Verfahren zum Beschichten einer Bohrung und Zylinderblock eines Verbrennungsmotors

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer beschichteten, inneren Oberfläche (4), insbesondere zum Herstellen einer beschichteten Bohrung (1) eines Verbrennungsmotors
Vorgeschlagen wird, dass das Verfahren zumindest mit den folgenden Schritten durchgeführt wird:
- Herstellen eines im Rohling vorliegenden Basiskörpers (3);
- Aufbohren der Bohrung (1) und Vorbearbeiten derselben;
- Aufbringen einer Email-Beschichtung (2) auf die innere Oberfläche (4) der Bohrung (1), und
- Nachbehandlung der beschichteten Bohrung (1), wobei sich die Email-Beschichtung (2) mit dem Grundwerkstoff der Bohrung (1) metallurgisch durch Phasenbildung verbindet.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer beschichteten Oberfläche, insbesondere einer Zylinderbohrung eines Verbrennungsmotors, sowie einen Zylinderblock eines Verbrennungsmotors.

[0002] Zylinderbohrungen von Verbrennungsmotoren sollten ein gleichmäßiges und geringes Spiel zwischen ihrem Innenumfang und sich darin hin und her bewegenden Kolben bzw. Kolbenringen aufweisen, wobei bestenfalls ideale tribologische Bedingungen erreicht werden.

[0003] Die DE 10 2007 023 297 A1 offenbart, dass ein zweistufiges Verfahren vorgesehen sein soll, wobei sich an eine Vorbearbeitung eine Feinbearbeitung anschließen soll. Bevor der zweite Schritt zur Herstellung einer unrunden Ausgangsform angegangen wird, also bevor mit der Feinbearbeitung begonnen wird, sieht die DE 10 2007 023 297 A1 vor eine Gleitschicht auf die vorbearbeitete Ausgangsform aufzubringen. Dies kann gemäß der DE 10 2007 023 297 A1 nur mit einem thermischen Spritzverfahren erfolgen, wobei an ein Lichtbogendrahtspritzen, an ein atmosphärisches Plasmaspritzen oder an ein Hochgeschwindigkeitsflammspritzen gedacht ist. Auch Plasmapulverspritzen kann ein geeignetes Spritzverfahren sein. Dabei weist die DE 10 2007 023 297 A1 insbesondere darauf hin, dass die Schichtdicke der aufgetragenen Schicht nicht kleiner als mindestens 50µm sein soll. Zudem sollte die Oberfläche vor dem Beschichten thermisch, mechanisch, chemisch oder wasserstrahlunterstützt vorbehandelt werden.

[0004] Bei diesen thermischen Beschichtungsverfahren treffen aufgeschmolzene Beschichtungspartikel mit hoher Temperatur und zuweilen sehr hoher Geschwindigkeit auf die zu beschichtende Oberfläche, um die thermische Spritzschicht zu erzeugen. Ersichtlich ist dabei der Nachteil, dass der zu beschichtende Grundwerkstoff quasi einer ungesteuerten Wärmebehandlung unterzogen wird, so dass sich dessen Materialeigenschaften verändern können. Zudem wird sich der Zylinderblock, in welchem die zu beschichtende Zylinderbohrung angeordnet ist, sehr stark erwärmen, so dass sich die Weiterverarbeitung des Zylinderblockes für die Dauer der notwendigen Abkühlphase verzögert.

[0005] Mittels thermischer Spritzverfahren können tribologisch geeignete VerschleißSchutzschichten hergestellt werden. Solche Beschichtungen werden jedoch bei Motorblöcken aus Grauguss-Material (GG-Material) in der Praxis nicht benutzt, weil die gehonte GG-Oberfläche selber bereits tribologisch gut geeignet ist aufgrund der vorliegenden Graphit-Lamellen mit deren selbstschmierenden Wirkung. Daher werden in GG-Motorblöcken insbesondere verschlissene Laufbahnen durch Aufspritzen von Stahlschichten wieder in den Original-Zustand gebracht. Durch Honen lässt sich dann wieder der Originaldurchmesser einstellen. Von solchen thermisch spritz-reparierten Motoren ist bekannt, dass sie einen niedrigeren Ölverbrauch bzw. höhere Leistung zeigen als Motoren, die durch Ausspindeln der Bohrung und Verwendung von Übermaß-Kolben instandgesetzt wurden. Dabei stellt sich eine weiter reduzierte Reibung zwischen Kolbenring und der porösen thermischen Spritzschicht ein, wobei die Poren quasi als Ölreservoir fungieren und besonders im Bereich der Kolbenumkehrpunkte und somit im Bereich der Mischreibung zusätzliches Öl für den Kolbenring bereitstellen.

[0006] Bei Aluminium-Motorblöcken (Al-Motorblöcken) dagegen ist die Oberfläche vor dem Beschichten zu aktivieren und aufzurauen, was z.B. mittels Wasserstrahlen oder durch mechanisches Aufrauen geschehen kann. Beide Verfahren kommen jedoch für GG-Motorblöcke nicht in Betracht, so dass ein Ausspindeln mit höherer Rauigkeit, verbunden mit Flex-Honen oder Hammerschlagbürsten notwendig ist. Zusätzlich muss eine dünne Lage an kostenintensivem NiAl-Haftgrundmaterial thermisch aufgespritzt werden bevor die eigentliche Funktionsbeschichtung thermisch aufgetragen wird. Durch diesen 2-stufigen Prozess sind die Beschichtungskosten bei GG-Motorblöcken hoch, wodurch das thermische Spritzen hierbei benachteiligt ist. Demgegenüber fällt die Kostenrechnung bei Motorblöcken aus Al-Material günstiger aus: hier kann der Liner aus GG-Material wegfallen. Durch einfaches mechanisches Aufrauen des weichen Al-Materials wird ein Aufrauprofil mit einem Hinterschnitt erzeugt, so dass die Beschichtung direkt auf diese aufgeraute Oberfläche thermisch aufgespritzt werden kann. Durch den Hinterschnitt ergibt sich auch ohne jeden Haftgrund eine sehr hohe Haftfestigkeit.

[0007] Die thermischen Spritzschichten zeigen jedoch eine Schwachstelle beispielsweise hinsichtlich der Unterkorrosionsproblematik auf, z.B. wenn aggressive, verunreinigte Kraftstoffe verwendet werden. In dem Fall ist es notwendig, hoch Cr-legierte Pulver oder Drähte als Zusatzwerkstoff zum thermischen Spritzbeschichten zu verwenden, wodurch die Herstellkosten weiter steigen. Aufgrund der durchgehenden Porosität kann es dann aber trotzdem passieren, dass Kondensate oder Säuren durch die Schicht hindurch das Grundmaterial angreifen können. Nur durch zusätzliche Imprägnierung der Schichten lassen sich solche Unterkorrosionsprobleme verhindern.

[0008] Weiter können mittels Plasma-Pulverspritzverfahren von Zr-O2 mit Yttrium-Oxid-Stabilisierung Wärmedämmschichten für Verbrennungsmotoren oder Gasturbinen hergestellt werden. Solche Plasma-Pulverspritzschichten zeichnen sich durch niedrige Wärmeleitung auch bei sehr hohen Temperaturen bis über 1100°C aus. Auf der anderen Seite können solche Plasma-Pulverspritzschichten aufgrund ihres mikrorissigen Schichtaufbaus mechanisch nicht belastet werden, wobei solche Wärmedämmschichten als tribologisch beanspruchte Beschichtung in der Zylinderlaufbahn nicht geeignet wären.

[0009] Angesichts dieser Beobachtungen bieten Verfahren zum Herstellen beschichteter Bohrungsflächen, insbesondere Verfahren zur Beschichtung der Bohrung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors weiterhin Raum für Verbesserungen.

[0010] Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der Eingangs genannten Art vorteilhaft weiterzubilden.

[0011] Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Zylinderblock mit den Merkmalen des Anspruchs 11.

[0012] Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung und deren Teile insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.

[0013] Gemäß der Erfindung wird nachfolgend ein Verfahren zum Herstellen einer beschichteten Oberfläche, insbesondere einer Bohrung eines Verbrennungsmotors vorgestellt, umfassend zumindest die Schritte:

• Herstellen eines im Rohling vorliegenden Basiskörpers;
• Aufbohren der Bohrung und Vorbearbeiten derselben;
• Aufbringen einer Email-Beschichtung auf die innere Oberfläche der Bohrung, und
• Nachbehandlung der beschichteten Bohrung, wobei sich die Email-Beschichtung mit dem Grundwerkstoff der Bohrung metallurgisch durch Phasenbildung verbindet.

[0014] Die auf die innere Oberfläche der Bohrung aufgebrachte Email-Beschichtung weist eine besonders gute Wärmedämmeigenschaft und besonders gute tribologische Eigenschaften auf. Zudem wird eine Unterkorrosion sicher vermieden, wobei auf kostenintensive Zusatzstoffe wie z.B. Zirkon-Oxid/Yttrium-Oxid verzichtet werden kann. Insofern wird zielführend ein Verfahren bereitgestellt, bei dem eine geeignete Beschichtung alle Anforderungen an eine sichere Funktion des Bauteils bei minimalen Herstellkosten erfüllt, wobei das erfindungsgemäße Verfahren gleichzeitig aber auch in die bestehende Fertigungskette zum Herstellen der Motorblöcke ohne große Umstände integrierbar ist.

[0015] Bei der erfindungsgemäßen Email-Beschichtung handelt es sich bevorzugt um ein Schmelzgemisch. Bei der Emailtemperatur schmelzen die glasbildenden Oxide zu einer Glasschmelze zusammen. Glasbildende Oxide können dabei SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O und Al₂O₃ sein. Grundemails weisen ca. 23 - 34 Gew% (Gewichtsprozente) Borax, 28 - 52 Gew% Feldspat, 5 - 20 Gew% Quarz, ca. 5 Gew% Fluorid, sowie als Rest Soda und Natriumnitrat auf. Als Trübungsmittel können die Oxide von Ti, Zr und Mo dienen.

[0016] Um zu erreichen, dass die Email-Beschichtung fest auf dem metallischem Untergrund, also auf dem Grundwerkstoff haftet, sind beispielsweise Bestandteile von Kobalt-, Mangan- oder Nickel-Oxiden vorgesehen. Möglich ist noch, keramische Pigmente, wie z.B. Eisenoxide, Chromoxide und Spinelle einzusetzen.

[0017] Die genannten Stoffe werden in bevorzugter Ausgestaltung fein gemahlen und geschmolzen. Die Schmelze wird abgeschreckt, also bevorzugt in Wasser gegeben, wobei die so entstehende körnige glasartige Fritte im sich anschließenden Schritt wieder fein gemahlen wird. Beim dem Mahlvorgang werden beispielsweise 30 % bis 40 % Wasser zusammen mit Ton und Quarzmehl zugesetzt. Je nach Art des Emails kommen noch die erwähnten Trübungsstoffe und Farboxide hinzu.

[0018] So wird ein Emailschlicker gebildet, welcher zur besseren Mischung einige Zeit, bevorzugt einige Tage ruhen sollte, bevor der Emailschlicker weiterverwendet würde. Durch Verwendung geeigneter Stellmittel wird sichergestellt, dass sich eine gleichmäßige Schichtdicke z.B. nach einer Tauchbeschichtung ergibt, wobei auf eine mögliche Tauchbeschichtung mit einer Flutvorrichtung noch näher eingegangen wird.

[0019] Zum Aufbringen der Email-Beschichtung, also des Emailschlickers können unterschiedliche Vorgehen gewählt werden. Zum Einen kann der wässrige Emailschlicker mittels einer rotierenden Vorrichtung, welche zugleich zur Rotation um ihre Hochachse in Hochrichtung der Bohrung in derselben hin- und herbewegbar ist aufgebracht werden. Die Vorrichtung kann als Lanze ausgeführt sein, wobei das Material in mehreren Übergängen, also Schichten aufbringbar ist. Die Lanze weist günstiger Weise an ihrem Auftragende zumindest eine Austrittsöffnung auf, aus welcher der Emailschlicker austreten kann. Durch die Rotation wird der Emailschlicker quasi auf die zu beschichtende Oberfläche geschleudert. Natürlich können auch mehrere Austrittsöffnungen vorgesehen sein, die sowohl in Umfangsrichtung gesehen als auch in Hochrichtung der Lanze an dieser angeordnet sein können. In möglicher Ausgestaltung kann vorgesehen sein, zunächst eine bestimmte Materialstärke aufzutragen, welche sodann getrocknet wird, bevor die nächste Schicht, also weiteres Material aufgebracht wird. Das Trocknen dieser Schicht kann z.B. mit einer Induktionsspule erfolgen. Natürlich kann auch vorgesehen sein, die Email-Beschichtung in einem einzigen Schritt aufzubringen.

[0020] Wie bereits erwähnt kann die Email-Beschichtung zum Anderen aber auch in einem Tauchvorgang aufgebracht werden. Dazu kann der gesamte Zylinderblock, in dem sich eine oder mehrere zu beschichtende Bohrungen befinden in bevorzugter Ausgestaltung mit seiner Kopfseite zuerst in das Emailschlickerbad eingebracht werden. Dabei wird zwangsläufig auch das Äußere des Zylinderblocks beschichtet, was hinsichtlich der Materialeinsparung nachteilig ist. Zielführend ist jedoch, wenn die Bohrung mit dem Emailschlicker geflutet wird, was im Sinne der Erfindung ebenfalls als Tauchvorgang mit Flutvorrichtung bezeichnet wird. Dabei wird der gesamte Zylinderblock mit seiner Kopfseite zuerst auf eine Flutvorrichtung gestellt. Die Flutvorrichtung weist günstiger Weise zumindest eine Kammer, die zumindest eine Austrittsöffnung aufweist, wobei noch eine Zuführöffnung vorgesehen ist. An die Zuführöffnung ist eine Leitung angeschlossen, welche den Emailschlicker zur Flutvorrichtung führt, so dass in dieser, also in der Kammer ein solcher Druck entsteht, dass der Emailschlicker aus der Austrittsöffnung von unten in die zu beschichtende Bohrung eintritt. Günstiger Weise sind noch Dichtelemente, z.B. in der Ausgestaltung als Dichtlippe an der Flutvorrichtung vorgesehen, an welcher sich die Wand der zu beschichtenden Bohrung in Umfangsrichtung anlegen kann, so dass die Bohrung über ihre Wand zur Flutvorrichtung abgedichtet ist. Die gesamte Bohrung, also die innere Oberfläche derselben wird so mit dem Emailschlicker beschichtet. Dabei kann ein mehrstufiger Schichtaufbau mit der optionalen oben genannten Zwischentrocknung einzelner Teilschichten genauso vorgesehen wie das Auftragen der Email-Beschichtung in einem Schritt. Der Bohrung wird so von unten nach oben geflutet. Möglich ist natürlich die Bohrung von oben nach unten mit dem Emailschlicker zu fluten. Dazu wird der Emailschlicker in die nach oben geöffnete Bohrung eingebracht, was ebenfalls als Tauchvorgang im Sinne der Erfindung angesehen wird.

[0021] Zielführend ist, wenn die gesamte Bohrung sowohl vollumfänglich als auch über die gesamte Hocherstreckung mit der Email-Beschichtung versehen wird.

[0022] Zweckmäßig ist weiter, wenn der Basiskörper, also der Zylinderblock aus einem Grauguss hergestellt ist, wobei als Herstellungsverfahren das Sandgussverfahren geeignet ist. Dieses ist allgemein bekannt, so dass darauf nicht weiter eingegangen wird. Die Bohrung, also die Zylinderbohrung wird anschließend aufgebohrt und vorbearbeitet, wobei die Bohrung durch Ausspindeln auf ein Übermaß von 1 bis 2 mm im Durchmesser aufgebohrt wird. Zielführend im Sinne der Erfindung ist, wenn die Oberfläche im Bereich der Bohrung, also die innere Bohrungsoberfläche auf eine Rauigkeit von Ra 6 bis 7 µm gespindelt wird.

[0023] Nach dieser Vorbearbeitung wird die Email-Beschichtung aufgebracht. Die Email-Beschichtung wird als wässrige Suspension aufgetragen und anschließend in einem Durchlaufofen z.B. bei T = 90°C für ca. 10 Minuten getrocknet. Möglich ist auch eine Trocknung durch Heizstrahler, oder ein Aufwärmen mittels der zuvor genannten Induktionsspule. Anschließend werden die Bauteile bevorzugt bei T = 840°C, 10 Minuten im Durchlaufofen geglüht, so dass sich die Email-Beschichtung mit dem GG-Substratmaterial des Zylinderblocks metallurgisch durch Phasenbildung verbinden kann. Bei diesem Einbrenn-Vorgang kommt es zu einer Bildung einer dichten, geschlossenen Oxid-Beschichtung, die gegenüber dem Korrosionsangriff durch Kondensate oder aggressive alternative Kraftstoffe sehr widerstandsfähig ist. Die erfindungsgemäßen Email-Beschichtungen zeichnen sich gegenüber den Galvanik-oder thermischen Spritzbeschichtungen dadurch aus, dass sie nicht unterwandert werden können. Wenn thermisch aufgebrachte Spritz-Schichten unterwandert werden, kann sich eine Fe-Oxid-Phase unter der Beschichtung ausbilden, was zu einer starken Volumenvergrößerung, verbunden mit dem Abplatzen der thermischen Spritzbeschichtung, führt. Die erfindungsgemäße Email-Beschichtung dagegen kann nicht weiter geschädigt werden, wenn durch lokalen Schaden die Schicht bis zum Grundwerkstoff abgetragen ist. Es wird dann nur im Bereich der fehlenden EmailSchicht ein Rostschaden auftreten, welcher sich aber nicht weiter vergrößert.

[0024] Neben dieser guten Korrosionsbeständigkeit zeichnet sich die erfindungsgemäße Email-Beschichtung durch gute Verschleißbeständigkeit aufgrund der hohen Schichthärte von typisch 600 - 800HV0,1 aus. Dies bedeutet eine dreifach höhere Härte als bei dem GG-Basismaterial.

[0025] In weiterem Vorgehen zum Herstellen der Email-Beschichtung ist zweckmäßiger Weise vorgesehen, eine weitere Wärmebehandlung durchzuführen. Dazu wird der Zylinderblock mit der getrockneten Email-Beschichtung in einem Schutzgas-Ofen auf 800 - 900°C aufgeheizt und ca. 10 - 20 Minuten gehalten. Anschließend erfolgt eine schnelle Abkühlung bevorzugt in einer Salzschmelze, so dass sich eine deutliche höhere Festigkeit des Zylinderblockes ergibt als beim konventionellen GG-Material. Überraschender Weise laufen die Email-Einbrennbehandlung und diese Wärmebehandlung im gleichen Temperatur-Zeit-Fenster ab, was mit der Erfindung genutzt wird. Insofern werden die Email-Einbrennbehandlung und diese Wärmebehandlung miteinander verbunden, so dass sich durch diese Einbrenn- und Abschreckoperation also ein Zylinderblock mit erhöhter mechanischer Festigkeit sowie einer Zylinderbohrung mit guter Wärmedämmung und guter Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ergibt. Die Wärmebehandlung ist zielführend als bainitische Grauguss Wärmebehandlung durchzuführen (AGI-Wärmebehandlung = Austempered Gray Iron Wärmebehandlung).

[0026] Nach dem Einbrennen der Email-Beschichtung werden die Motorblöcke fertig bearbeitet und in der Laufbahn auf Endmaß gehont.

[0027] Bevorzugt werden Schichtdicken von 500-1000µm aufgebracht. Je dicker die Email-Beschichtung ist, umso höher ist deren Wärmedämmwirkung. Diese Wärmedämmung ergibt sich durch die Verwendung von Oxiden wie Si, Ti, Ca-Oxiden aber auch durch die typischen Luftblaseneinschlüssen in der erstarrten Glasmatrix. Diese harte und spröde Schicht lässt sich durch Diamant-Honleisten sehr einfach bearbeiten, wobei diese Luftblasen angeschnitten und offengelegt werden. Besonders hervorzuheben ist die Tatsache, dass es sich dabei nicht um miteinander verbundene Poren oder Porennester handelt wie bei einer thermisch aufgebrachten Spritzbeschichtung, so dass sich in den Poren der erfindungsgemäßen Email-Beschichtung ein hoher hydrodynamischer Druck aufbauen kann und der Ölfilm durch den Kolbenring nicht in verbundene Poren weggedrückt werden kann.

[0028] Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich aufgrund der hervorragenden Korrosions- und Verschleißbeständigkeit, guten Wärmedämmung sowie des guten Reibverhaltens für die Beschichtung von Zylinderlaufbahnen von Verbrennungsmotoren. Darüber hinaus kann der Einbrennzyklus der Email-Beschichtung verbunden werden mit der AGI Wärmebehandlung, so dass der Zylinderblock anschließend eine höhere Festigkeit aufweist. Die Zusammensetzung der Email-Beschichtung kann durch Zugabe von harten Karbiden so angepasst werden, dass die Verschleißbeständigkeit z.B. für den Einsatz in hochaufgeladenen Motoren angehoben werden kann. Im Vergleich zu Zr-Oxid- Pulver (derzeit 60€/kg und Verwendung des teuren Pulver-Plasma-Spritzverfahrens) ist das Nass-Schlickern von Emails (derzeit 2-4€/kg) sehr kostengünstig.

[0029] Mit der Erfindung wird also ein Verfahren zur Herstellung einer Verschleiss- und Korrosionsbeschichtung innerhalb der Bohrung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors aus Grauguss-Material zur Verfügung gestellt. Diese Beschichtung erfüllt erfindungsgemäß zumindest die folgenden Anforderungen: sie reduziert infolge der niedrigen Wärmeleitfähigkeit den Wärmeverlust im Verbrennungsprozess und erlaubt dadurch die Wärme im Verbrennungsprozess thermodynamisch besser auszunutzen zur Erzielung eines höheren Wirkungsgrades. Zusätzlich weist diese Beschichtung aber auch gute tribologische Eigenschaften auf, um den Reib-Verschleiß-Bedingungen der Kolbengruppe gewachsen zu sein. Diese Anforderungen werden erfindungsmäßig gelöst durch das Einbrennen der gegebenenfalls harten Email-Beschichtung. Weiterhin wird erfindungsgemäß die notwendige Einbrennbehandlung der Email-Beschichtung verbunden mit der AGI Wärmebehandlung, so dass für diese Emaillierung nur sehr geringe Kosten anfallen und gleichzeitig der Zylinderblock eine höhere Festigkeit erhält als ein Zylinderblock aus konventionellem GG-Material. Denkbar ist auch, einen Zylinderblock aus Aluminium, also dessen Zylinderlaufbahn mit der Email-Beschichtung zu versehen.

[0030] Optional kann die Email-Beschichtungsoberfläche nach dem Schritt des Einbrennens noch einer Schlussbehandlung, also einem Finish unterzogen werden. Bevorzugt ist vorgesehen, die Reibflächen drehend zu bearbeiten und die Zunderschicht, welche aufgrund des Glühprozesses entstand zu entfernen. Möglich ist auch, eine Nachbearbeitung der Bohrung durch ein Nachschleifen, wobei Diamant- oder Hartstoff-Topfscheiben zum Einsatz kommen können. Denkbar ist eine Nachbearbeitung mittels Ausdrehen oder Ausspindeln, was trotz der hohen Härte aufgrund der Sprödigkeit machbar ist, wobei PKD (polykristalliner Diamant) Wendeschneidplättchen bevorzugt sind.

[0031] Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

ein Vorgehen zum Beschichten einer Bohrung mit einer Email-Beschichtung,

Fig.2

ein weiteres Vorgehen zum Beschichten einer Bohrung mit einer Email-Beschichtung, und

Fig. 3

eine mit der Email-Beschichtung versehene Bohrung im Längsschnitt.

[0032] In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.

[0033] Figur 1 zeigt ein Verfahren zum Beschichten einer Bohrung 1 mit einer Email-Beschichtung 2. Die Bohrung 1 ist in einem Zylinderblock 3 eingebracht, welcher als Prinzipskizze in Figur 2 erkennbar ist. Von dem Zylinderblock 3 ist in Figur 1 lediglich die innere Oberfläche 4 der Bohrung 1 erkennbar.

[0034] Der Zylinderblock 3 wurde als Basiskörper 3 in einem Sandgussverfahren aus einem Grauguss hergestellt. Die Bohrung 1 wurde durch Ausspindeln auf ein Übermaß von 1 bis 2 mm im Durchmesser aufgebohrt. Die Oberfläche 4 im Bereich der Bohrung 1 wurde zudem auf eine Rauigkeit von Ra 6 bis 7 µm gespindelt.

[0035] Die angegeben Werte sollen natürlich nur beispielhaft genannt sein. Die Bohrung 1 wird erfindungsgemäß mit einer Email-Beschichtung 2 versehen.

[0036] Die Email-Beschichtung 2 wird in Form eines wässrigen Emailschlickers bei dem Ausführungsbeispiel nach Figur 1 mittels einer rotierenden Vorrichtung 6, welche zugleich zur Rotation um ihre Achse in Hochrichtung der Bohrung 2 in derselben hin und her bewegbar ist aufgebracht. Die Bewegungspfeile hinsichtlich Rotation und Hin und Her bewegen sind in Figur 1 eingezeichnet. Die Vorrichtung 6 kann als Lanze 6 bezeichnet werden, wobei das Material, also der wässrige Emailschlicker in mehreren Übergängen, also Schichten aufbringbar ist. In möglicher Ausgestaltung kann vorgesehen sein, zunächst eine bestimmte Materialstärke aufzutragen, welche sodann getrocknet wird, bevor die nächste Schicht, also weiteres Material aufgebracht wird. Das Trocknen dieser Schicht kann z.B. mit einer Induktionsspule erfolgen. Natürlich kann auch vorgesehen sein, die Email-Beschichtung in einem einzigen Schritt aufzubringen.

[0037] Wie der Figur 2 entnehmbar ist, kann die Email-Beschichtung 2 zum anderen aber auch in einem Tauchvorgang aufgebracht werden. Erkennbar in Figur 2 ist, dass die Bohrung 1 mit dem Emailschlicker von unten geflutet wird, was im Sinne der Erfindung als Tauchvorgang bezeichnet wird. Dabei wird der gesamte Zylinderblock 3 mit seiner Kopfseite 7 aufstehend auf eine Flutvorrichtung 8 gestellt.

[0038] Die Flutvorrichtung 8 weist günstiger Weise zumindest eine Kammer 9 auf, die eine Austrittsöffnung 10 hat, wobei eine Zuführöffnung 11 vorgesehen ist. An die Zuführöffnung 11 ist eine Leitung 12 angeschlossen, welche den Emailschlicker zur Flutvorrichtung 8 führt, so dass in dieser, also in der Kammer 9 ein solcher Druck entsteht, dass der Emailschlicker aus der Austrittsöffnung 10 von unten in die zu beschichtende Bohrung 1 eintritt. Günstiger Weise sind noch Dichtelemente 13, z.B. in der Ausgestaltung als Dichtlippe 13 an der Flutvorrichtung 8 vorgesehen, an welcher sich die Wand 14, also an deren Stirnseite der zu beschichtenden Bohrung 1 in Umfangsrichtung anlegen kann, so dass die Bohrung 1 über ihre Wand 14 zur Flutvorrichtung 8 abgedichtet ist. Die gesamte Bohrung 1, also die innere Oberfläche 4 derselben wird so mit dem Emailschlicker beschichtet. Dabei kann ein mehrstufiger Schichtaufbau mit der optionalen oben genannten Zwischentrocknung einzelner Teilschichten genauso vorgesehen wie das Auftragen der Email-Beschichtung in einem Schritt.

[0039] Bei der in Figur 2 gewählten Ansicht ist lediglich eine Kammer 9 der Flutvorrichtung 8 erkennbar. Der Verbrennungsmotor, also der Zylinderblock 3 weist möglicherweise aber mehr als eine Zylinderbohrung 1 auf, was im Sinne der Erfindung liegt. Insofern kann die Flutvorrichtung 8 auch mehr als die erkennbare eine Kammer 9 aufweisen, welche hintereinander und/oder nebeneinander angeordnet sein können. Dies ist abhängig von der Art des Verbrennungsmotors z.B. als Reihenmotor oder als V-Motor. Natürlich kann auch für jede Bohrung 1 eine separate Flutvorrichtung 8 mit einer einzigen Kammer 9 vorgesehen sein. Zielführend ist, wenn alle Bohrungen 1 gleichzeitig mit der Email-Beschichtung 2 versehen werden, was natürlich auch aufeinanderfolgend geschehen kann. Im Sinne der Wärmebehandlung ist jedoch ein möglichst gleichzeitiges Beschichten vorteilhaft.

[0040] Zielführend ist, wenn die gesamte Bohrung 1 mit der Email-Beschichtung 2 versehen wird.

[0041] Anschließend wird eine Nachbehandlung der beschichteten Bohrung 1 vorgesehen, wobei sich die Email-Beschichtung mit dem Grundwerkstoff der Bohrung metallurgisch durch Phasenbildung verbindet. Mit dieser Nachbehandlung wird eine Wärmebehandlung mit anschließenden Abschrecken verbunden. Die beiden Behandlungen, also der Email-Einbrennvorgang, als auch die besagte Wärmebehandlung laufen im gleichen Temperatur-Zeit-Fenster ab, so dass sich durch diese Einbrenn- und Abschreckoperation also ein Zylinderblock mit erhöhter mechanischer Festigkeit sowie einer Zylinderbohrung mit guter Wärmedämmung und guter Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit ergibt. Die Wärmebehandlung ist zielführend als bainitische Grauguss Wärmebehandlung durchzuführen (AGI-Wärmebehandlung = Austempered Gray Iron Wärmebehandlung).

[0042] Anschließend kann die Email-Beschichtung 2 einem Finish z.B. mittels Diamant-Honleisten unterzogen werden. Dabei werden die in der Email-Beschichtung 2 vorhandenen Poren/Luftblasen 15 angeschnitten und offengelegt, wie in Figur 3 erkennbar ist. In Figur 3 ist die innere Oberfläche 4 der Bohrung 1, die Email-Beschichtung 2 sowohl die dazwischen angeordnete Übergangszone 16 erkennbar. Erkennbar ist in Figur 3 auch, dass es sich bei den besagten Poren/Luftblasen 15 nicht um miteinander verbundene Poren oder Porennester handelt wie bei einer thermisch aufgebrachten Spritzbeschichtung, so dass sich in den angeschnittenen und offengelegten Poren/Luftblasen der erfindungsgemäßen Email-Beschichtung ein hoher hydrodynamischer Druck aufbauen kann und der Ölfilm durch den Kolbenring nicht in verbundene Poren weggedrückt werden kann.

Ansprüche

1. Verfahren zum Herstellen einer beschichteten, inneren Oberfläche (4), insbesondere zum Herstellen einer beschichteten Bohrung (1) eines Verbrennungsmotors, umfassend zumindest die Schritte:

- Herstellen eines im Rohling vorliegenden Basiskörpers (3);

- Aufbohren der Bohrung (1) und Vorbearbeiten derselben;

- Aufbringen einer Email-Beschichtung (2) auf die innere Oberfläche (4) der Bohrung (1), und

- Nachbehandlung der beschichteten Bohrung (1), wobei sich die Email-Beschichtung (1) mit dem Grundwerkstoff der Bohrung (1) metallurgisch durch Phasenbildung verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei
die Bohrung (1) mittels Ausspindeln auf ein Übermaß von 1 bis 2 mm im Durchmesser aufgebohrt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei
die Bohrung (1) an ihrer inneren Oberfläche (4) mittels spindeln eine Rauigkeit von Ra 6 bis 7 µm aufweist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Email-Beschichtung (2) als wässriger Emailschlicker auf die innere Oberfläche (4) aufgetragen wird und anschließend in einem Durchlaufofen bei T = 80 bis 100°C bevorzugt bei T = 90°C für 8 bis 12 bevorzugt für 10 Minuten getrocknet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Email-Beschichtung (2) mittels einer rotierenden und sich hin und her bewegenden Auftragvorrichtung aufgetragen wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei
die Email-Beschichtung (2) in einem Tauchvorgang mit einer Flutvorrichtung (8) aufgebracht wird, wobei die Flutvorrichtung (8) zumindest eine Kammer (9) aufweist, die zumindest eine Austrittsöffnung (10) hat, wobei eine Zuführöffnung (11) vorgesehen ist, an welcher eine Leitung (12) anschließt, so dass wässriger Emailschlicker in die Kammer (9) führbar ist, welcher aus der Austrittsöffnung (10) aus der Kammer (9) austretend in die Bohrung (1) eintritt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die gesamte Bohrung (1) mit der Email-Beschichtung (2) versehen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
die Email-Beschichtung (2) zusammen mit einem Basiskörper (3) aus GG-Substratmaterial bei einer Temperatur zwischen 750°C und 900°C, bevorzugt bei T = 840°C, im Durchlaufofen 5 bis 30 Minuten geglüht wird, so dass sich die Email-Beschichtung mit dem Grundwerkstoff der Bohrung (1) metallurgisch durch Phasenbildung verbinden kann.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei
die Email-Beschichtung (2) zusammen mit einem Basiskörper (3) aus Aluminiumlegierung bei einer Temperatur zwischen 480°C und 560°C, bevorzugt bei T = 540°C, im Durchlaufofen 5 bis 30 Minuten geglüht wird, so dass sich die Email-Beschichtung mit dem Grundwerkstoff der Bohrung (1) metallurgisch durch Phasenbildung verbinden kann.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei
der Basiskörper (3) zusammen mit der getrockneten Email-Beschichtung (2) einer Wärmevorrichtung zugeführt wird, in welcher der Basiskörper (3) auf eine Temperatur von 800 bis 900 °C aufgeheizt wird und 10 bis 20 Minuten gehalten wird, wobei anschließend eine schnelle Abkühlung erfolgt.

11. Zylinderblock eines Verbrennungsmotors mit einer Bohrung (1), die eine
beschichtete innere Oberfläche (4) aufweist, insbesondere hergestellt mittels eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Beschichtung auf der inneren Oberfläche (4) der Bohrung (1) eine Email-Beschichtung (2) ist.

12. Zylinderblock nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Email-Beschichtung mindestens eines der glasbildenden Oxide aus der Gruppe SiO₂, B₂O₃, Na₂O, K₂O und Al₂O₃ aufweist.

13. Zylinderblock nach Anspruch 11 oder 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zylinderblock ein Grundmaterial aufweist aus der Gruppe der Materialen Magnesiumlegierung, Aluminiumlegierung, Grauguss und Stahlguss.

Zeichnung