EP1896626A1 - Verfahren zum beschichten einer zylinderlaufbuchse - Google Patents

Verfahren zum beschichten einer zylinderlaufbuchse

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EP1896626A1 EP06761655A EP06761655A EP1896626A1 EP 1896626 A1 EP1896626 A1 EP 1896626A1 EP 06761655 A EP06761655 A EP 06761655A EP 06761655 A EP06761655 A EP 06761655A EP 1896626 A1 EP1896626 A1 EP 1896626A1
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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Beschichten einer Zylinderlaufbuchse aus einem Eisenbasiswerkstoff, wobei unter Anwendung eines thermischen Spritzverfahrens auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse eine erste Schicht und eine zweite Schicht aus einer Zinklegierung aufgespritzt werden. Eine gute metallische Bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkurbelgehäuse, in die die Zylinderlaufbuchse eingegossen wird, ergibt sich durch die Verwendung von legierten oder unlegiertem Kupfer für die erste Schicht und durch die Verwendung einer Zink-Aluminium-Legierung für die zweite Schicht.

Description

Verfahren zum Beschichten einer Zylinderlaufbuchse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Zylinderlaufbuchse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Zylinderkurbelgehäuse werden üblicherweise aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, gegossen, wobei wegen der schlechten tribologischen Eigenschaften der Leichtmetalle die Notwendligkeit besteht, Zylinderlaufbuchsen aus einem Eisenbasiswerkstoff, beispielsweise aus Grauguss, in das Zylinderkurbelgehäuse mit einzugießen. Hierbei ergeben sich die Probleme, die Zylinderlaufbuchsen ausreichend fest im Zylinderkurbelgehäuse zu verankern, und einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen den Zylinderlaufbuchsen und dem Zylinderkurbelgehäuse zu gewährleisten. Diese Probleme können dadurch gelöst werden, dass die Außenflächen der Zylinderlaufbuchsen eine Rauhgussstruktur mit Hinterschnitten erhalten. Dies bringt aber mit sich, dass die Stege zwischen den in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchsen sehr breit sind, und dass deshalb der Platzbedarf der Zylinderlaufbuchsen sehr groß ist.
Im Rahmen des Trendes bei der Motorenentwicklung, die Motoren bei gleicher Leistung zu verkleinern, ergibt sich die Notwendigkeit, die Abstände zwischen den einzelnen Zylinderlaufbuchsen zu verringern und zudem die Wärmeabfuhr vom Brennraum über die Zylinderlaufbuchse zu den Kühlräumen des Zylinderkurbelgehäuses zu verbessern. Diese Probleme können dadurch gelöst werden, dass als Alternative zur Raugussbuchse Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss mit einer glatten oder mäßig rauen Außenfläche und mit einer Beschichtung verwendet werden, die das Anbinden der Zylinderlaufbuchse an das Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sicherstellt. Eine derartige Zylinderlaufbuchse aus Grauguss ist in der Patentschrift DE 197 29 017 C2 beschrieben. Diese weist auf ihrer Außenfläche eine im Flammspritzverfahren oder im Lichtbogenspritzverfahren aufgebrachte Deckschicht aus einer AISi-Legierung auf, die weniger als 15% Silizium enthält. Auf dieser Deckschicht ist eine Oxidationsschutzschicht aufgetragen, die aus einer Zinklegierung besteht, und deren Aufgabe es ist, das Oxidieren des AlSi-Schicht, wodurch die metallische Bindung der Deckschicht mit dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses verhindert wird, zu unterbinden.
Nachteilig ist hierbei, dass bereits beim Aufspritzen der Deckschicht die AISi-Legierung oxidiert. Die hierbei gebildete Oxidhaut haftet sehr fest auf der AlSi-Schicht. Zudem ist ihre Schmelztemperatur höher als die beim Umgießen erreichbaren Temperaturen. Mit viel Aufwand ist die Oxidhaut zwar entfernbar, sie bildet sich aber nach dem Entfernen sehr schnell wieder neu, sodass auch eine zusätzlich aufgebrachte Schutzschicht aus Zink oder aus einer Zink-Legierung eine metallische Bindung zwischen der AlSi-Schicht und dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses nicht sicherstellen kann.
Zudem ist der Wärmeausdehnungskoeffizient der AISi-Deckschicht ungefähr 1 , 7-mal so groß wie der Wärmeausdehnungskoeffizient von Grauguss, sodass sich bei Temperaturwechseln Spannungen im bekannten Schichtsystem ergeben, die die Bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkurbelgehäuse beeinträchtigen.
Diese Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, d.h., die metallische Bindung der Zylinderlaufbuchse mit dem Umgussmaterial des Zylinderkurbel-gehäuses und damit auch den Wärmeübergang zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkurbelgehäuse zu verbessern, ist Aufgabe der Erfindung. Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Hierbθi ergeben sich die Vorteile, dass die Gradation der thermischen Ausdehnungskoeffizienten im erfindungsgemäßen Schichtaufbau zwischen der Graugussbuchse, dem Schichtsystem und dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses die thermisch bedingten Spannungen im Schichtaufbau gemäß der Erfindung erheblich reduziert. Zudem bewirkt die Gradation der Schmelztemperaturen ausgehend von der Zylinderlaufbuchse, über das erfindungsgemäße Schichtensystem bis hin zum Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses ein Anlösen beziehungsweise ein diffusionsbedingtes Anlegieren der äußeren Schicht mit dem Umgussmaterial, was eine stabile metallische Bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses bewirkt. Letztlich hat die aus den erfindungsgemäßen Legierungen bestehende Beschichtung den Vorteil, dass sich ihre Legierungsbestandteile in der Bindungszone an der Ausscheidungshärtung beteiligen.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer in ein Zylinderkurbelgehäuse einzugießenden Zylinderlauf buchse wird im Folgenden näher erläutert.
Verwendet wird hierzu eine Zylinderlaufbuchse, die aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht, das legiert oder unlegiert sein kann. Vorzugsweise besteht die Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, der entweder lamellares Graphit, Vermikulargraphit oder Kugelgraphit enthalten kann. Der Grauguss kann hierbei ein ferritisch-perlitisches, ein perlitisches, ein bainitisches oder ein austenitisches Grundgefüge aufweisen. Die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse kann glatt ausgebildet sein. Sie kann aber auch alle weiteren Oberflächengüten bis hin zu einer flache Raugussoberfläche aufweisen. Darüberhinaus kann die Zylinderlaufbuchse eine spanend bearbeitete Außenfläche aufweisen.
Zum Eingießen der Zylinderlaufbuchse in das Zylinderkurbelgehäuse können alle gebräuchlichen Gießverfahren, wie beispielsweise das Druckgießverfahren, das Pressgießverfahren, das Schwerkraftgießverfahren oder das Niederdruck-gießverfah- ren verwendet werden.
Das Zylinderkurbelgehäuse besteht aus einem der gebräuchlichen Leichtmetall- Gusswerkstoff, wobei sowohl Gusswerkstoffe auf Aluminiumbasis als auch auf Magnesium-Basis in Frage kommen.
Um beim Eingießen der Zylinderlaufbuchse in das Zylinderkurbelgehäuse die metallische Bindung der Zylinderlaufbuchse mit dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sicherzustellen, wird die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse durch thermisches Spritzen beschichtet. Als Vorbereitung hierfür ist es erforderlich, die Außenfläche von Schmutz und Oxiden zu säubern und anschließend aufzurauen. Geeignete Verfahren hierzu sind das Bürsten und/oder das Strahlen. Hierzu eignet sich insbesondere das Strahlen mit grobem Korund, d.h., mit kristallisiertem AI2O3.
Unmittelbar im Anschluss daran wird auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse durch thermisches Spritzen eine erste Schicht aufgetragen. Diese erste Schicht besteht entweder aus 99,9%igem Kupfer, aus einer CuAI8-Legierung, aus einer CuAI8Ni2-Legierung, aus einer CuP8-Legierung, aus einer CuSi3-Legierung oder aus einer CuZn37-Legierung (Messing). Angestrebt wird hierbei eine poren- und oxidarme Schicht mit einer Dicke zwischen 60μm und 130μm.
Zur Verfeinerung der Gradation der Schmelztemperaturen der auf die Zylinderlaufbuchse aufgetragenen Schichten ist es vorteilhaft, auf eine erste aus reinem Kupfer bestehende Schicht eine weitere Schicht aus einer der vorgenannten Kupferlegierung aufzutragen, deren Schmelztemperatur geringer ist als diejenige von Kupfer, deren Schmelztemperatur aber höher ist, als diejenige des Materials, aus dem die im Folgenden als zweite Schicht bezeichnete äußere Beschichtung besteht.
Da Drähte aus den genannten Legierungen im Handel erhältlich ist, wird als thermisches Spritzverfahren bevorzugt das Drahtflammspritzen angewandt, wobei der drahtförmige Spritzzusatzwerkstoff im Zentrum einer Actylen-Sauerstoffflamme geschmolzen und mit Hilfe eines Zerstäubergases, wie beispielsweise Druckluft oder Stickstoff, auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse gespritzt wird.
Geeignet ist auch das Lichtbogen-Drahtspritzen, wobei zwei drahtförmige Spritzzusätze in einem Lichtbogen geschmolzen und mittels eines Zerstäubergases auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse geschleudert werden. Hierbei besteht die Möglichkeit, zwei in ihrer Zusammensetzung unterschiedliche Drähte miteinander abzuschmelzen, wobei die Zusammensetzung der dadurch erzeugten Schicht in weiten Bereichen variiert werden kann. Werden beispielsweise Kupfer- und Zinkdraht verwendet, besteht die Möglichkeit, eine CuZn-Legierung mit bis zu 45% Zink auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse aufzutragen. Bei einer Verwendung von Stickstoff oder Argon als Zerstäubergas wird eine Oxidation der Materialien weitgehend unterbunden.
Eine Möglichkeit, die Oxydation des Spritzwerkstoffes und den Oxidgehalt der aufgespritzten Schicht weiter zu verringern, besteht darin, das Ka Itgassp ritzverfahren anzuwenden, wobei ungeschmolzene und nur auf wenige hundert Grad erwärmte Pulverpartikel auf eine Geschwingkeit zwischen 300m/sec. und 1200 m/sec. beschleunigt und auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse gespritzt werden. Durch Mikroreibung aufgrund des Aufpralls der Pulverteilchen steigt die Temperatur an der Berührungsfläche und führt zu Mikroverschweißungen der Pulverpartikel mit der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse.
Anwendbar ist auch das Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (HVOF-Spritzen), wobei eine kontinuierliche Gasverbrennung mit hohen Drücken innerhalb einer Brennkammer erfolgt, in deren zentraler Achse der pulverförmige Spritzzusatz zugeführt wird. Der in der Brennkammer erzeugte hohe Druck des Brenngas-Sauerstoff- Gemisches erzeugt eine hohe Partikelgeschwindigkeit, die zu sehr dichten Spritzschichten mit guten Hafteigenschaften führt. Diθ Funktionen der ersten Schicht bestehen darin, eine gute Haftung der ersten Schicht auf dem Grauguss der Zylinderlaufbuchse sicherzustellen, gute Bindungsvoraussetzungen für eine zweite Schicht zu schaffen, und eine Gradation der Schmelztemperaturen, d.h., einen stufenweisen Übergang der Schmelztemperaturen des Graugusses der Zylinderlaufbuchse, über die erste Schicht und die zweite Schicht bis hin zum Umgussmetall des Zylinderkurbelgehäuses zu realisieren. Zudem wird hierdurch eine Gradation der Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgehend von der Zylinderlaufbuchse über die erste und die zweite Schicht bis hin zum Leichtmetall des Zylinderkurbelgehäuses herbeigeführt.
Um ein Oxidieren der ersten Schicht zu vermeiden, wird unmittelbar nach dem Aufbringen der ersten Schicht die zweite Schicht unter Anwendung eines der oben erwähnten, thermischen Spritzverfahrens auf die erste Schicht aufgetragen. Bevorzugt wird hierzu ein Zn85AI15-Legierung mit 85% Zink und 15% Aluminium verwendet. Bei dieser Legierung kann der Aluminiumgehalt aber auch zwischen 3% und 20% variieren. Angestrebt wird eine poren- und oxidarme Schicht mit einer Dicke zwischen 60μm und 130μm.
Die Funktion der zweiten Schicht besteht darin, auf der ersten Schicht gut zu haften. Zudem hat die AlZn-Legierung mit 15 Gew.% Aluminium einen Schmelzpunkt von 450°C, wodurch bewirkt wird, dass die zweite Schicht beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses von dessem Umgussmaterial angeschmolzen wird, wodurch die metallische Bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sichergestellt wird.
Hierbei bildet die AlZn-Legierung zwar eine sehr dünne Oxidschicht, die die Bindung Zylinderlaufbuchse-Kurbelgehäuse aber nicht behindert. Dennoch ist es vorteilhaft, der AlZn-Legierung einige Gew.%. Kupfer hinzuzulegieren, denn dadurch wird die Bildung der Oxidschicht vollständig verhindert, was eine weitere Verbesserung der Bindung zwischen Zylinderlaufbuchse und Kurbelgehäuse mit sich bringt.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten einer Zylinderlaufbuchse aus einem Eisenbasiswerkstoff, wobei unter Anwendung eines thermischen Spritzverfahrens auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse eine erste Schicht und eine zweite Schicht aus einer Zinklegierung aufgespritzt werden, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte,
- Aufspritzen von Kupfer oder von einer Kupfer-Basis-Legierung auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse als erste Schicht, und
- Aufspritzen einer Zink-Aluminium-Legierung auf die erste Schicht als zweite Schicht.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht 99,9%iges Kupfer aufgespritzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine CuAI8-Legierung aufgespritzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine Cu AI8Ni2-Legierung aufgespritzt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine CuP8-Legierung aufgespritzt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine CuSi3-Legierung aufgespritzt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine CuZn-Legierung mit bis zu 45 Gew. % Zink aufgespritzt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als erste Schicht eine CuZn37-Legierung aufgespritzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schicht eine Dicke zwischen 60μm und 130μm aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als 2. Schicht eine ZnAI-Legierung mit 3 bis 20 Gew.% Aluminium aufgespritzt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als 2. Schicht eine Zn85AI15-Legierung aufgespritzt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der 2. Schicht Kupfer hinzulegiert wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufspritzen der 1. und/oder der 2. Schicht das Kaltgasspritzverfahren verwendet wird.
14. Verwendung von Kupfer oder von einer Kupferbasislegierung als erste auf eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguss aufzutragende Schicht, und Verwendung einer Zink-Aluminium-Legierung als zweite auf die erste Schicht aufzutragende Schicht.
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