Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten der Außenfläche einer Zylinderlaufbuchse nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Um das Gewicht von Kraftfahrzeugen zu reduzieren, und um auf diesem Wege Kraftstoff zu sparen, werden Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetall, insb. aus Aluminium gegossen. Diese weisen aber derart schlechte tribologische Eigenschaften auf, dass bei deren Herstellung aus einem Eisenbasiswerkstoff, wie beispielsweise aus Grauguss, bestehende Zylinderlaufbuchsen in das Zylinderkurbelgehäuse mit eingegossen werden. Hierbei ergeben sich die Probleme, die Zylinderlaufbuchsen ausreichend fest im Zylinderkurbelgehäuse zu verankern, und einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen den Zylinderlaufbuchsen und dem Zylinderkurbelgehäuse zu gewährleisten. Diese Probleme können dadurch gelöst werden, dass die Außenflächen der Zylinderlaufbuchsen eine Rauhgussstruktur mit Hinterschnitten erhalten. Dies bringt aber mit sich, dass die Stege zwischen den in das Zylinderkurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbuchsen sehr breit sind, und dass deshalb der Platzbedarf der Zylinderlaufbuchsen sehr groß ist.
Im Rahmen des Trendes bei der Motorenentwicklung, die Motoren bei gleichbleibender Leistung zu verkleinern, ergibt sich die Notwendigkeit, die Abstände zwischen den einzelnen Zylinderlaufbuchsen zu verringern und zudem die Wärmeabfuhr vom Brennraum über die Zylinderlaufbuchse zu den Kühlräumen des Zylinderkurbelgehäuses zu verbessern. Diese Probleme können dadurch gelöst werden, dass als Alternative zur Raugussbuchse Zylinderlaufbuchsen aus Grauguss mit einer glatten oder mäßig rauen Außenfläche und mit einer Beschichtung verwendet werden, die das Anbinden der Zylinderlaufbuchse an das Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sicherstellt.
Aus der US-Patentschrift mit der Nummer 5,333,668 ist es bekannt, hierzu eine Zink-Basis-Legierung mit 5. % Aluminium zu verwenden. Nachteilig ist hierbei, dass die aus dem Stand der Technik bekannte Beschichtung sehr schnell oxidiert, und nur mäßige Festigkeitswerte aufweist, was die Güte der metallischen Bindung der Beschichtung mit dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses beeinträchtigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, diesen Nachteil des Standes der Technik zu vermeiden und zudem ein einfaches und preisgünstiges Beschichtungsverfahren zur Verfügung zu stellen.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteranprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beschichten einer in ein Zylinderkurbelgehäuse einzugießenden Zylinderlaufbuchse wird im Folgenden näher erläutert.
Verwendet wird hierzu eine Zylinderlaufbuchse, die aus einem Eisenbasiswerkstoff besteht, das legiert oder unlegiert sein kann. Vorzugsweise besteht die Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, der entweder lamellares Graphit, Vermikulargraphit oder Kugelgraphit enthalten kann. Der Grauguss kann hierbei ein ferritisch-perlitisches, ein perlitisches, ein bainitisches oder ein austenitisches Grundgefüge aufweisen. Die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse kann glatt ausgebildet sein. Sie kann aber auch alle weiteren Oberflächengüten bis hin zu einer flache Raugussoberfläche aufweisen. Darüberhinaus können die Außenfläche, die Stirnseite und die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse durch Drehen vorbearbeitet sein.
Zum Eingießen der Zylinderlaufbuchse in das Zylinderkurbelgehäuse können alle gebräuchlichen Gießverfahren, wie beispielsweise das Druckgießverfahren, das Pressgießverfahren, das Schwerkraftgießverfahren oder das Niederdruck-Gießverfahren verwendet werden.
Das Zylinderkurbelgehäuse besteht aus einem der gebräuchlichen Leichtmetall-Gusswerkstoff, wobei sowohl Gusswerkstoffe auf Aluminiumbasis, sie beispielsweise EN AC-AISi10Mg(Fe), EN AC-AlSi10Mg(Cu), EN AC-AlSi9Cu3(Fe), EN AC-AISi12(Cu), als auch auf Magnesium-Basis, wie beispielsweise EN MC-MgA19Zn1(A), EN MC-MgY4RE3Zr in Frage kommen.
Um beim Eingießen der Zylinderlaufbuchse in das Zylinderkurbelgehäuse die metallische Bindung der Zylinderlaufbuchse mit dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sicherzustellen, wird die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse im Tauchverfahren beschichtet. Als Vorbereitung hierfür ist es erforderlich, die Außenfläche von Schmutz und Oxiden zu säubern und anschließend aufzurauen. Geeignete Verfahren hierzu sind das Bürsten und/oder das Strahlen. Beispielsweise kann zum Strahlen grobes Korund, d.h., kristallisiertes Al2O3 verwendet werden.
Im Anschluss daran wird die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse gebeizt und/oder mit einem Flussmittel bestrichen, wozu sich Zinkchlorid-Aluminiumchlorid-Doppelsalz oder Salmiakstein (Ammoniumchlorid) eignet. Dies bezweckt, Oxide von der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse zu entfernen, um das Anlegieren einer im Folgenden beschriebenen Metallschicht zu fördern.
Das hierauf folgende Tauchverfahren zur Beschichtung der Außenfläche der Zylinderlaufbuchse erfolgt in einer Zink-Aluminium-Kupfer-Schmelze mit 3 % bis 12 % Kupfer und 2 % bis 8 % Aluminium, wobei der Rest der Schmelze Zink ist. Zur Förderung der Ausscheidungshärtung kann der Schmelze bis zu 1 % Magnesium zugegeben werden.
Hierbei wird die Zylinderlaufbuchse so weit in die Schmelze getaucht, bis ein kleines, über die gesamte axiale Länge der Zylinderlaufbuchse durchgehendes Segment der Außenfläche nicht aber die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse von der Schmelze benetzt wird. Die Zylinderlaufbuchse wird dann um ihre Längsachse gedreht, wobei die Schmelze durch Ultraschall in eine hochfrequente Bewegung versetzt wird. Dadurch wird die Legierungsbildung zwischen der Legierung der Zylinderlaufbuchse und der Zinkbasislegierung der Schmelze gefördert, wobei ein Schichtsystem aus intermetallischen Phasen und Mischkristallen entsteht, das für die metallische Bindung der Zylinderlauffläche mit der umgebenden Metallschicht sorgt.
Nach 3 bis 5 Minuten hat die Metallschicht eine Dicke von 100 µm bis 300 µm erreicht, und die Zylinderlaufbuchse wird der Schmelze entnommen. Die Zylinderlaufbuchse wird dann waagrecht in einer Halterung befestigt, wobei überschüssige Schmelze abtropft und die aufgetragene Metallschicht erstarrt.
Der Kupferbestandteil der Legierung hat den Vorteil, dass eine beim Beschichten sich möglicherweise bildende Oxidhaut nicht allzu dicht wird, sodass sie sich beim Eingießen leicht ablöst. Die Liquidustemperatur der Schmelze liegt zwischen 440 °C und 520°C, wodurch bewirkt wird, dass die Metallschicht beim Gießen des Zylinderkurbelgehäuses von dessem Umgussmaterial angeschmolzen wird, wodurch die metallische Bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Umgussmaterial des Zylinderkurbelgehäuses sichergestellt wird. Wird hierzu das Schwerkraftgussverfahren angewandt, ist es erforderlich, die beschichteten Zylinderlaufbuchsen auf 300°C bis 400°C zu erwärmen. Dies entfällt bei der Anwendung des Druckgussverfahrens zur Herstellung des Zylinderkurbelgehäuses.