WO2013004213A1 - Verfahren zur herstellung einer zylinderlauffläche sowie zylinderlaufbuchse - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a cylinder surface and a cylinder liner for a cylinder crankcase of an internal combustion engine.
  • Cylinder liners are usually made of a steel material or a cast iron material.
  • cylinder liners made of a cast iron material are susceptible to corrosion.
  • galvanically provide the running surfaces of cylinder liners with a corrosion and abrasion resistant coating, for example based on chromium.
  • this has a disadvantageous effect on the material costs and on the costs of the production process.
  • the present invention is therefore based on the object to increase the corrosion resistance of cylinder liners made of a cast iron material. Furthermore, the material production costs are to be reduced.
  • the solution consists of a process comprising the following process steps: (a) pre-honing the inner surface of a cylinder liner made of a cast iron material to form depressions in the surface; (b) applying a zinciferous coating material to the pre-honed surface; (c) finish-coating the coated surface such that the zinc-containing coating material remains only in the recesses formed by pre-honing.
  • the present invention further provides a cylinder liner made of a cast iron material for a cylinder crankcase that can be produced by the process according to the invention.
  • the inventive method is characterized in that the protective effect against corrosive attack achieved by a cathodic protection effect becomes.
  • zinc is oxidized instead of the iron contained in the cast iron material. Only after the zinc contained in the coating is completely oxidized, a corrosive attack on the iron can be observed. As a result, corrosive damage to the cast iron material is substantially delayed and the service life of the cylinder liner treated according to the invention is considerably increased.
  • the pregone surface is suitably film-galvanized in step (b), i. provided with the zinc-containing coating without heat.
  • Suitable zinc-containing coating materials for use in step (b) are, in particular, inorganic-based zinc coatings, for example water-based inorganic zinc silicates with zinc powder containing at least 92% by weight of zinc. These zinc coatings are temperature resistant up to 600 ° C. A typical product on the market is the zinc varnish "Aquazinga” from Zinga, Germany.
  • step (b) the zinc-containing coating is applied by means of a stripping process in order to ensure that the depressions introduced into the surface by pre-honing are filled as completely as possible with the coating material.
  • the coating material can be applied in step (b) in a conventional manner but also by means of thermal spraying, by means of cold gas spraying or by means of vacuum suction blasting using a zinc-containing wire or a zinc-containing powder.
  • a particularly preferred embodiment of the method according to the invention is that pocket-shaped depressions are introduced into the pre-honed surface after pre-honing and before application of the zinc-containing coating material.
  • the pocket-shaped depressions are advantageously introduced with a maximum depth of 100 ⁇ in the surface and / or with a diameter of 30 ⁇ to 50 ⁇ in the surface to allow a uniform distribution on the surface.
  • the depressions are preferably introduced into the surface with an area fraction of 2% to 10%. Thus, an optimal ratio of corrosion protection and consumption of coating materials can be achieved.
  • the pocket-shaped depressions can, for example, be introduced into the surface by means of laser beam treatment.
  • the inner surface of a cylinder liner made of a commercially available cast iron material is processed according to the invention.
  • an internal drilling by means of a boring tool initially takes place in a manner known per se.
  • the inner diameter is adjusted to a defined dimension, a defined cylindricity and a defined roughness.
  • the inner surface of the cylinder liner is prepared for the subsequent process steps.
  • the inner surface of the cylinder liner is machined using a honing tool by means of roughing, the honing stones of the honing tool removing material from the inner surface of the cylinder liner.
  • the accuracy of the inner diameter in terms of dimension, cylindricity and roughness is improved.
  • honing marks are introduced into the inner surface of the cylinder liner
  • the number of recesses, their depth and their distribution on the inner surface of the cylinder liner can be determined in a manner known per se.
  • the inner surface of the cylinder liner is spray coated with a zinc paint.
  • the recesses introduced by the honing tool are filled with the zinc varnish.
  • a base is formed in the next process step.
  • the zinc paint is removed over the surface of the recesses until the material of the cylinder liner has been reached.
  • a defined amount of material of the cylinder liner is removed.
  • a defined area ratio of the zinc coating is set. At the same time, the roughness of the inner surface is reduced and the cylindricity is improved.
  • a plateau lifting takes place in a manner known per se, from which a plateau-like leveling of the surface structure of the inner surface of the cylinder liner results, depending on the selected grain size of the honing stones and the amount of material removal. Furthermore, the final desired areal proportion of the zinc coating is adjusted and the cylindricity is optimized.
  • an inner surface of a cast iron material is processed as described above.
  • the only difference after roughing and before coating is a further surface treatment by means of laser beams for the introduction of additional pocket-shaped depressions in the honed inner surface of the cylinder liner.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlauffläche für ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: (a) Vorhonen der inneren Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff unter Ausbildung von Vertiefungen in der Oberfläche; (b) Auftragen eines zinkhaltigen Beschichtungswerkstoffs auf die vorgehonte Oberfläche; (c) Fertighonen der beschichteten Oberfläche, derart, dass der zinkhaltige Beschichtungswerkstoff lediglich in den durch das Vorhonen gebildeten Vertiefungen verbleibt.

Description

Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlauffläche sowie Zylinderlaufbuchse
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlauffläche sowie eine Zylinderlaufbuchse für ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors.
Zylinderlaufbuchsen werden in der Regel aus einem Stahlwerkstoff oder einem Gusseisenwerkstoff hergestellt. Zylinderlaufbuchsen aus einem Gusseisenwerkstoff sind allerdings anfällig für Korrosion. Es ist zwar bekannt, die Laufflächen von Zylinderlaufbuchsen galvanisch mit einer korrosions- und abrasionsbeständigen Be- schichtung zu versehen, bspw. auf der Basis von Chrom. Dies wirkt sich allerdings nachteilig auf die Materialkosten sowie auf die Kosten des Herstellungsverfahrens aus.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Korrosionsbeständigkeit von Zylinderlaufbuchsen aus einem Gusseisenwerkstoff zu erhöhen. Ferner sollen die Material - Herstellungskosten reduziert werden.
Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten: (a) Vorhonen der inneren Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff unter Ausbildung von Vertiefungen in der Oberfläche; (b) Auftragen eines zinkhaltigen Beschichtungswerkstoffs auf die vorgehonte Oberfläche; (c) Fertighonen der beschichteten Oberfläche, derart, dass der zinkhaltige Beschichtungswerkstoff lediglich in den durch das Vorhonen gebildeten Vertiefungen verbleibt.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbare Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff für ein Zylinderkurbelgehäuse.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Schutzwirkung gegen einen korrosiven Angriff durch eine kathodische Schutzwirkung erreicht wird. Während des Korrosionsprozesses wird zunächst Zink anstelle des im Gusseisenwerkstoff enthaltenen Eisen oxidiert wird. Erst nachdem das in der Beschichtung enthaltene Zink vollständig oxidiert ist, wird ein korrosiver Angriff auf das Eisen beobachtet werden können. Im Ergebnis wird eine korrosive Schädigung des Gusseisenwerkstoffs wesentlich verzögert und die Lebensdauer der erfindungsgemäß behandelten Zylinderlaufbuchse erheblich erhöht.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Beschichtung auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse erhalten, in der der zinkhaltige Beschichtungswerkstoff lediglich in den Vertiefungen verbleibt, die durch das Vorhonen in die Oberfläche eingebracht wurden. Somit wird mit einem sehr geringen Aufwand an Beschichtungswerkstoff ein wirksamer Korrosionsschutz erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die vorgehonte Oberfläche wird in Schritt (b) zweckmäßigerweise filmverzinkt, d.h. ohne Wärmeeinwirkung mit der zinkhaltigen Beschichtung versehen.
Geeignete zinkhaltige Beschichtungswerkstoffe zur Verwendung in Schritt (b) sind insbesondere Zinklacke auf anorganischer Basis, bspw. wasserbasierte anorganische Zinksilikate mit Zinkpulver, die mindestens 92 Gew.-% Zink enthalten. Diese Zinklacke sind bis 600°C temperaturbeständig. Ein typisches auf dem Markt befindliches Produkt ist der Zinklack„Aquazinga" der Fa. Zinga, Deutschland.
Vorzugsweise wird in Schritt (b) die zinkhaltige Beschichtung mittels eines Abstreifverfahrens aufgebracht, um zu gewährleisten, dass die durch das Vorhonen in die Oberfläche eingebrachten Vertiefungen möglichst vollständig mit dem Beschichtungswerkstoff gefüllt werden.
Der Beschichtungswerkstoff kann in Schritt (b) in an sich bekannter Weise aber auch mittels thermischem Spritzen, mittels Kaltgasspritzen oder mittels Vakuum- Saugstrahlen unter Verwendung eines zinkhaltigen Drahtes oder eines zinkhaltigen Pulvers aufgebracht werden. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass nach dem Vorhonen und vor dem Aufbringen des zinkhaltigen Beschichtungswerkstoffes taschenförmige Vertiefungen in die vorgehonte Oberfläche eingebracht werden. Derartige Vertiefungen oder„Taschen" bewirken, dass nach dem Fertighonen eine größere Menge an zinkhaltigem Beschichtungsmittei auf der fertigen Lauffläche der Zylinderlaufbuchse verbleibt, da das zinkhaltige Beschichtungsmittei sowohl in den durch das Vorhonen in die Oberfläche eingebrachten Vertiefungen als auch in den im Anschluss an das Vorhonen in die Oberfläche eingebrachten taschenförmigen Vertiefungen verbleibt.
Die taschenförmigen Vertiefungen werden zweckmäßigerweise mit einer maximalen Tiefe von 100μιτι in die Oberfläche und/oder mit einem Durchmesser von 30μιτι bis 50μιτι in die Oberfläche eingebracht, um eine gleichmäßige Verteilung auf der Oberfläche zu ermöglichen.
Bevorzugt werden die Vertiefungen mit einem Flächenanteil von 2% bis 10% in die Oberfläche eingebracht. Damit kann ein optimales Verhältnis von Korrosionsschutz und Verbrauch von Beschichtungsmitteln erreicht werden.
Die taschenförmigen Vertiefungen können bspw. mittels Laserstrahlbehandlung in die Oberfläche eingebracht werden.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden näher beschrieben.
Die innere Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse aus einem handelsüblichen Gusseisenwerkstoff wird erfindungsgemäß bearbeitet. Dazu erfolgt zunächst in an sich bekannter Weise ein Innenbohren mittels eines Aufbohrwerkzeugs. Dabei wird der Innendurchmesser auf ein definiertes Abmaß, eine definierte Zylindrizität und eine definierte Rauheit eingestellt. Damit wird die innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse auf den nachfolgenden Verfahrensschritte vorbereitet. Im anschließenden Verfahrensschritt wird die innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse unter Verwendung eines Honwerkzeugs mittels Schrupphonen bearbeitet, wobei die Honleisten des Honwerkzeugs Material von der inneren Oberfläche der Zylinderlaufbuchse abtragen. Dabei wird die Genauigkeit des Innendurchmessers in Bezug auf Abmaß, Zylindrizität und Rauheit verbessert. Zugleich werden definierte Vertiefungen („Honriefen") in die innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse eingebracht. Durch die Wahl der Körnung der Honleisten können die Anzahl der Vertiefungen, ihre Tiefe und ihre Verteilung auf der inneren Oberfläche der Zylinderlaufbuchse in an sich bekannter Weise bestimmt werden.
Im Anschluss an das Schrupphonen wird die innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse mit einem Zinklack mittels Spritzauftrag beschichtet. Dabei werden die vom Honwerkzeug eingebrachten Vertiefungen mit dem Zinklack gefüllt.
Nach dem Aushärten des Zinklacks erfolgt im nächsten Verfahrensschritt ein Basishonen. Dabei wird zunächst der Zinklack außerhalb der Vertiefungen flächig abgetragen, bis der Werkstoff der Zylinderlaufbuchse erreicht ist. Anschließend wird eine definierte Menge Werkstoff der Zylinderlaufbuchse abgetragen. Im Ergebnis verbleibt nur der in den Vertiefungen angesammelte Zinklack im Bereich der inneren Oberfläche der Zylinderlaufbuchse. Durch die Wahl der Körnung der Honleisten und der Menge des abgetragenen Werkstoffs der Zylinderlaufbuchse wird ein definierter Flächenanteil des Zinklacks eingestellt. Zugleich wird die Rauheit der inneren Oberfläche reduziert und die Zylindrizität verbessert.
In einem abschließenden Verfahrensschritt erfolgt in an sich bekannter Weise ein Plateauhonen, woraus, in Abhängigkeit von der ausgewählten Körnung der Honleisten und der Menge des Werkstoffabtrags eine plateauartige Einebnung der Oberflächenstruktur der inneren Oberfläche der Zylinderlaufbuchse resultiert. Ferner werden der endgültige gewünschte Flächenanteil des Zinklacks eingestellt und die Zylindrizität optimiert.
Die Parameter dieser beispielhaften Bearbeitung der inneren Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse sind der Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1
Figure imgf000006_0001
In einem weiteren Ausführungsbeispiel wird eine innere Oberfläche aus einem Gusseisenwerkstoff wie oben beschrieben bearbeitet. Als einziger Unterschied findet nach dem Schrupphonen und vor dem Beschichten eine weitere Oberflächenbehandlung mittels Laserstrahlen zum Einbringen von zusätzlichen taschenförmigen Vertiefungen in die gehonte innere Oberfläche der Zylinderlaufbuchse.
Die Parameter dieser beispielhaften Bearbeitung der inneren Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse sind der Tabelle 2 zu entnehmen.
Tabelle 2
InnenSchruppLaserBasisPlateau¬
Parameter Beschichten
bohren honen bearbeitung honen honen
Materialabtrag
radial [pm] 500 200 - - 50 3
Zylindrizität
[pm] 140 12 - - 10 8
Beschichtung
Flächenanteil
[%] 100 10,5 10
Rauheit Rz
[pm] 45 35 100 10 5 3

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlauffläche für ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(a) Vorhonen der inneren Oberfläche einer Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff unter Ausbildung von Vertiefungen in der Oberfläche;
(b) Auftragen eines zinkhaltigen Beschichtungswerkstoffs auf die vorgehonte Oberfläche;
(c) Fertighonen der beschichteten Oberfläche, derart, dass der zinkhaltige Beschichtungswerkstoff lediglich in den durch das Vorhonen gebildeten Vertiefungen verbleibt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) die vorgehonte Oberfläche filmverzinkt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) ein Zinklack auf anorganischer Basis verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) die zinkhaltige Beschichtung mittels eines Abstreifverfahrens aufgebracht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt (b) der Beschichtungswerkstoff mittels thermischem Spritzen, mittels Kaltgasspritzen oder mittels Vakuum-Saugstrahlen unter Verwendung eines zinkhaltigen Drahtes oder eines zinkhaltigen Pulvers aufgebracht wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Schritt (a) und Schritt (b) taschenförmige Vertiefungen in die vorgehonte Oberfläche eingebracht werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmi- gen Vertiefungen mit einer maximalen Tiefe von ΙΟΌμηη in die Oberfläche eingebracht werden.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmi- gen Vertiefungen mit einem Durchmesser von 30 m bis 50 m in die Oberfläche eingebracht werden.
9. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmi- gen Vertiefungen mit einem Flächenanteil von 2% bis 10% in die Oberfläche eingebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die taschenförmi- gen Vertiefungen mit eines Laserstrahlverfahrens in die Oberfläche eingebracht werden.
11. Zylinderlaufbuchse aus einem Gusseisenwerkstoff für ein Zylinderkurbelgehäuse eines Verbrennungsmotors, herstellbar mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
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