EP1920150A1 - Verfahren zum beschichten der aussenfläche einer zylinderlaufbuchse - Google Patents

Verfahren zum beschichten der aussenfläche einer zylinderlaufbuchse

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EP1920150A1 EP06791335A EP06791335A EP1920150A1 EP 1920150 A1 EP1920150 A1 EP 1920150A1 EP 06791335 A EP06791335 A EP 06791335A EP 06791335 A EP06791335 A EP 06791335A EP 1920150 A1 EP1920150 A1 EP 1920150A1
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 

Definitions

  • the invention relates to a method for coating the outer surface of a cylinder liner according to the preamble of claim 1.
  • the object of the invention is to avoid this disadvantage of the prior art and also to provide a simple and inexpensive coating process.
  • a cylinder liner which consists of an iron-based material that may be alloyed or unalloyed.
  • the cylinder liner is made of gray cast iron, which may contain either lamellar graphite, vermicular graphite or nodular graphite.
  • the gray cast iron can in this case have a ferritic-pearlitic, a pearlitic, a bainitic or an austenitic basic structure.
  • the outer surface of the cylinder liner may be smooth. But it can also have all other surface finishes to a flat Raugussober Structure.
  • the outer surface, the front side and the inner surface of the cylinder liner can be pre-machined by turning.
  • all common casting methods such as the die casting method, die casting method, gravity casting method or low pressure casting method can be used.
  • the cylinder crankcase is made of one of the common light metal materials, both aluminum-based castings such as EN AC-AISiI OMg (Fe), EN AC-AISiI OMg (Cu), EN AC-AISi9Cu3 (Fe), EN AC- AISiI 2 (Cu), as well as magnesium-based, such as EN MC-MgAI9Zn1 (A), EN MC-MgY4RE3Zr eligible.
  • aluminum-based castings such as EN AC-AISiI OMg (Fe), EN AC-AISiI OMg (Cu), EN AC-AISi9Cu3 (Fe), EN AC- AISiI 2 (Cu)
  • magnesium-based such as EN MC-MgAI9Zn1 (A), EN MC-MgY4RE3Zr eligible.
  • the outer surface of the cylinder liner is coated by dipping. In preparation for this, it is necessary to clean the outer surface of dirt and oxides and then roughen. Suitable methods for this are brushing and / or blasting. For example, coarse corundum to the beam, that is, crystalline Al 2 O are used. 3
  • the outer surface of the cylinder liner is pickled and / or coated with a flux, which is zinc chloride-aluminum chloride double salt or salmiacite (ammonium chloride) is suitable. This is to remove oxides from the outer surface of the cylinder liner to promote the alloying of a metal layer described below.
  • a flux which is zinc chloride-aluminum chloride double salt or salmiacite (ammonium chloride) is suitable. This is to remove oxides from the outer surface of the cylinder liner to promote the alloying of a metal layer described below.
  • the subsequent dipping process for coating the outer surface of the cylinder liner takes place in a zinc-aluminum-copper melt with 3% to 12% copper and 2% to 8% aluminum, the remainder of the melt being zinc.
  • up to 1% magnesium may be added to the melt.
  • the cylinder liner is so far submerged in the melt until a small, over the entire axial length of the cylinder liner continuous segment of the outer surface but not the inner surface of the cylinder liner is wetted by the melt.
  • the cylinder liner is then rotated about its longitudinal axis, wherein the melt is set by ultrasound in a high-frequency movement. This promotes alloying between the cylinder liner alloy and the zinc base alloy of the melt to form a layered intermetallic and mixed crystal layer system that provides metallic bonding of the cylinder liner with the surrounding metal layer.
  • the metal layer has reached a thickness of 100 microns to 300 microns, and the cylinder liner is removed from the melt.
  • the cylinder liner is then mounted horizontally in a holder, wherein excess melt drips and solidifies the applied metal layer.
  • the copper component of the alloy has the advantage that an oxide film that may form during coating does not become too dense, so that it peels off easily when poured.
  • the liquidus temperature of the melt is between 440 0 C and 52O 0 C, which causes the metal layer is melted during casting of the cylinder crankcase of its Umgussmaterial, whereby the metallic bond between the Zylinderiaufbuchse and the Umgussmaterial the cylinder crankcase is ensured. If the gravity casting method is used for this, it is necessary to heat the coated cylinder liners to 300 ° C to 400 ° C. This is omitted in the application of the die-casting process for the production of the cylinder crankcase.

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Abstract

Vorgeschlagen wird ein Verfahren zum Beschichten der Außenfläche einer Zylinderlaufbuchse, wobei nach dem Säubern und Aufrauen der Außenfläche ein kleines, über die gesamte axiale Länge der Zylinderlaufbuchse durchgehendes Segment in eine Schmelze aus einer Zink-Basis-Legierung mit Legierungsanteilen an Aluminium und Kupfer getaucht und die Zylinderlaufbuchse um ihre Längsachse gedreht wird, bis sich eine aus der Zink-Basis-Legierung bestehende, über die gesamte axiale Länge der Zylinderlaufbuchse durchgehende, Metallschicht auf der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse gebildet hat. Das Kupfer verhindert hierbei die Bildung einer schwer von der Metallschicht entfernbaren Oxidhaut und erhöht außerdem die Festigkeit in der Bindeschicht.

Description

Verfahren zum Beschichten der Außenfläche einer Zylinderlaufbuchse
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Außenfläche einer Zylinderlaufbuchse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .
Um das Gewicht von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, und um auf diesem Wege Kraftstoff zu sparen, werden Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insb. aus Aluminium gegossen. Diese weisen aber derart schlechte tribologische Eigenschaften auf, dass bei deren Herstellung aus einem Eisenbasiswerkstoff, wie beispielsweise aus Grauguss, bestehende Zylinderlaufbuchsen in das Zylinderkurbelgehäuse mit eingegossen werden. 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 gleichbleibender 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.
Aus der US-Patentschrift mit der Nummer 5,333,668 ist es bekannt, hierzu eine Zink- Basis-Legierung mit 5 % Aluminium zu verwenden. Nachteilig ist hierbei, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtung sehr schnell oxidiert, und nur mäßige Festigkeitswerte aufweist, was die Güte der metallischen Bindung der Beschichtung mit dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses beeinträchtigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden und zudem ein einfaches und preisgünstiges Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer in ein Zylinderkurbelgehäuse einzugießenden Zylinderlaufbuchse 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 können die Außenfläche, die Stirnseite und die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse durch Drehen vorbearbeitet sein. Zum Eingießen der Zylinderlaufbuchse in das Zylinderkurbelgehäuse können alle gebräuchlichen Gießverfahren, wie beispielsweise das Druckgießverfahren, das Pressgießverfahren, das Schwerkraftgießverfahren oder das Niederdruck-Gießverfahren verwendet werden.
Das Zylinderkurbelgehäuse besteht aus einem der gebräuchlichen Leichtmetall- G uss Werkstoff, wobei sowohl Gusswerkstoffe auf Aluminiumbasis, wie beispielsweise EN AC-AISiI OMg(Fe), EN AC-AISiI OMg(Cu), EN AC-AISi9Cu3(Fe), EN AC- AISiI 2(Cu), als auch auf Magnesium-Basis, wie beispielsweise EN MC-MgAI9Zn1 (A), EN MC-MgY4RE3Zr 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 im Tauchverfahren 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. Beispielsweise kann zum Strahlen grobes Korund, d.h., kristallisiertes AI2O3 verwendet werden.
Im Anschluss daran wird die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse gebeizt und/oder mit einem Flussmittel bestrichen, wozu sich Zinkchlorid-Aluminiumchlorid-Doppelsalz oder Salmiakstein (Ammoniumchlorid) eignet. Dies bezweckt, Oxide von der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse zu entfernen, um das Anlegieren einer im Folgenden beschriebenen Metallschicht zu fördern.
Das hierauf folgende Tauchverfahren zur Beschichtung der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse erfolgt in einer Zink-Aluminium-Kupfer-Schmelze mit 3 % bis 12 % Kupfer und 2 % bis 8 % Aluminium, wobei der Rest der Schmelze Zink ist. Zur Förderung der Ausscheidungshärtung kann der Schmelze bis zu 1 % Magnesium zugegeben werden. Hierbei wird die Zylinderlaufbuchse so weit in die Schmelze getaucht, bis ein kleines, über die gesamte axiale Länge der Zylinderlaufbuchse durchgehendes Segment der Außenfläche nicht aber die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse von der Schmelze benetzt wird. Die Zylinderlaufbuchse wird dann um ihre Längsachse gedreht, wobei die Schmelze durch Ultraschall in eine hochfrequente Bewegung versetzt wird. Dadurch wird die Legierungsbildung zwischen der Legierung der Zylinderlaufbuchse und der Zinkbasislegierung der Schmelze gefördert, wobei ein Schichtsystem aus intermetallischen Phasen und Mischkristallen entsteht, das für die metallische Bindung der Zylinderlauffläche mit der umgebenden Metallschicht sorgt.
Nach 3 bis 5 Minuten hat die Metallschicht eine Dicke von 100 μm bis 300 μm erreicht, und die Zylinderlaufbuchse wird der Schmelze entnommen. Die Zylinderlaufbuchse wird dann waagrecht in einer Halterung befestigt, wobei überschüssige Schmelze abtropft und die aufgetragene Metallschicht erstarrt.
Der Kupferbestandteil der Legierung hat den Vorteil, dass eine beim Beschichten sich möglicherweise bildende Oxidhaut nicht allzu dicht wird, sodass sie sich beim Eingießen leicht ablöst. Die Liquidustemperatur der Schmelze liegt zwischen 440 0C und 52O0C, wodurch bewirkt wird, dass die Metallschicht beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses von dessem Umgussmaterial angeschmolzen wird, wodurch die metallische Bindung zwischen der Zylinderiaufbuchse und dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sichergestellt wird. Wird hierzu das Schwerkraftgussverfahren angewandt, ist es erforderlich, die beschichteten Zylinderlaufbuchsen auf 300°C bis 400°C zu erwärmen. Dies entfällt bei der Anwendung des Druckgussverfahrens zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Beschichten der Außenfläche einer Zylinderlaufbuchse, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
- Säubern der Außenfläche,
- Aufrauen der Außenfläche durch Bürsten und/oder Strahlen,
- Bestreichen der Außenfläche mit einem Flussmittel,
- Eintauchen eines kleinen, über die gesamte axiale Länge der Zylinderlaufbuchse durchgehenden Segmentes der Außenfläche in eine Schmelze aus einer Zink-Basis-Legierung mit Legierungsanteilen an Aluminium und Kupfer,
- Drehen der Zylinderlaufbuchse um ihre Längsachse, bis sich eine aus der Zink-Basis-Legierung bestehende, über die gesamte axiale Länge der Zylinderlaufbuchse durchgehende Metallschicht auf der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse gebildet hat,
- Herausnehmen der Zylinderlaufbuchse aus der Schmelze.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Zylinderlauf buchse mit Korund gestrahlt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse mit Zinkchlorid-Aluminiumchlorid-Doppelsalz als Flussmittel bestrichen wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse mit Ammoniumchlorid als Flussmittel bestrichen wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zink-Basis-Legierung 3 % bis 12 % Kupfer und 2 % bis 8 % Aluminium beigegeben werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zink-Basis-Legierung bis zu 1 % Magnesium begebenen wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse 3 bis 5 Minuten um ihre Längsachse gedreht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Metallschicht mit einer Dicke von 100 μm bis 300 μm gebildet wird.
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