EP2214850A1 - Motorblock mit eingegossenen zylinderlaufbuchsen mehrerer materiallagen und verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen - Google Patents

Motorblock mit eingegossenen zylinderlaufbuchsen mehrerer materiallagen und verfahren zur herstellung der zylinderlaufbuchsen

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EP2214850A1
EP2214850A1 EP08854279A EP08854279A EP2214850A1 EP 2214850 A1 EP2214850 A1 EP 2214850A1 EP 08854279 A EP08854279 A EP 08854279A EP 08854279 A EP08854279 A EP 08854279A EP 2214850 A1 EP2214850 A1 EP 2214850A1
Authority
EP
European Patent Office
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alloy
cylinder liner
engine block
cylinder
aluminum
Prior art date
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EP08854279A
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English (en)
French (fr)
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EP2214850B1 (de
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Tilmann Haug
Peter Stocker
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/16—Casting in, on, or around objects which form part of the product for making compound objects cast of two or more different metals, e.g. for making rolls for rolling mills
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D11/00—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths
    • B22D11/001—Continuous casting of metals, i.e. casting in indefinite lengths of specific alloys
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    • B22D13/04—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of shallow solid or hollow bodies, e.g. wheels or rings, in moulds rotating around their axis of symmetry
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    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/10—Accessories for centrifugal casting apparatus, e.g. moulds, linings therefor, means for feeding molten metal, cleansing moulds, removing castings
    • B22D13/101—Moulds
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • B22D17/007—Semi-solid pressure die casting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F1/00—Cylinders; Cylinder heads 
    • F02F1/004—Cylinder liners

Definitions

  • the invention relates to an engine block, in particular a light metal engine block, with cast-in cylinder liners which comprise a plurality of material layers of different strength, with at least one inner layer forming a cylinder liner and at least one relative to this outer the bushing body forming layer.
  • the invention further relates to cylinder liners for pouring into a light metal engine block, with at least two different layers of material of different strength, and method for producing a cylinder liner for pouring into a light metal engine block, wherein the cylinder liner has at least two different material layers of light metal with different strength by centrifugal casting or by extrusion of pipes with different materials.
  • a further improvement of the wear resistance is achieved, for example, by additionally providing the running surface of cylinder liners with a wear-resistant coating.
  • a wear-resistant coating for example, from DE 103 08 562 B3 cylinder liners for
  • This coating consists of at least one layer layer based on a high-strength iron alloy with carbon and oxygen or based on TiC> 2 , wherein the wear protection layer has martensitic phases and forms oxides.
  • the preferred coating method is high speed flame spraying (HVOF). From DE 10135618 Al further method for the production of cylinder liners made of Al-Si-raceways, with increased wear resistance is known. In this case, at least one process step of a fine machining is provided, during which a mechanical edge layer solidification is carried out.
  • Another possibility is to produce the cylinder liner of hypereutectic Al alloys with high content of Si precipitates and the tread after the completion of the engine block, or the
  • Cylinder crankcase post-treat in such a way that the silicon grains are exposed to the tread.
  • the known methods have the disadvantage that they are sometimes complex, require several post-processing steps of the treads, cost-intensive coating process for the cylinder interior and sometimes expensive materials.
  • the object of the invention is therefore to show cost-effective method for the production of cylinder liners for pouring into the crankcase or cylinder blocks, wherein the cylinder blocks have improved strength with high wear resistance of the tread and to provide engine blocks with cast-cylinder liners and the cylinder liners themselves.
  • an engine block in particular a light metal engine block, with cast-in cylinder liners, which comprise a plurality of material layers of different strength, with at least one inner cylinder liner forming layer and at least one relative thereto outer the A socket body forming layer, wherein the socket body made of a high-strength aluminum alloy or reinforced by a reinforcing agent aluminum alloy and the track is formed by an Al-Si alloy capable of running with the features of claim 1 and by a cylinder liner for pouring into a
  • Light metal engine block having at least two different layers of material, wherein the cylinder liner is integrally formed from a socket body made of a high-strength aluminum alloy or reinforced by reinforcing agent aluminum alloy and a track of a less solid running Al-Si alloy having the features of claim 11.
  • an engine block, or cylinder crankcase is provided with cast-cylinder liner, which consists of at least two layers of material, which have the two functions of high strength and high wear resistance and good runnability. It is essential that the liner is constructed in one piece.
  • the one-piece cylinder liners consist of a bushing made of a high-strength aluminum alloy or an aluminum alloy reinforced by reinforcing agent and the raceway made of an Al-Si alloy which can be run.
  • the invention is based on the principle in a bushing to connect the properties Hochfest with wear resistant.
  • a continuous material occurs while an Al alloy whose composition and additives change over the radial extent of the socket.
  • the change in composition takes place more or less continuously, or can take place with different substance gradients. Outside the transition or penetration areas, the compositions are substantially constant, so that these areas are expediently defined as material layers.
  • the cylinder liner has at least two layers of material which correspond to the cylinder surface and the socket body.
  • the integral nature of the cylinder liner has the advantage that there are no interruptions of form or material bond, as this can occur for example in coatings of any kind.
  • a continuous AI phase is formed. This results in particular in a high thermal conductivity of the socket and a maximum of physical compatibility of the different Material layers among each other. This is a big advantage compared to coated cylinder liners.
  • the engine block in closed or open-deck design is particularly preferably made of Al or Mg die-cast alloys.
  • the existing aluminum alloy cylinder liner, in particular the socket body made of aluminum shows due to the very similar materials a very good connection or fabric and positive engagement with Umgussleg réelle.
  • the track After pouring into the cylinder crankcase, the track already carries the required workable or wear-resistant material layer and no additional coating is required.
  • the aftertreatment may be limited to a fine turning of the tread.
  • the raceways in the engine block are honed smooth, leaving the Si particles in the alloy so that the surface of the raceway is covered with a thin Al layer above the Si grains.
  • the thickness of the Al coating is in the range of 2-10 ⁇ m.
  • the cylinder liner has high stability due to the use of a high strength Al alloy for the bushing body, which also allows for highest combustion pressures in the cylinder without the need to use high strength Al alloys for encapsulation.
  • inexpensive die-cast alloys for the cylinder crankcase are applicable.
  • Wrought alloys also called extruded alloys
  • cast alloys are preferably used for the bushing body.
  • the aluminum wrought alloys for the bushing body are typically produced by plate and strip production by hot and cold forming (rolling, extrusion, forging).
  • Typical curable aluminum wrought alloys or extruded alloys are the systems AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu, collectively Al (Mg, Si, Mn, Cu and / or Zn) 6100 (AlSiIMgMnCu), 4032 (A1SÜ2, 5MgCuNi), 2016 (AlCu9SiMg), 2219 (AlCu ⁇ Mn), 2014 AlCu4SiMg, or 2024 (AlCu4Mg)
  • the Zn-containing alloys of the type 7000 are important, although they are more sensitive to corrosion In addition, the Zn content results in a reduced melting temperature, whereby the casting surface of the cylinder bore can
  • the cylinder liner can be singulated or as a cylinder liner package, i. contiguous cylinder liners are used.
  • the suitable cast alloys for the socket body of the cylinder liner are in particular the alloys based on AlCu4Ti or AlCu4MgTi interesting, which can reach a yield strength of 240-350 MPa and a tensile strength of 350-420 MPa. Furthermore, the alloy type AlCu4MgAgTi with attainable yield strengths of 410-450 MPa and tensile strengths of 460-510 MPa is well suited.
  • AlMg5 or AlMg5Si2Mn Due to the comparatively low material costs, AlMg5 or AlMg5Si2Mn with a yield strength of 150-200 MPa and a tensile strength of 250-300 MPa are of great interest to the socket body.
  • the classical low-cost Al casting alloys such as AlSi8Cu3, AlSi9Mg, AlSiIlMg, or AlSil2CuNiMg, can be used.
  • the disadvantage of lower strength can optionally be made up for by the structural design. For example comparatively higher wall thicknesses of the socket body feasible.
  • the inner material layer corresponds to the cylinder liner.
  • an operable Al-Si alloy is provided according to the invention. These are in particular hypereutectic Al-Si alloys, in which Si precipitates lead to increased wear resistance.
  • the preferred alloys for forming the cylinder liner are alloys based on AlSi12CuMgNi, AlSil2Cu4Ni2Mg, AlSil ⁇ CuMgNi, or AlSi25CuMgNi.
  • an AlSi9-13 alloy in particular with additions of Cu, Mn, Fe, Ni and / or Ti in an amount of less than 3 wt. %
  • a further embodiment of the invention provides to provide the cylinder liner with bound in the alloys additional material.
  • the cylinder liner can be further reinforced by reinforcing material of fibers or particles.
  • the additional materials have the tasks to reinforce the bush body or to improve the wear resistance and running properties of the cylinder liner.
  • the modulus of elasticity in the bearing socket can be significantly increased. This has advantages in terms of the delay in operation and thus has an advantageous effect in terms of fuel and oil consumption.
  • the reinforcing material materials for example the SiC particles for increasing the E-modulus, are not present in the raceway area. There would otherwise be problems regarding machinability of the raceway and wear of the friction partners, ie piston ring or piston. Different additive materials can be used simultaneously to achieve both effects at the same time.
  • the reinforcing materials Si 3 N 4 , TiC, ZrO 2 and / or SiC are preferable. These can be used as particles, in particular as reinforcing fibers.
  • Si particles are important as additional material for the improvement of the raceway.
  • the different Al alloys with filler material from bushing body and race or tread merge into each other by the alloy compositions change in a gradient, the Al is maintained as a continuous phase.
  • the engine block may have a more or less thick intermediate layer between the socket body and the Umgussmaterial.
  • This is a mixing zone of cylinder liner material and the casting material.
  • Such an intermediate layer is observed in particular when the cylinder liner has an outer coating or an outer material layer prior to pouring.
  • This layer or layer are applied for the purpose of better connection or improved StoffSchlusses between the cylinder liner and the Umgussmaterial.
  • coatings of Zn or Sn alloys are known.
  • the cylinder liner for pouring into a light metal engine block itself. It has at least two different layers of material of different strength and wear resistance, the cylinder liner being in one piece of a high strength aluminum alloy sleeve or an aluminum alloy reinforced by reinforcing agent and a raceway is formed of a less solid Al-Si alloy that can be run.
  • FIG. 1 The structure of a cylinder liner in cross section is shown schematically in FIG. The proportions are changed for clarity.
  • the Fig.l shows a cylinder liner (1), a cylinder bore (2), a socket body (3) and a material outer layer (4).
  • the layers of material merge into one another in a gradient.
  • the gradients are preferably very steep, so that a pronounced layer-like or layer-like structure with a cylinder liner (2) and a bushing body (3) results.
  • the thickness of the non-graded layer of the high-strength aluminum alloy is preferably above 3 mm.
  • a preferred embodiment provides a socket body (3) made of particle-reinforced or unreinforced A1SÜ2, AlCu4Ti, AlCu4MgTi or AlZn4.5MgI to AlZn8MgCu and an inner material layer forming the cylinder liner (2) from one of the cast alloy A1SÜ7, AlSil ⁇ CuMgNi or AlSi25CuMgNi.
  • cylinder liner provides a material outer layer (4). These can be coatings to improve the encapsulation process.
  • the cylinder bore (2) and the outer material layer of the same alloy are preferred embodiments of the invention.
  • the invention also relates to methods for producing a cylinder liner.
  • the centrifugal casting technique is used. It is envisaged to carry out the centrifugal casting of an Al alloy with Si particles in such a way that the Si particles accumulate indoors to form an Al-Si alloy which can be processed and depleted in the outer region to form a solid aluminum alloy. This phase separation and formation of an Si gradient is possible because Si and the Al alloy differ significantly in terms of their density. Due to the centrifugal forces during spinning, the specifically lighter Si particles can float upwards or accumulate.
  • the Al alloy to be spun additionally has ceramic reinforcing particles with a higher density than the Al alloy, which accumulate in the outer area during centrifugal casting.
  • Preferred reinforcing particles include SiC, TiC, Si 3 N 4 and / or ZrO 2 .
  • Si and SiC are suitable combinations of specific lighter and heavier particles. Due to the differences in density, in the case of hypereutectic AlSi alloy with SiC particles, the Si particles preferably accumulate on the inside and the SiC particles preferentially on the outside. This means that the Si can be used as an improvement of the raceway, while the SiC content increases to the outer edge, thus increasing the rigidity of the socket body.
  • the coating of the Al tube is preferably carried out by casting aluminum alloy. Likewise, other methods are suitable. This process step can rely on cost-effective and simple processes, since it does not have to be made to measure. Even the connection between the two layers can be incomplete, since the subsequent step of coextrusion causes a mechanical alloying or a firm connection of the material layers with each other.
  • the aluminum tubes can be additionally provided on the outside with a material layer (material outer layer (4)) made of an Al alloy.
  • material layer material outer layer (4)
  • this is essentially the same composition as the aluminum or magnesium die casting alloy for the engine block.
  • the coating of the Al tube can also be done by immersion in an AlSi alloy melt, so that the socket body is covered on both sides with an AlSi alloy.
  • the coated tube is extruded, whereby the wall thickness is reduced. This takes place due to the high pressure a firm mechanical connection and a welding of the different material layers.
  • the coarse cylinder liner formed by coextrusion with at least two layers of material is then mechanically post-processed to adjust the final dimension.
  • the aluminum tubes are preferably formed from wrought alloys, in particular extruded wrought alloy or from Al casting alloys with particle reinforcement.
  • Light metal engine block with an inner material layer of a running AlSi alloy and an outer material layer of a solid Al alloy are composite casting, in which different cast melts are cast simultaneously.
  • the cylinder liner can be made by stratified or graded co-thixocasting in strand form or co-extruded with the various Al alloys.
  • the workable AlSi alloys are characterized by the fact that they contain crystalline and relatively coarse Si precipitates in the microstructure.
  • the Si crystals are of great importance for increasing the wear resistance.
  • a preferred embodiment of the invention provides, after pouring the cylinder liner into a light metal engine block perform a structuring honing the tread.
  • the structuring should represent as possible the finishing of the surface.
  • this finely turned raceway is honed as smoothly as possible, ie the supporting Si particles or intermetallic phases are not exposed mechanically or chemically but remain with a very thin coating of aluminum (2-10um). This allows a significant reduction in the coefficients of friction and thus the friction loss.
  • a fine structure honing for example, a spiral honing introduced (fine grooves introduced in Siralform), which provide the required oil retention volume. Structure honing is thus used to form oil retention pockets or oil reservoirs for the engine oil. These are in particular formed as fine grooves or grooves, which typically run helically.
  • the engine blocks with textured treads are preferably used in combination with pistons having slide-coated piston rings.
  • Particularly preferred is the combination of structure-matched treads with pistons having DLC-coated piston rings.
  • DLC is understood to mean diamond-like-carbon coatings, ie, diamond-like layers deposited in particular from the gas phase.
  • the advantage of this combination is that the feared at high piston loads material welding between the piston rings and the Al of the tread is significantly reduced. In particular, it is thus harmless that the Si crystals are not particularly exposed. While so far smeared or distributed Al had to be removed again after honing in a further process step over the Si crystals, it can be dispensed with in the preferred combination with DLC-coated piston rings.
  • coated piston rings in particular DLC-coated, ensures that seizing is avoided. It has been shown that DLC coated piston rings, the seizure safety of the structurally sound AlSi raceways, in which the Si particles were not exposed by about 100% have been improved.

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Abstract

Motorblock mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen, welche mehrere Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit und Verschleißfestigkeit umfassen, mit mindestens einer inneren eine Laufbahn bildenden Lage und mindestens einer relativ hierzu äußeren den Buchsengrundkörper bildenden Lage, wobei der Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung besteht und die Laufbahn durch eine lauffähige Al-Si-Legierung gebildet ist, sowie Herstellungsverfahren für Zylinderlaufbuchsen, insbesondere durch Schleudergießen einer AI-Legierung mit Si-Partikeln, in der Weise, dass sich die Si-Partikel im Innenbereich unter Bildung einer lauffähige Al-Si-Legierung anreichern und im Außenbereich unter Bildung einer festen Aluminiumlegierung abreichern.

Description

Motorblock mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen mehrerer
Materiallagen und Verfahren zur Herstellung der
Zylinderlaufbuchsen
Die Erfindung betrifft einen Motorblock, insbesondere einen Leichtmetallmotorblock, mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen, welche mehrere Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit umfassen, mit mindestens einer inneren eine Zylinderlaufbahn bildenden Lage und mindestens einer relativ hierzu äußeren den Buchsengrundkörper bildenden Lage. Die Erfindung betrifft des Weiteren Zylinderlaufbuchsen zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, mit mindestens zwei unterschiedlichen Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit, sowie Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse mindestens zwei unterschiedliche Materiallagen aus Leichtmetall mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist durch Schleuderguss oder durch Extrudieren von Rohren mit unterschiedlichen Materialien .
Mit zunehmender Leistungsdichte moderner Verbrennungsmotoren steigen die Anforderungen an die Zylinderlaufflächen in den Zylindern stetig an, die hochverschleißfeste Werkstoffe erfordern. Gleichzeitig müssen die Verbrennungsmotoren den zunehmend höhere Anforderungen an die Gewichtseinsparung genügen, was die Fertigung durch Leichtbauwerkstoffe erforderlich macht. Eine verbreitete Möglichkeit, den Werkstoffseitig entgegenstehenden Anforderungen nachzukommen besteht darin, verschleißfeste Zylinderbuchsen in Leichtmetallzylinderblöcke einzugießen. Die Zylinderbuchsen bestehen dabei häufig aus Grauguss oder übereutektischen AI-Legierungen, die in einen Aluminium-Zylinderblock eingegossen sind.
Für eine weitere Steigerung der Motorleistungsdichte unter dem Aspekt des Leichtbaus sind derartige Al- Zylinderlaufbuchsen nicht mehr geeignet, da sie nicht die erforderliche Festigkeit bei gleichzeitig guten Laufeigenschaften aufweisen. Dies zeigt sich insbesondere bei Zylinderkurbelgehäusen aus Al- oder Mg-Druckgusslegierungen, bei denen aufgrund der geringeren Festigkeiten der Druckgusslegierungen die Zylinderbuchsen ihrerseits eine hohe Festigkeit aufweisen müssen. Wird für die Zylinderbuchsen festes Leichtmetall verwendet treten Defizite bei der erforderlichen Verschleißfähigkeit auf.
Eine weitere Verbesserung der Verschleißfähigkeit wird beispielsweise erreicht, indem die Lauffläche von Zylinderbuchsen zusätzlich mit einer verschleißbeständigen Beschichtung versehen wird. Beispielsweise sind aus der DE 103 08 562 B3 Zylinderlaufbuchsen für
Verbrennungskraftmaschinen mit einem Grundkörper mit einer Verschleißschutzbeschichtung auf dem Grundkörper der Zylinderlaufbuchse bekannt. Diese Beschichtung besteht aus mindestens einer Schichtenlage auf Basis einer hochfesten Eisenlegierung mit Kohlenstoff und Sauerstoff oder auf Basis von TiC>2, wobei die Verschleißschutzschicht martensitische Phasen aufweist und Oxide bildet. Bevorzugtes Beschichtungsverfahren ist das Hochgeschwindigkeits- Flammspritzen (HVOF) . Aus der DE10135618 Al ist weiteres Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbahnen aus Al-Si-Laufbahnen, mit gesteigerter Verschleißfestigkeit bekannt. Dabei wird zumindest ein Verfahrensschritt einer Feinbearbeitung vorgesehen, während dem eine mechanische Randschichtverfestigung durchgeführt wird.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin die Zylinderbuchse aus übereutektischen AI-Legierungen mit hohem Gehalt an Si- Ausscheidungen herzustellen und die Lauffläche nach der Fertigstellung des Motorblocks, bzw. des
Zylinderkurbelgehäuses in der Weise nachzubehandeln, dass die Siliziumkörner an der Lauffläche frei gelegt werden.
Die bekannten Verfahren haben den Nachteil, dass sie zum Teil aufwändig sind, mehrere Nachbearbeitungsschritte der Laufflächen, kostenintensive Beschichtungsverfahren für das Zylinderinnere und zum Teil teure Werkstoffe erfordern.
Aufgabe der Erfindung ist es daher kostengünstige Verfahren zur Herstellung von Zylinderbuchsen zum Eingießen in Kurbelgehäuse oder Zylinderblöcke aufzuzeigen, wobei die Zylinderblöcke eine verbesserte Festigkeit bei hoher Verschleißfestigkeit der Lauffläche aufweisen und Motorblöcke mit eingegossenen Zylinderbuchsen sowie die Zylinderbuchsen selbst bereit zu stellen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Motorblock, insbesondere einen Leichtmetallmotorblock, mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen, welche mehrere Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit umfassen, mit mindestens einer inneren eine Zylinderlaufbahn bildenden Lage und mindestens einer relativ hierzu äußeren den Buchsengrundkörper bildenden Lage, wobei der Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder aus einer durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung besteht und die Laufbahn durch eine lauffähige Al-Si-Legierung gebildet ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen
Leichtmetallmotorblock, mit mindestens zwei unterschiedlichen Materiallagen, wobei die Zylinderlaufbuchse einstückig aus einem Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder aus einer durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung und einer Laufbahn aus einer weniger festen lauffähigen Al-Si-Legierung gebildet ist mit den Merkmalen des Anspruchs 11.
Weitere Lösungen der erfindungsgemäßen Aufgabe sind ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse mindestens zwei unterschiedliche Materiallagen aus Leichtmetall mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist, wobei die Herstellung von Zylinderlaufbuchsen durch Schleudergießen einer AI-Legierung mit Si-Partikeln in der Weise erfolgt, dass sich die Si- Partikel im Innenbereich unter Bildung einer lauffähige Al- Si-Legierung anreichern und im Außenbereich unter Bildung einer festen Aluminiumlegierung abreichern mit den Merkmalen des Anspruchs 14 und ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse mindestens zwei unterschiedliche Materiallagen aus Leichtmetall mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist, umfassend die Schritte:
- Überziehen der Innenseite von Aluminium-Rohren aus festen AI-Legierungen mit einer Materiallage aus einer lauffähigen AlSi-Legierung zur Bildung von einseitig beschichteten Rohren
- Extrudieren der Rohre unter Reduzierung der Wanddicke und Bildung roher Zylinderlaufbuchsen - mechanische Nachbearbeitung der rohen Zylinderlaufbuchsen auf Endmaß mit den Merkmalen des Anspruchs 19.
In einem ersten Aspekt der Erfindung ist somit ein Motorblock, bzw. Zylinderkurbelgehäuse mit eingegossener Zylinderbuchse vorgesehen, die aus mindestens zwei Materiallagen besteht, welche die beiden Funktionen hoher Festigkeit und hoher Verschleißfestigkeit bzw. guter Lauffähigkeit aufweisen. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, dass die Laufbuchse einstückig aufgebaut ist. Die einstückigen Zylinderlaufbuchsen bestehen aus einem Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder einer durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung und die Laufbahn aus einer lauffähigen Al-Si-Legierung .
Die Erfindung fußt auf dem Prinzip in einer Laufbuchse die Eigenschaften Hochfest mit Verschleißfest zu verbinden. Als durchgängiger Werkstoff tritt dabei eine AI-Legierung auf, deren Zusammensetzung und Zusatzstoffe sich über die radiale Ausdehnung der Buchse ändern. Die Änderung der Zusammensetzung erfolgt mehr oder weniger kontinuierlich, beziehungsweise kann mit unterschiedlichen Stoffgradienten erfolgen. Außerhalb der Übergangs- oder Durchdringungsbereiche sind die Zusammensetzungen im Wesentlichen konstant, so dass diese Bereiche zweckmäßigerweise als Materiallagen definiert werden. Die Zylinderbuchse weist zumindest zwei Materiallagen auf, welche der Zylinderlauffläche und dem Buchsenkörper entsprechen.
Die Einstückigkeit der Zylinderbuchse hat den Vorteil, dass keine Unterbrechungen von Form- oder Stoffschluss vorliegen, wie diese beispielsweise bei Beschichtungen jedweder Art auftreten kann. Zudem wird eine durchgängige AI-Phase gebildet. Dies führt insbesondere zu einer hohen Wärmeleitfähigkeit der Buchse und einem Höchstmaß an physikalischer Kompatibilität der unterschiedlichen Materiallagen untereinander. Dies ist gerade im Vergleich mit beschichteten Zylinderlaufbuchsen ein großer Vorteil.
Der Motorblock in closed oder open-Deck Bauweise wird besonders bevorzugt aus Al- oder Mg-Druckgusslegierungen gefertigt. Die aus Aluminiumlegierung bestehende Zylinderbuchse, insbesondere der Buchsenkörper aus Aluminium zeigt aufgrund der sehr ähnlichen Materialien eine sehr gute Anbindung beziehungsweise Stoff und Formschluss zur Umgusslegierung .
Nach dem Eingießen in das Zylinderkurbelgehäuse trägt die Laufbahn bereits die erforderliche lauffähige bzw. verschleißfeste Materiallage und es ist keine zusätzliche Beschichtung mehr erforderlich. Die Nachbehandlung kann sich auf ein Feindrehen der Lauffläche beschränken. Bevorzugt sind die Laufbahnen im Motorblock aber glatt gehont, wobei die Si- Partikel in der Legierung verbleiben, so dass die Oberfläche der Laufbahn mit einer dünnen AI-Schicht oberhalb der Si- Körner bedeckt ist. Bevorzugt liegt die Dicke des AI-Überzugs im Bereich von 2-10 μm.
Die Zylinderlaufbuchse weist aufgrund der Verwendung einer hochfesten Al-Legierung für den Buchsenkörper eine hohe Stabilität auf, die auch höchste Verbrennungsdrücke im Zylinder zulässt, ohne dass hochfeste AI-Legierungen für den Umguss verwendet werden müssen. So sind auch kostengünstige Druckgusslegierungen für das Zylinderkurbelgehäuse anwendbar.
Für den Buchsenkörper kommen bevorzugt Knetlegierungen (uch Strangpresslegierungen genannt) oder Gusslegierungen zum Einsatz .
Die Aluminiumknetlegierungen für den Buchsenkörper werden typischerweise durch Platten- und Bandproduktion durch Warmund Kaltumformen (Walzen, Strangpressen, Schmieden) hergestellt. Typische "naturharte" Aluminiumknetlegierungen sind: AlMg, AlMn, AlMgMn, AlSi Aushärtbare" Knetlegierungen. Typische aushärtbare Aluminiumknetlegierungen oder Strangpresslegierungen sind die Systeme AlMgSi, AlCuMg, AlZnMg, AlZnMgCu, zusammenfassend Al(Mg, Si, Mn, Cu und/oder Zn) . Besonders geeignet sind die Legierungstypen 6100 (AlSiIMgMnCu), 4032 (A1SÜ2 , 5MgCuNi) , 2016 (AlCu9SiMg) , 2219 (AlCuδMn) , 2014 AlCu4SiMg, oder 2024 (AlCu4Mg) . Des Weiteren sind die Zn-haltigen Legierungen vom Typ 7000 von Bedeutung. Sie sind zwar korrosionsempfindlicher aber dafür hochfest. Zudem bewirkt der Zn-Anteil eine reduzierte Schmelztemperatur wodurch beim Umguss der Zylinderlaufbahn ein besseres Anbindungsverhalten an die Druckgusslegierung erfolgen kann. Insbesondere sind Knetlegierungen mit Zugfestigkeiten von 500- 600 MPa und Streckgrenzen von 400-500 MPa der Legierungsreihe von AlZn4.5MgI bis AlZnδMgCu interessant.
Die Zylinderlaufbuchse kann dabei vereinzelt oder auch als Zylinderlinerpaket, d.h. zusammenhängende Zylinderbuchsen verwendet werden.
Zu den geeigneten Gusslegierungen für den Buchsenkörper der Zylinderlaufbuchse zählen insbesondere die Legierungen auf der Basis von AlCu4Ti oder AlCu4MgTi interessant, die eine Streckgrenze von 240-350 MPa und eine Zugfestigkeit von 350- 420 MPa erreichen können. Des Weiteren ist der Legierungstyp AlCu4MgAgTi mit erreichbaren Streckgrenzen von 410-450 MPa und Zugfestigkeiten von 460-510 MPa gut geeignet.
Aufgrund der vergleichsweise niedrigen Werkstoffkosten ist auch AlMg5 oder AlMg5Si2Mn mit einer Streckgrenze um 150-200 MPa und einer Zugfestigkeit 250-300 MPa für den Buchsenkörper von großem Interesse. Auch die klassischen kostengünstigen Al-Gusslegierungen, wie bspw. AlSi8Cu3, AlSi9Mg, AlSiIlMg, oder AlSil2CuNiMg, können verwendet werden. Bei diesen weniger festen Al-Gusslegierungen kann der Nachteil geringerer Festigkeit gegebenenfalls durch die konstruktive Ausgestaltung wettgemacht werden. Beispielsweise sind vergleichsweise höhere Wanddicken des Buchsenkörpers realisierbar .
Die innere Materiallage entspricht der Zylinderlaufbahn. Für diese ist erfindungsgemäß eine lauffähige Al-Si-Legierung vorgesehen. Dies sind insbesondere übereutektische Al-Si- Legierungen, bei denen Si-Ausscheidungen zu erhöhter Verschleißfestigkeit führen. Zu den bevorzugten Legierungen zur Bildung der Zylinderlaufbahn zählen die Legierungen auf der Basis von AlSi12CuMgNi, AlSil2Cu4Ni2Mg, AlSilδCuMgNi, oder AlSi25CuMgNi. Weiter bevorzugt ist eine AlSi9-13 Legierung, insbesondere mit Zusätzen von Cu, Mn, Fe, Ni und/oder Ti in einer Menge unterhalb 3 Gew . %
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, die Zylinderbuchse mit in den Legierungen gebundenem Zusatzmaterial zu versehen. Die Zylinderbuchse kann durch Verstärkungsmaterial aus Fasern oder Partikeln weiter verstärkt werden. Die Zusatzmaterialien haben dabei die Aufgaben den Buchsenkörper zu verstärken oder die Verschleißfestigkeit und Laufeigenschaften der Zylinderlaufbahn zu verbessern.
Durch das Einbringen von Verstärkungspartikeln oder Verstärkungsfasern, mit deutlich höherem E-Mudul wie z.B. SiC kann der E-Modul in der tragenden Buchse deutlich angehoben werden. Dies hat Vorteile bezüglich des Verzuges im Betrieb und wirkt sich damit vorteilhaft bzgl. Treibstoff- und Ölverbrauch aus. Durch den Aufbau der einstückigen Buchse mit mehreren Materiallagen oder Materialgradienten kann sichergestellt werden, dass die Verstärkungsmaterialeien, bspw. die SiC Partikel zur E-Modulsteigerung, nicht im Laufbahnbereich vorhanden sind. Dort würden sich sonst Probleme bzgl. Bearbeitbarkeit der Laufbahn und Verschleiß der Reibungspartner, also Kolbenring oder Kolben ergeben. Es können gleichzeitig unterschiedliche Zusatzmaterialien eingesetzt werden, um beide Effekte gleichzeitig zu erreichen.
Als Zusatzmaterial für die Verstärkung des Buchsenkörpers sind die Verstärkungsmaterialien Si3N4, TiC, ZrO2 und/oder SiC bevorzugt. Diese können als Partikel, insbesondere als Verstärkungsfasern eingesetzt werden.
Als Zusatzmaterial für die Verbesserung der Laufbahn sind insbesondere Si-Partikel von Bedeutung.
Innerhalb der Zylinderbuchse gehen die unterschiedlichen AI- Legierungen mit Zusatzmaterial von Buchsenkörper und Laufbahn bzw., Lauffläche ineinander über, indem sich die Legierungszusammensetzungen gradientenförmig ändern, wobei das Al als durchgängige Phase erhalten bleibt.
Der Motorblock kann zwischen dem Buchsenkörper und dem Umgussmaterial eine mehr oder weniger dick ausgeprägte Zwischenschicht aufweisen. Hierbei handelt es sich um eine Mischzone aus Zylinderbuchsenmaterial und dem Umgussmaterial. Eine derartige Zwischenlage wird insbesondere dann beobachtet, wenn die Zylinderbuchse vor dem Eingießen eine äußere Beschichtung oder eine äußere Materiallage aufweist. Diese Schicht oder Lage werden zum Zwecke der besseren Anbindung bzw. des verbesserten StoffSchlusses zwischen der Zylinderbuchse und dem Umgussmaterial aufgebracht. Hierbei sind beispielsweise Beschichtungen aus Zn- oder Sn- Legierungen bekannt.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock selbst. Sie weist mindestens zwei unterschiedlichen Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit und Verschleißfestigkeit auf, wobei die Zylinderlaufbuchse einstückig aus einem Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder einer durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung und einer Laufbahn aus einer weniger festen lauffähigen Al- Si-Legierung gebildet ist.
Der Aufbau einer Zylinderbuchse im Querschnitt ist schematisch in Fig. 1 aufgezeigt. Die Größenverhältnisse sind zur Verdeutlichung verändert.
Dabei zeigt die Fig.l eine Zylinderlaufbuchse (1), eine Zylinderlaufbahn (2), einen Buchsenkörper (3) und eine Materialaußenlage (4) .
Die Materiallagen gehen gradientenförmig ineinander über. Dabei sind die Gradienten bevorzugt sehr steil, so dass ein ausgeprägter schichtartiger oder Lagen-artiger Aufbau mit einer Zylinderlaufbahn (2) und einem Buchsenkörper (3) resultiert. Die Dicke der nicht gradierten Lage aus der hochfesten Aluminiumlegierung liegt bevorzugt oberhalb 3 mm.
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht einen Buchsenkörper (3) aus partikelverstärkter oder unverstärkter A1SÜ2, AlCu4Ti, AlCu4MgTi oder AlZn4.5MgI bis AlZn8MgCu und eine die Zylinderlaufbahn (2) bildende innere Materiallage aus einer der Gusslegierung A1SÜ7, AlSilδCuMgNi oder AlSi25CuMgNi vor.
Eine weitere Variante der Zylinderlaufbuchse sieht eine Materialaußenlage (4) vor. Dabei kann es sich um Beschichtungen zur Verbesserung des Umgussprozesses handeln. In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die Zylinderlaufbahn (2) und die Materialaußenlage aus derselben Legierung .
Die Erfindung betrifft auch Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse .
In einem ersten erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Zylinderbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse mindestens zwei unterschiedliche Materiallagen aus Leichtmetall mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist, wird die Schleudergusstechnik verwendet. Dabei ist vorgesehen, das Schleudergießen einer AI-Legierung mit Si-Partikeln in der Weise vorzunehmen, dass sich die Si-Partikel im Innenbereich unter Bildung einer lauffähige Al-Si-Legierung anreichern und im Außenbereich unter Bildung einer festen Aluminiumlegierung abreichern. Diese Phasentrennung und Bildung eines Si- Gradienten ist möglich, da sich Si und die AI-Legierung hinsichtlich ihrer Dichte deutlich voneinander unterscheiden. Durch die Zentrifugalkräfte beim Schleudern können die spezifisch leichteren Si-Partikel nach oben aufschwimmen, bzw. sich anreichern.
Dieses Prinzip der dichteabhängigen Gradientenbildung kann auch für weiteres Zusatzmaterial in Partikel und/oder Faserform genutzt werden. Bevorzugt weist die zu schleudernde Al-Legierung zusätzlich keramische Verstärkungspartikel mit einer höheren Dichte als die Al-Legierung auf, die sich beim Schleudergießen im Außenbereich anreichern. Zu den bevorzugten Verstärkungspartikeln zählen SiC, TiC, Si3N4 und/oder ZrO2.
Eine geeignete Kombination aus spezifisch leichteren und schwereren Partikeln ist beispielsweise durch Si und SiC gegeben. Durch die Dichteunterschiede sammeln sich bei übereutektischer AlSi-Legierung mit SiC-Partikeln die Si- Partikel bevorzugt innen und die SiC-Partikel bevorzugt außen an. Das bedeutet, dass das Si als Verbesserung der Laufbahn genutzt werden kann, während der SiC-Gehalt zum Außenrand zunimmt und damit die Steifigkeit des Buchsenkörpers erhöht.
Beim Schleuderguss kann durch Einbringung einer geeigneten Schlichte oder Werkszeuggeometrie eine Aufrauhung der Außenfläche der Zylinderbuchse erreicht werden. Die hat den Vorteil, dass analog der bekannten Grauguss-Rauhgussbuchsen eine Rauhgussoberfläche an der Buchsenaußenhaut aufgebaut werden kann, die zur Anbindung an den Druckguss sehr vorteilhaft ist, da neben einer metallischen Verbindung auch ein hoher Grad an mechanischer Verklammerung der Buchse zum Druckgusswerkstoff erzielt werden kann.
Eine weitere besonders geeignete Ausgestaltung der Erfindung sieht ein Gießverfahren mit mindestens den folgenden Schritten vor:
- Überziehen der Innenseite von Aluminium-Rohren aus festen Al-Legierungen mit einer Materiallage aus einer lauffähigen AlSi-Legierung zur Bildung von einseitig beschichteten Rohren
- Extrudieren der Rohre unter Reduzierung der Wanddicke und Bildung roher Zylinderlaufbuchsen
- mechanische Nachbearbeitung der rohen Zylinderlaufbuchsen auf Endmaß.
Das Überziehen des Al-Rohrs erfolgt dabei bevorzugt durch Angießen von Aluminiumlegierung. Ebenso sind aber auch andere Verfahren geeignet. Dieser Verfahrensschritt kann auf kostengünstige und einfache Prozesse zurückgreifen, da nicht auf Maß gefertigt werden muss. Selbst die Verbindung zwischen den beiden Lagen kann lückenhaft sein, da der darauf folgende Schritt der Coextrusion ein mechanisches Legieren bzw. eine feste Verbindung der Materiallagen untereinander bewirkt.
Die Aluminium-Rohre können zusätzlich außen mit einer Materiallage (Materialaußenlage (4)) aus einer Al-Legierung versehen werden. Bevorzugt ist diese im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung, wie die Aluminium- oder Magnesium- Druckgusslegierung für den Motorblock.
Das Überziehen des Al-Rohres kann auch durch Tauchen in eine AlSi-Legierungsschmelze erfolgen, so dass der Buchsenkörper beidseitig mit einer AlSi-Legierung überzogen ist.
Im nächsten Verfahrensschritt wird das beschichtete Rohr extrudiert, wobei die Wanddicke reduziert wird. Dabei erfolgt durch den hohen Druck eine feste mechanische Verbindung und ein verschweißen der unterschiedlichen Werkstofflagen .
Die durch Coextrusion gebildete rohe Zylinderlaufbuchse mit mindestens zwei Materiallagen wird darauf mechanisch nachbearbeitet, um das Endmaß einzustellen.
Die Aluminium-Rohre werden bevorzugt aus Knetlegierungen, insbesondere strangepressten Knetlegierung oder aus Al- Gusslegierungen mit Partikelverstärkung gebildet.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen
Leichtmetallmotorblock, mit einer inneren Materiallage aus einer lauffähigen AlSi-Legierung und eine äußere Materiallage aus einer festen AI-Legierung sind Verbundgießverfahren, bei denen unterschiedliche Gießschmelzen gleichzeitig vergossen werden .
Die Zylinderlaufbuchse kann mittels geschichtetem oder gradiertem Co-Thixocasting in Strangform oder Co-Strangguß mit den unterschiedlichen AI-Legierungen erfolgen.
Die lauffähigen AlSi-Legierungen zeichnen sich dadurch aus, dass sie kristalline und relativ grobe Si-Ausscheidungen im Gefüge enthalten. Die Si Kristalle sind für die Erhöhung der Verschleißfestigkeit von großer Bedeutung.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, nach dem Eingießen der Zylinderlaufbuchse in einen Leichtmetallmotorblock ein Strukturhonen der Lauffläche durchzuführen. Das Strukturhonen soll dabei möglichst die Endbearbeitung der Oberfläche darstellen.
Idealerweise wird gegenüber der heutigen Technik diese feingedrehte Laufbahn möglichst glatt gehont, d.h. die tragenden Si-Partikel oder intermetallischen Phasen werden nicht mechanisch oder chemisch freigelegt sondern verbleiben mit einem sehr dünnen Überzug von Aluminium (2-10um) . Dies ermöglicht eine deutliche Reduktion der Reibwerte und damit der Reibleistung. Um ein Fressen der Kolben/Kolbenringe auf einer derartigen Laufbahn zu vermeiden wird eine feine Strukturhonung, z.B. eine Spiralhonung eingebracht (feine Riefen in Siralform eingebracht), die für das erforderliche Ölrückhaltevolumen sorgen. Des Strukturhonen wird somit genutzt, Ölrückhaltetaschen, bzw. Ölreservoirs für das Motoröl zu bilden. Diese sind insbesondere als feine Riefen oder Rillen ausgebildet, die typischerweise spiralförmig verlaufen.
Die Motorblöcke mit strukturgehonten Laufflächen werden bevorzugt in Kombination mit Kolben eingesetzt, die gleitbeschichtete Kolbenringe aufweisen. Besonders bevorzugt ist die Kombination aus strukturgehonten Laufflächen mit Kolben, die DLC-beschichtete Kolbenringe aufweisen. Unter DLC sind Diamond-Like-Carbon Beschichtungen zu verstehen, also insbesondere aus der Gasphase abgeschiedene diamantartige Schichten. Der Vorteil dieser Kombination ist, dass die bei hohen Kolben-Beanspruchungen gefürchtete Material- Verschweißung zwischen den Kolbenringen und dem Al der Lauffläche erheblich vermindert wird. Insbesondere ist es somit unschädlich, dass die Si-Kristalle nicht besonders freigelegt sind. Während bisher nach dem Honen in einem weiteren Verfahrensschritt über die Si-Kristalle verschmiertes oder verteiltes Al wieder entfernt werden musste, kann bei der bevorzugten Kombination mit DLC- beschichteten Kolbenringen darauf verzichtet werden.
Durch den Einsatz von beschichteten Kolbenringen, insbesondere DLC-beschichteten, wird sichergestellt, dass ein Fressen vermieden wird. Es hat sich gezeigt, dass mit DLC beschichtete Kolbenringe, die Fresssicherheit von den strukturgehonten AlSi-Laufbahnen, bei denen die Si-Partikel nicht freigelegt wurden um ca. 100% verbessert wurden.

Claims

Patentansprüche
1. Motorblock mit eingegossenen Zylinderlaufbuchsen, welche mehrere Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit und Verschleißfestigkeit umfassen, mit mindestens einer inneren eine Laufbahn bildenden Lage und mindestens einer relativ hierzu äußeren den Buchsengrundkörper bildenden Lage, dadurch gekennzeichnet, dass der Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung besteht und die Laufbahn durch eine lauffähige Al-Si-Legierung gebildet ist.
2. Motorblock nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallagen der Zylinderlaufbuchse gradientenförmig ineinander übergehen.
3. Motorblock nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse vor dem Einguss einstückig aufgebaut ist, so dass zwischen den Materiallagen keine Form- oder Stofftrennung besteht.
4. Motorblock nach einem der voran gegangenen Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchsen in eine Aluminium- oder Magnesium-Druckgusslegierung des Motorblocks eingegossen sind.
5. Motorblock nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse drei Materiallagen aufweist, wobei die äußerste Materiallage im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie die Aluminium- oder Magnesium-Druckgusslegierung für den Motorblock.
6. Motorblock nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Buchsenkörper aus Strangpresslegierungen oder Knetlegierungen auf der Basis Al(Mg, Si, Mn, Cu und/oder Zn) , insbesondre aus der Gruppe AlSiIMgMnCu, A1SÜ2, 5MgCuNi, AlCu9SiMg, AICuβMn, AlCu4SiMg, AlCu4Mg, AlZn4.5Mgl bis AlZnδMgCu ausgewählt ist.
7. Motorblock nach einem der voran gegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Buchsenkörper aus einer Al-Gusslegierung auf der Basis von AlCu4Ti oder AlCu4MgTi, AlSi7MgZn, AlSil2CuNiMg, AlSi7MgO,6, AlSi9Mg, oder AlSi8Cu3 besteht .
8. Motorblock nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbahn aus einer übereutektischen AlSi- Legierung, AlSil2CuMgNi, AlSil2Cu4Ni2Mg, AlSilδCuMgNi, AlSi25CuMgNi oder AlSi9-13 besteht.
9. Motorblock nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderbuchse Zusatzmaterial aus Fasern oder Partikeln aufweist, welches in Buchsenkörper und/oder Zylinderlaufbahn angeordnet ist.
10. Motorblock nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzmaterial die Verstärkungsmaterialien Si3N4, TiC, ZrO2 und/oder SiC umfasst.
11. Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, mit mindestens zwei unterschiedlichen Materiallagen unterschiedlicher Festigkeit und Verschleißfestigkeit dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse einstückig aus einem Buchsenkörper aus einer hochfesten Aluminiumlegierung oder einer durch Verstärkungsmittel verstärkten Aluminiumlegierung und einer Laufbahn aus einer weniger festen lauffähigen Al-Si-Legierung gebildet ist.
12. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Materiallagen gradientenförmig ineinander übergehen, wobei die Dicke der nicht gradierten Lage aus der hochfesten Aluminiumlegierung oberhalb 3 mm liegt.
13. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Buchsenkörper aus partikelverstärkter oder unverstärkter A1SÜ2, AlCu4Ti, AlCu4MgTi oder AlZn4.5MgI bis AlZnθMgCu besteht und die innere Materiallage aus einer der Gusslegierung aus übereutektischer AlSi-Legierung, AlSil2CuMgNi, AlSil2Cu4Ni2Mg, AlSi18CuMgNi, AlSi25CuMgNi oder AlSi9- 13 besteht.
14. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse mindestens zwei unterschiedliche Materiallagen aus Leichtmetall mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Herstellung von Zylinderlaufbuchsen durch Schleudergießen einer AI-Legierung mit Si-Partikeln in der Weise erfolgt, dass sich die Si-Partikel im Innenbereich unter Bildung einer lauffähige Al-Si- Legierung anreichern und im Außenbereich unter Bildung einer festen Aluminiumlegierung abreichern.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die AI-Legierung zusätzlich keramische
Verstärkungspartikel mit einer höheren Dichte als die AI- Legierung enthält, die sich beim Schleudergießen im Außenbereich anreichern.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die keramischen Verstärkungspartikel aus SiC, TiC, Si3N4 und/oder ZrO2 gebildet sind.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass als AI-Legierung eine übereutektische AlSi-Legierung verwendet wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse beim Schleudergießen mit einer hohen Rauhigkeit gegossen wird, welche durch das Aufbringen einer entsprechenden Schlichte auf die Gussformerzeugt wird.
19. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse mindestens zwei unterschiedliche Materiallagen aus Leichtmetall mit unterschiedlicher Festigkeit aufweist, umfassend die kennzeichnenden Schritte:
- Überziehen der Innenseite von Aluminium-Rohren aus festen Al-Legierungen mit einer Materiallage aus einer lauffähigen AlSi-Legierung zur Bildung von einseitig beschichteten Rohren
- Extrudieren der Rohre unter Reduzierung der Wanddicke und fester Verbindung der Materiallagen
- mechanische Nachbearbeitung der rohen Zylinderlaufbuchsen auf Endmaß.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Rohre zusätzlich außen mit einer Materiallage aus einer AI-Legierung, die im Wesentlichen die gleiche Zusammensetzung aufweist, wie die Aluminiumoder Magnesium-Druckgusslegierung für den Motorblock überzogen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Materiallagen durch Umgießen oder Angießen auf das Aluminium-Rohr aufgebracht wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Rohre ausgewählt werden aus Knetlegierungen, insbesondere strangepressten Knetlegierung, oder aus Al-Gusslegierungen mit Partikelverstärkung.
23. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen Leichtmetallmotorblock, wobei die Zylinderlaufbuchse eine innere Materiallage aus einer lauffähigen AlSi-Legierung und eine äußere Materiallage aus einer festen AI-Legierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse mittels geschichtetem oder gradierten Co-Thixocasting in Strangform oder Co- Strangguß mit den unterschiedlichen AI-Legierungen erfolgt .
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23 dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Eingießen der Zylinderlaufbuchse in einen Leichtmetallmotorblock ein Strukturhonen der Lauffläche in der Weise erfolgt, dass Ölrückhaltetaschen gebildet werden .
25. Verwendung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Strukturhonen die Oberfläche im wesentlichen aus AI-Legierung und nicht durch freigelegte Si-Kristalle gebildet wird.
26. Verwendung von Zylinderlaufbuchsen, hergestellt durch ein Verfahren nach Anspruch 24 für Kolben mit Kolbenringen, die eine DLC-Beschichtung tragen.
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