EP2112359B2 - 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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EP2112359B2
EP2112359B2 EP09167884.7A EP09167884A EP2112359B2 EP 2112359 B2 EP2112359 B2 EP 2112359B2 EP 09167884 A EP09167884 A EP 09167884A EP 2112359 B2 EP2112359 B2 EP 2112359B2
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Herbert Dr. Möding
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KS Huayu Alutech GmbH
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    • F02F1/18—Other cylinders
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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 method for producing a cylindrical running surface.
  • a cylindrical running surface is, for example, from the article from Hans Rininger "Flame-sprayed plain bearings” from “Der Maschinen nom” (1954, No. 7, page 6 ) known.
  • Sawtooth grooves or threads with longitudinal grooves are made in the cylindrical running surface in order to ensure a non-rotating adhesion.
  • This type of pretreatment has proven to be unsuitable in particular in the case of methods for applying a wear layer with a focus and the associated high local heat input.
  • a wear layer made of an Fe-based alloy to the light metal alloy Additions 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 metal alloy to be coated is roughened by a blasting process.
  • this type of pretreatment is very complex due to the blasting systems to be used and only creates an undefined surface structure that causes an uneven introduction of stress into the wear layer, which leads to The consequence is that adequate adhesion of the wear layer is not guaranteed in all load cases.
  • a method for pretreating and coating an inner cylinder bore surface of an aluminum workpiece in which the surface is first honed in different directions, so that initially grooves or scratches arise in the microscopic area, which are to be bent over randomly by further honing, whereby folds and undercuts are to arise.
  • the adhesion of such microscopic layers to the subsequent coating is low.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a remedy for the problems outlined above.
  • This object is achieved by a method in which, in a first step, macroscopic circumferential grooves or helically extending thread-like profiles are produced in a cylinder bore or cylinder liner made of a light metal alloy by spinning, cutting or milling, in a second step by a forming process undercuts are generated and in a third process step by welding onto the machined cylinder bore or cylinder liner or by plasma spraying, flame spraying or high-speed jet spraying of the machined cylinder bore or cylinder liner, a wear layer is applied in such a way that partial flanks facing a coating tool are applied in the circumferential direction extending grooves or helically extending thread-like profiles an angle of incidence of the media jet of the coating tool on the partial flanks of almost 90 ° au wise.
  • This claw structure initially leads to a defined enlargement of the adhesive surface of the running surface to be coated.
  • the subsequent coating process results in a higher energy load in the tips, which partially leads to a reproducible diffusion compensation of the wear layer with the base material.
  • the distance to the surface to be coated is so small, especially with diameters of 60-120 mm, that maximum acceleration cannot be achieved in the coating medium; the adhesion is reduced due to the low kinetic energy.
  • optimum adhesion is achieved when the surface to be coated is hit vertically.
  • the angle of incidence of the media jet in cylinders with a diameter of 60-120 mm in the lower cylinder area is significantly less than 90 °, which results in poor adhesion of the coating medium in this zone.
  • connection-like structures are created in zones. It is therefore advantageous according to the invention for the coating process that partial flanks of the claw structure directed towards a coating nozzle are adapted in such a way that the angle of incidence of the media jet of the coating tool is almost 90 °.
  • the macroscopic surface structure specifically produced in this way can be in the form of grooves, preferably extending in the circumferential direction, or also of spiral-shaped, thread-like profiles. Furthermore, the adhesion is improved according to the invention in the radial and / or axial direction 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.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a cylindrical running surface designed according to the invention.
  • the cylindrical running surface 1 consists of an aluminum alloy known per se.
  • the claw structures 2 according to the invention can also be introduced into the cylindrical running surface 1 in various other ways, such as spinning, cutting, milling, etc.
  • the slight undercuts 4 shown in the present exemplary embodiment are attached to the claw structures 2 by a subsequent forming process.
  • a wear layer 3 was then applied to the cylindrical running surface 1 by plasma spraying. The connection in the area of the thread profile 2 can be clearly seen.
  • FIG 2 A schematic representation of the machining process for applying one of the wear layers 3 by the media jet 5 is shown Figure 2 .
  • the claw structure 2 ensures that the angle of incidence of the media jet 5 is almost 90 °.
  • Figure 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 running surface 1, which means that the media jet 5 is moved translationally along the longitudinal axis of the cylindrical running surface 1 during the coating process (see dash-dotted lines).
  • Figure 4 shows a claw structure 2, the partial flanks 6 of which have a steadily decreasing setting angle ⁇ in the longitudinal direction of the cylindrical running surface 1.
  • a claw structure 2 can be produced in a known manner, for example by a CNC machine.
  • the media jet 5 then only needs to execute a rotary movement, as shown, which in turn leads to a simplification of the machining process.

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Description

  • Die Erfindung betrifft 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 ein Verfahren gelöst, bei dem 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 spiral-förmig 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 derart aufgebracht wird, dass zu einem Beschichtungswerkzeug gerichtete Teilflanken der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten oder sich spiralförmig erstreckenden gewindeähnlichen Profile einen Auftreffwinkel des Medienstrahls des Beschichtungswerkzeugs auf die Teilflanken von nahezu 90° aufweisen.
  • 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 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 werden zonenweise verbindungsähnliche Strukturen erzeugt. Daher ist es erfindungsgemäß 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 wird die Haftung erfindungsgemäß in radialer und/oder axialer Richtung durch Hinterschneidungen verbessert.
  • 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 werden durch einen nachfolgenden Umformprozeß die im vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellten leichten Hinterschneidungen 4 an den Verkrallstrukturen 2 angebracht.
  • 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 (1)

  1. Verfahren zur Herstellung einer zylindrischen Lauffläche, 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) derart aufgebracht wird, dass zu einem Beschichtungswerkzeug gerichtete Teilflanken (6) der sich in Umfangsrichtung erstreckenden Nuten oder sich spiralförmig erstreckenden gewindeähnlichen Profile (2) einen Auftreffwinkel des Medienstrahls des Beschichtungswerkzeugs auf die Teilflanken (6) von nahezu 90° aufweisen.
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