Zylinderlaufflächenschicht für Verbrennungsmotoren sowie Verfahren zu deren Herstellung

Abstract

 Es wird eine Zylinderlaufflächenschicht für Hubkolbenmotoren vorgeschlagen, welche die Kombination folgender Merkmale aufweist: die Zylinderlaufflächenschicht ist durch Plasmaspritzen aufgebracht; die Zylinderlaufflächenschicht-Oberfläche weist eine Vielzahl von offenen Poren auf; der Porositäts-Grad der Zylinderlaufflächenschicht-Oberfläche liegt zwischen 0,5 und 10 %; die statistisch mittlere Porengrösse liegt zwischen 1 und 50 µm, wobei zum Mindesten annähernd ausschliesslich Poren <100 um vorhanden sind; die Poren sind in der Zylinderlaufflächenschicht-Oberfläche sowohl flächenmässig wie auch grössenmässig stochastisch verteilt; die Zylinderlaufflächenschicht weist einen Gehalt an gebundenem Sauerstoff von 0,5 bis 8 Gewichts-% auf; die Zylinderlaufflächenschicht weist eingelagerte FeO- und Fe₃O₄-Kristalle zur Bildung von Festschmierstoffen auf; und die Rauheit der Zylinderlaufflächenschicht ist durch mechanische Nachbearbeitung, insbesondere Honen, auf eine arithmetische Mittenrauheit R_a von 0,02 bis 0,4 µm und eine gemittelte Rautiefe R_z von 0,5 bis 5 µm eingestellt. Die Poren bilden eine Vielzahl von Mikrokammern zum Aufbau eines Ölfilms zwischen Kolben bzw. Kolbenringen und Zylinderwand.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufflächenschicht für Hubkolbenmotoren gemäss Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung derselben gemäss Anspruch 11.

[0002] Nachdem bei den Motorenölen in der letzten Zeit markante Fortschritte in Bezug auf deren Lebensdauer erreicht wurden, wäre es nun wünschenswert, den Ölverbrauch bei Hubkolbenmotoren soweit zu reduzieren, dass die Ölwechselintervalle weiter ausgedehnt werden können. Die Zielsetzung kann beispielsweise darin bestehen, dass die Ölwechselintervalle auf 100'000 km ausgedehnt werden, ohne dass dazwischen Öl nachgefüllt werden muss. Es ist bekannt, dass die Oberflächenbeschaffenheit (Topographie) der Zylinderlaufflächenschicht einen entscheidenden Einfluss auf den Ölverbrauch hat. Obwohl auch schon bis anhin hohe Oberflächengüten durch Honen erreicht werden konnten, weisen die heutigen Zylinderlaufflächenschichten zumeist eine nicht näher spezifizierte Porosität auf, bzw. sie sind zum Mindesten mit einzelnen Poren versehen, die relativ gross sind und den Ölverbrauch negativ beeinflussen.

[0003] Aus der Veröffentlichung WO 99/05339 A1 ist bereits ein thermisches Plasmabeschichtungsverfahren für Innenräume, insbesondere für Gleitlager bekannt, welches darauf abzielt, eine Oxidbildung in dem an sich oxidierbaren Beschichtungswerkstoff nach Möglichkeit zu verhindern, da derartige Oxideinschlüsse eine unerwünschte Porosität begünstigen. Es wird eine Gesamtporosität von weniger als 3 % angestrebt, wobei die Poren weitgehend geschlossen sein sollen. Weiter wird vorgeschlagen, die aufgebrachte Schicht auf eine arithmetische Mittenrauheit (Mittenrautiefe) R_a von 4 bis 30 µm aufzurauen. Durch die vorgeschlagenen Massnahmen können jedoch weder der Ölverbrauch wesentlich gesenkt noch die tribologischen Eigenschaften wesentlich verbessert werden.

[0004] Weiter ist aus der Veröffentlichung US 5 766 693 A ein Plasmabeschichtungsverfahren bekannt, bei welchem Mischschichten von Metallen und Metalloxiden in deren niedrigsten Oxidationsstufen erzeugt werden, in denen die Metall- und die Metalloxidregionen voneinander getrennt sind. Es werden ein Metalloxidgehalt von höchstens 30 %, ein Porositätsgrad von 3 bis 10 %, eine Porengrösse von 1 bis 6 µm und eine Oberflächenrauheit (arithmetische Mittenrauheit) von 3,8 bis 14 µm (150 bis 550 µin) angestrebt. Durch die vorgeschlagenen Massnahmen können jedoch weder der Ölverbrauch wesentlich gesenkt noch die tribologischen Eigenschaften wesentlich verbessert werden.

[0005] Die Aufgabe der Erfindung besteht nun darin, die erwähnten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und eine verbesserte Zylinderlaufflächenschicht für Hubkolbenmotoren zu schaffen, welche günstige Voraussetzungen für einen niedrigen Ölverbrauch bietet und gleichzeitig gute tribologische Eigenschaften aufweist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Erzeugung einer derartiger Zylinderlaufflächenschichten anzugeben.

[0006] Diese Aufgabe wird hinsichtlich der Zylinderlaufflächenschicht durch die Kombination der im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben Merkmale gelöst, während im Kennzeichen des Anspruchs 10 die Verfahrensschritte zur Erzeugung einer derartigen Zylinderlaufflächenschicht angeführt sind.

[0007] Die in den Ansprüchen erwähnte arithmetische Mittenrauheit R_a wird auch kurz als Mittenrauhwert oder als CLA (Center Line Average) bezeichnet. Sie ist definiert als die Höhe eines Rechteckes, dessen Länge der Länge einer gegebenen Messtrecke entspricht und dessen Fläche gleich der Fläche zwischen der Profilmittellinie und dem Oberflächenprofil ist, während die gemittelte Rautiefe R_z definiert ist als der Mittelwert der Einzelrautiefen von fünf aufeinanderfolgenden Einzelmessstrecken (siehe: Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, Band 3, Verlag Moderne Industrie, Landsberg a. Lech, Deutschland 1980, ISBN 3-478-41820-X, Seiten 3063 bis 3065).

[0008] Bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemässen Laufflächenschicht sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 10 umschrieben. In den abhängigen Verfahrensansprüchen 12 bis 21 werden einzelne Parameter angegeben, mit denen die Porosität der Zylinderlaufflächenschicht gezielt beeinflusst werden kann.

[0009] Durch die erfindungsgemässen Massnahmen wird einerseits sichergestellt, dass zur Aufnahme des Öls zur Bildung eines Ölfilms zwischen Kolben bzw. Kolbenringen und Zylinderwand und damit zur Erhaltung der guten tribologische Eigenschaften genügend Poren vorhanden sind. Andererseits kann aber der absolute Ölverbrauch durch die sehr kleinen Poren (Hohlräume) gering gehalten werden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Zylinderlaufflächenschichten, bei denen die Porosität nicht gezielt beeinflusst wurde bzw. werden konnte, weist die erfindungsgemässe Schicht somit eine poröse Grundstruktur auf, bei der die Grösse der einzelnen Poren innerhalb eines definierten Bereichs liegt. Durch die mechanische Nachbearbeitung werden die an der Oberfläche liegenden Poren geöffnet.

[0010] In den beiliegenden Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der gemittelten Rautiefe R_a und dem Leistungsniveau der Schichten wiedergibt.

Fig. 2 eine fotografischen Abbildung einer Zylinderlaufflächenschicht.

[0011] Die Erfindung geht aus von der überraschenden Feststellung, dass zwischen der arithmetischen Mittenrauheit R_a und dem Verhalten der Schichten eine wichtige gegenseitige technische Beziehung besteht. In Fig. 1 ist in der Abszisse (x-Achse) die arithmetische Mittenrauheit R_a aufgetragen, in der Ordinate - qualitativ, nicht quantitativ-das Leistungsniveau L der Schichten. Das Leistungsniveau L ist das Integral von Reibungskoeffizient, Ölverbrauch und Verschleisswiderstand. Bei zu geringer arithmetischer Mittenrauheit R_a besteht die Gefahr eines adhäsiven Verschleisses, des sog. "Scuffing" (Gebiet A in Fig. 1). Bei zu grosser arithmetischer Mittenrauheit R_a steigt der Ölverbrauch in unannehmbarer Weise an (Gebiet B in Fig. 1). Die angestrebte Verbesserung ist durch die Kombination der im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale erzielbar.

[0012] Anhand der fotografischen Abbildung einer Zylinderlaufflächenschicht von Fig. 2 werden nachstehend deren beispielsweiser Aufbau sowie ein bevorzugtes Verfahren zur Erzeugung derselben näher erläutert.

[0013] Die mittels einer Plasmaspritzvorrichtung aufgebrachte Zylinderlaufflächenschicht 1 ist mit einer Vielzahl offener Poren 2, 3, 4 versehen. Die Poren weisen eine Grösse zwischen ca. 2 und 30 µm auf, wobei der überwiegende Teil zwischen ca. 5 und 20 µm gross ist. Der Porositäts-Grad der Schicht, d.h. der Anteil der Poren am gesamten Schichtvolumen, beträgt zwischen 1 und 5 %. Ebenso bewegt sich der flächenmässige Anteil der Poren 2, 3, 4 an der gesamten Oberfläche der Zylinderlaufflächenschicht 1 zwischen den genannten 1 und 5 %. Die Zylinderlaufflächenschicht 1 ist so aufgebaut, dass praktisch ausschliesslich Poren 2, 3, 4 mit einer Dimension <100 µm vorkommen.

[0014] Die Zylinderlaufflächenschicht 1 weist einen Gehalt an gebundenem Sauerstoff von 0,5 bis 8 Gewichts-% auf, wobei der gebundene Sauerstoff mit Eisen FeO- und Fe₃O₄-Kristalle bildet, welche als Festschmierstoffe wirken. Vorzugsweise beträgt der Gehalt an Fe₂O₃ weniger als 0,2 Gewichts-%. Die Menge der gebildeten Oxyde kann durch Anreichern oder Reduzieren der während des Beschichtungsvorgangs durch die zu beschichtende Zylinderbohrung strömenden Luft mit Stickstoff oder Sauerstoff weiter beeinflusst werden. Der Anteil von in der Zylinderlaufflächenschicht 1 gebundenem Sauerstoff kann ausserdem durch die Geschwindigkeit der während des Beschichtungsvorgangs durch die zu beschichtende Zylinderbohrung strömenden Luft beeinflusst werden. Bei Ersatz der Luft durch reinen Sauerstoff wird der gebundene Anteil an Sauerstoff in der Schicht um einen Faktor von etwa zwei reduziert.

[0015] Die vorwiegend aus Eisen bestehende Zylinderlaufflächenschicht 1 weist in etwa folgende chemische Zusammensetzung auf:

Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%

C = 0,05 bis 1.5 Gewichts-%

Mn = 0,05 bis 3.5 Gewichts-%

Cr = 0.05 bis 18 Gewichts-%

Si = 0,01 bis 1 Gewichts-%

S = 0,001 bis 0,4 Gewichts-%

[0016] Sie weist zweckmässig eine Mikrohärte nach Vickers HV_0,3 von 350 bis 550 N/mm² auf.

[0017] Um eine gute Zerspanbarkeit der Zylinderlaufflächenschicht 1 durch Bildung von MnS-Verbindungen zu erreichen, enthält diese vorzugsweise zwischen 1,2 und 3,5 Gewichts-% Mangan und 0,05 bis 0,4 Gewichts-% Schwefel.

[0018] Die Poren 2, 3, 4 sind sowohl flächenmässig wie auch grössenmässig stochastisch in der Schicht verteilt. Zum Aufbringen der Schicht wird vorzugsweise eine rotierende Plasmaspritzvorrichtung verwendet wird, so dass der zu beschichtende Motorblock während des Beschichtungsvorgangs ruhen kann. Nach dem Beschichten wird die Zylinderlaufflächenschicht 1 mechanisch, insbesondere durch Honen, vorzugsweise Diamanthonen, nachbearbeitet bis die Rauheit der Zylinderlaufflächenschicht 1 auf eine arithmetische Mittenrauheit R_a von 0,02 bis 0,4 µm und eine gemittelte Rautiefe R_z von 0,5 bis 5 µm, vorzugsweise auf eine arithmetische Mittenrauheit R_a von 0,05 bis 0,2 µm und eine gemittelte Rautiefe R_z von 1 bis 3 µm eingestellt, eingestellt ist.

[0019] Der Anteil der Poren 2, 3, 4 am gesamten Schichtvolumen (Porositäts-Grad), wie auch die Grösse (Dimension) der Poren 2, 3, 4 kann durch Ändern der Beschichtungsparameter sowie der Partikelgrösse des Beschichtungspulvers gezielt beeinflusst werden. Dabei spielt insbesondere die Enthalpie des Plasmas eine massgebende Rolle, welche vorwiegend durch den Wasserstoffgehalt im Plasmagas sowie den Plasmastrom bestimmt wird.

[0020] Beim erfindungsgemässen Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufflächenschicht nach dem Anspruch 1, wird die Zylinderlaufflächenschicht 1 durch Plasmaspritzen eines gas- oder wasserverdüsten Beschichtungspulvers mit einer Partikelgrösse zwischen 5 und 100 µm, vorzugsweise von 10 und 50 µm, erzeugt, wobei der Spritzabstand, d.i. der Abstand zwischen dem Pulverinjektor des Plasmaspritzgerätes und der zu beschichtenden Oberfläche, 20 bis 50 mm beträgt.

[0021] Als Plasmagas wird zweckmässig Argon mit einem Anteil von 0,5 bis 5 NLPM (Normal Liter pro Minute) Wasserstoff verwendet. Der Plasmastrom liegt zweckmässig zwischen 100 und 500 Ampere, vorzugsweise zwischen 260 und 360 Ampere, bei einer Spannung von zwischen 35 und 45 Volt.

[0022] Eine solche Zylinderlaufflächenschicht 1 eignet sich insbesondere zum Aufbringen auf Substrate aus Al-Gusslegierungen, Al-Knetlegierungen, Gusseisen mit Lamellengraphit, Gusseisen mit Vermikulargraphit, Gusseisen mit Kugelgraphit oder Magnesium-Gusslegierungen.

Ansprüche

1. Zylinderlaufflächenschicht für Hubkolbenmotoren, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

- die Zylinderlaufflächenschicht (1) ist durch Plasmaspritzen aufgebracht;

- die Zylinderlaufflächenschicht-Oberfläche weist eine Vielzahl von offenen Poren (2, 3, 4) auf;

- der Porositäts-Grad der Zylinderlaufflächenschicht-Oberfläche liegt zwischen 0,5 und 10 %;

- die statistisch mittlere Porengrösse liegt zwischen 1 und 50 µm, wobei zum Mindesten annähernd ausschliesslich Poren <100 µm vorhanden sind;

- die Poren (2, 3, 4) sind in der Zylinderlaufflächenschicht-Oberfläche sowohl flächenmässig wie auch grössenmässig stochastisch verteilt;

- die Zylinderlaufflächenschicht (1) weist einen Gehalt an gebundenem Sauerstoff von 0,5 bis 8 Gewichts-% auf;

- die Zylinderlaufflächenschicht (1) weist eingelagerte FeO- und Fe₃O₄-Kristalle zur Bildung von Festschmierstoffen auf; und

- die Rauheit der Zylinderlaufflächenschicht (1) ist durch mechanische Nachbearbeitung auf eine arithmetische Mittenrauheit R_a von 0,02 bis 0,4 µm und eine gemittelte Rautiefe R_z von 0,5 bis 5 µm eingestellt.

2. Zylinderlaufflächenschicht nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die statistisch mittlere Porengrösse zwischen 1 und 10 µm und der Porositäts-Grad zwischen 0,5 und 5 % liegt.

3. Zylinderlaufflächenschicht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit der Zylinderlaufflächenschicht (1) auf eine arithmetische Mittenrauheit R_a von 0,05 bis 0,2 µm und eine gemittelte Rautiefe R_z von 1 bis 3 µm eingestellt ist.

4. Zylinderlaufflächenschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit durch Nachbearbeitung mittels Honen eingestellt ist.

5. Zylinderlaufflächenschicht nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rauheit durch Nachbearbeitung mittels Diamanthonen eingestellt ist.

6. Zylinderlaufflächenschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufflächenschicht eine Vickers-Mikrohärte HV_0,3 von 350 bis 550 N/mm² aufweist.

7. Zylinderlaufflächenschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufflächenschicht (1) zusätzlich C, Mn, Cr, Si und S enthält.

8. Zylinderlaufflächenschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufflächenschicht (1) folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%

C = 0,05 bis 1.5 Gewichts-%

Mn = 0,05 bis 3.5 Gewichts-%

Cr = 0.05 bis 18 Gewichts-%

Si = 0,01 bis 1 Gewichts-%

S = 0,001 bis 0,4 Gewichts-%.

9. Zylinderlaufflächenschicht nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufflächenschicht (1) folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%

C = 0,05 bis 0.8 Gewichts-%

Mn = 0,05 bis 1.8 Gewichts-%

Cr = 11.5 bis 18 Gewichts-%

Si = 0,01 bis 1 Gewichts-%

S = 0,002 bis 0,2 Gewichts-%.

10. Zylinderlaufflächenschicht nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufflächenschicht (1) zur Verbesserung der Zerspanbarkeit zwischen 1,2 und 3,5 Gewichts-% Mn und 0,05 bis 0,4 Gewichts-% S enthält.

11. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufflächenschicht nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufflächenschicht (1) durch Plasmaspritzen eines gas- oder wasserverdüsten Beschichtungspulvers mit einer Partikelgrösse zwischen 5 und 100 µm erzeugt wird, wobei der Spritzabstand 20 bis 50 mm beträgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver eine Partikelgrösse zwischen 10 und 50 µm aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%

C = 0,05 bis 1.5 Gewichts-%

Mn = 0,05 bis 3.5 Gewichts-%

Cr = 0.05 bis 18 Gewichts-%

Si = 0,01 bis 1 Gewichts-%

S = 0,001 bis 0,4 Gewichts-%.

14. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichtungspulver folgende chemische Zusammensetzung aufweist:

Fe = Differenz auf 100 Gewichts-%

C = 0,05 bis 0.8 Gewichts-%

Mn = 0,05 bis 1.8 Gewichts-%

Cr = 11.5 bis 18 Gewichts-%

Si = 0,01 bis 1 Gewichts-%

S = 0,002 bis 0,2 Gewichts-%.

15. Verfahren nach einem der Ansprüch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Nachbehandlung der Zylinderlaufflächenschicht (1) durch Diamanthonen erfolgt.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der gewünschten Schichteigenschaften bzw. zum Verändern der Porengrösse und/oder des Porositäts-Grads die Grösse der Beschichtungspartikel und/oder die chemische Zusammensetzung des Beschichtungsmaterials und/oder die Enthalpie des Plasmas variiert wird/werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Enthalpie des Plasmas durch Ändern des Plasmastroms und/oder des Anteils an Wasserstoff im Plasmagas variiert wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Enthalpie des Plasmas durch Ändern des Plasmastroms variiert wird, wobei der Plasmastrom zwischen 100 und 500 Ampere gehalten wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmastrom zwischen 260 und 360 Ampere gehalten wird

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Plasmaspritzvorrichtung ein Plasmagas mit einem Anteil von 0,5 bis 5 NLPM (Normal-Liter pro Minute) Wasserstoff zugeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass als Plasmagas Argon eingesetzt wird.

Zeichnung