EP2112359B1 - Zylindrische Lauffläche sowie Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Lauffläche - Google Patents

Zylindrische Lauffläche sowie Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Lauffläche Download PDF

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EP2112359B1 EP09167884A EP09167884A EP2112359B1 EP 2112359 B1 EP2112359 B1 EP 2112359B1 EP 09167884 A EP09167884 A EP 09167884A EP 09167884 A EP09167884 A EP 09167884A EP 2112359 B1 EP2112359 B1 EP 2112359B1
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Herbert Dr. Möding
Manfred Laudenklos
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    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
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    • 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 of a cylinder liner or a cylinder bore made of a light metal alloy with a Verkrall Druck consisting of circumferentially extending grooves or spirally extending thread-like profiles coated with a wear layer and a method for producing a cylindrical tread.
  • a cylindrical tread is for example from the article of Hans Rininger "Flame-Sprayed Plain Bearings” from “Der Maschinenphan” (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.
  • the wear resistance cylindrical running surfaces for example, the crankcase of an internal combustion engine
  • Additives such as C, Mn, Mo, V, etc.
  • an Al-based alloy with additives such as Si, Fe, Cu, Ni, etc.
  • a copper / nickel alloy is applied.
  • the wear layer is preferably by welding, plasma spraying, flame spraying or High-speed jet spraying is applied.
  • the light alloy to be coated is roughened by a blasting process.
  • 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.
  • a cylindrical tread of the type described above according to the invention in that the macroscopic grooves or thread-like profiles have undercuts.
  • the object is achieved by a method in which in a first step in a cylinder bore or cylinder liner made of a Lelchtmetallleg réelle by spin forming, cutting or milling macroscopic grooves or spirally extending thread-like profiles are produced in a second step by a forming undercuts and in a third process step by welding to the machined cylinder bore or cylinder liner or a wear layer is applied by plasma spraying, flame spraying or high-speed jet spraying of the machined cylinder bore or cylinder liner.
  • 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.
  • Electromagnetic focusing of the media jet significantly increases the energy (pinch effect) per unit area, which leads to an improvement in the layer adhesion.
  • 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.
  • Verkrall Designen 2 also in various other ways, such as spin forming, cutting, milling, etc. can be introduced into 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 Gent 2 ensures that the angle of incidence of the media beam 5 is nearly 90 °. It shows FIG. 3 a first embodiment of the structure 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 Verkrallmila 2, the partial edges 6 in the longitudinal direction of the cylindrical tread 1 have a steadily decreasing angle ⁇ .
  • a Verkrall Quilt 2 can in a known manner For example, be produced 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 einer Zylinderlaufbuchse oder eine Zylinderbohrung aus einer Leichtmetalllegierung mit einer Verkrallstruktur, die aus sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten oder aus sich spiralförmig erstreckenden gewindeähnlichen Profilen besteht, die mit einer Verschleißschicht beschichtet sind sowie ein Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Lauffläche.
  • Eine zylindrische Lauffläche ist beispielsweiseaus dem Aufsatz von Hans Rininger "Flammgespritzte Gleitlager" aus "Der Maschinenmarkt" (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 wird. Um bei den ständig wechselnden mechanischen Belastungen dieser Schicht eine Haftung zu gewährleisten, wird dabei die zu beschichtende Leichtmetall-Legierung durch einen Strahlvorgang aufgerauht. 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.
  • Auch ist beispielsweise aus der US 5,622,753 ein Verfahren zum Vorbehandeln und Beschichten einer Innenzylinderbohrungsoberfläche eines Aluminiumwerkstücks bekannt, bei dem die Oberfläche zunächst in verschiedene Richtungen gehont wird, so dass zunächst riefen beziehungsweise Kratzer im Mikrobereich entstehen, welche zufällig durch weiteres Honen umgebogen werden sollen, wodurch Falten und Hinterschnitte entstehen sollen. Die Haftung solcher mikroskopischer Schichten zur anschließenden Beschichtung ist gering.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Abhilfe für die vorstehend geschilderten Probleme zu schaffen.
  • Diese Aufgabe wird durch eine zylindrische Lauffläche der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die makroskopischen Nuten oder gewindeähnlichen Profile Hinterschneidungen aufweisen. Zusätzlich wird die Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einem ersten Schritt in einer Zylinderbohrung oder Zylinderlaufbuchse aus einer Lelchtmetalllegierung durch Drückwalzen, Schneiden oder Fräsen makroskopische Nuten oder sich spiralförmig erstreckende gewindeähnliche Profile hergestellt werden, in einem zweiten Schritt durch einen Umformprozess Hinterschneidungen erzeugt werden und in einem dritten Verfahrensschritt durch Aufschweißen auf die bearbeitete Zylinderbohrung oder Zylinderlaufbuchse oder durch Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Jet-Spritzen der bearbeiteten Zylinderbohrung oder Zylinderlaufbuchse eine Verschleißschicht aufgebracht wird.
  • Diese Verkrallstruktur führt zunächst zu einer definierten Vergrößerung der Haftfläche der zu beschichtenden Lauffläche. Außerdem kommt es beim nachfolgenden Beschlchtungsprozess 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 Hinterschnittstruktur 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 beschichtende 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 auf 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 Bohrungsinnenkontur,
    Figur 3
    eine vergrößerte schematische Darstellung nach Figur 2 mit einer ersten Ausführungsform der Verkrallstruktur, und
    Figur 4
    eine vergrößerte 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 dargestellten 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 Struktur 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 verringernden Anstellwinkel α 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 (2)

  1. Zylindrische Lauffläche einer Zylinderlaufbuchse oder eine Zylinderbohrung aus einer Leichtmetalilegierung mit einer Verkrallstruktur, die aus sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten oder aus sich spiralförmig erstreckenden gewindeähnlichen Profilen besteht, die mit einer Verschleißschicht beschichtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die makroskopischen Nuten oder gewindeähnlichen Profile (2) Hinterschneidungen (4) aufweisen.
  2. Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Schritt in einer Zylinderbohrung oder Zylinderlaufbuchse aus einer Leichtmetalllegierung durch Drückwalzen, Schneiden oder Fräsen makroskopische sich in Umfangsrichtung erstreckende Nuten oder sich spiralförmig erstreckende gewindeähnliche Profile (2) hergestellt werden, in einem zweiten Schritt durch einen Umformprozess Hinterschneidungen (4) erzeugt werden und in einem dritten Verfahrensschritt durch Aufschweißen auf die bearbeitete Zylinderbohrung oder Zylinderlaufbuchse oder durch Plasmaspritzen, Flammspritzen oder Hochgeschwindigkeits-Jet-Spritzen der bearbeiteten Zylinderbohrung oder Zylinderlaufbuchse eine Verschleißschicht (3) aufgebracht wird.
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