DE102006016524B3 - Cylinder liner for internal combustion engine has endfaces with structured surfaces treated for removal of dirt and oxides with coating of aluminum-silicon alloy - Google Patents

Abstract

The metal cylinder has endfaces with a structured surface from which dirt and oxides can easily be removed, leaving an activated clean surface with surface roughness greater than 2 mu m. A coating of a non-ferrous metal or non-ferrous metal alloy is used to coat the endfaces, preferably an aluminum-silicon alloy including 0.1-13% silicon.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Zylinderlaufbuchsen aus Gusswerkstoffen, wie z. B. Grauguss, Stahl oder Leichtmetall, wie z. B. Aluminium oder einer Leichtmetalllegierung, wie z. B. eine Al/Si-Legierung, insbesondere mit einem Si-Anteil von 0,1 bis 13 Gew.-%, die im Allgemeinen für Zylindergehäuse aus Leichtmetall bestimmt sind und die in einem Leichtmetall-Gießprozess in das Zylindergehäuse integriert werden.The The present invention relates to cylinder liners made of cast materials, such as As gray iron, steel or light metal, such as. As aluminum or a light metal alloy, such as. B. an Al / Si alloy, in particular with an Si content of 0.1 to 13 wt .-%, which generally for cylinder housing Alloy are determined and used in a light metal casting process in the cylinder housing to get integrated.

Die Stirnflächen der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchsen erhalten durch Texturierung bzw. Aufrauung eine Strukturierung ihrer Oberfläche, wodurch das Anbindeverhalten zum Zylinderblockmaterial durch Formschluss verbessert wird. Durch die aufgebrachte Beschichtung auf der Stirnfläche wird eine stoffschlüssige Anbindung zwischen Buchsen-Schichtwerkstoff und Umguss-Material erzielt.The faces the cylinder liners according to the invention obtained by texturing or roughening a structuring of their Surface, whereby the tying behavior to the cylinder block material by positive locking is improved. The applied coating on the face becomes a cohesive Connection between bushing layer material and encapsulation material achieved.

Zylinderlaufbuchsen aus Gusswerkstoffen, Stahl oder Leichtmetall wie z. B. Aluminium, im Allgemeinen bestimmt für Zylindergehäuse aus Leichtmetall, werden in einem Leichtmetall-Gießprozess in das Zylindergehäuse integriert. Die Zylinderlaufbuchse hat die Aufgabe, den Verschleiß zwischen Kolbenringen und Zylinderwand zu minimieren, die Verbrennungswärme abzuleiten und die mechanische Stabilität des Systems im Betrieb zu verbessern. Beim Gießen der Zylinderkurbelgehäuse, d.h. beim Druckguss oder Schwerkraftguss, können dabei am Übergang der Stirnflächen der Zylinderlaufbuchse zum umgebenden Leichtmetall des Zylindergehäuses Ablösungen oder Delaminationen zwischen Umgussmaterial und Zylinderlaufbuchse entstehen, entweder direkt nach dem Gießprozess oder auch erst im motorischen Betrieb.Cylinder liners made of cast materials, steel or light metal such. Aluminum, generally intended for cylinder housing made of light metal, are used in a light metal casting process in the cylinder housing integrated. The cylinder liner is responsible for the wear between To minimize piston rings and cylinder wall, to dissipate the heat of combustion and the mechanical stability to improve the system in operation. When casting the cylinder crankcases, i. in die casting or gravity casting, can at the transition the faces the cylinder liner to the surrounding light metal of the cylinder housing detachments or Delaminations occur between the casting material and the cylinder liner, either directly after the casting process or only in engine operation.

Die technische Aufgabe ist es daher, durch Gestaltung der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse die Anbindung zwischen dem Grundmaterial der Zylinderlaufbuchse und dem umgebenden Leichtmetall des Zylindergehäuses, beispielsweise bei übergossenen Zylinderlaufbuchsen, grundlegend zu verbessern.The technical task is therefore, by designing the front face of the Cylinder liner the connection between the base material of Cylinder liner and the surrounding light metal of the cylinder housing, for example at over-poured Cylinder liners, fundamentally better.

Allseitig oder nur teilweise durch spanabhebende Verfahren bearbeitete Zylinderlaufbuchsen werden zum Eingießen in einen Zylinderblock verwendet. Die Stirnflächen sind in einem Zustand, wie ihn die spanabhebende Bearbeitung hinterlässt, in der Regel glatt gedreht oder gefräst.all-round or only partially processed by machining cylinder liners for pouring used in a cylinder block. The faces are in a state how it leaves the machining, usually smoothly turned or milled.

Zur Verbesserung der Anbindung zwischen Außenmantelfläche der Zylinderlaufbuchse und dem umgebenden Leichtmetall wird diese entweder gar nicht spanabhebend bearbeitet (as-cast/Spiny) oder über einen thermischen Spritzprozess beschichtet ("Hybrid-Liner").to Improvement of the connection between the outer circumferential surface of the cylinder liner and the surrounding light metal, this is either not machined edited (as-cast / Spiny) or over coated a thermal spraying process ("hybrid liner").

Moderne Zylinderlaufbuchsen werden aus Kostenreduktionsgründen und der Flexibilität ihres Eigenschaftsprofils durch thermische Spritzverfahren als reibungsreduzierende Schicht auf den Grundwerkstoff aufgetragen. In der Regel werden hier die konventionellen Plasma- oder Flammspritzverfahren eingesetzt.modern Cylinder liners are for cost reduction reasons and the flexibility their property profile by thermal spraying as friction-reducing Layer applied to the base material. In general, will be used here the conventional plasma or flame spraying.

Die Druckschrift JP 2004-84622 A offenbart eine Laufbuchse aus einem auf Aluminium basierenden Verbundmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The JP 2004-84622 A discloses a bushing of a Aluminum-based composite material and a method for its production.

Die Druckschrift DE 101 03 459 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderkurbelgehäuses mit wenigstens einer Zylinderbohrung, in der eine Laufbuchse aus tribologisch hochwertigen Werkstoff angeordnet wird.The publication DE 101 03 459 A1 discloses a method for producing a cylinder crankcase with at least one cylinder bore, in which a liner of tribologically high-quality material is arranged.

Die Druckschrift DE 103 47 511 A1 offenbart eine Zylinderlaufbuchse mit makroskopisch gestalteter Oberflächenstruktur für Verbrennungskraftmaschinen.The publication DE 103 47 511 A1 discloses a cylinder liner with macroscopically designed surface structure for internal combustion engines.

Die Druckschrift WO 2005/037463 A2 offenbart eine Zylinderlaufbuchse mit thermisch gespritzter Rauschicht für Verbrennungsmotoren.The Document WO 2005/037463 A2 discloses a cylinder liner with thermally sprayed noise layer for internal combustion engines.

Aus der EP 0 716 158 B1 ist ein Verfahren zum Beschichten von Zylinderbohrungswänden eines Motorblocks aus Aluminium bekannt. Dieses Verfahren umfasst die Schritte des Gießens eines Motorblocks aus einer Aluminium-Legierung, der Oberflächenbehandlung der gegossenen Zylinderwände, um Verunreinigungen zu entfernen und um eine gereinigte Oberfläche bereitzustellen, Bloßlegen des frischen Metalls auf der gereinigten Oberfläche, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen, Abscheiden einer plasmageschützten Beschichtung auf der bloßgelegten frischen Metalloberfläche aus einem Pulvergemisch, das Feststoff-Schmierpartikel enthält.From the EP 0 716 158 B1 For example, a method of coating cylinder bore walls of an aluminum engine block is known. This method comprises the steps of casting an aluminum alloy engine block, surface treating the cast cylinder walls to remove contaminants and to provide a cleaned surface, exposing the fresh metal to the cleaned surface to provide a surface for connection, depositing one plasma-protected coating on the exposed fresh metal surface from a powder mixture containing solid lubricant particles.

Aus der DE 19637737 A1 ist weiterhin ein Verfahren zur Beschichtung auf Leichtmetall-Substraten auf Basis von niedrig legiertem Stahl bekannt, der dispergierte Partikel aus Eisenoxid enthält. Dabei wird mittels Lichtbogendrahtspritzen niedrig legierter Stahldraht verwendet und eine Schicht aufoxidiert.From the DE 19637737 A1 Further, a method for coating on light alloy substrates based on low alloy steel is known which contains dispersed particles of iron oxide. In this case, low-alloyed steel wire is used by means of arc wire spraying and oxidized on a layer.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine verbesserte Anbindung zwischen der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse und dem umgebenden Leichtmetall zur Verfügung zu stellen.task The present invention is therefore an improved connection between the face the cylinder liner and the surrounding light metal available put.

Diese Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 gelöst, deren Stirnflächen eine Texturierung/Aufrauung enthalten. Die Aufrauung/Texturierung wurde dadurch hergestellt, dass zunächst die Stirnfläche zur Entfernung von Verschmutzungen bzw. Oxiden bzw. eine Aufrauung der Oberfläche auf Ra > 2 μm hergestellt wird und dann die Stirnfläche mit Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere einer Aluminium-Silizium-Legierung beschichtet wird, wobei der Si-Anteil der Al/Si-Legierung auf zwischen 0,1 bis 13 Gew.-% eingestellt werden kann. Die Schicht kann weiterhin Spuren an Fe, Cu, Mn oder Mg enthalten. Durch die Strukturierung der Oberfläche wird das Anbindeverhalten zum Zylinderblockmaterial durch einen Formschluss verbessert. Durch die Beschichtung wird eine stoffschlüssige Anbindung zwischen Buchsen-Schichtwerkstoff und Umgussmaterial erzielt.This object is achieved by the cylinder liner according to the invention according to claim 1, whose end faces contain a texturing / roughening. The roughening / texturing was prepared by first the end face to the removal tion of contaminants or oxides or a roughening of the surface to Ra> 2 microns is produced and then the end face with light metal or a light metal alloy, in particular an aluminum-silicon alloy is coated, wherein the Si portion of the Al / Si alloy can be adjusted to between 0.1 to 13 wt .-%. The layer may further contain traces of Fe, Cu, Mn or Mg. Due to the structuring of the surface, the tying behavior to the cylinder block material is improved by a form fit. The coating achieves a cohesive connection between bushing layer material and encapsulation material.

Durch diese Maßnahmen werden die mechanische Stabilität im System sowie der Wärmefluss verbessert. Zusätzlich schützt die Beschichtung einer Guss- oder Stahlbuchse vor Korrosion am Außenmantel und an den Stirnflächen.By these measures become the mechanical stability in the system as well as the heat flow improved. additionally protects the coating of a cast or steel bush against corrosion on the outer jacket and on the faces.

Die obige Aufgabe wird weiterhin durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Anspruch 6 gelöst. Bei dem Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen mit texturierten Stirnflächen besteht die Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung und soll an einen Verbundkörper, insbesondere einem Aluminium-Kurbel-Gehäuse, angebunden werden. Eine Oberflächenbehandlung der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse zur Entfernung von Verschmutzung bzw. Oxiden bzw. ein Aufrauhen der Stirnoberfläche erfolgt auf Ra > 2 μm. Das frische Metall auf der gereinigten Oberfläche wird freigelegt, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen, und auf der bloßgelegten frischen Metall-Oberfläche erfolgt eine Beschichtung der Stirnfläche, insbesondere mit einer Al-Si-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 bis 13 Gew.-%. Durch Sandstrahlen, gefolgt von ölfreiem Hochdruckstrahlen oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Koks-Spanen oder durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln wird eine Aktivierung der Stirnfläche durchgeführt. Die Beschichtung der Stirnfläche wird mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, durchgeführt.The The above object is further achieved by the method according to the invention according to claim 6 solved. In the process of making cylinder liners with textured faces the cylinder liner is made of cast iron, steel, light metal or a light metal alloy and is intended to a composite body, in particular an aluminum crank case, connected become. A surface treatment the face the cylinder liner for removing dirt or oxides or a roughening of the front surface takes place on Ra> 2 μm. The fresh metal on the cleaned surface is exposed to a surface to provide the compound, and carried on the exposed fresh metal surface a coating of the face, in particular with an Al-Si alloy with an Si content of between 0.1 to 13 wt .-%. By sandblasting, followed by oil-free high pressure blasting or by sandblasting in conjunction with coke chips or by Plasma etching with Freon or other carbonaceous solvents becomes activation the face carried out. The coating of the face is by means of thermal spraying, in particular arc wire spraying, carried out.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung enthalten.In the dependent claims are advantageous embodiments of the invention.

Das Entfernen von Verunreinigungen kann durch Sandstrahlen, wie oben dargelegt wurde, gefolgt von ölfreiem Hochdruck-Sandstrahlen durchgeführt werden oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen vor der Beschichtung und durch Ätzen mit Freon oder anderen halogenhaltigen Lösungsmitteln.The Removal of impurities can be done by sandblasting, as above followed by oil-free High-pressure sandblasting performed or by sandblasting in conjunction with rough cutting the coating and by etching with freon or other halogenated solvents.

Nachdem die Oberfläche so aktiviert worden ist, erfolgt eine Beschichtung der Stirnfläche mit einer Al-Si-Legierung. Dies kann üblicherweise mittels Plasmaspritzen durchgeführt werden. Die Schichtdicke der Oberflächenschicht beträgt üblicherweise 50 bis 500 μm, bevorzugt 100 bis 300 μm.After this the surface has been activated, a coating of the end face with an Al-Si alloy. This can usually be done by means of plasma spraying carried out become. The layer thickness of the surface layer is usually 50 to 500 μm, preferably 100 to 300 microns.

Die Erfindung wird nun anhand des beigefügten Beispiels näher erläutert, ohne diese jedoch darauf einzuschränken.The Invention will now be described with reference to the accompanying example, without but to limit these to it.

Beispielexample

Eine GG-Buchse wurde aufrauhgestrahlt (Stirnflächen und Zylinderaußenflächen). Die Rauheit nach dem Strahlprozess liegt bei ca. 6–8 μm. Anschließend wurde die Buchse mittels Lichtbogendrahtspritzen mit Al/Si₁₂ beschichtet. Die Schichtdicke an den Stirnflächen lag zwischen 20 und 120 μm. Die Rauheit der Beschichtung betrug Kz: 40–120 μm.A GG socket was roughened (faces and cylinder surfaces). The roughness after the blasting process is approx. 6-8 μm. Subsequently, the socket was coated by means of arc wire spraying with Al / Si ₁₂ . The layer thickness at the end faces was between 20 and 120 μm. The roughness of the coating was Kz: 40-120 μm.

Claims (9)

Zylinderlaufbuchse aus Gusseisen, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, dadurch gekennzeichnet, dass ihre Stirnflächen eine Strukturierung der Oberfläche aufweisen, die dadurch erhältlich ist, dass die Stirnflächen zur Entfernung von Verschmutzungen bzw. Oxiden oberflächenbehandelt worden sind, um eine aktivierte und gereinigte Oberfläche mit einer Oberflächenrauheit von Ra > 2 μm herzustellen, und dass auf die Stirnflächen eine Beschichtung aus einem Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung, insbesondere aus einer Al/Si-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 und 13 Gew.-%. aufgetragen worden ist.Cylinder liner made of cast iron, steel, light metal or a light metal alloy, characterized in that their end faces have a structuring of the surface, which is obtainable in that the end faces have been surface treated to remove soils or oxides to an activated and cleaned surface with a Surface roughness of Ra> 2 microns produce, and that on the end faces a coating of a light metal or a light metal alloy, in particular of an Al / Si alloy with an Si content of between 0.1 and 13 wt .-%. has been applied. Zylinderlausbuchse gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflächenbeschichtung Spuren der Elemente aus der Gruppe aus Fe, Cu, Mn, Mg enthalten sind.Cylinder liner according to claim 1, characterized in that that in the surface coating Traces of elements from the group of Fe, Cu, Mn, Mg included are. Zylinderlaufbuchse gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierung der Oberflächen der Stirnflächen über Sandstrahlverfahren, gefolgt von ölfreiem Hochdruckstrahlen oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen und durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen durchführbar ist.Cylinder liner according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the activation of the surfaces of the faces by sand blasting, followed by oil-free High pressure blasting or sand blasting in conjunction with rough cutting and by plasma etching with freon or other halogenated hydrocarbons is feasible. Zylinderlaufbuchse gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Aufbringen der Beschichtung auf die Stirnfläche eine Oberflächenstruktur erhalten wird, so dass das Anbindeverhalten zum Zylinderblockmaterial durch Formschluss verbessert ist.Cylinder liner according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that by applying the coating on the face a surface structure is obtained, so that the tying behavior to the cylinder block material is improved by positive locking. Zylinderlaufbuchse gemäß der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beschichten der Stirnflächen mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, herstellbar ist.Cylinder liner according to the preceding claims 1 to 4, characterized in that the coating of the end faces by means of Thermal spraying, in particular electric arc wire spraying, can be produced. Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen mit Stirnflächen, welche strukturierte Oberflächen enthalten, wobei die Zylinderlaufbuchse aus Grauguss, Stahl, Leichtmetall oder einer Leichtmetalllegierung besteht und an einen Verbundkörper, insbesondere an ein Aluminium-Kurbel-Gehäuse, angebunden werden soll, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberflächenbehandlung der Stirnfläche der Zylinderlaufbuchse zur Entfernung von Verschmutzung bzw. von Oxiden bzw. ein Aufrauhen der Stirnoberfläche auf Ra > 2 μm erfolgt und danach eine Beschichtung der Stirnflächen mit einer AlSi-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 bis 13 Gew.-% erfolgt.Method for producing cylinder liners with end faces, which structured surfaces included, with the cylinder liner made of gray cast iron, steel, light metal or a light metal alloy and to a composite body, in particular to an aluminum crank case, connected to be, characterized in that a surface treatment the face of the Cylinder liner for removing dirt or oxides or a roughening of the end surface to Ra> 2 microns and then a coating of the faces with an AlSi alloy with an Si content of between 0.1 to 13 wt .-% takes place. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das frische Metall auf der gereinigten Oberfläche freigelegt wird, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen, und auf der bloßgelegten frischen Metall-Oberfläche eine Beschichtung der Stirnfläche mit einer Al/Si-Legierung mit einem Si-Anteil von zwischen 0,1 bis 13 Gew.-% erfolgt.Method according to claim 6, characterized in that the fresh metal on the cleaned surface is exposed to a surface to provide the compound, and one on the exposed fresh metal surface Coating of the face with an Al / Si alloy having an Si content of between 0.1 to 13 wt .-% is carried out. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man durch Sandstrahlen, gefolgt von ölfreiem Hochdruckstrahlen oder durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen oder durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen kohlenstoffhaltigen Lösungsmitteln eine Aktivierung der Stirnfläche durchführt. Method according to claim 7, characterized in that by sandblasting, followed by oil-free High-pressure blasting or sandblasting in conjunction with rough cutting or by plasma etching activation with freon or other carbonaceous solvents performs the end face. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass man die Beschichtung der Stirnfläche mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere Lichtbogendrahtspritzen, durchführt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that by means of the coating of the end face Thermal spraying, in particular electric arc wire spraying, performs.