EP2880193A1 - Zylinderlaufbuchse und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Zylinderlaufbuchse und verfahren zu deren herstellung

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EP2880193A1
EP2880193A1 EP13720893.0A EP13720893A EP2880193A1 EP 2880193 A1 EP2880193 A1 EP 2880193A1 EP 13720893 A EP13720893 A EP 13720893A EP 2880193 A1 EP2880193 A1 EP 2880193A1
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EP
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cylinder liner
layer
cylinder
maximum
aluminum
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EP13720893.0A
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Peter Goedel
Volker Scherer
Michael Buchmann
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Federal Mogul Burscheid GmbH
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    • Y10T29/4927—Cylinder, cylinder head or engine valve sleeve making
    • Y10T29/49272—Cylinder, cylinder head or engine valve sleeve making with liner, coating, or sleeve

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a particular thermally sprayed, thin-walled cylinder liner for insertion into a cylinder crankcase and a cylinder liner produced by the method.
  • cylinder liners in internal combustion engines makes it possible to use for the engine block another material, which meets only the relevant requirements.
  • the cylinder liner on the other hand, can be optimized to meet wear resistance and low friction requirements. Since the material content of the liner is relatively small compared to the engine block, higher quality and therefore more expensive materials can be used here, without being too detrimental to the overall cost.
  • the prior art discloses methods for producing light metal cylinder liners for thermal joining in cylinder crankcases made of iron or light metal (see, for example, the booklet "Overhaul of Aluminum Motors” by MSI Motor Service International GmbH, issue 03/99).
  • Such bushings are produced, for example, via a process of spray compacting with subsequent mechanical processing.
  • these bushings sold under the brand name Alusil® have the disadvantage of a moderate wear resistance on the cylinder surface.
  • a complex process of the exposure of silicon crystals during the finishing of the cylinder running surfaces is necessary here.
  • Aluminum-silicon cylinder liners or cylinder running surfaces made of block alloys (Alusil®, Lokasil®) sold under the brand name Silitec® have a high thermal conductivity.
  • the wear ability of the respective cylinder surfaces is determined by the present, outstanding after honing silicon particles.
  • a maximum silicon content of about 20% can be achieved in terms of process technology.
  • spray-compacted materials higher silicon contents can be achieved; Due to the process, however, this leads to increasing component costs. Due to the high mechanical load of new engines, such as gasoline engines with gasoline direct injection or modern diesel engines, however, the mechanical strength values with conventional aluminum-silicon alloys are borderline.
  • slip-fit liners made of gray cast iron are known as cylinder liners.
  • the liners are manufactured mechanically from centrifuged gray cast iron pipes. To achieve the required surface roughness and cylindrical shape of the outer diameter is ground.
  • To install cast iron bushings it is necessary that the bush has a larger diameter at room temperature than the bore of the cylinder crankcase. Thereafter, the diameter of at least one of the two joining bodies by thermal expansion to change such that the socket can be safely inserted into the cylinder crankcase. This is generally done by heating the cylinder crankcase, as due to the low thermal expansion coefficient of gray cast iron cooling the socket alone is not sufficient. This makes the insertion of gray cast iron bushings consuming and expensive.
  • Another known form of cylinder reinforcements are on the cylinder surface sprayed layers.
  • DE 197 33 205 A1 discloses a coating of a cylinder running surface of an iron, aluminum or magnesium-based reciprocating piston engine with a hypereutectic aluminum / silicon alloy and / or an aluminum / silicon composite material and a method for producing this coating.
  • the coating is here applied directly to the inner wall of the cylinder bore in the engine block.
  • a rotating about the central axis of the cylinder bore inner burner which is constructed on a rotating unit, inserted into the cylinder bore and moved axially.
  • the inner burner is inserted into the cylinder bore of the rotating crankcase and axially moved along the center axis of the cylinder bore to spray the coating onto the cylinder wall.
  • the cylinder surface generally has to be elaborately prepared before coating, for example by roughening by means of high-pressure water jets, or by introducing a defined profiling with undercuts via a turning process.
  • a method of manufacturing a cylinder liner comprising: thermally spraying a first material onto a molded article to form a wear and corrosion resistant first layer, the first molded material comprising at least 67% iron, Fe; maximum 3% carbon, C; between 0 and a maximum of 20% chromium, Cr; between 0 and a maximum of 10% nickel, Ni; and thermally spraying a second material to form a second outer layer on the first inner layer, wherein the second molded material comprises aluminum, an aluminum alloy, or a lightweight and ferrous multi-element material.
  • FIG. 1 shows a section of a cylinder liner according to an embodiment of the invention.
  • the invention proposes a method of manufacturing a cylinder liner by thermal spraying.
  • a first material for forming a first, inner layer is provided on a shaped body, which as essential elements at least 67% Fe and max. 3.0% C has.
  • a shaped body which as essential elements at least 67% Fe and max. 3.0% C has.
  • up to 20% Cr and / or 10% nickel can be alloyed.
  • the first material contains at least 70% Fe, more preferably at least 80% Fe, even more preferably at least 90% Fe and above, even more preferably at least 95% Fe.
  • the carbon content should not exceed 3% Otherwise, the material is too hard and brittle, ie difficult to work. There is a risk of layer chipping or cracking.
  • the carbon content is therefore preferably ⁇ 2%, and more preferably ⁇ _1%.
  • the material can continue between 0 and max. 30% Cr and between 0 and max. Contain 10% Ni. These components are usually used to increase the corrosion resistance, but also mean higher material costs or a higher manufacturing cost in reworking the tread, for example when honing.
  • the first or inner layer of the cylinder liner produced in this step according to the invention shows no susceptibility to corrosion even without the presence of said elements in current engine designs, so that the material used must contain these elements only in small amounts, if at all.
  • Preferred ranges for these components are between 0 and 19%, more preferably between 0 and 5%, more preferably between 0 and 3%, even more preferably between 0 and 1% for Cr.
  • a range is preferably between 0 and 5%, more preferably between 0 and 3% and even more preferably between 0 and 2%, even more preferably between 0 and 1%.
  • the material is present before the coating process as a solid or flux cored wire and is by means of known wire coating methods, such as by means of electric arc wire spraying or wire flame spraying u.ä. melted and applied to a rotating moldings.
  • the material is applied to the outer surface of the rotating molded body, which has a substantially cylindrical shape.
  • the further shape of the shaped body in particular its dimensions is limited only by the intended application.
  • the outer diameter of the shaped body with respect to the different diameters of cylinder liners in the range of about 20 mm to about 1000 mm, preferably for the automotive bilia range between 60 mm to about 100 mm.
  • the length of the molding is not upwards limited, since a desired length of the cylinder liner can be prepared by reworking a first workpiece obtained.
  • the molded body only has to have the length of the desired cylinder liner and can therefore be from about 50 mm to about 5 m.
  • the length of the molded body of about 100 mm to about 400 mm, wherein on a molding 2 to 4 cylinder liners can be made at once.
  • the molded article may be made of any material that remains dimensionally stable under the applied process conditions, i.
  • the temperatures of the molten and applied material can withstand, for example, at iron temperatures of about 1400 ° C and a detachment of the first, inner layer after application allows.
  • the outer surface of the molded body can be provided with a thin, inorganic separating layer.
  • a second, outer layer is applied to the first, inner layer, which may still be on the molded article or has previously been removed from the molded article, i. in the form of a sleeve is present as a free body.
  • the outside diameter of the first layer is "as-sprayed", i.e. it is not mechanically worked before the second layer is applied.
  • the same thermal spraying method as in the first step can be used or another. This is chosen depending on the material used and the other prevailing conditions in the production.
  • the material applied in the second step is generally chosen such that it has a thermal expansion coefficient that is as similar as possible to that of the cylinder crankcase.
  • the material may be selected, for example, from aluminum or an aluminum alloy of Al and Si or Al and Mn or Al and Mg or a multi-element layer of an aluminum alloy and iron. This is particularly advantageous because such a combination when applying selectively distributed over the surface which provides less surface roughness with respect to a subsequent processing step, especially grinding.
  • the method according to the invention can be layers with a porosity of ⁇ 8 vol .-%, preferably ⁇ 5 vol .-%, more preferably ⁇ 3 vol .-% and pore sizes of ⁇ 15 ⁇ , preferably ⁇ 10 ⁇ , more preferably ⁇ 8 achieve ⁇ .
  • This is significantly improved in contrast to internal coatings of the prior art, which provide a porosity of about> 10 vol .-% and a pore size of about 20 ⁇ .
  • the outer surface of the outer, second layer which is still rough after spraying is processed by grinding or turning, whereby the desired outer diameter, the necessary Zyhndriztician and the required surface roughness of the cylinder liner produced by the method according to the invention is achieved.
  • the roughness depth (Rz) of the outer lateral surface which is to be produced thereby is normally in the range of a maximum of approximately 50 ⁇ , preferably at most approximately 30 ⁇ m, more preferably a maximum of 10 ⁇ .
  • the desired surface roughness can each be achieved by a suitable machining, e.g. Fine turning can be achieved. If higher demands are placed on the Zyhndriztician, then the outer circumferential surface can also be ground.
  • the desired total length of the cylinder liner to be used in an engine can be made by turning, milling or laser cutting from the produced cylinder liner.
  • the first inner layer of the cylinder liner produced by the method according to the invention has a layer thickness of about 0.2 to 2.0 mm, preferably from 0.2 to 1 mm, more preferably from 0.2 to 0.8 mm.
  • the second outer layer of the cylinder liner produced by the method according to the invention has, after application, a layer thickness of about 0.2 to 2 mm, preferably from 0.3 to 2.0 mm, more preferably from 0.3 to 1.0 mm.
  • the layer thickness of the outer layer is generally reduced by about 0.1 mm to about 0.5 mm.
  • the cylinder liner produced by the method according to the invention has a total wall thickness of 0.4 to a maximum of about 10 mm, preferably from about 1 mm to 2 or 3 mm.
  • the method further comprises providing the cylinder liner produced by the method according to the invention with a chamfer on one or both axial ends on the outside diameter and / or on the inside diameter.
  • the method further comprises recesses and / or overflow channels provided on the bush jacket, which can be produced by machining with a geometrically determined cutting edge or thermal laser cutting.
  • the cylinder liner produced by the method according to the invention can optionally be provided with pulsation holes or with a collar at one end.
  • the Pulsationsbohronne can be produced either by milling or by cutting with a laser, the federal government, for example, are produced by a turning operation.
  • the method further comprises the inside of the formed Cylinder liner after joining in the engine block to increase, whereby the thickness of the first, inner layer can be reduced to 0.05 mm, this in order to achieve better thermal conductivity.
  • a cylinder liner made by the method described above.
  • the cylinder liner produced by the method according to the invention is used after completion and processing in a cylinder bore of an engine. This can be done, such as in the automotive field according to conventional methods by the engine block (aluminum) is heated to a temperature of about 250 ° C, and the sleeve is inserted into the cylinder bores.
  • the socket according to the invention can also be used in an unheated engine block due to its intrinsic properties, by itself this is previously cooled, for example, to temperatures of about -20 ° C, or -30 ° C or -40 ° C up to -. 78.5 ° C (solid carbon dioxide) or preferably in liquid nitrogen to temperatures of about -20 ° C, etc. up to -196 ° C and then transferred to the cylinder bore. This is not possible with a gray cast iron bush, as their coefficient of expansion is too low.
  • the socket of the invention facilitates handling and reduces the cost and expense of inserting the socket.
  • Example 8 By means of arc wire spraying, a 0.8 mm thick first layer of a steel wire was used (99% Fe, 0.8% C, balance impurities such as Mn, Cr, Ni) sprayed onto a metallic cylindrical shaped body (diameter 80 mm, length 1000 mm).
  • the 3.2 mm thick solid wires were melted at a feed rate of 1 m / min at a voltage of 36V and a current of 800A in the coating unit and sprayed onto the rotating at 150 rev / min molding.
  • the coating distance was 150 mm, the layer thickness of 0.8 mm was applied in 6 coating paths.
  • the first layer was separated from the shaped article, clamped between two conical receptacles and also provided with a 1.0 mm thick A1S02 layer in a second coating system by means of arc wire spraying.
  • the 3.2 mm solid wires were fed into the coating unit at a feed rate of 1.2 m / min and melted at 30V or 650A.
  • the 1.0 mm thick layer is in 4 coating webs at a rotational speed of 150 rev / min. applied.
  • the layer structure of both layers was analyzed, the hardness of the St0.8 layer was 400 HV1, the A1SÜ2 layer at 100HV1.
  • the porosity was ⁇ 3% in both layers, the maximum pore size was ⁇ .
  • the completely injection molded, cylindrical component with an inner diameter of 80 mm, a total length of 180 mm and a wall thickness of 1.8 mm was removed from the coating system, clamped in a lathe and cylindrically turned over on the outer shell.
  • the surface roughness was Ra ⁇ 6 ⁇
  • the bushing was rotated to an outer diameter of 83.6 mm.
  • the cylinder liner was cut to 142 mm at both ends by means of turning, or chamfered externally and internally with a 30 ° chamfer.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einerthermisch gespritzten, dünnwandigen Zylinderlaufbuchse zum Einfügen in ein Zylinderkurbelgehäuse sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse.

Description

Zylinderlaufbuchse und Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer insbesondere ther- misch gespritzten, dünnwandigen Zylinderlaufbuchse zum Einfügen in ein Zylinderkurbelgehäuse sowie eine mit dem Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse.
Beschreibung des Standes der Technik Bei Motoren ohne Zylinderlaufbuchsen muss für den Motorblock ein Material verwendet werden, welches die vorrangigen Anforderungen erfüllt, die sich durch den direkten Kontakt mit dem Reibpartner Kolben bzw. den Kolbenringen ergeben. Insbesondere sind eine hohe Verschleißfestigkeit sowie eine geringe Reibung erforderlich. Nachrangig sind weitere Anforderungen wie etwa geringes Gewicht, niedrige Materialkosten, niedrige Herstellkosten und hohe Wärmeleitfähigkeit. Die Anforderungen sind bei buchsenlosen Motoren nur schwer, wenn überhaupt, in Einklang zu bringen.
Die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen bei Verbrennungskraftmaschinen gestattet es, für den Motorblock ein anderes Material zu verwenden, welches nur die dafür maßgeblichen Anforderungen erfüllt. Die Zylinderlaufbuchse hingegen kann speziell für die Anforderungen Verschleißfestigkeit und geringe Reibung optimiert werden. Da der Materialanteil der Laufbuchse im Vergleich zum Motorblock relativ gering ist, können hier auch hochwertigere und daher teurere Werkstoffe eingesetzt werden, ohne sich allzu nachteilig auf die Gesamtkosten auszuwirken.
Im Stand der Technik sind Verfahren zur Herstellung von Leichtmetall-Zylinderlaufbuchsen zum thermischen Fügen in Zylinderkurbelgehäusen aus Eisen oder Leichtmetall bekannt (siehe etwa die Broschüre "Überholung von Aluminium-Motoren" der Firma MSI Motor Service International GmbH, Ausgabe 03/99). Solche Buchsen werden z.B. über einen Prozess des Sprühkompaktierens mit anschließender mechanischer Bearbeitung hergestellt. Diese unter dem Markennamen Alusil® vertriebenen Buchsen haben allerdings den Nachteil einer mäßigen Verschleißbeständigkeit an der Zylinderlauffläche. Des Weiteren ist hier ein aufwendiger Prozess des Freilegens von Siliziumkristallen bei der Endbearbeitung der Zylinderlaufflächen notwendig.
Unter dem Markennamen Silitec® vertriebene Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbuchsen oder Zylinderlaufflächen aus Blocklegierungen (Alusil®, Lokasil®) besitzen eine hohe Wärme- leitfähigkeit. Die Verschleiß fähigkeit der jeweiligen Zylinderlaufflächen wird durch die vorliegenden, nach dem Honen herausragenden Siliziumpartikel bestimmt. Bei Gusswerkstoffen ist verfahrenstechnisch ein Siliziumanteil von maximal etwa 20% erreichbar. Bei sprühkompaktierten Werkstoffen können höhere Siliziumanteile erzielt werden; prozessbedingt führt dies jedoch zu ansteigenden Bauteilkosten. Aufgrund der hohen mechanischen Belastung bei neuen Motoren, beispielsweise Ottomotoren mit Benzindirekteinspritzung oder modernen Dieselmotoren, sind die mechanischen Festigkeitswerte mit konventionellen Aluminium-Silizium-Legierungen allerdings grenzwertig.
Weiterhin sind Slip-Fit Liner aus Grauguss als Zylinderlaufbuchsen bekannt. Die Liner werden mechanisch aus geschleuderten Grauguss-Rohren gefertigt. Zur Erzielung der geforderten Oberflächenrauheit und Zylinderform wird der Außendurchmesser geschliffen. Zum Einsetzen von Grauguss-Buchsen ist es nötig, dass die Buchse bei Raumtemperatur einen größeren Durchmesser hat, als die Bohrung des Zylinderkurbelgehäuses. Danach ist der Durchmesser mindestens einer der beiden Fügekörper durch thermische Ausdehnung derart zu verändern, dass sich die Buchse sicher in das Zylinderkurbelgehäuse einsetzen lässt. Dies geschieht im Allgemeinen durch Aufheizen des Zylinderkurbelgehäuses, da aufgrund des zu geringen Wärmeausdehungskoeffizienten von Grauguss ein Abkühlen der Buchse alleine nicht ausreicht. Dies macht das Einsetzen von Grauguss-Buchsen aufwändig und teuer. Eine weitere bekannte Form von Zylinderbewehrungen sind auf die Zylinderlauffläche gespritzte Schichten. In der DE 197 33 205 AI werden eine Beschichtung einer Zylinderlauffläche einer Hubkolbenmaschine auf Eisen-, Aluminium- oder Magnesium-Basis mit einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung und/oder einem Aluminium/Silizium- Verbundwerkstoff und ein Verfahren zur Herstellung dieser Beschichtung offenbart. Die Beschichtung wird hier direkt auf die Innenwand der Zylinderbohrung im Motorblock aufgetragen.
Hierzu wird entweder ein um die Mittelachse der Zylinderbohrung rotierender Innenbrenner, der auf einem rotierenden Aggregat aufgebaut ist, in die Zylinderbohrung eingeführt und axial bewegt. Oder es wird der Innenbrenner in die Zylinderbohrung des rotierenden Kurbelgehäuses eingeführt und entlang der Mittelachse der Zylinderbohrung axial bewegt, um die Beschichtung auf die Zylinderwand aufzuspritzen. Die Zylinderoberfläche muss im Allgemeinen vor der Beschichtung aufwändig vorbereitet werden, beispielsweise durch Aufrauhen mittels Hochdruckwasserstrahlen, oder durch Einbringen einer definierten Pro- filierung mit Hinterschnitten über einen Drehprozess.
Die Herstellung der Beschichtung direkt auf der Wand der Zylinderbohrung benötigt außerdem entweder ein kompliziertes Aggregat mit Innenbrenner, das selber innerhalb der Bohrung rotiert, um die Beschichtung gleichmäßig auftragen zu können, oder es ist erfor- derlich, dass der gesamte Motorblock mit der Zylinderbohrung um einen nicht rotierenden Innenbrenner rotiert. Beide Verfahren sind aufwendig und kostenintensiv. Aufgrund der Grösse des Beschichtungsaggregates können nur Zylinderbohrungen mit einem Bohrungsdurchmesser von größer als 80 mm zuverlässig beschichtet werden. Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfacheres Verfahren zur Herstellung einer verbesserten Zylinderlaufbuchse sowie eine entsprechende Laufbuchse bereitzustellen, bei dem/der die vorstehend aufgeführten Nachteile beseitigt oder zumindest verringern können. Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse bereitgestellt, umfassend: thermisches Spritzen eines ersten Werkstoffes auf einen Formkörper zur Bildung einer verschleiß- und korrosionsbeständigen ersten Schicht, wobei der erste gespritzte Werkstoff umfasst, mindestens 67% Eisen, Fe; maximal 3% Kohlenstoff, C; zwischen 0 und maximal 20% Chrom, Cr; zwischen 0 und maximal 10% Nickel, Ni; und thermisches Spritzen eines zweiten Werkstoffes zur Bildung einer zweiten äußeren Schicht auf der ersten, inneren Schicht, wobei der zweite gespritzte Werkstoff umfasst, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder ein Mehrelementmaterial aus Leichtmaterialund Eisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Fig. 1 zeigt einen Schnitt einer Zylinderlaufbuchse gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse mittels thermischem Spritzen vor.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein erster Werkstoff zur Bildung einer ersten, inneren Lage auf einem Formkörper bereitgestellt, der als wesentliche Elemente mindestens 67% Fe und max. 3,0% C aufweist. Um die Korrosionsbeständigkeit der ersten Lage zu verbessern können bis zu 20% Cr und oder 10% Nickel zulegiert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der erste Werkstoff mindestens 70 % Fe, mehr bevorzugt mindestens 80 % Fe, noch mehr bevorzugt mindestens 90 % Fe und darüber, sogar noch mehr bevorzugt mindestens 95 % Fe. Der Kohlenstoffgehalt sollte nicht über 3 % liegen, da andernfalls der Werkstoff zu hart und spröde, d.h. schwer zu bearbeiten ist. Es besteht die Gefahr von Schichtabplatzung bzw. Rissbildung. Der Kohlenstoffgehalt liegt deshalb bei vorzugsweise < 2 % und noch mehr bevorzugt <_1 %. Der Werkstoff kann weiter zwischen 0 und max. 30% Cr und zwischen 0 und max. 10% Ni enthalten. Diese Komponenten dienen normalerweise dazu die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, bedeuten jedoch auch höhere Materialkosten bzw. einen höheren Fertigungsaufwand bei der Nachbearbeitung der Lauffläche z.B. beim Honen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die in diesem Schritt erfindungsgemäß hergestellte erste bzw. innere Lage der Zylinderlaufbuchse auch ohne Vorhandensein der genannten Elemente bei aktuellen Motorendesigns keine Korrosionsanfälligkeit zeigt, so dass der eingesetzte Werkstoff, diese Elemente nur in geringen Mengen wenn überhaupt enthalten muss. Bevorzugte Bereiche für diese Komponenten sind zwischen 0 und 19 %, mehr bevorzugt zwischen 0 und 5 %, mehr bevorzugt zwischen 0 und 3 %, sogar noch mehr bevorzugt zwischen 0 und 1 % für Cr. Gleichermaßen ist für Ni ist ein Bereich bevorzugt von zwischen 0 und 5 %, mehr bevorzugt von zwischen 0 und 3 % und noch mehr bevorzugt von zwischen 0 und 2 %, sogar noch mehr bevorzugt von zwischen 0 und 1 %.
Der Werkstoff liegt vor dem Beschichtungsprozess als Massiv- oder Fülldraht vor und wird mittels bekannter Drahtbeschichtungsverfahren, wie beispielsweise mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Drahtflammspritzen u.ä. aufgeschmolzen und auf einen rotierenden Formkörper aufgetragen.
Der Werkstoff wird auf die Außenfläche des rotierenden Formkörpers aufgetragen, welcher eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist. Mit Maßgabe der zylindrischen Form ist die weitere Form des Formkörpers, insbesondere dessen Abmessungen lediglich von dem beabsichtigten Einsatzgebiet beschränkt. So kann insbesondere der Aussendurchmesser des Formkörpers im Hinblick auf die unterschiedlichen Durchmessern von Zylinderlaufbuchsen im Bereich von ca. 20 mm bis zu ca. 1000 mm liegen, vorzugsweise für den Automo- bilbereich zwischen 60 mm bis ca. 100 mm. Die Länge des Formkörpers ist nach oben nicht beschränkt, da eine gewünschte Länge der Zylinderlaufbuchse durch Nachbearbeiten eines ersten erhaltenen Werkstückes hergestellt werden kann. Der Formkörper muss lediglich die Länge der gewünschten Zylinderlaufbuchse aufweisen und kann daher von ca. 50 mm bis zu ca. 5 m betragen. Für die Herstellung von Zylinderlaufbuchsen für den Automobilsektor beträgt die Länge des Formkörpers von ca. 100 mm bis ca. 400 mm, wobei auf einem Formkörper 2 bis 4 Zylinderlaufbuchsen auf einmal hergestellt werden können.
Der Formkörper kann aus jedem Werkstoff bestehen, der bei den angelegten Verfahrensbedingungen formstabil bleibt, d.h. insbesondere den Temperaturen des aufgeschmolzenen und aufgetragenen Materials widerstehen kann, beispielsweise bei Eisen Temperaturen von ca. 1400 °C und ein Ablösen der ersten, inneren Schicht nach dem Auftragen ermöglicht. Optional kann die Außenfläche des Formkörpers mit einer dünnen, anorganischen Trennschicht versehen werden. In einem weiteren Schritt wird eine zweite, äussere Lage auf die erste, innere Lage aufgebracht, die noch auf dem Formkörper befindlich sein kann oder vorher vom Formkörper entfernt wurde, d.h. in Form einer Hülse als Freikörper vorliegt. Der Aussendurchmesser der ersten Lage ist„as sprayed", d.h. er wird vor dem Auftragen der zweiten Lage mechanisch nicht bearbeitet.
Dabei kann das gleiche thermische Spritzverfahren wie im ersten Schritt eingesetzt werden kann oder auch ein anderes. Dies wird in Abhängigkeit von dem eingesetzten Werkstoff und den anderen bei der Produktion vorherrschenden Gegebenheiten gewählt. Der im zweiten Schritt aufgebrachte Werkstoff wird im Allgemeinen derart gewählt, dass er einen Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist, der möglichst ähnlich ist zu dem des Zylinderkurbelgehäuses. Der Werkstoff kann, beispielsweise ausgewählt werden unter Aluminium oder einer Aluminiumlegierung aus AI und Si bzw. AI und Mn bzw. AI und Mg oder einer Mehrelementschicht aus einer Aluminiumlegierung und Eisen. Diese ist insbesondere von Vorteil, da eine derartige Kombination beim Auftragen punktuell über die Oberfläche verteilt wird, was hinsichtlich eines nachfolgenden Bearbeitungsschrittes, insbesondere Schleifen, eine geringere Oberflächenrauheit liefert.
Durch das erfindungsgemäß Verfahren lassen sich Lagen mit einer Porosität von < 8 Vol.-%, vorzugsweise < 5 Vol.-%, mehr bevorzugt < 3 Vol.-% und Porengrössen von < 15 μιτι, vorzugsweise < 10 μιτι, mehr bevorzugt < 8 μιτι erzielen. Dies ist im Gegensatz zu Innenbeschichtungen des Standes der Technik wesentlich verbessert, die eine Porosität von etwa > 10 Vol.-% und eine Porengrösse von etwa 20 μηι liefern. Wenn der zweite Auftragschritt auf dem Formkörper durchgeführt wurde, kann das so erhaltene Produkt vor weiteren Bearbeitungsschritten auf dem Formkörper belassen oder von dem Formkörper getrennt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird die nach dem Spritzen noch raue Außenmantelfläche der äußeren, zweiten Lage durch Schleifen oder Drehen bearbeitet, wodurch der gewünschte Aussendurchmesser, die notwendige Zyhndrizität und die erforderliche Oberflächenrauheit der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zylinderlaufbuchse erreicht wird. Die damit zu erzeugende Rauhtiefe (Rz) der Außenmantelfläche liegt normalerweise im Bereich von maximal etwa 50 μιτι, vorzugsweise maximal etwa 30 μιτι, mehr bevorzugt maximale 10 μηι. Die gewünschte Rauhtiefe kann jeweils durch ein geeignetes Bearbeitungs verfahren, wie z.B. Fein-Drehen erreicht werden. Werden höhere Anforderungen an die Zyhndrizität gestellt, dann kann die Außenmantelfläche auch geschliffen werden. Die gewünschte Gesamtlänge der in eine Kraftmaschine einzusetzenden Zylinderlaufbuchse kann durch Drehen, Fräsen oder Laserschneiden aus der erzeugten Zylinderlaufbuchse hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform weist die erste innere Schicht der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zylinderlaufbuchse eine Schichtdicke von etwa 0,2 bis 2,0 mm auf, vorzugsweise von 0,2 bis 1 mm, mehr bevorzugt von 0,2 bis 0,8 mm auf. Die zweite äussere Schicht der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Zylinderlaufbuchse weist nach dem Auftragen eine Schichtdicke von etwa 0,2 bis 2 mm auf, vorzugsweise von 0,3 bis 2,0 mm noch mehr bevorzugt von 0,3 bis 1,0 mm. Durch die Bearbeitungsschritte des Drehens bzw. Schleifens wird die Schichtdicke der äusseren Lage im Allgemeinen um etwa 0,1 mm bis etwa 0,5 mm verkleinert.
Folglich weist die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse eine Gesamtwandwandstärke von 0,4 bis maximal etwa 10 mm auf, vorzugsweise von etwa 1 mm bis 2 oder 3 mm.
Das so erhaltene Produkt wird nun, wenn noch auf dem Formkörper befindlich, zur wahlweisen weiteren Behandlung von diesem getrennt. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse an einer oder an beiden axialen Enden am Außendurchmesser und/oder am Innendurchmesser mit einer Fase zu versehen. Dadurch kann einerseits das Fügen der Buchse erleichtert, andererseits das Positionieren eines Honwerkzeuges für die Innenbearbeitung verbessert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter am Buchsenmantel Aussparungen und/oder Überströmkanäle vorzusehen, welche durch Bearbeiten mit geometrisch bestimmter Schneide oder thermischem Laserschneiden erzeugt werden können. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse kann an einem Ende optional mit Pulsationsbohrungen oder mit einem Bund versehen werden. Die Pulsationsbohrungen können entweder durch Fräsen oder mittels Schneiden mit einem Laser erzeugt, der Bund beispielsweise durch eine Drehbearbeitung hergestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Verfahren weiter, die Innenseite der gebildeten Zylinderlaufbuchse nach dem Fügen in den Motorblock zu honen, wodurch die Dicke der ersten, inner Schicht auf bis zu 0,05 mm verringert werden kann, dies um eine bessere Wärmeleitfähigkeit zu erzielen. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Zylinderlaufbuchse bereitgestellt, die durch das vorstehend beschriebene Verfahren hergestellt wurde.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchse wird nach Fertigstellung und Bearbeitung in eine Zylinderbohrung einer Kraftmaschine eingesetzt. Dies kann, wie beispielsweise im Automobilbereich gemäß herkömmlicher Verfahren erfolgen, indem der Motorblock (Aluminium) auf eine Temperatur von ca. 250 °C aufgeheizt wird, und die Buchse in die Zylinderbohrungen eingefügt wird. Die erfindungsgemäße Buchse kann jedoch auch aufgrund der ihr innewohnenden Eigenschaften auch in einen nicht aufgeheizten Motorblock eingesetzt werden, indem diese selbst vorher gekühlt wird, beispielsweise auf Temperaturen von etwa -20°C, oder -30 °C oder -40°C bis zu -78,5 °C (festes Kohlendioxid) oder vorzugsweise in Flüssigstickstoff auf Temperaturen von etwa -20 °C usw. bis zu -196°C und dann in die Zylinderbohrung überführt wird. Dies ist mit einer Grauguss-Buchse nicht möglich, da deren Ausdehnungskoeffizient zu gering ist. Damit erleichtert die erfindungsgemäße Buchse die Handhabung und verringert Aufwand und Kosten des Einsetzens der Buchse.
Auch bei einem mechanischen Einbau („Loose-fit") der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse ergeben sich Vorteile, da sich die Aluminium enthaltende äussere Schicht sich beim Betrieb ausdehnt und einen besseren Kontakt mit der Zylinderbohrungswand mit einhergehender verbesserter Wärmeabfuhr sicherstellt. Die Laufbuchse wird bei Raumtemperatur über den Bund axial in der Zylinderbohrung fixiert.
Beispiel Mittels Lichtbogendrahtspritzen wurde eine 0.8 mm dicke erste Lage aus einem Stahldraht (99%Fe, 0.8% C, Rest Verunreinigungen wie Mn, Cr, Ni) auf einen metallischen zylinderförmigen Formkörper (Durchmesser 80 mm, Länge 1000 mm) gespritzt. Die 3.2 mm dicken Massivdrähte wurden mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1 m/min bei einer Spannung von 36V und Stromstärke von 800A im Beschichtungsaggregat aufgeschmolzen und auf den mit 150 U/min rotierenden Formkörper aufgespritzt. Der Beschichtungsabstand betrug 150 mm, die Schichtdicke von 0.8mm wurde in 6 Beschichtungsbahnen aufgetragen.
Die erste Lage wurde vom Formkörper getrennt, zwischen 2 konischen Aufnahmen eingespannt und in eine zweite Beschichtungsanlage ebenfalls mittels Licht- bogendrahtspritzen mit einer 1.0 mm dicken A1SÜ2 Schicht versehen. Die 3.2 mm Massivdrähte wurden mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1.2m/min in das Beschichtungsaggregat geführt und bei 30V bzw. 650A aufgeschmolzen. Die 1.0 mm dicke Schicht wird in 4 Beschichtungsbahnen bei einer Rotationsgeschwindigkeit von 150 U/min. aufgetragen. Mittels metallografischer Untersuchungen wurde das Schichtgefüge von beiden Schichten analysiert, die Härte der St0.8 Schicht lag bei 400 HV1, die A1SÜ2 Schicht bei 100HV1. Die Porosität betrug in beiden Schichten <3% die maximale Porengrösse betrug ΙΟμιτι.
Das komplett gespritzte, zylindrische Bauteil mit einem Innendurchmesser von 80mm, einer Gesamtlänge von 180 mm und einer Wanddicke von 1.8 mm wurde aus der Beschichtungsanlage entnommen, in eine Drehmaschine eingespannt und am Aussenmantel zylindrisch überdreht. Die Oberflächenrauheit betrug Ra < 6μηι, die Buchse wurde auf einen Aussendurchmesser von 83.6 mm gedreht. Zuletzt wurde die Zylinderlaufbuchse an beiden Enden mittels Drehbearbeitung auf 142 mm abgelängt bzw. aussen und innen mit einer 30° Fase angefast.

Claims

Ansprüche
Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse, umfassend:
thermisches Spritzen eines ersten Werkstoffes auf einen Formkörper zur
Bildung einer verschleiß- und korrosionsbeständigen ersten Schicht, wobei der erste gespritzte Werkstoff umfasst,
mindestens 67% Eisen, Fe;
maximal 3% Kohlenstoff, C;
zwischen 0 und maximal 20% Chrom, Cr;
zwischen 0 und maximal 10% Nickel, Ni; und
thermisches Spritzen eines zweiten Werkstoffes zur Bildung einer zweiten äußeren Schicht auf der ersten, inneren Schicht, wobei der zweite gespritzte Werkstoff umfasst, Aluminium, eine Aluminiumlegierung oder ein Mehrelementmaterial aus Leichtmaterial; und
Entfernen des Formkörpers zur Freilegung der gebildeten Zylinderlaufbuchse.
Verfahren nach Anspruch 1 , weiter umfassend:
Bearbeiten der äußeren Schicht durch Schleifen, Fein- oder Feinstdrehen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die maximale Rauhtiefe der Außenmantelfläche 50 μιτι, vorzugsweise 10 μηι beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jede Schicht eine Schichtdicke von 0,05 bis 2,0 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gebildete Zylinderlaufbuchse eine maximale Gesamtwandstärke von 4,0 mm, bevorzugt von 0,7 bis 2,0 mm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Versehen der gebildeten Zylinderlaufbuchse mit einer Fase am Außendurchmesser.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Versehen der gebildeten Zylinderlaufbuchse mit einer Fase am Innendurchmesser.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Erzeugen von Aussparungen an der Buchsenunterseite und/oder Überströmkanälen durch Fräsen oder thermisches Laserschneiden.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend:
Honen der Innenseite der gebildeten Zylinderlaufbuchse.
10. Zylinderlaufbuchse, herstellbar mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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