provide a method for the production of cylinder liners which can be ensured in the finished casting in a simple way, the secure fit of the liners.
  • the outer bonding layer is formed by thermal spraying, which is carried out in such a way that a sprayed layer having a high open porosity of at least 10% by volume, in particular 30-70% by volume, is formed.
  • the layer thickness of the attachment layer is preferably 60 ⁇ m-800 ⁇ m, in particular 100 ⁇ m-500 ⁇ m.
  • the bonding layer is preferably produced with a coarse-grained spray powder having a particle size of 60 ⁇ m-400 ⁇ m, in particular 90 ⁇ m-250 ⁇ m.
  • the average particle size of the spray powder of the bonding layer is thus preferably more than 100 ⁇ m, in particular more than 130 ⁇ m. If such a coarse-grained spray powder is used to spray a very thin bonding layer, instead of an open-porous layer only a layer of correspondingly high roughness can be formed.
  • Light metals ie in particular aluminum and magnesium and their alloys, namely form an outer oxide layer in the molten state, which is formed by the reaction of the light metal with the ambient oxygen.
  • 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 causes the oxide skin of a flowing light metal melt to rupture again and again so that a direct contact between the melt and the surface of the bonding layer takes place.
  • the oxide skin of the melt is thus pierced continuously by the fine tips of the porous, rough surface of the bonding layer produced by thermal spraying.
  • the melt After rupturing the oxide skin, the melt infiltrates the porous attachment layer. This results in a direct contact between the melt and the surface of the bonding layer, which leads to a cohesive connection.
  • melting of the bonding layer takes place on the surface. In this way, a high cohesive degree of connection between the bonding layer of the cylinder liner and the cylinder crankcase is obtained. That is, according to the invention, based on the cylindrical lateral surface of the bonding layer at least 60%, preferably at least 80% and in particular at least 90% of the bonding layer of the cylinder liner with the casting material of the cylinder crankcase connected by material bond.
  • the degree of connection can be determined by ultrasound.
  • inventively thermally sprayed, tribologically optimized cylinder liners can be poured into commercially available, inexpensive aluminum alloys.
  • the thermal spraying offers the advantage that, in comparison to other techniques, it is possible to choose a composition of materials which is almost freely selectable and corresponds to local requirements.
  • the cylinder liner produced according to the invention by thermal spraying can be adapted alloyed both tread side in terms of tribological properties and engine block side with regard to the connection.
  • the material forming the cylinder surface must also be resistant to corrosion. He must also be machined, so that the cylinder liner can be brought to functional size after pouring.
  • a carrier layer is preferably thermally sprayed onto a mandrel as a shaped body. After the carrier layer has been sprayed on, the running layer is applied to the carrier layer by thermal spraying and then the tying layer is applied to the overlay by thermal spraying.
  • the cylinder liner blank thus produced is then removed from the mandrel, wherein the carrier layer facilitates the detachment of the blank from the mandrel by their low adhesion to the mandrel.
  • the blanks are placed in the mold on sleeves. After casting and removal of the cylinder crankcase, the support layer is removed by machining and the running layer is brought to its functional dimension.
  • thermal spraying all known process variants can be used; This applies both to the spray materials (powder or wire) and to the type of energy carrier (flame, arc, plasma).
  • the cylinder liner produced 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 the production to the sprue.
  • cylinder liners can be produced with standard diameters and lengths for all common engine types.
  • the mandrel is preferably made of tool steel or other 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. Accordingly, the mandrel with the same cone angle of z. B. 0.5 ° as the sleeves are tapered to be able to fit the cylinder liner blanks accurately on the sleeves.
  • the mandrel may be hollow to cool it with a medium such as water. After thermal spraying, the mandrel can then be shrunk by cooling from the still hot thermal cylinder liner blank. Also, the mandrel can be removed by pressing out of the cylinder liner blank.
  • the carrier layer is preferably produced by flame spraying with spray wire, since this method can be carried out particularly economically.
  • Tin, zinc, aluminum and their alloys are preferably used as the spraying materials, since on the one hand they lead to sufficient adhesion of the carrier layer to the mandrel and on the other hand to ensure that the finished molded 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 carrier layer is generally required in the cylinder liner according to the invention in particular when the overlay consists of a light metal alloy which would adhere to the mandrel without a carrier layer such that the cylinder liner can not be detached from the mandrel without destruction.
  • the running layer which for weight reasons according to the invention consists of a light metal alloy, in particular an aluminum or magnesium alloy, namely a tribologically suitable, corrosion-resistant light metal alloy, is preferably an aluminum-silicon alloy having a Si content of in particular 12 to 50 wt.%.
  • a Si content of ⁇ 12 wt.% With a Si content of ⁇ 12 wt.%, The tribological properties leave something to be desired, with a Si content of> 50%, the material is usually brittle and therefore difficult to work.
  • the light metal alloy may contain other tribologically active additives, for example silicon carbide, graphite or molybdenum.
  • an Al-Si alloy may also contain the following alloying ingredients by weight: Fe 0.5-2.0%, preferably 0.5-1.5% Ni 0.5-2.0%, preferably 0.5-1.5% mg 0, 5 - 2.0%, preferably 0, 5 - 1.5% Cu 0.5-2.0%, preferably 0.5-1.5%
  • Tread production can be accomplished by atmospheric plasma spraying (APS), flame spraying and high velocity flame spraying (HVOF) with a spray powder. Also, a special method in the field of high speed flame spraying, which has become known as CGDM (Cold Gas Dynamic Spray Method), can be applied.
  • APS atmospheric plasma spraying
  • HVOF high velocity flame spraying
  • CGDM Cold Gas Dynamic Spray Method
  • the average particle size is preferably below 100 .mu.m, in particular below 80 .mu.m, preferably a sieve fraction between 10 .mu.m and 125 .mu.m is used in order to obtain a tribologically suitable corrosion-resistant and machinable tread.
  • the running layer can also be produced with wire-shaped spray materials, for example by wire flame spraying or arc spraying. However, because of the greater choice of material, 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 formation of the porous bonding layer of the cylinder liner according to the invention can be achieved by using a spray powder with a correspondingly large particle size and a suitable thermal spraying process.
  • the spray powder preferably has a mean particle size between 60 ⁇ m and 400 ⁇ m, in particular more than 100 ⁇ m, in particular more than 150 ⁇ m.
  • a sieve fraction between 90 microns and 250 microns is used.
  • all powder processes can be used, in particular flame or plasma spraying. When flame spraying, a spray distance of 50 mm to 400 mm, in particular 100 mm to 250 mm can be applied.
  • the spray material for the bonding layer consists of a similar light metal alloy. That is, since the casting material is usually an aluminum alloy, the bonding layer is also made of aluminum alloy. However, it is also a casting material and a bonding layer, e.g. conceivable from a magnesium alloy.
  • the material used for spraying the bonding layer is preferably adapted on the one hand to the running layer material and on the other hand to the casting material. That is, if the casting alloy is made of an Al-Si alloy and the overlay is made of an Al-Si alloy, an Al-Si alloy is also preferably used for the bonding layer.
  • the Si content of the Al-Si alloy of the attachment layer is preferably between the Si content of the Al-Si casting alloy and that of the overlay alloy.
  • the Si content of the Al-Si Alloy of the bonding layer for example, between 10 and 25 wt.% Be. It is also possible to carry out a graded transition of the composition of the bonding layer between the overlay and the cast alloy by corresponding change of the spray material during the spraying of the bonding layer. Also, by changing the process parameters, the porosity of the bonding layer can be changed from the running layer to the casting material.
  • the thickness of the bonding layer can be 60 ⁇ m to 800 ⁇ m; preferably it is between 100 microns and 500 microns.
  • thermally sprayed cylinder liner blank can be poured into the cylinder crankcase immediately after the injection process.
  • the cylinder liner blank is subjected to a heat treatment before the sprue in order to obtain a stable structure by artificial aging.
  • the heat treatment may 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 bonding layer of the cylinder liner to melt to improve the material connection, the bonding layer on its surface during casting.
  • the formation of the interface between the casting material and the cylinder liner is significantly influenced by the casting process used.
  • the gravitational process can be carried out for casting, pressure-assisted casting processes are preferred according to the invention compared with pressure-limited casting processes.
  • a mandrel (hollow mandrel) made of tool steel with a taper of 0.5 ° is circulated at a speed of 180 rpm.
  • On the mandrel is applied by flame spraying with a wire of zinc at a spray distance of about 100 mm to 150 mm on its outer cylindrical support layer with a thickness of about 70 microns.
  • the mandrel is quenched with cold water and thus solved by shrinking from the still hot cylinder liner blank.
  • the blank is then placed on the quill in a mold and cast by die casting with an Al-Si alloy with a Si content of 9 wt.%. After removal from the mold, the carrier layer is removed by machining and the running layer is brought to the cylindrical functional dimension.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen für ein Zylinderkurbelgehäuse.
  • Aus Leichtbaugründen erfolgt gegenwärtig eine Substitution von Grauguss durch Aluminiumlegierungen bei Zylinderkurbelgehäusen von Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge. Während bei Grauguss der Werkstoff zugleich auch für die Zylinderlaufflächen geeignet ist, werden Aluminium-Gusslegierungen in diesem Bereich durch Zylinderlaufbuchsen verstärkt.
  • Aus DE 196 05 946 C1 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 Zylinderkurbelgehäuses werden die auf Pinolen in der Gießform angeordneten Zylinderlaufbuchsen mit ihrer profilierten Außenfläche mit dem Gussmaterial formschlüssig verbunden. Durch die schwere Molybdänlaufschicht besitzt die bekannte Zylinderlaufbuchse ein erhebliches Gewicht. Zudem besteht die Gefahr einer Buchsenlockerung, des Zylinderverzugs und damit einer Erhöhung der Blow-by-Werte. Auch können in den Mikrospalt an der Phasengrenze zwischen dem Gussmaterial und den Buchsen Rückstände aus dem Verbrennungsprozess eindringen.
  • Um die Anbindung der Zylinderlaufbuchse an das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses zu verbessern, wird nach DE 196 34 504 A1 durch Bestrahlen der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse mit scharfkantigen Partikeln eine Rauheit von 30 - 60 µm in Form pyramidenähnlicher Ausstülpungen erzielt.
  • Da die Oxidhaut auf einem Aluminium-Körper, der in ein Aluminiumgussmaterial eingegossen werden soll, die Anbindung an das Gussmaterial verhindert, wird nach DE 197 45 725 A1 die Oxidhaut auf dem Eingusskörper 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.
  • Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der DE-C 196 05 946 ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse bekannt, bei dem auf einen als Formkörper dienenden Dorn eine die Lauffläche bildende Schicht, beispielsweise aus einer Molybdänlegierung, und auf die Laufflächenschicht eine Deckschicht, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht werden. Die auf ihren Innenflächen derart beschichtete Laufbuchse wird in einen fertig gegossenen Zylinderblock eingesetzt.
  • Des Weiteren ist in der EP-A-659 899 ein Verfahren zum Einbinden eines festen Materials in ein das feste Material umgießendes Metall durch eine metallurgische Diffusionsverbindung beschrieben worden. Das feste Material wird dabei mit einer Beschichtung versehen, die beim Umgießen mit dem Metallgusswerkstoff exotherm reagiert und dabei intermetallische Verbindungen an der Oberfläche des festen Materials erzeugt. Auf diese Weise soll die Anbindung des festen Materials an das Gussmaterial verbessert werden. Bei dem festen Material kann es sich beispielsweise um eine Zylinderlaufbuchse handeln, die in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Die latent exotherme Beschichtung wird dabei vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgebracht.
  • Schließlich ist aus der DE-A-42 12 716 ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen bekannt. Im Zuge der Herstellung dieses Kurbelgehäuses wird vor dem Eingießen in die Aluminium-Schmelze auf die Laufbuchsen eine Beschichtung, beispielsweise eine Zinkbeschichtung, aufgebracht. Das Aufbringen der Beschichtung erfolgt dabei ein Beizen mit Zinkatlösung. Gemäß einer Ausgestaltung dieses Verfahrens kann eine zusätzliche Schutzschicht auf die Laufbuchse aufgebracht werden, um die Oxidation der beim Gießen eingesetzten Aluminiumschmelze zu verhindern, wenn die Zinkbeschichtung alleine nicht ausreichend dick ist. Diese zusätzliche Schutzschicht kann als Spritzüberzug aufgebracht werden. Allerdings wird dabei angestrebt, dass die Schutzschicht eine möglichst geringe Porosität besitzt. Um dies zu erreichen, wird der Überzug unter einer inerten Atmosphäre aufgetragen.
  • Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen anzugeben mit dem auf einfache Weise der sichere Halt der Laufbuchsen im fertigen Gussteil gewährleistet werden kann.
  • In Bezug auf das Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen ist die oben angegebene Aufgabe durch das in Anspruch 1 beanspruchte Verfahren gelöst worden. Die Ansprüche 2 bis 13 enthalten Ausgestaltungen dieses Verfahrens.
  • Bei einer erfindungsgemäß erzeugten Zylinderlaufbuchse ist die äußere Anbindeschicht 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 beträgt 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 Korngröße von 60 µm - 400 µm, insbesondere 90 µm - 250 µm erzeugt.
  • Die mittlere Korngröße des Spritzpulvers der Anbindeschicht beträgt damit vorzugsweise mehr als 100 µm, insbesondere mehr als 130 µm. Wenn ein 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 führt beim Gießen des Leichtmetallzylinderkurbelgehäuses zu einer stoffschlüssigen Verbindung der Zylinderlaufbuchse an das
  • Zylinderkurbelgehäuse.
  • 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 Umgebungssauerststoff entsteht. Die Oxidhaut schützt die im Inneren strömende Schmelze vor weiterer Oxidation.
  • Beim Eingießen der Zylinderlaufbuchsen findet beim Einströmen der Metallschmelze zunächst ein Kontakt zwischen der Oxidhaut und der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse statt. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität und ihrer geringen Benetzungsneigung gegenüber festen Körpern, wie den Zylinderlaufbuchsen, liefert die Oxidhaut jedoch keinen Beitrag zur Verbindung zwischen dem festen Körper und dem Umguss. Ein Stoffschluss kann bei bisherigen Buchsensystemen daher nur in sehr eingeschränktem Maße stattfinden.
  • Die hohe Rauhigkeit bzw. offene Porosität der Anbindeschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse führt dazu, die Oxidhaut einer umströmenden Leichtmetallschmelze immer wieder aufzureißen, so dass ein direkter Kontakt zwischen Schmelze und Oberfläche der Anbindeschicht stattfindet. Die Oxidhaut der Schmelze wird also ununterbrochen von den feinen Spitzen der durch thermisches Spritzen erzeugten porösen, rauhen Oberfläche 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 Oberfläche der Anbindeschicht, der zu einer stoffschlüssigen Anbindung führt. Zudem findet durch den hohen Wärmeeintrag des Umgussmaterials in die Anbindeschicht ein Aufschmelzen der Anbindeschicht an der Oberfläche statt. Auf diese Weise wird ein hoher stoffschlüssiger Anbindungsgrad zwischen der Anbindeschicht der Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkurbelgehäuse erhalten. Das heißt, erfindungsgemäß sind, bezogen auf die zylindrische Mantelfläche der Anbindeschicht wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 80% und insbesondere wenigstens 90% der Anbindeschicht der Zylinderlaufbuchse mit dem Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses durch Stoffschluss verbunden. Der Anbindungsgrad kann dabei durch Ultraschall ermittelt werden.
  • Durch die stoffschlüssige Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das Umgussmaterial wird eine einwandfreie Verankerung der Zylinderlaufbuchsen in dem Zylinderkurbelgehäuse während der gesamten Lebensdauer des Verbrennungsmotors sichergestellt. Der stoffschlüssige Verbund führt zu einem einwandfreien Wärmefluss durch die Phasengrenzen. Damit werden auch thermisch bedingte Verzüge verhindert.
  • Die erfindungsgemäß 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 erfindungsgemäß durch thermisches Spritzen hergestellte Zylinderlaufbuchse sowohl laufflächenseitig im Hinblick auf die tribologischen Eigenschaften als auch motorblockseitig im Hinblick auf die Anbindung legierungsmäßig 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 Formkörper vorzugsweise zuerst eine Trägerschicht thermisch aufgespritzt. Nach dem Aufspritzen der Trägerschicht wird auf die Trägerschicht die Laufschicht durch thermisches Spritzen aufgebracht und dann auf die Laufschicht durch thermisches Spritzen die Anbindeschicht.
  • Der so hergestellte Zylinderlaufbuchsenrohling wird anschließend vom Dorn entfernt, wobei die Trägerschicht durch ihre geringe Haftung am Dorn das Ablösen des Rohlings vom Dorn erleichtert.
  • Zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses werden die Rohlinge in der Gießform auf Pinolen angeordnet. Nach dem Gießen und Entformen des Zylinderkurbelgehäuses wird durch spanabhebende Bearbeitung die Trägerschicht 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 erfindungsgemäß hergestellte Zylinderlaufbuchse eine ausreichende Formstabilität besitzt, weist sie vorzugsweise eine Wandstärke von 1 mm bis 5 mm auf. Die Buchse kann damit von der Herstellung bis zum Einguss problemlos gelagert und gehandhabt werden. Erfindungsgemäß können Zylinderlaufbuchsen mit Normdurchmessern und Längen für alle gängigen 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 erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse wird der Dorn in 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 Zylinderlaufbuchsenrohlinge passgenau auf die Pinolen aufstecken zu können.
  • Um das Entfernen des Zylinderlaufbuchsenrohlings 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 Zylinderlaufbuchsenrohling ausgeschrumpft werden. Auch kann der Dorn durch Auspressen aus dem Zylinderlaufbuchsenrohling entfernt werden.
  • Als thermische Spritzverfahren sind erfindungsgemäß alle bekannten Spritzverfahren anwendbar. Zur Herstellung der gesamten Zylinderlaufbuchse ist es zwar denkbar, nur ein Spritzverfahren zu verwenden. Aus wirtschaftlichen Gründen sowie im Hinblick auf die jeweiligen Schichteigenschaften wird jedoch vorzugsweise eine Kombination verschiedener Verfahren verwendet.
  • So wird die Trägerschicht vorzugsweise durch Flammspritzen mit Spritzdraht hergestellt, da dieses Verfahren besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Als Spritzwerkstoffe werden für die Trägerschicht vorzugsweise Zinn, Zink, Aluminium und deren Legierungen verwendet, da sie einerseits zu einer ausreichenden Haftung der Trägerschicht auf dem Dorn führen und andererseits sicherstellen, dass die fertig gespritzte Buchse in einfacher Weise vom Dorn abgelöst werden kann. Die Trägerschicht weist vorzugsweise eine Dicke von 20 µm bis 500 µm, insbesondere 50 µm bis 100 µm auf. Die Trägerschicht ist bei der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse im allgemeinen insbesondere dann erforderlich, wenn die Laufschicht aus einer Leichtmetalllegierung besteht, die ohne Trägerschicht an dem Dorn derart haften würde, dass die Zylinderlaufbuchse vom Dorn ohne Zerstörung nicht ablösbar ist..
  • Die Laufschicht, die aus Gewichtsgründen erfindungsgemäß aus einer Leichtmetalllegierung besteht, insbesondere einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, und zwar einer tribologisch geeigneten, korrosionsbeständigen Leichtmetalllegierung, ist bevorzugt eine Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Si-Gehalt von insbesondere 12 bis 50 Gew.%. Bei einem Si-Gehalt von < 12 Gew.% können die tribologischen Eigenschaften zu wünschen übrig lassen, bei einem Si-Gehalt von > 50% ist das Material meist spröde und damit nur schwer zu bearbeiten.
  • Die Leichtmetalllegierung kann weitere tribologisch wirksame Zusätze enthalten, beispielsweise Siliziumcarbid, Graphit oder Molybdän.
  • Falls eine Al-Si-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 Härte und Warmfestigkeit der Laufschicht erhöht.
  • Die Herstellung der Lauffläche kann durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Flammspritzen und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) mit einem Spritzpulver erfolgen. Auch kann ein spezielles Verfahren auf dem Gebiet des Hochgeschwindigkeit-Flammspritzens, das unter dem Namen CGDM (Cold-Gas Dynamic Spray Method) bekannt geworden ist, angewendet werden.
  • Falls ein Spritzpulver verwendet wird, liegt die mittlere Korngröße vorzugsweise unter 100 µm, insbesondere unter 80 µm, vorzugsweise wird eine Siebfraktion zwischen 10 µm und 125 µm eingesetzt, um eine tribologisch geeignete korrosionsfeste und spanabhebend bearbeitbare Lauffläche zu erhalten. Die Laufschicht kann jedoch auch mit drahtförmigen Spritzwerkstoffen beispielsweise durch Drahtflammspritzen oder Lichtbogenspritzen hergestellt werden. Wegen der größeren Werkstoffauswahl wird jedoch im allgemeinen das Pulverspritzen vorgezogen.
  • Im endbearbeiteten Zustand im Zylinderkurbelgehäuse 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 erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse kann durch Verwendung eines Spritzpulvers mit entsprechend großer Korngröße und ein geeignetes thermisches Spritzverfahren.erfolgen. Das Spritzpulver weist dazu vorzugsweise eine mittlere Korngröße 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 ein Spritzabstand von 50 mm bis 400 mm, insbesondere 100 mm bis 250 mm angewendet werden.
  • Zur stoffschlüssigen Anbindung an das aus Leichtmetall bestehende Gussmaterial besteht der Spritzwerkstoff für die Anbindeschicht aus einer artgleichen Leichtmetalllegierung. Das heißt, da das Gussmaterial normalerweise eine Aluminiumlegierung ist, besteht auch die Anbindeschicht aus einer Aluminiumlegierung. Es ist jedoch auch ein 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 bestehen, 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 Laufschichtlegierung. 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 während des Spritzens der Anbindeschicht durchzuführen. 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 führt die offen poröse Struktur der Anbindeschicht zu einer stoffschlüssigen Anbindung der Gusslegierung nicht nur an der Oberfläche 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 Zylinderlaufbuchsenrohling kann unmittelbar nach dem Spritzprozess in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossen werden.
  • Vorzugsweise wird der Zylinderlaufbuchsenrohling vor dem Einguss jedoch einer Wärmebehandlung unterworfen, um durch künstliche Alterung ein stabiles Gefüge 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 Zylinderkurbelgehäuses liegt die Temperatur der Schmelze vorzugsweise über der Schmelztemperatur der Anbindeschicht der Zylinderlaufbuchse, um zur Verbesserung der stofflichen Anbindung die Anbindeschicht an ihrer Oberfläche beim Gießen anzuschmelzen.
  • Die Ausbildung der Grenzfläche zwischen dem Gussmaterial und der Zylinderlaufbuchse wird erheblich von dem eingesetzten Gießverfahren beeinflusst. Zwar kann zum Gießen das Schwerkraftverfahren durchgeführt werden, jedoch werden gegenüber drucklbsen Gießverfahren erfindungsgemäß druckunterstützte Gießverfahren bevorzugt.
  • Bei druckunterstützten Gießverfahren führt nämlich die Aufbringung einer äußeren Kraft beim Füllen der Gießform und während der Erstarrung zu einer weiteren Erhöhung des stoffschlüssigen Anbindungsgrades. Dies gilt insbesondere, wenn das Gießen mit einem druckunterstützten Verfahren bei einer Anschnittgeschwindigkeit von größer als 1 m/s durchgeführt wird. Bei druckunterstützten Gießverfahren, insbesondere Hoch- und Mitteldruck-Gießverfahren wird die Schmelze auch in feinste Hohlräume eingepresst. Durch den vollständigen Formschluss mit einer stark vergrößerten Oberfläche werden ideale Bedingungen auch für einen Stoffschluss geschaffen. Durch die gezielte Einstellung der Formfüllgeschwindigkeit und des Temperaturhaushaltes lässt sich der stoffliche Verbund weiter optimieren. Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.
    • Beispiel
  • Ein aus Werkzeugstahl bestehender Dorn (Hohldorn) mit einer Konizität von 0,5° wird mit einer Geschwindigkeit von 180 U/min 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 Trägerschicht 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 Korngröße (Siebfraktion) von 10 µm bis 125 µm eine 2 mm dicke Laufflächenschicht auf die Trägerschicht 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 Korngröße (Siebfraktion) von 90 µm bis 250 µm.
  • Der Dorn wird mit kaltem Wasser abgeschreckt und damit durch Ausschrumpfen von dem noch heißen Zylinderlaufbuchsenrohling gelöst.
  • 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 (13)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse für ein Zylinderkurbelgehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Laufschicht auf einen als Formkörper dienenden Dorn und auf die Laufschicht die Anbindeschicht thermisch aufgespritzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen der Anbindeschicht mit einem Spritzpulver mit einer mittleren Korngröße zwischen 60 µm und 400 µm durchgeführt wird, so dass die Anbindeschicht eine offene Porosität von wenigstens 10 Vol.-% aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen der Anbindeschicht durch Flamm- oder Plasmaspritzen erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Spritzen der Laufschicht ein Spritzwerkstoff aus einer Aluminium-Silizium-Legierung verwendet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Silizium-Legierung einen Silizium-Gehalt von 12 bis 50 Gew.% aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, 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.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen der Laufschicht mit einem Spritzpulver mit einer Korngröße von weniger als 150 µm durchgeführt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Dorn vor dem Aufspritzen der Laufschicht eine Trägerschicht thermisch aufgespritzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trägerschicht ein Spritzwerkstoff aus Zink, Zinn, Aluminium und/oder einer Legierung dieser Metalle verwendet wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht von der Laufschicht durch spanabhebende Bearbeitung entfernt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, 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.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn beim thermischen Spritzen der Trägerschicht, der Laufschicht und/oder der Anbindeschicht in Rotation versetzt wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn vor der Entfernung aus der noch erwärmten thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchse durch Abschrecken ausgeschrumpft wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300°C und 550°C unterworfen wird.
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