DE102020132346A1 - Cylinder liner coating for an internal combustion engine and spray wire for producing such a cylinder liner coating - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Zylinderlaufbahnbeschichtung (12) für eine Verbrennungskraftmaschine, welche eine thermische Spritzschicht (32) aus einer Kupferlegierung aufweist, die 6 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium enthält, sowie ein Spritzdraht (18) zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbahnbeschichtung (12) durch thermisches Spritzen vorgeschlagen. Erfindungsgemäß sind in der thermischen Spritzschicht (32) zusätzlich gleichmäßig verteilt keramische Verschleißschutzpartikel (28) angeordnet und der Spritzdraht (18) ist als Fülldraht ausgeführt, dessen Hülle (24) aus der Kupferlegierung besteht und dessen Füllung (26) aus den keramischen Verschleißschutzpartikeln (28) besteht.So kann eine Zylinderlaufbahnbeschichtung geschaffen werden, die reibungsarm und dennoch verschleißfest ist.A cylinder wall coating (12) for an internal combustion engine has a thermal spray coating (32) made of a copper alloy containing 6 to 10 weight percent aluminum and a spray wire (18) for producing such a cylinder wall coating (12) by thermal spraying. According to the invention, ceramic anti-wear particles (28) are additionally arranged evenly distributed in the thermal spray layer (32) and the spray wire (18) is designed as a flux-cored wire whose sheath (24) consists of the copper alloy and whose filling (26) consists of the ceramic anti-wear particles (28 ) exists. In this way, a cylinder liner coating can be created that is low-friction and yet wear-resistant.
Description
Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbahnbeschichtung für eine Verbrennungskraftmaschine, welche eine thermische Spritzschicht aus einer Kupferlegierung aufweist, die 6 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium enthält, sowie einen Spritzdraht zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbahnbeschichtung durch thermisches Spritzen.The invention relates to a cylinder wall coating for an internal combustion engine, which has a thermally sprayed layer made of a copper alloy containing 6 to 10 percent by weight aluminum, and a spray wire for producing such a cylinder wall coating by thermal spraying.
In modernen Verbrennungsmotoren sind hohe Verdichtungsverhältnisse und Drehzahlen erforderlich, wobei gleichzeitig das Gewicht der Motoren zu reduzieren ist. Zur Gewichtsreduktion werden moderne Motorblöcke beziehungsweise Zylinderkurbelgehäuse zumeist aus Aluminiumlegierungen hergestellt. Die dabei entstehenden Zylinderlauflächen weisen jedoch häufig keine ausreichende Verschleißfestigkeit auf. Um diese sicherzustellen, werden die Zylinderlaufflächen dieser Motoren mit einer thermischen Spritzschicht versehen. Hierzu wird zunächst die Oberfläche des Zylinders durch Aufrauen oder Schneiden aktiviert, um eine feste Verbindung zur Verschleißschicht zu erhalten. Diese kann aus sehr verschleißfesten Materialien hergestellt werden, wobei neben der Verschleißfestigkeit jedoch vor allem auch eine hohe Korrosionsbeständigkeit und ein reibungsarmer Betrieb gewünscht sind, um auch den Verschleiß am Kolben gering zu halten und den Kraftstoffverbrauch durch Minimierung der Reibung zu senken. Des Weiteren wiesen die Spritzschichten zumeist eine höhere Porosität auf, wodurch ein größeres Ölrückhaltevolumen geschaffen wird, welches ebenfalls zu einer verringerten Reibung führt.In modern internal combustion engines, high compression ratios and speeds are required, while at the same time the weight of the engines has to be reduced. To reduce weight, modern engine blocks or cylinder crankcases are mostly made of aluminum alloys. However, the resulting cylinder running surfaces often do not have sufficient wear resistance. To ensure this, the cylinder surfaces of these engines are provided with a thermal spray coating. For this purpose, the surface of the cylinder is first activated by roughening or cutting in order to obtain a firm connection to the wear layer. This can be made of very wear-resistant materials, but in addition to wear resistance, high corrosion resistance and low-friction operation are also desired in order to keep wear on the piston low and reduce fuel consumption by minimizing friction. Furthermore, the sprayed layers usually had a higher porosity, which created a larger oil retention volume, which also led to reduced friction.
Um eine Zylinderlaufbahn herzustellen, die ausreichend hart und widerstandsfähig sein soll und gleichzeitig ausreichend porös ist, um ein ausreichendes Ölrückhaltevolumen bereitzustellen, wird in der
Es hat sich herausgestellt, dass bei einer derartigen Beschichtung zwar die Reibung und somit auch der Kraftstoffverbrauch reduziert wird, jedoch ist die Verschleißbeständigkeit für besonders hochbelastete Motoren häufig nicht ausreichend.It has been found that with a coating of this type, friction and thus also fuel consumption are reduced, but the wear resistance is often not sufficient for engines that are subjected to particularly high loads.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Zylinderlaufbahnbeschichtung für eine Verbrennungskraftmaschine sowie einen Spritzdraht zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbahnbeschichtung zu schaffen, welche bei weiter guter Schmierung und geringer Reibung eine höhere Verschleißbeständigkeit aufweist. Das Ziel ist es entsprechend, Schäden am Motor zu verhindern, indem die Verschleißfestigkeit der Laufflächen erhöht wird, die vorhandene Reibung minimiert wird sowie Korrosion an den Laufflächen verhindert wird, so dass geringe Verbräuche bei langer Haltbarkeit der Motoren erzielt werden können.The object is therefore to create a cylinder liner coating for an internal combustion engine and a spray wire for producing such a cylinder liner coating, which has greater wear resistance while maintaining good lubrication and low friction. Accordingly, the aim is to prevent damage to the engine by increasing the wear resistance of the running surfaces, minimizing the existing friction and preventing corrosion on the running surfaces, so that low consumption can be achieved with a long service life of the engines.
Diese Aufgabe wird durch eine Zylinderlaufbahnbeschichtung für eine Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einen Spritzdraht zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbahnbeschichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 6 gelöst.This object is achieved by a cylinder liner coating for an internal combustion engine having the features of claim 1 and a spray wire for producing such a cylinder liner coating having the features of main claim 6 .
Die erfindungsgemäße Zylinderlaufbahnbeschichtung für eine Verbrennungskraftmaschine ist eine durch thermisches Spritzen aufgebrachte Schicht, wobei unter dem Begriff thermisches Spritzen Verfahren wie das Flammspritzen, Lichtbogenspritzen, Plasmaspritzen, PTWA (Plasma transferred wire arc)-Spritzen, RSW (rotation single wire)-Spritzen oder Hochgeschwindigkeitsflammspritzen zusammengefasst werden. Die Beschichtung besteht aus einer Kupferlegierung, die 6 bis 10 Gewichtsprozent Aluminium sowie gegebenenfalls weitere Legierungsbestandteile enthält. Um diese Beschichtung noch verschleißfester zu machen, sind in der thermischen Spritzschicht zusätzlich gleichmäßig verteilt keramische Verschleißschutzpartikel angeordnet, die ebenfalls beim thermischen Spritzvorgang aufgebracht werden. Diese keramischen Verschleißschutzpartikel weisen eine sehr hohe Festigkeit auf und sind gleichmäßig in der Kupferlegierungsmatrix eingebettet, so dass der durch Reibung entstehende Abtrag der Kupferlegierung an der Zylinderwand deutlich reduziert wird und so die Lebensdauer der Zylinderbeschichtung erhöht wird. Des Weiteren werden durch die festen keramischen Partikel zusätzliche Ölrückhaltevolumen in den Zwischenräumen geschaffen, die für eine zusätzlich verbesserte Schmierung und Reibungsreduktion sorgen. Der Aluminiumanteil führt zu einer guten Korrosionsbeständigkeit bei guten mechanischen und physikalischen Eigenschaften.The cylinder barrel coating according to the invention for an internal combustion engine is a layer applied by thermal spraying, the term thermal spraying including processes such as flame spraying, arc spraying, plasma spraying, PTWA (plasma transferred wire arc) spraying, RSW (rotation single wire) spraying or high-speed flame spraying will. The coating consists of a copper alloy containing 6 to 10 percent by weight of aluminum and other alloying components if necessary. In order to make this coating even more wear-resistant, ceramic anti-wear particles are also evenly distributed in the thermal spray coating and are also applied during the thermal spraying process. These ceramic anti-wear particles have a very high strength and are evenly embedded in the copper alloy matrix, so that abrasion of the copper alloy on the cylinder wall caused by friction is significantly reduced and the service life of the cylinder coating is increased. Furthermore, the solid ceramic particles create additional oil retention volumes in the gaps, which ensure additionally improved lubrication and friction reduction. The aluminum content leads to good corrosion resistance with good mechanical and physical properties.
Zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbahnbeschichtung durch thermisches Spritzen wird ein Spritzdraht benutzt, der als Fülldraht ausgeführt ist, dessen Hülle aus der Kupferlegierung besteht und dessen Füllung aus den keramischen Verschleißschutzpartikeln besteht. Beim Aufschmelzen des Drahtes beim thermischen Spritzen werden so zusätzlich zu den geschmolzenen Kupferlegierungspartikeln auch die keramischen Verschleißschutzpartikel, wenn die umhüllende Kupferlegierung aufgeschmolzen ist, zumindest teilweise aufgeschmolzen und gegen die Zylinderwand beschleunigt, setzen sich in der Kupferlegierungsmatrix ab und werden durch diese an der Zylinderwand gehalten.To produce such a cylinder barrel coating by thermal spraying, a spray wire is used which is designed as a filler wire, the sheath of which consists of the copper alloy and the filling of which consists of ceramic anti-wear particles. When the wire is melted during thermal spraying, the ceramic anti-wear particles are also at least partially melted and accelerated against the cylinder wall in addition to the melted copper alloy particles when the enveloping copper alloy is melted, settling in the copper alloy matrix and are held by them on the cylinder wall.
Vorzugsweise enthält die Kupferlegierung, aus der die thermische Spritzschicht hergestellt ist, zwischen 1 und 6 Gewichtsprozent Nickel. Durch diesen Nickelanteil in der Legierung wird die Bindung zur Zylinderwand, aber auch die Korrosionsbeständigkeit der Legierung zusätzlich verbessert.Preferably, the copper alloy from which the thermal spray coating is made contains between 1 and 6 weight percent nickel. This nickel content in the alloy not only improves the bond to the cylinder wall, but also the corrosion resistance of the alloy.
Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn die keramischen Verschleißschutzpartikel aus Oxiden, Nitriden oder Carbiden gebildet sind. Hier sind insbesondere Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Wolframcarbid, Bornitrid oder Niobcarbid zu nennen. Diese sind reibverschleißfest, korrosions- und erosions- und wärmeschockbeständig, so dass die Verschleißfestigkeit der Kupferlegierung beträchtlich erhöht wird.Furthermore, it is advantageous if the ceramic anti-wear particles are formed from oxides, nitrides or carbides. Aluminum oxide, silicon carbide, tungsten carbide, boron nitride or niobium carbide should be mentioned here in particular. These are resistant to fretting wear, corrosion and erosion, and thermal shock, so that the wear resistance of the copper alloy is increased considerably.
In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Kupferlegierung, aus der die thermische Spritzschicht hergestellt ist, bis zu 14 Gewichtsprozent Mangan. Dies erhöht die Korrosionsbeständigkeit und die Zugfestigkeit der Legierung.In a preferred embodiment, the copper alloy from which the thermal spray coating is made contains up to 14% by weight manganese. This increases the corrosion resistance and tensile strength of the alloy.
Des Weiteren kann die Kupferlegierung, aus der die thermische Spritzschicht hergestellt ist, vorteilhafterweise 2 bis 4 Gewichtsprozent Eisen enthalten, wodurch die Kornfeinung erhöht wird.Furthermore, the copper alloy from which the thermal spray coating is made can advantageously contain 2 to 4% by weight of iron, which increases grain refinement.
Es wird somit eine Zylinderlaufbahnbeschichtung für eine Verbrennungskraftmaschine sowie ein Spritzdraht zur Herstellung einer derartigen Zylinderlaufbahnbeschichtung durch thermisches Spritzen geschaffen, welche neben sehr geringen Reibwerten auch ein großes Ölrückhaltevolumen aufweist und sehr verschleißbeständig durch die Einbettung sehr harter Partikel ist. So kann die Lebensdauer eines Motorblocks durch Verringerung des Verschleißes und die sehr hohe Wärmebeständigkeit erhöht werden. Des Weiteren wird der Kraftstoffverbrauch durch die verringerte Reibung reduziert.A cylinder liner coating for an internal combustion engine and a spray wire for producing such a cylinder liner coating by thermal spraying are thus created which, in addition to very low coefficients of friction, also have a large oil retention volume and are very wear-resistant due to the embedding of very hard particles. The service life of an engine block can be increased by reducing wear and tear and by the very high heat resistance. Furthermore, fuel consumption is reduced due to the reduced friction.
Ein Ausführungsbeispiel einer solchen Zylinderlaufbahnbeschichtung und eines erfindungsgemäßen Spritzdrahtes ist in der Figur schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben.An embodiment of such a cylinder barrel coating and a spray wire according to the invention is shown schematically in the figure and is described below.
Die Figur zeigt eine Seitenansicht einer teilweise beschichteten Zylinderwand beim Spritzvorgang in schematischer Darstellung.The figure shows a schematic representation of a side view of a partially coated cylinder wall during the spraying process.
In der Figur ist eine Zylinderwand 10 eines Zylinderkurbelgehäuses einer Verbrennungskraftmaschine dargestellt, welches beispielweise aus einer Aluminiumlegierung gegossen wurde. Da eine solche Zylinderwand 10 für heutige hochverdichtende Verbrennungsmotoren keine ausreichende Festigkeit aufweist, wird diese mit einer Zylinderlaufbahnbeschichtung 12 versehen.The figure shows a
Diese Zylinderlaufbahnbeschichtung 12 wird durch thermisches Spritzen aufgebracht. Hierzu wird ein Plasmabrenner 14 verwendet, der eine an eine erste Spannungsquelle angeschlossene Elektrode 16 sowie einen als zweite Elektrode wirkenden elektrisch leitfähigen erfindungsgemäßen Spritzdraht 18, der an den entgegengesetzten Pol der Spannungsquelle angeschlossen ist, aufweist. Der Spritzdraht 18 wird senkrecht zugeführt wird und dient als Beschichtungswerkstoff, der in der Figur bereits teilweise auf der Zylinderwand 10 aufgebracht ist. Die erste Elektrode 16 ist von Bohrungen 20 des Plasmabrenners 14 umgeben, durch deren Lage ein gegebenenfalls längs der ersten Elektrode 16 mit einem Drall behafteter Plasmagasstrom entsteht, der mit hoher Geschwindigkeit durch eine Düse 22 entweicht.This
Das durch den Plasmabrenner 14 strömende Plasmagas wird durch den entstehenden Lichtbogen geleitet und ionisiert hierbei. Die Dissoziation, beziehungsweise anschließende Ionisation, erzeugt ein hochaufgeheiztes elektrisch leitendes Gas aus positiven Ionen und Elektronen, das Plasma. Das Plasma weist eine Temperatur von bis zu 12.000 °C auf, strömt durch die Düse 22 und dehnt sich entlang der Längsachse der Düse 22 aus. Dabei wird das Plasma zum senkrecht zur Düse 22 kontinuierlich zugeführten Spritzdraht 18 transportiert, wodurch der elektrische Kreis geschlossen wird. Der entstehende Lichtbogen weist eine Temperatur von beispielsweise etwa 4.000 °C auf. Der Spritzdraht 18 wird mit einem Durchsatz zugeführt, der es ermöglicht, dass der Spritzdraht 18 in einen schmelzflüssigen, und durch den Aufprall des Plasmas zerstäubten Zustand übergeht.The plasma gas flowing through the
Der Spritzdraht 18 ist als Fülldraht ausgeführt und besteht aus einer Hülle 24, die aus einer Kupferlegierung besteht, die 8 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent Aluminium und 1 bis 6 Gewichtsprozent Nickel enthält. Zusätzlich kann ein Mangangehalt von bis zu 14 Gewichtsprozent und ein Eisengehalt von 2 bis 4 Gewichtsprozent in der Legierung enthalten sein. Zu nennen sind hier beispielsweise Kupferlegierungen wie CuMn13Al8Fe3Ni2, CuAl9Ni5 oder CuAI9Ni5Fe3Mn2.The
Innerhalb dieser Hülle 24 ist eine Füllung 26 mit keramischen Oxid- oder Karbidpulvern enthalten, die als Verschleißschutzpartikel 28 dienen. Dies kann Al2O3, NbC, SiC, BN oder B4C sein. Diese Verschleißschutzpartikel 28 werden ebenso wie die Hülle 24 des Spritzdrahtes 18 durch den Plasmagasstrom aufgeschmolzen und gegen die Zylinderwand 10 beschleunigt, wo sie anhaften und wieder in den festen Zustand übergehen.A filling 26 with ceramic oxide or carbide powders, which serve as
Die Bohrungen 20 sind hierzu von mehreren Kanälen 30 umgeben, durch die ein Zerstäubergas strömt, welches aus einem Inertgas, wie Stickstoff besteht. Dieser zusätzliche Gasstrom schafft einerseits eine inerte Atmosphäre und dient als Trägergas für die aufgeschmolzenen Verschleißschutzpartikel 28 und die Kupferlegierung des Spritzdrahtes 18 und sorgt für eine zusätzliche Zerstäubung.For this purpose, the
An der Zylinderwand 10 wird so eine thermische Spritzschicht 32 gebildet, welche aus einer Kupferlegierungsmatrix 34 besteht, in der die harten keramischen Verschleißschutzpartikel 28 gleichmäßig verteilt angeordnet sind.A
Es wird somit eine Zylinderlaufbahnbeschichtung und ein Spritzdraht zu deren Herstellung geschaffen, die durch die verwendeten Kupferlegierungen sehr gute Reibwerte und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweist und andererseits durch die eingebetteten harten Verschleißschutzpartikel eine hohe Verschleißfestigkeit aufweist. Durch die Beschichtung wird des Weiteren ein großes Ölrückhaltevolumen zur weiteren Verringerung der Reibung geschaffen.A cylinder barrel coating and a spray wire for its production are thus created which, thanks to the copper alloys used, have very good coefficients of friction and high corrosion resistance and, on the other hand, have high wear resistance thanks to the embedded hard anti-wear particles. The coating also creates a large oil retention volume to further reduce friction.
Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel begrenzt ist. Insbesondere können verschiedene thermische Spritzverfahren verwendet werden. Auch sind die genannten keramischen Verschleißschutzpartikel und Kupferlegierungen lediglich beispielhaft aufgezählt, so dass andere Kupferlegierungen und Keramiken Verwendung finden können.It should be clear that the scope of protection is not limited to the described embodiment. In particular, various thermal spray processes can be used. The ceramic anti-wear particles and copper alloys mentioned are also only listed as examples, so that other copper alloys and ceramics can be used.
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