EP1225324B1 - Zylindrische Lauffläche - Google Patents

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EP1225324B1
EP1225324B1 EP02000872A EP02000872A EP1225324B1 EP 1225324 B1 EP1225324 B1 EP 1225324B1 EP 02000872 A EP02000872 A EP 02000872A EP 02000872 A EP02000872 A EP 02000872A EP 1225324 B1 EP1225324 B1 EP 1225324B1
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cylindrical
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partial
cylindrical running
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Herbert MÖDING
Manfred Laudenklos
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KS Huayu Alutech GmbH
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KS Aluminium Technologie GmbH
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/18—Other cylinders
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    • F02B—INTERNAL-COMBUSTION PISTON ENGINES; COMBUSTION ENGINES IN GENERAL
    • F02B77/00—Component parts, details or accessories, not otherwise provided for
    • F02B77/02—Surface coverings of combustion-gas-swept parts

Definitions

  • the invention relates to a cylindrical running surface, for example a cylinder liner or a cylinder bore, made of a light metal alloy with a defined Verkrall Quilt a not yet coated cylindrical tread on which a wear layer is adherent applied.
  • Such a cylindrical tread is for example from the article by Hans Rininger "flame-sprayed plain bearings" from " The Machine Market “(1954, No. 7, page 6 ) known.
  • sawtooth punctures or threads are introduced with longitudinal grooves in the cylindrical tread to ensure a torsion-resistant adhesion.
  • this type of pretreatment has proved to be unsuitable.
  • a wear layer of an Fe-based alloy with the light metal alloy Additives such as C, Mn, Mo, V, etc., an Al-based alloy with additives such as Si, Fe, Cu, Ni, etc., or a copper / nickel alloy is applied.
  • the wear layer is preferably applied by welding, plasma spraying, flame spraying or high-speed jet spraying.
  • the light alloy to be coated is roughened by a blasting process (see, for example, US Pat GB-A-408 067 ).
  • this type of pretreatment is very complicated due to the beam systems to be used and creates only an undefined surface structure that causes an uneven stress introduction into the wear layer, with the result that not sufficient adhesion of the wear layer is guaranteed in all load cases.
  • the present invention is therefore based on the object to provide a remedy for the above-described problems.
  • This Verkrall Scheme first leads to a defined increase in the adhesive surface of the tread to be coated. In addition, it comes in the subsequent coating process in the tips to a higher energy load, resulting in part to a reproducible diffusion compensation of the wear layer with the base material. Also, at the tips of the Verkrall Design to melting, which further improve the adhesion of the wear layer.
  • the distance to the surface to be coated is so small that no maximum acceleration can be achieved in the coating medium, because of the low kinetic energy, the adhesion is reduced.
  • optimum adhesion is achieved when it hits the surface to be coated vertically.
  • the angle of incidence of the media jet is significantly less than 90 °, resulting in low adhesion of the coating medium in this zone.
  • the macroscopic surface structure produced in such a targeted manner can be formed in the form of preferably grooves extending in the circumferential direction or else by helical thread-like profiles. Furthermore, the adhesion in the radial and / or axial direction can be improved by undercuts.
  • FIG. 1 shows a longitudinal section through an inventively designed cylindrical tread.
  • the cylindrical tread 1 consists of a known aluminum alloy.
  • a Verkrall Design 2 in the present embodiment, a threaded profile were rotated in a known manner.
  • the Verkrall Designen 2 invention can also be introduced in various other ways, such as spinning, cutting, milling, etc. in the cylindrical tread 1.
  • the light undercuts 4 shown in the present embodiment can be attached to the Verkrall Modellen 2 by a subsequent forming process.
  • FIG. 2 A schematic representation of the machining process for applying one of the wear layer 3 through the media jet 5 shows FIG. 2 ,
  • the Verkrall Siemens 2 ensures that the angle of incidence of the media beam 5 is nearly 90 °. It shows FIG. 3 a first embodiment of the Verkrall Design 2, which ensures this defined angle of incidence.
  • the alignment of the partial flanks 6 is constant over the entire cylindrical tread 1, which results in that the media jet 5 is moved translationally along the longitudinal axis of the cylindrical tread 1 during the coating process (see dotted lines).
  • FIG. 4 shows a Verkrall Cook 2, the partial edges 6 in the longitudinal direction of the cylindrical tread 1 have a steadily decreasing angle of attack a.
  • a Verkrall Quilt 2 can be prepared in a known manner, for example by a CNC machine.
  • the media jet 5 then needs to perform as shown only a rotational movement, which in turn leads to a simplification of the machining process.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine zylindrische Lauffläche, beispielsweise einer Zylinderlaufbuchse oder einer Zylinderbohrung, aus einer Leichtmetall-Legierung mit einer definierten Verkrallstruktur einer noch nicht beschichteten zylindrischen Lauffläche, auf die eine Verschleißschicht haftfest aufbringbar ist.
  • Eine derartige zylindrische Lauffläche ist beispielsweiseaus Dem Aufsatz von Hans Rininger "Flammgespritzte Gleitlager" aus "Der Machinenmarkt" (1954, Nr. 7, Seite 6) bekannt. Dabei sind in die zylindrische Lauffläche Sägezahn-Einstiche oder Gewinde mit Längsnuten eingebracht, um eine verdrehsichere Haftung zu gewährleisten. Insbesondere bei Verfahren zur Aufbringung einer Verschleißschicht mit einer Fokussierung und der damit verbundenen hohen lokalen Wärmeeinbringung hat sich diese Art der Vorbehandlung als nicht geeignet erwiesen.
  • Um den hohen Beanspruchungen an die Verschleißfestigkeit gerecht zu werden, ist es darüberhinaus bekannt, die Verschleißfestigkeit zylindrischer Laufflächen, beispielsweise des Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors, zumindest teilweise dadurch zu erhöhen, daß auf die Leichtmetall-Legierung beispielsweise eine Verschleißschicht aus einer Fe-Basis-Legierung mit Zusätzen wie z.B. C, Mn, Mo, V etc., einer Al-Basis-Legierung mit Zusätzen wie z.B. Si, Fe, Cu, Ni etc.oder einer Kupfer-/ Nickel-Legierung aufgebracht wird. Die Verschleißschicht wird dabei vorzugsweise durch Aufschweißen, Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Jet-Spritzen aufgebracht. Um bei den ständig wechselnden mechanischen Belastungen dieser Schicht eine Haftung zu gewährleisten, wird dabei die zu beschichtende Leichtmetall-Legierung durch einen Strahlvorgang aufgerauht (s.z.B. GB-A-408 067 ). Diese Art der Vorbehandlung ist jedoch aufgrund der einzusetzenden Strahlsysteme sehr aufwendig und schafft lediglich eine undefinierte Oberflächenstruktur, die eine ungleichmäßige Spannungseinleitung in die Verschleißschicht verursacht, was zur Folge hat, daß nicht in allen Belastungsfällen eine ausreichende Haftung der Verschleißschicht gewährleistet ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abhilfe für die vorstehend geschilderten Probleme zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine zylindrische Lauffläche gemäß Anspruch 1 gelöst.
  • Diese Verkrallstruktur führt zunächst zu einer definierten Vergrößerung der Haftfläche der zu beschichtenden Lauffläche. Außerdem kommt es beim nachfolgenden Beschichtungsprozeß in den Spitzen zu einer höheren Energiebelastung, was partiell zu einem reproduzierbaren Diffusionsausgleich der Verschleißschicht mit dem Grundwerkstoff führt. Auch kommt es an den Spitzen der Verkrallstruktur zu Anschmelzungen, die die Haftung der Verschleißschicht noch weiter verbessern.
  • Bei einer Beschichtungsanlage, bei der das Plasma umgelenkt wird, ist der Abstand zur zu beschichteten Oberfläche speziell bei Durchmessern von 60-120 mm so gering, daß im Beschichtungsmedium keine maximale Beschleunigung erreicht werden kann, aufgrund der niedrigen kinetischen Energie ist die Haftung reduziert. Bei Plasma oder Flammspritzvorgängen wird eine optimale Haftung beim senkrechten Auftreffen auf die zu beschichteten Oberfläche erreicht. Bei Beschichtungsverfahren ohne Umlenkung des Plasmas wird in Zylindern mit Durchmesser von 60-120 mm im unteren Zylinderbereich der Auftreffwinkel des Medienstrahls deutlich kleiner 90°, hieraus resultiert eine geringe Haftung des Beschichtungsmediums in dieser Zone.
  • Durch Anpassung der Oberflächenstruktur an den Strahlwinkel ist es möglich, zonenweise verbindungsähnliche Strukturen zu erzeugen. Daher ist es besonders vorteilhaft für den Beschichtungsprozeß, daß zu einer Beschichtungsdüse gerichtete Teilflanken der Verkrallstruktur derart angepaßt sind, daß der Auftreffwinkel des Medienstrahls des Beschichtungswerkzeuges nahezu 90° beträgt.
  • Die derart gezielt hergestellte makroskopische Oberflächenstruktur kann dabei in Form von vorzugsweise in Umfangsrichtung erstreckten Nuten oder auch von spiralförmigen gewindeähnlichen Profilen gebildet sein. Des weiteren kann die Haftung in radialer und/oder axialer Richtung durch Hinterschneidungen verbessert werden.
  • Es hat sich als vorteilhaft erwiesen die mit Verkrallstrukturen versehene Bohrungsinnenkontur durch Aufschweißen, Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Jet-Spritzen herzustellen. Durch elektromagnetische Fokussierung des Medienstrahls wird die Energie (Pinch-Effekt) pro Flächeneinheit signifikant erhöht, was zu einer Verbesserung der Schichthaftung führt.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnung beschrieben, hierin zeigt:
    • Figur 1
    eine fotografische Darstellung eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäß ausgebildete Lauffläche,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung eines Bearbeitungsvorganges einer Bohrungsinnekontur,
    Figur 3
    eine vergößerte schematische Darstellung nach Figur 2 mit einer ersten Ausführungsform der Verkrallstruktur, und
    Figur 4
    eine vergößerte schematische Darstellung nach Figur 2 mit einer zweiten Ausführungsform der Verkrallstruktur,
  • Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäß ausgebildete zylindrische Lauffläche.
  • Die zylindrische Lauffläche 1 besteht aus einer an sich bekannten Aluminium-Legierung. In die Lauffläche 1 wurden auf bekannte Weise eine Verkrallstruktur 2, im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gewindeprofil gedreht. Es sollte deutlich sein, daß die erfindungsgemäßen Verkrallstrukturen 2 auch auf verschiedene andere Weise, wie Drückwalzen, Schneiden, Fräsen etc. in die zylindrische Lauffläche 1 eingebracht werden können. Des weiteren können durch einen nachfolgenden Umformprozeß die im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellte leichten Hinterschneidungen 4 an den Verkrallstrukturen 2 angebracht werden.
  • Nachfolgend wurde durch Plasmaspritzen eine Verschleißschicht 3 auf der zylindrischen Lauffläche 1 aufgebracht. Deutlich zu erkennen ist die Verbindung im Bereich des Gewindeprofils 2.
  • Der kostenaufwendige Strahlvorgang zur Aufrauhung konnte im vorliegenden Beispiel komplett entfallen. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verkrallstruktur, die einen Auftreffwinkel von nahezu 90° des Medienstrahls auf die Teilflanken 6 (s. Fig. 3 und 4) des Gewindeprofils blieb dieses auch nach dem Aufbringen der Verschleißschicht durch Plasmaspritzen im wesentlichen erhalten, da eine definierte Wärmeeinbringung erfolgen konnte.
  • Eine schematische Darstellung des Bearbeitungsvorganges zum Aufbringen einer der Verschleißschicht 3 durch den Medienstrahl 5 zeigt Figur 2. Die Verkrallstruktur 2 sorgt dabei dafür, daß der Auftreffwinkel des Medienstrahls 5 nahezu 90° beträgt. Dabei zeigt Figur 3 eine erste Ausführungsform der Verkrallstruktur 2, die diesen definierten Auftreffwinkel gewährleistet. Die Ausrichtung der Teilflanken 6 ist dabei über die gesamte zylindrische Lauffläche 1 gleichbleibend, was dazu führt, daß während des Beschichtungsvorganges der Medienstrahl 5 translatorisch entlang der Längsachse der zylindrischen Lauffläche 1 bewegt wird (siehe strichpunktierte Linien).
  • Figur 4 zeigt eine Verkrallstruktur 2, deren Teilflanken 6 in Längsrichtung der zylindrischen Lauffläche 1 einen sich stetig veringerenden Anstellwinkel a aufweisen. Eine derartige Verkrallstruktur 2 kann auf bekannte Weise beispielsweise durch eine CNC-Maschine hergestellt werden. Der Medienstrahl 5 braucht dann wie dargestellt lediglich eine rotatorische Bewegung auszuführen, was wiederum zu einer Vereinfachung des Bearbeitungsvorganges führt.

Claims (6)

  1. Zylindrische Lauffläche für ein Kurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, aus einer Leichtmetall-Legierung mit in die Lauffläche (1) eingebrachten, radialen Verkrallstrukturen (2), wobei eine jede Teilflanke (6) der Verkrallstruktur derart ausgebildet ist, dass die Teilflanken (6) in Bezug auf eine Längsachse der zylindrischen Lauffläche (1) geneigt ist, so dass ein einem Gewinde ähnliches Profil gebildet ist und einer haftfest auf die Lauffläche (1) aufgebrachten metallischen Verschleißschutzschicht (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche aus einer Aluminiumlegierung besteht und die Verschleißschutzschicht (3)
    • aus einer Eisen-Basis-Legierung mit Zusätzen von Kohlenstoff, Mangan, Molybdän und/oder Vanadium,
    • aus einer Aluminiumbasislegierung mit Zusätzen von Eisen, Kupfer oder Nickel oder
    • aus einer Kupfemickellegierung besteht
    und die Teilflanken (6) der Verkrallstrukturen (2) in Längsrichtung der zylindrischen Lauffläche (1) einen sich stetig verringernden Anstellwinkel α aufweisen.
  2. Zylindrische Lauffläche nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur Hinterschneidungen aufweist.
  3. Zylindrische Lauffläche nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Lauffläche in axialer Richtung eine definierte Verkrallstruktur eingebracht ist.
  4. Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Lauffläche (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 bei dem in die Lauffläche (1) der Zylinderbohrung Verkrallstruktur (2) in Form eines einem Gewinde ähnlichen Profils eingebracht wird und bei dem anschließend eine Verschleißschutzschicht (3) auf die Lauffläche aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilflanken (6) der Verkrallstruktur (2) in Längsrichtung der zylindrischen Lauffläche (1) in einem sich stetig verringerndem Anstellwinkel α eingebracht werden.
  5. Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Lauffläche nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht (3) mittels eines Medienstrahls einer Beschichtungsdüse aufgebracht wird, wobei die Beschichtungsdüse in einem Strahlwinkel von 90° auf eine Teitflanke (6) der Verkrallstruktur (2) gerichtet ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Medienstrahl durch elektromagnetische Felder fokussiert wird.
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