(19) |
|
|
(11) |
EP 1 124 660 B1 |
(12) |
EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
(45) |
Hinweis auf die Patenterteilung: |
|
26.10.2005 Patentblatt 2005/43 |
(22) |
Anmeldetag: 05.08.2000 |
|
(86) |
Internationale Anmeldenummer: |
|
PCT/EP2000/007615 |
(87) |
Internationale Veröffentlichungsnummer: |
|
WO 2001/012362 (22.02.2001 Gazette 2001/08) |
|
(54) |
ZYLINDERKURBELGEHÄUSE, VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DER ZYLINDERLAUFBUCHSEN DAFÜR UND
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG DES ZYLINDERKURBELGEHÄUSES MIT DIESEN ZYLINDERLAUFBUCHSEN
A CYLINDER CRANK CASE, METHOD FOR THE MANUFACTURE OF A CYLINDER LINER THEREFOR AND
METHOD FOR THE PRODUCTION OF THE CYLINDER CRANK CASE WITH SAID CYLINDER LINERS
BLOC-CYLINDRES, PROCEDE DE FABRICATION DES CHEMISES DE CYLINDRE CORRESPONDANTES ET
PROCEDE DE FABRICATION DU BLOC-CYLINDRES AVEC CES CHEMISES DE CYLINDRE
|
(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
|
AT DE FR GB IT |
(30) |
Priorität: |
11.08.1999 DE 19937934
|
(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
|
22.08.2001 Patentblatt 2001/34 |
(73) |
Patentinhaber: |
|
- Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
80809 München (DE)
- Hydro Aluminium Deutschland GmbH
51149 Köln (DE)
- ATZ-EVUS Applikations- und Technikzentrum
92237 Sulzbach-Rosenberg (DE)
|
|
(72) |
Erfinder: |
|
- HOFFMANN, Dietmar
D-81475 München (DE)
- STEIBL, Josef
D-85716 Unterschleissheim (DE)
- DÖRNENBURG, Frank
D-45149 Essen (DE)
- NOLTE, Markus
D-33104 Paderborn (DE)
- SACH, Achim
D-88085 Langenargen (DE)
- AUMÜLLER, Berthold
D-92637 Weiden (DE)
- DOTZLER, Klaus
D-92249 Vilseck (DE)
|
(74) |
Vertreter: Cohausz & Florack |
|
Patent- und Rechtsanwälte
Bleichstrasse 14 40211 Düsseldorf 40211 Düsseldorf (DE) |
(56) |
Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 659 899 DE-C- 19 605 946
|
DE-A- 4 212 716
|
|
|
|
|
- PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 1999, no. 02, 26. Februar 1999 (1999-02-26) & JP 10
299568 A (SHIP &OCEAN ZAIDAN; TOCALO CO LTD; NIIGATA ENG CO LTD), 10. November
1998 (1998-11-10)
|
|
|
|
Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Leichtmetall-Zylinderkurbelgehäuse für Verbrennungskraftmaschinen
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1..Sie hat auch ein Verfahren zur Herstellung von
Zylinderlaufbuchsen für ein Zylinderkurbelgehäuse sowie ein Verfahren zur Herstellung
eines Zylinderkurbelgehäuses mit solchen Zylinderlaufbuchsen zum Gegenstand.
[0002] Aus Leichtbaugründen erfolgt gegenwärtig eine Substitution von Grauguss durch Aluminiumlegierungen
bei Zylinderkurbelgehäusen von Verbrennungskraftmaschinen für Kraftfahrzeuge. Während
bei Grauguss der Werkstoff zugleich auch für die Zylinderlaufflächen geeignet ist,
werden Aluminium-Gusslegierungen in diesem Bereich durch Zylinderlaufbuchsen verstärkt.
[0003] Aus DE 196 05 946 C 1 ist eine Zylinderlaufbuchse bekannt, die aus einer Laufschicht
aus Molybdän und einer äußeren Schicht aus einer Aluminiumlegierung besteht, die an
ihrer Außenseite profiliert ist. Beide Schichten werden durch thermisches Spritzen
auf einem rotierenden Dorn gebildet. Durch die Verwendung von Molybdän, einem Antihaftmittel,
einem Dorn mit einer Hartchromschicht und dergleichen wird die Haftung der Laufschicht
an dem Dorn soweit verringert, dass die Buchsen von dem Dorn abgezogen werden können.
[0004] Beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses werden die auf Pinolen in der Gießform angeordneten
Zylinderlaufbuchsen mit ihrer profilierten Außenfläche mit dem Gussmaterial formschlüssig
verbunden. Durch die schwere Molybdänlaufschicht besitzt die bekannte Zylinderlaufbuchse
ein erhebliches Gewicht. Zudem besteht die Gefahr einer Buchsenlockerung, des Zylinderverzugs
und damit einer Erhöhung der Blow-by-Werte. Auch können in den Mikrospalt an der Phasengrenze
zwischen dem Gussmaterial und den Buchsen Rückstände aus dem Verbrennungsprozess eindringen.
[0005] Um die Anbindung der Zylinderlaufbuchse an das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses
zu verbessern, wird nach DE 196 34 504 A 1 durch Bestrahlen der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse
mit scharfkantigen Partikeln eine Rauheit von 30 - 60 µm in Form pyramidenähnlicher
Ausstülpungen erzielt.
[0006] Da die Oxidhaut auf einem Aluminium-Körper, der in ein Aluminiumgussmaterial eingegossen
werden soll, die Anbindung an das Gussmaterial verhindert, wird nach DE 197 45 725
A1 die Oxidhaut auf dem Eingusskörper durch thermisches Spritzen mechanisch zerstört,
wobei die hierbei anfallenden Oxidpartikel in der Spritzschicht verteilt werden. Zudem
ragen die beim Auftreffen nicht komplett aufgeschmolzenen Spritzwerkstoffpartikel
aus der Spritzschicht, wodurch die Verbindung mit dem Gussmaterial verbessert wird.
Als Spritzwerkstoff wird eine Nickel- oder Molybdän-Legierung verwendet.
[0007] Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der DE-C 196 05 946
ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse bekannt, bei dem auf einen
als Formkörper dienenden Dorn eine die Lauffläche bildende Schicht, beispielsweise
aus einer Molybdänlegierung, und auf die Laufflächenschicht eine Deckschicht, beispielsweise
aus einer Aluminiumlegierung, durch ein thermisches Spritzverfahren aufgebracht werden.
Die auf ihren Innenflächen derart beschichtete Laufbuchse wird in einen fertig gegossenen
Zylinderblock eingesetzt.
[0008] Des Weiteren ist in der EP-A-659 899 ein Verfahren zum Einbinden eines festen Materials
in ein das feste Material umgießendes Metall durch eine metallurgische Diffusionsverbindung
beschrieben worden. Das feste Material wird dabei mit einer Beschichtung versehen,
die beim Umgießen mit dem Metallgusswerkstoff exotherm reagiert und dabei intermetallische
Verbindungen an der Oberfläche des festen Materials erzeugt. Auf diese Weise soll
die Anbindung des festen Materials an das Gussmaterial verbessert werden. Bei dem
festen Material kann es sich beispielsweise um eine Zylinderlaufbuchse handeln, die
in einem Verbrennungsmotor eingesetzt wird. Die latent exotherme Beschichtung wird
dabei vorzugsweise durch thermisches Spritzen aufgebracht.
[0009] Schließlich ist aus der DE-A-42 12 716 ein Aluminium-Zylinderkurbelgehäuse mit eingegossenen
Zylinderlaufbuchsen bekannt. Im Zuge der Herstellung dieses Kurbelgehäuses wird vor
dem Eingießen in die Aluminium-Schmelze auf die Laufbuchsen eine Beschichtung, beispielsweise
eine Zinkbeschichtung, aufgebracht. Das Aufbringen der Beschichtung erfolgt dabei
ein Beizen mit Zinkatlösung. Gemäß einer Ausgestaltung dieses Verfahrens kann eine
zusätzliche Schutzschicht auf die Laufbuchse aufgebracht werden, um die Oxidation
der beim Gießen eingesetzten Aluminiumschmelze zu verhindern, wenn die Zinkbeschichtung
alleine nicht ausreichend dick ist. Diese zusätzliche Schutzschicht kann als Spritzüberzug
aufgebracht werden. Allerdings wird dabei angestrebt, dass die Schutzschicht eine
möglichst geringe Porosität besitzt. Um dies zu erreichen, wird der Überzug unter
einer inerten Atmosphäre aufgetragen.
[0010] Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein einfach herstellbares für eine Verbrennungskraftmaschine
bestimmtes Zylinderkurbelgehäuse mit mindestens einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse
anzugeben, bei dem sichergestellt ist, dass die Zylinderlaufbuchse während der gesamten
Lebensdauer der Verbrennungskraftmaschine einwandfrei fest an das Gussmaterial des
Zylinderkurbelgehäuses angebunden ist. Darüber hinaus sollten ein Verfahren zur Herstellung
von Zylinderlaufbuchsen und ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen
angegeben werden, mit denen auf einfache Weise der sichere Halt der Laufbuchsen im
fertigen Gussteil gewährleistet werden kann.
[0011] In Bezug auf das Zylinderkurbelgehäuse ist diese Aufgabe durch ein die Merkmale des
Anspruchs 1 aufweisendes Zylinderkurbelgehäuse gelöst worden. Vorteilhafte Ausgestaltung
dieses Zylinderkurbelgehäuses sind in den Ansprüchen 2 bis 6 angegeben.
[0012] In Bezug auf das Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen ist die oben angegebene
Aufgabe durch das in Anspruch 7 beanspruchte Verfahren gelöst worden. Die Ansprüche
8 bis 19 enthalten Ausgestaltungen dieses Verfahrens.
[0013] Hinsichtlich des Verfahrens zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen besteht die
Lösung der oben genannten Aufgabe schließlich in dem in Anspruch 20 beanspruchten
Verfahren. In den Ansprüchen 21 und 22 sind Varianten dieses Verfahrens angegeben.
[0014] Bei dem erfindungsgemäßen Zylinderkurbelgehäuse ist die äußere Anbindeschicht der
Zylinderlaufbuchse durch thermisches Spritzen gebildet, das derart ausgeführt wird,
dass eine Spritzschicht mit einer hohen offenen Porosität von wenigstens 10 Vol.-%,
insbesondere 30 - 70 Vol.-% gebildet wird.
[0015] Die Schichtdicke der Anbindeschicht beträgt vorzugsweise 60 µm - 800 µm, insbesondere
100 µm - 500 µm.
[0016] Zur Bindung einer hohen offenen Porosität wird die Anbindeschicht vorzugsweise mit
einem grobkörnigen Spritzpulver, mit einer Korngröße von 60 µm - 400 µm, insbesondere
90 µm - 250 µm erzeugt.
[0017] Die mittlere Korngröße des Spritzpulvers der Anbindeschicht beträgt damit vorzugsweise
mehr als 100 µm, insbesondere mehr als 130 µm. Wenn ein so grobkörniges Spritzpulver
verwendet wird, um eine sehr dünne Anbindeschicht zu spritzen, kann statt einer offen
porösen Schicht nur noch eine Schicht entsprechend hoher Rauhigkeit gebildet werden.
[0018] Die so hergestellte offen poröse bzw. rauhe Schicht führt beim Gießen des Leichtmetallzylinderkurbelgehäuses
zu einer stoffschlüssigen Verbindung der Zylinderlaufbuchse an das
[0019] Zylinderkurbelgehäuse.
[0020] Leichtmetalle, also insbesondere Aluminium und Magnesium sowie deren Legierungen,
bilden nämlich im geschmolzenen Zustand eine äußere Oxidhaut, die durch die Reaktion
des Leichtmetalls mit dem Umgebungssauerststoff entsteht. Die Oxidhaut schützt die
im Inneren strömende Schmelze vor weiterer Oxidation.
[0021] Beim Eingießen der Zylinderlaufbuchsen findet beim Einströmen der Metallschmelze
zunächst ein Kontakt zwischen der Oxidhaut und der Oberfläche der Zylinderlaufbuchse
statt. Aufgrund ihrer chemischen Stabilität und ihrer geringen Benetzungsneigung gegenüber
festen Körpern, wie den Zylinderlaufbuchsen, liefert die Oxidhaut jedoch keinen Beitrag
zur Verbindung zwischen dem festen Körper und dem Umguss. Ein Stoffschluss kann bei
bisherigen Buchsensystemen daher nur in sehr eingeschränktem Maße stattfinden.
[0022] Die hohe Rauhigkeit bzw. offene Porosität der Anbindeschicht der erfindungsgemäßen
Zylinderlaufbuchse führt dazu, die Oxidhaut einer umströmenden Leichtmetallschmelze
immer wieder aufzureißen, so dass ein direkter Kontakt zwischen Schmelze und Oberfläche
der Anbindeschicht stattfindet. Die Oxidhaut der Schmelze wird also ununterbrochen
von den feinen Spitzen der durch thermisches Spritzen erzeugten porösen, rauhen Oberfläche
der Anbindeschicht durchstochen.
[0023] Nach Aufreißen der Oxidhaut infiltriert die Schmelze die poröse Anbindeschicht. Es
kommt damit zu einem direkten Kontakt zwischen der Schmelze und der Oberfläche der
Anbindeschicht, der zu einer stoffschlüssigen Anbindung führt. Zudem findet durch
den hohen Wärmeeintrag des Umgussmaterials in die Anbindeschicht ein Aufschmelzen
der Anbindeschicht an der Oberfläche statt. Auf diese Weise wird ein hoher stoffschlüssiger
Anbindungsgrad zwischen der Anbindeschicht der Zylinderlaufbuchse und dem Zylinderkurbelgehäuse
erhalten. Das heißt, erfindungsgemäß sind, bezogen auf die zylindrische Mantelfläche
der Anbindeschicht wenigstens 60%, vorzugsweise wenigstens 80% und insbesondere wenigstens
90% der Anbindeschicht der Zylinderlaufbuchse mit dem Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses
durch Stoffschluss verbunden. Der Anbindungsgrad kann dabei durch Ultraschall ermittelt
werden.
[0024] Durch die stoffschlüssige Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das Umgussmaterial
wird eine einwandfreie Verankerung der Zylinderlaufbuchsen in dem Zylinderkurbelgehäuse
während der gesamten Lebensdauer des Verbrennungsmotors sichergestellt. Der stoffschlüssige
Verbund führt zu einem einwandfreien Wärmefluss durch die Phasengrenzen. Damit werden
auch thermisch bedingte Verzüge verhindert.
[0025] Die erfindungsgemäßen thermisch gespritzten, tribologisch optimierten Zylinderlaufbuchsen
können in handelsübliche, kostengünstige Aluminiumlegierungen eingegossen werden.
[0026] Das thermische Spritzen bietet den Vorteil, dass im Vergleich zu anderen Techniken
eine nahezu frei wählbare, den lokalen Anforderungen entsprechende Werkstoffzusammensetzung
möglich ist. Dabei kann die erfindungsgemäß durch thermisches Spritzen hergestellte
Zylinderlaufbuchse sowohl laufflächenseitig im Hinblick auf die tribologischen Eigenschaften
als auch motorblockseitig im Hinblick auf die Anbindung legierungsmäßig angepasst
werden. Der die Zylinderlauffläche bildende Werkstoff muss zudem korrosionsbeständig
sein. Auch muss er sich spanabhebend bearbeiten lassen, damit die Zylinderlaufbuchse
nach dem Eingießen auf Funktionsmaß gebracht werden kann.
[0027] Zur Herstellung der Zylinderlaufbuchse wird erfindungsgemäß auf einen Dorn als Formkörper
vorzugsweise zuerst eine Trägerschicht thermisch aufgespritzt. Nach dem Aufspritzen
der Trägerschicht wird auf die Trägerschicht die Laufschicht durch thermisches Spritzen
aufgebracht und dann auf die Laufschicht durch thermisches Spritzen die Anbindeschicht.
[0028] Der so hergestellte Zylinderlaufbuchsenrohling wird anschließend vom Dorn entfernt,
wobei die Trägerschicht durch ihre geringe Haftung am Dorn das Ablösen des Rohlings
vom Dorn erleichtert.
[0029] Zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses werden die Rohlinge in der Gießform auf
Pinolen angeordnet. Nach dem Gießen und Entformen des Zylinderkurbelgehäuses wird
durch spanabhebende Bearbeitung die Trägerschicht entfernt und die Laufschicht auf
ihr Funktionsmaß gebracht.
[0030] Zum thermischen Spritzen können alle bekannten Verfahrensvarianten angewendet werden;
dies gilt sowohl hinsichtlich der Spritzwerkstoffe (Pulver oder Draht) wie hinsichtlich
der Art des Energieträgers (Flamme, Lichtbogen, Plasma).
[0031] Damit die erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse eine ausreichende Formstabilität besitzt,
weist sie vorzugsweise eine Wandstärke von 1 mm bis 5 mm auf. Die Buchse kann damit
von der Herstellung bis zum Einguss problemlos gelagert und gehandhabt werden. Erfindungsgemäß
können Zylinderlaufbuchsen mit Normdurchmessern und Längen für alle gängigen Motorentypen
hergestellt werden.
[0032] Der Dorn besteht vorzugsweise aus Werkzeugstahl oder einem anderen Material, das
beim thermischen Spritzen nicht aufgeschmolzen wird. Beim thermischen Spritzen der
einzelnen Schichten der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse wird der Dorn in Rotation
versetzt.
[0033] Damit die Buchsen beim Eingießen auf den Pinolen passgenau aufgesetzt werden können,
weist der Dorn die gleichen Abmessungen wie die Pinolen auf. Demgemäß kann der Dorn
mit dem gleichen Konuswinkel von z. B. 0,5° wie die Pinolen konisch ausgebildet sein,
um die Zylinderlaufbuchsenrohlinge passgenau auf die Pinolen aufstecken zu können.
[0034] Um das Entfernen des Zylinderlaufbuchsenrohlings vom Dorn zu erleichtern, kann der
Dorn hohl ausgebildet sein, um ihn mit einem Medium, wie Wasser, kühlen zu können.
Nach dem thermischen Spritzen kann dann der Dorn durch Abkühlen aus dem noch heißen
thermischen Zylinderlaufbuchsenrohling ausgeschrumpft werden. Auch kann der Dorn durch
Auspressen aus dem Zylinderlaufbuchsenrohling entfernt werden.
[0035] Als thermische Spritzverfahren sind erfindungsgemäß alle bekannten Spritzverfahren
anwendbar. Zur Herstellung der gesamten Zylinderlaufbuchse ist es zwar denkbar, nur
ein Spritzverfahren zu verwenden. Aus wirtschaftlichen Gründen sowie im Hinblick auf
die jeweiligen Schichteigenschaften wird jedoch vorzugsweise eine Kombination verschiedener
Verfahren verwendet.
[0036] So wird die Trägerschicht vorzugsweise durch Flammspritzen mit Spritzdraht hergestellt,
da dieses Verfahren besonders wirtschaftlich durchgeführt werden kann. Als Spritzwerkstoffe
werden für die Trägerschicht vorzugsweise Zinn, Zink, Aluminium und deren Legierungen
verwendet, da sie einerseits zu einer ausreichenden Haftung der Trägerschicht auf
dem Dorn führen und andererseits sicherstellen, dass die fertig gespritzte Buchse
in einfacher Weise vom Dorn abgelöst werden kann. Die Trägerschicht weist vorzugsweise
eine Dicke von 20 µm bis 500 µm, insbesondere 50 µm bis 100 µm auf. Die Trägerschicht
ist bei der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse im allgemeinen insbesondere dann
erforderlich, wenn die Laufschicht aus einer Leichtmetalllegierung besteht, die ohne
Trägerschicht an dem Dorn derart haften würde, dass die Zylinderlaufbuchse vom Dorn
ohne Zerstörung nicht ablösbar ist..
[0037] Die Laufschicht, die aus Gewichtsgründen erfindungsgemäß aus einer Leichtmetalllegierung
besteht, insbesondere einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung, und zwar einer tribologisch
geeigneten, korrosionsbeständigen Leichtmetalllegierung, ist bevorzugt eine Aluminium-Silizium-Legierung
mit einem Si-Gehalt von insbesondere 12 bis 50 Gew.%. Bei einem Si-Gehalt von < 12
Gew.% können die tribologischen Eigenschaften zu wünschen übrig lassen, bei einem
Si-Gehalt von > 50% ist das Material meist spröde und damit nur schwer zu bearbeiten.
[0038] Die Leichtmetalllegierung kann weitere tribologisch wirksame Zusätze enthalten, beispielsweise
Siliziumcarbid, Graphit oder Molybdän.
[0039] Falls eine Al-Si-Legierung für die Laufschicht verwendet wird, kann sie noch folgende
Legierungsbestandteile, bezogen auf das Gewicht, enthalten:
Fe |
0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1,5% |
Ni |
0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1, 5% |
Mg |
0, 5 - 2,0%, bevorzugt 0, 5 - 1,5% |
Cu |
0,5 - 2,0%, bevorzugt 0,5 - 1, 5% |
[0040] Durch diese Legierungsbestandteile wird die Härte und Warmfestigkeit der Laufschicht
erhöht.
[0041] Die Herstellung der Lauffläche kann durch atmosphärisches Plasmaspritzen (APS), Flammspritzen
und Hochgeschwindigkeitsflammspritzen (HVOF) mit einem Spritzpulver erfolgen. Auch
kann ein spezielles Verfahren auf dem Gebiet des Hochgeschwindigkeit-Flammspritzens,
das unter dem Namen CGDM (Cold-Gas Dynamic Spray Method) bekannt geworden ist, angewendet
werden.
[0042] Falls ein Spritzpulver verwendet wird, liegt die mittlere Korngröße vorzugsweise
unter 100 µm, insbesondere unter 80 µm, vorzugsweise wird eine Siebfraktion zwischen
10 µm und 125 µm eingesetzt, um eine tribologisch geeignete korrosionsfeste und spanabhebend
bearbeitbare Lauffläche zu erhalten. Die Laufschicht kann jedoch auch mit drahtförmigen
Spritzwerkstoffen beispielsweise durch Drahtflammspritzen oder Lichtbogenspritzen
hergestellt werden. Wegen der größeren Werkstoffauswahl wird jedoch im allgemeinen
das Pulverspritzen vorgezogen.
[0043] Im endbearbeiteten Zustand im Zylinderkurbelgehäuse weist die Laufschicht vorzugsweise
eine Dicke von 0,5 mm bis 3 mm, insbesondere 1 mm bis 2 mm auf.
[0044] Die Bildung der porösen Anbindeschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse kann
durch Verwendung eines Spritzpulvers mit entsprechend großer Korngröße und ein geeignetes
thermisches Spritzverfahren.erfolgen. Das Spritzpulver weist dazu vorzugsweise eine
mittlere Korngröße zwischen 60 µm und 400 µm, insbesondere von mehr als 100 µm, insbesondere
mehr als 150 µm auf. Vorzugsweise wird eine Siebfraktion zwischen 90 µm und 250 µm
eingesetzt. Als thermisches Spritzverfahren können alle Pulver-Verfahren angewendet
werden, insbesondere das Flamm-oder Plasmaspritzen. Beim Flammspritzen kann ein Spritzabstand
von 50 mm bis 400 mm, insbesondere 100 mm bis 250 mm angewendet werden.
[0045] Es ist jedoch auch der Einsatz eines Spritzdrahtes möglich, wobei dann die Porosität
der Anbindeschicht durch Einstellung entsprechender Prozessparameter erzielt wird,
beispielsweise einen größeren Spritzabstand.
[0046] Zur stoffschlüssigen Anbindung an das aus Leichtmetall bestehende Gussmaterial besteht
der Spritzwerkstoff für die Anbindeschicht aus einer artgleichen Leichtmetalllegierung.
Das heißt, da das Gussmaterial normalerweise eine Aluminiumlegierung ist, besteht
auch die Anbindeschicht aus einer Aluminiumlegierung. Es ist jedoch auch ein Gussmaterial
und eine Anbindeschicht, z.B. aus einer Magnesiumlegierung denkbar.
[0047] Der zum Spritzen der Anbindeschicht verwendete Werkstoff wird vorzugsweise einerseits
an den Laufschichtwerkstoff und andererseits an den Gusswerkstoff angepasst. D.h.,
wenn die Gusslegierung aus einer Al-Si-Legierung und die Laufschicht aus einer Al-Si-Legierung
bestehen, wird für die Anbindeschicht vorzugsweise ebenfalls eine Al-Si-Legierung
verwendet. Der Si-Gehalt der Al-Si-Legierung der Anbindeschicht liegt dabei vorzugsweise
zwischen dem Si-Gehalt der Al-Si-Gusslegierung und dem der Laufschichtlegierung. D.h.,
wenn eine Gusslegierung aus Al-Si mit einem Si-Gehalt von 9 bis 10 Gew.% und eine
Laufschicht aus Al-Si mit einem Si-Gehalt von 25 Gew.% verwendet wird, kann der Si-Gehalt
der Al-Si-Legierung der Anbindeschicht beispielsweise zwischen 10 und 25 Gew.% betragen.
Auch ist es möglich, einen gradierten Übergang der Zusammensetzung der Anbindeschicht
zwischen der Laufschicht und der Gusslegierung durch entsprechende Änderung des Spritzwerkstoffs
während des Spritzens der Anbindeschicht durchzuführen. Auch kann durch Änderung der
Prozessparameter die Porosität der Anbindeschicht von der Laufschicht zum Gusswerkstoff
geändert werden.
[0048] Durch die Verwendung artgleicher Verfahren und Werkstoffe für.die Laufschicht und
die Anbindeschicht wird ein inniger Verbund zwischen Laufschicht und Anbindeschicht
erzielt. Zugleich führt die offen poröse Struktur der Anbindeschicht zu einer stoffschlüssigen
Anbindung der Gusslegierung nicht nur an der Oberfläche der Anbindeschicht, sondern
tief in sie hinein.
[0049] Die Dicke der Anbindeschicht kann 60 µm bis 800 µm betragen; vorzugsweise liegt sie
zwischen 100 µm und 500 µm.
[0050] Der so hergestellte thermisch gespritzte Zylinderlaufbuchsenrohling kann unmittelbar
nach dem Spritzprozess in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossen werden.
[0051] Vorzugsweise wird der Zylinderlaufbuchsenrohling vor dem Einguss jedoch einer Wärmebehandlung
unterworfen, um durch künstliche Alterung ein stabiles Gefüge zu erhalten.
[0052] Die Wärmebehandlung kann bei einer Temperatur zwischen 300°C und 550°C eine halbe
Stunde bis zu mehreren Stunden durchgeführt werden.
[0053] Beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses liegt die Temperatur der Schmelze vorzugsweise
über der Schmelztemperatur der Anbindeschicht der Zylinderlaufbuchse, um zur Verbesserung
der stofflichen Anbindung die Anbindeschicht an ihrer Oberfläche beim Gießen anzuschmelzen.
[0054] Die Ausbildung der Grenzfläche zwischen dem Gussmaterial und der Zylinderlaufbuchse
wird erheblich von dem eingesetzten Gießverfahren beeinflusst. Zwar kann zum Gießen
das Schwerkraftverfahren durchgeführt werden, jedoch werden gegenüber drucklbsen Gießverfahren
erfindungsgemäß druckunterstützte Gießverfahren bevorzugt.
[0055] Bei druckunterstützten Gießverfahren führt nämlich die Aufbringung einer äußeren
Kraft beim Füllen der Gießform und während der Erstarrung zu einer weiteren Erhöhung
des stoffschlüssigen Anbindungsgrades. Dies gilt insbesondere, wenn das Gießen mit
einem druckunterstützten Verfahren bei einer Anschnittgeschwindigkeit von größer als
1 m/s durchgeführt wird. Bei druckunterstützten Gießverfahren, insbesondere Hoch-
und Mitteldruck-Gießverfahren wird die Schmelze auch in feinste Hohlräume eingepresst.
Durch den vollständigen Formschluss mit einer stark vergrößerten Oberfläche werden
ideale Bedingungen auch für einen Stoffschluss geschaffen. Durch die gezielte Einstellung
der Formfüllgeschwindigkeit und des Temperaturhaushaltes lässt sich der stoffliche
Verbund weiter optimieren. Das nachstehende Beispiel dient der weiteren Erläuterung
der Erfindung.
Beispiel
[0056] Ein aus Werkzeugstahl bestehender Dorn (Hohldorn) mit einer Konizität von 0,5° wird
mit einer Geschwindigkeit von 180 U/min umlaufen gelassen. Auf den Dorn wird durch
Flammspritzen mit einem Draht aus Zink bei einem Spritzabstand von ca. 100 mm bis
150 mm eine an ihrer Außenseite zylindrische Trägerschicht mit einer Dicke von ca.
70 µm aufgebracht.
[0057] Bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit und gleichem Spritzabstand wird durch Plasmaspritzen
mit einem Al-Si-Legierungspulver mit einem Si-Gehalt von 25 Gew.% und einer Korngröße
(Siebfraktion) von 10 µm bis 125 µm eine 2 mm dicke Laufflächenschicht auf die Trägerschicht
aufgetragen. Bei gleicher Umlaufgeschwindigkeit des Dorns und gleichem Spritzabstand
erfolgt dann der Auftrag einer etwa 300 µm dicken Anbindeschicht durch Flammspritzen
mit einem Al-Si- Legierungspulver mit einem Si-Gehalt von 15 Gew.% und einer Korngröße
(Siebfraktion) von 90 µm bis 250 µm.
[0058] Der Dorn wird mit kaltem Wasser abgeschreckt und damit durch Ausschrumpfen von dem
noch heißen Zylinderlaufbuchsenrohling gelöst.
[0059] Der Rohling wird anschließend auf die Pinole in einer Gießform gesteckt und durch
Druckguss mit einer Al-Si-Legierung mit einem Si-Gehalt von 9 Gew.% eingegossen. Nach
dem Entformen wird durch spanabhebende Bearbeitung die Trägerschicht entfernt und
die Laufschicht auf das zylindrische Funktionsmaß gebracht.
[0060] Eine Ultraschalluntersuchung ergibt, dass, bezogen auf die zylindrische Mantelfläche
der Anbindeschicht, über 90 % der Anbindeschicht mit dem Gussmaterial durch Stoffschluss
verbunden sind.
1. Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall für Verbrennungskraftmaschinen mit Zylinderlaufbuchsen
mit einer die Lauffläche bildenden Laufschicht und einer rauhen äußeren Anbindeschicht
zur Anbindung der Zylinderlaufbuchsen an das Zylinderkurbelgehäuse beim Gießen des
Zylinderkurbelgehäuses, wobei, bezogen auf die Mantelfläche der Anbindeschicht, wenigstens
60 % der Anbindeschicht mit dem Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses durch Stoffschluss
verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindeschicht eine durch thermisches Spritzen mit einem Spritzpulver mit einer
mittleren Korngröße zwischen 60 µm und 400 µm erzeugte offene Porosität von wenigstens
10 Vol.-% besitzt.
2. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der stoffschlüssige Anbindungsgrad zwischen der Anbindeschicht und dem Gussmaterial
wenigstens 90 % beträgt.
3. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindeschicht eine Schichtdicke von 50 µm bis 800 µm aufweist.
4. Zylinderkurbelgehäuse nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anbindeschicht und das Gussmaterial aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung
bestehen.
5. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung besteht.
6. Zylinderkurbelgehäuse nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschicht der Zylinderlaufbuchse aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit
einem hohen Silizium-Gehalt und das Gussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses aus einer
Aluminium-Silizium-Legierung mit einem geringen Silizium-Gehalt gebildet ist und die
Anbindeschicht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Silizium-Gehalt besteht,
der zwischen dem Silizium-Gehalt der Laufschicht und dem Silizium-Gehalt des Gussmaterials
liegt.
7. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse für ein Zylinderkurbelgehäuse nach
einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Laufschicht auf einen als Formkörper
dienenden Dorn und auf die Laufschicht die Anbindeschicht thermisch aufgespritzt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen der Anbindeschicht mit einem Spritzpulver mit einer mittleren
Korngröße zwischen 60 µm und 400 µm durchgeführt wird, so dass die Anbindeschicht
eine offene Porosität von wenigstens 10 Vol.-% aufweist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen der Anbindeschicht durch Flamm- oder Plasmaspritzen erfolgt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Spritzen der Laufschicht ein Spritzwerkstoff aus einer Aluminium-Silizium-Legierung
verwendet wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminium-Silizium-Legierung einen Silizium-Gehalt von 12 bis 50 Gew.% aufweist.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Spritzwerkstoff als weitere Legierungsbestandteile Eisen, Nickel, Magnesium und/oder
Kupfer in einem Anteil von 0,5% bis 2%, bezogen auf das Gewicht der Legierung, aufweist.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das thermische Spritzen der Laufschicht mit einem Spritzpulver mit einer Korngröße
von weniger als 150 µm durchgeführt wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Dorn vor dem Aufspritzen der Laufschicht eine Trägerschicht thermisch aufgespritzt
wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass für die Trägerschicht ein Spritzwerkstoff aus Zink, Zinn, Aluminium und/oder einer
Legierung dieser Metalle verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht von der Laufschicht durch spanabhebende Bearbeitung entfernt wird.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Entfernung der Trägerschicht durchgeführt wird, wenn die Laufschicht der in das
Zylinderkurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchse durch spanabhebende Bearbeitung
auf ihr zylindrisches Funktionsmaß gebracht wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn beim thermischen Spritzen der Trägerschicht, der Laufschicht und/oder der
Anbindeschicht in Rotation versetzt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Dorn vor der Entfernung aus der noch erwärmten thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchse
durch Abschrecken ausgeschrumpft wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbuchse einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur zwischen 300°C
und 550°C unterworfen wird.
20. Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses nach einem der Ansprüche 1
bis 6 unter Verwendung einer nach einem der Ansprüche 7 bis 19 hergestellten Zylinderlaufbuchse,
dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Schmelze beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses über der Schmelztemperatur
der Anbindeschicht liegt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießen des Zylinderkurbelgehäuses mit einem druckunterstützten Verfahren durchgeführt
wird.
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das druckunterstützte Gießen mit einer Anschnittgeschwindigkeit von mehr als 1 m/sec
durchgeführt wird.
1. Light metal cylinder crankcase for combustion engines with cylinder liners, having
a running layer that forms the running surface and a rough outer bonding layer for
bonding of the cylinder liners to the cylinder crankcase while casting the cylinder
crankcase, wherein at least 60 % of the bonding layer relative to the jacket surface
of the bonding layer, is connected to the casting material of the cylinder crankcase
with a material bond, characterized in that the bonding layer possesses an open porosity of at least 10 vol. % produced by thermal
spraying with a spraying powder having an average particle size of between 60 µm and
400 µm.
2. Cylinder crankcase according to Claim 1, characterized in that the degree of material bond between the bonding layer and casting material measures
at least 90 %.
3. Cylinder crankcase according to Claim 1 or 2, characterized in that the bonding layer has a layer thickness of 50 µm to 800 µm.
4. Cylinder crankcase according to any one of the preceding claims, characterized in that the bonding layer and casting material consist of an aluminium or magnesium alloy.
5. Cylinder crankcase according to Claim 4, characterized in that the running layer consists of an aluminium or magnesium alloy.
6. Cylinder crankcase according to Claim 4 and 5, characterized in that the running layer of the cylinder liner consists of an aluminium-silicon alloy with
a high silicon content, and the casting material of the cylinder crankcase consists
of an aluminium-silicon alloy with a low silicon content, and the bonding layer consists
of an aluminium-silicon alloy with a silicon content lying between the silicon content
of the running layer and the silicon content of the casting material.
7. Method for manufacturing a cylinder liner for a cylinder crankcase according to any
one of the preceding claims, wherein the running layer is thermally sprayed on a mandrel
serving as a mould part, and the bonding layer is thermally sprayed on the running
layer, characterized in that the bonding layer is thermally sprayed with a spraying powder having an average particle
size of between 60 µm and 400 µm in such a way that the bonding layer has an open
porosity of at least 10 vol. %.
8. Method according to Claim 7, characterized in that the bonding layer is thermally sprayed via flame or plasma spraying.
9. Method according to one of Claims 7 or 8, characterized in that a spraying material consisting of an aluminium-silicon alloy is used for thermally
spraying the running layer.
10. Method according to Claim 9, characterized in that the aluminium-silicon alloy has a silicon content of 12 to 50 weight %.
11. Method according to Claim 10, characterized in that the spraying material has iron, nickel, magnesium and/or copper in a percentage of
0.5 % to 2 % relative to the weight of the alloy as additional alloy constituents.
12. Method according to any one of Claims 7 to 11, characterized in that the running layer is thermally sprayed with a spraying powder having a particle size
of less than 150 µm.
13. Method according to any one of Claims 7 to 12, characterized in that a carrier layer is thermally sprayed onto the mandrel before spraying of the running
layer.
14. Method according to any one of Claims 7 to 13, characterized in that a spraying material comprised of tin, zinc, aluminium and/or an alloy of these metals
is used for the carrier layer.
15. Method according to Claim 13 or 14, characterized in that the carrier layer is removed from the running layer via machining.
16. Method according to Claim 15, characterized in that the carrier layer is removed once the running layer of the cylinder liner cast into
the cylinder crankcase has been sized to its cylindrical operating dimensions via
machining.
17. Method according to any one of Claims 7 to 16, characterized in that the mandrel is made to rotate during the thermal spraying of the carrier layer, running
layer and/or bonding layer.
18. Method according to any one of Claims 7 to 17, characterized in that the mandrel is shrunk via quenching before being removed from the still heated thermally
sprayed cylinder liner.
19. Method according to any one of Claims 7 to 18, characterized in that the cylinder liner is subjected to heat treatment at a temperature of between 300°C
and 550°C.
20. Method for manufacturing a cylinder crankcase according to any one of Claims 1 to
6 using a cylinder liner manufactured according to any one of Claims 7 to 19, characterized in that the temperature of the melt exceeds the melting temperature of the bonding layer
while casting the cylinder crankcase.
21. Method according to Claim 20, characterized in that the cylinder crankcase is cast using a pressure-assisted method.
22. Method according to Claim 21, characterized in that the pressure-assisted casting is performed at a gating rate exceeding 1 m/sec.
1. Boîte de moteur cylindrique en métal léger pour machine à combustion interne avec
boîte de glissement cylindrique, avec une couche de roulement formant surface de roulement
et une couche de liaison externe rugueuse pour l'attachement de la boîte de glissement
cylindrique sur la boîte de moteur cylindrique lors de la coulée de la boîte de moteur
cylindrique, où sur base de la surface de manteau de la souche de liaison, au moins
60% de la couche de liaison sont reliés au matériau de coulée de la boîte de moteur
cylindrique par fermeture de matière, caractérisée en ce que la couche de liaison possède une porosité ouverte d'au moins 10% en volume, produite
par pulvérisation thermique avec une poudre mouillable ayant une taille moyenne des
grains de 60 µm à 400 µm.
2. Boîte de moteur cylindrique selon la revendication 1, caractérisée en ce que le taux d'attachement par matière entre la couche de liaison et le matériau de coulée
se situe à au moins 90%.
3. Boîte de moteur cylindrique selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que la couche de liaison présente une épaisseur de couche de 50 µm à 800 µm.
4. Boîte de moteur cylindrique selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisée en ce que la couche de liaison et le matériau de coulée consistent en un alliage d'aluminium
ou de magnésium.
5. Boîte de moteur cylindrique selon la revendication 4, caractérisée en ce que la couche de roulement consiste en un alliage d'aluminium ou de magnésium.
6. Boîte de moteur cylindrique selon la revendication 4 ou 5, caractérisée en ce que la couche de roulement de la boîte de moteur cylindrique est formée d'un alliage
aluminium-silicium avec une teneur élevée en silicium, et le matériau de coulée de
la boîte de moteur cylindrique, d'un alliage aluminium-silicium avec une faible teneur
en silicium et en ce que la couche de liaison consiste en un alliage aluminium-silicium avec une teneur en
silicium, qui se situe entre la teneur en silicium de la couche de roulement et la
teneur en silicium du matériau de coulée.
7. Procédé de préparation d'une boîte de moteur cylindrique pour machine à combustion
interne selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel on pulvérise
thermiquement la couche de roulement sur un manchon servant de corps moulé et sur
la couche de roulement, la couche de liaison, caractérisé en ce que la pulvérisation thermique de la couche de liaison est réalisée avec une poudre mouillable
ayant une taille moyenne des grains de 60 µm à 400 µm, de sorte que la couche de liaison
présente une porosité ouverte d'au moins 10% en volume.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce que la pulvérisation thermique de la couche de liaison est réalisée par pulvérisation
à la flamme ou par plasma.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que pour la pulvérisation thermique de la couche de liaison, on utilise un matériau de
pulvérisation en un alliage aluminium-silicium.
10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que l'alliage aluminium-silicium présente une teneur en silicium de 12 à 50% en poids.
11. Procédé selon la revendication 10, caractérisé en ce que le matériau de pulvérisation présente comme autres constituants d'alliage, le fer,
le nickel, le magnésium et/ou le cuivre, en une quantité de 0,5% à 2%, sur base du
poids de l'alliage.
12. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 11, caractérisé en ce que la pulvérisation thermique de la couche de liaison est réalisée avec une poudre mouillable
ayant une taille des grains inférieure à 150 µm.
13. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que sur le manchon, avant la pulvérisation de la couche de liaison, on pulvérise thermiquement,
une couche support.
14. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 13, caractérisé en ce que pour la couche support, on utilise un matériau de pulvérisation en zinc, étain, aluminium
et/ou un alliage de ces métaux.
15. Procédé selon la revendication 13 ou 14, caractérisé en ce que la couche support est éliminée de la couche de roulement par usinage.
16. Procédé selon la revendication 15, caractérisé en ce que l'élimination de la couche support est réalisée lorsque la couche de roulement de
la boîte de glissement cylindrique glissée dans la boîte de moteur cylindrique, est
appliquée par usinage sur sa fonction cylindrique.
17. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 16, caractérisé en ce que l'on ajoute sur le manchon par pulvérisation thermique, la couche support, la couche
de roulement et/ou la couche de liaison, en rotation.
18. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 17, caractérisé en ce que le manchon subit un retrait par trempe avant l'élimination de la boîte de glissement
cylindrique pulvérisée thermiquement, encore chaude.
19. Procédé selon l'une quelconque des revendications 7 à 18, caractérisé en ce que la boîte de glissement cylindrique est soumise à un traitement thermique à une température
allant de 3200°C à 550°C.
20. Procédé de préparation d'une boîte de moteur cylindrique selon l'une des revendications
1 à 6, en utilisant une boîte de glissement selon l'une des revendications 7 à 19,
caractérisé en ce que la température de la masse fondue lors de la coulée de la boîte de moteur cylindrique
se situe sous la température de fusion de la couche de liaison.
21. Procédé selon la revendication 20, caractérisé en ce que la coulée de la boîte de moteur cylindrique est réalisée par un procédé à contre-pression.
22. Procédé selon la revendication 21, caractérisé en ce que la coulée par contre-pression est réalisée avec une vitesse de coupe de plus de 1
m/seconde.