DE10209401B4

DE10209401B4 - Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE10209401B4
Application number: DE10209401A
Authority: DE
Inventors: Tatsuo Hamamatsu Nishihara; Ryo Hamamatsu Yamauchi
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2022-03-05
Also published as: US20020162219A1; DE10209401A1; JP2002256963A; US6637108B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors, welches folgende Schritte aufweist:
Festlegen eines Parametersatzes für den Zylinderblock, wobei der Parametersatz zumindest eine Schichtdicke der verschleißfesten Schicht, eine zulässige Schweißspannung, eine erste Abmessung des Zylinders nach der Endbearbeitung, eine Druck-Richtung und eine Gegen-Druck-Richtung beinhaltet,
Ausbilden eines dem Parametersatz entsprechenden Zylinderblocks,
Bestimmen mindestens eines ersten und eines zweiten Auftragschweiß-Abschnitts entlang eines Zylinders des Zylinderblocks entsprechend der Druck- und der Gegen-Druck-Richtung, wobei der erste Auftragschweiß-Abschnitt ein erster Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt und der zweite Auftragschweiß-Abschnitt ein zweiter Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt,
Ausführen von Auftragschweißen am ersten und zweiten Auftragschweiß-Abschnitt und
abschließende Endbearbeitung des Zylinderblocks entsprechend der ersten Abmessung des Zylinders nach der...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks für einen Verbrennungsmotor. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks mit erhöhter Beständigkeit gegen Verschleißschäden.
Es gibt einen zunehmenden kommerziellen Bedarf für Zylinderblöcke ohne Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren. Zylinderblöcke ohne Zylinderlaufbuchsen sind vorzugsweise aus Aluminium hergestellt, um Gewicht zu sparen und um die Kühlung des Motors zu verbessern. Da Zylinderblöcke ohne Zylinderlaufbuchsen im Betrieb einen erhöhten Verschleiß aufweisen, besteht ein Bedarf an Zylinderblöcken mit erhöhter Verschleißfestigkeit.

Entsprechend diesem Bedarf, wird in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichung JP 06-24 9057 A ein Verfahren zum Ausbilden einer verschleißfesten Schicht an der Innenfläche eines Zylinders, mittels Auftragschweißens vorgeschlagen. Diese Veröffentlichung beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Zylinderlaufbüchse.

Unglücklicherweise verursacht die direkte Anwendung dieses Auftragschweiß-Verfahrens an einem Zylinderblock wegen des großen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Aluminium hohe Schweißspannungen. Die durch dieses Verfahren verursachten hohen Schweißspannungen führen zu einer unzulässigen Erhöhung der Verformung des Zylinderblocks.

Das starke Anwachsen der Verformungen am Zylinderblock macht es nahezu unmöglich, den Zylinderblock für die Nachbearbeitung in einer Spannvorrichtung exakt zu positionieren. Diese Unmöglichkeit, die Nachbearbeitungsverformung exakt zu bestimmen, zwingt die Hersteller, große Toleranzen bei der Endbearbeitung zuzulassen, wodurch die Kosten erhöht werden. In einigen Extremfällen führt die Nachbearbeitung dazu, dass die verschleißfesten Schichten Sprünge bekommen oder versagen, wodurch der Zylinderblock unbrauchbar wird und die Kosten weiter steigen.

Das oben beschriebene Verfahren macht es dem Konstrukteur praktisch unmöglich, die resultierende Verformung durch Schweißspannungen und die endgültige Form nach der Endbearbeitung vorherzusagen, wodurch ferner Kosten und Produktionszeiten steigen und sich die Qualität verschlechtert. Andere Versuche, eine verschleißfeste Schicht mit Auftragschweißen von hoch legiertem Aluminium zu schaffen, haben sich gleichermaßen als ungeeignet erwiesen, da mit steigendem Legierungsanteil am Aluminium die resultierenden Schweißspannungen zunehmen. Zusammengefasst gesagt, haben weder das oben beschriebene Verfahren noch andere Verfahren den kommerziellen Anforderungen entsprochen.

Aus der DE 38 00 902 A1 sowie aus der US 2,292,662 ist jeweils ein Verfahren bekannt, bei welchem eine verschleißfeste Schicht auf die Oberfläche einer Zylinderbohrung durch Auftragsschweißen aufgebracht wird.

Es ist ein Ziel der Erfindung, die oben geschilderten Unzulänglichkeiten zu vermeiden.

Es ist ein anderes Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, bei dem Schweißspannungen beim Ausbilden einer verschleißfesten Schicht wirkungsvoll gehandhabt werden.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, zur Herstellung eines Zylinderblocks ein Verfahren zu schaffen, bei dem mittels Auftragschweißens eine verschleißfeste Schicht ausgebildet wird, wobei Auftragschweißen das Überziehen und Vergrößern der Dicke eines Materials mittels Schweißen bedeutet.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks zu schaffen, wobei das Auftragschweißen an einer Innenfläche einer Zylinderbohrung in einem Gebiet ausgeführt wird, das einen Abtrag bei der Kolbenbewegung erfährt.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, eine Verfahren zu schaffen, bei dem Auftragschweißen in einem Bereich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° entlang einer Druck-Richtung eines Kolbens und in einem Bereich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° in einer Gegen-Druck-Richtung des Kolbens ausgeführt wird.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das leicht an einer vorgeformten halbelliptischen oder halb-ovalen Innenfläche eines Motorblocks anwendbar ist.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das eine verbesserte Vorhersagegenauigkeit für die Nachbearbeitungsverformung erlaubt.

Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das die vorangegangenen Merkmale und Fähigkeiten aufweist.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder 4. Das Verfahren wendet Auftragschweißen an vorgeformten Ausnehmungen entlang der Innenfläche des Zylinders an. Nach dem Auftragschweißen schafft eine abschließende Endbearbeitung eine glatte Zylinderoberfläche. Durch das Verfahren wird eine verschleißfeste Oberfläche in Bereichen geschaffen, die anfällig für einen Verschleiß durch den Kolben ist, und wird das Problem der Schweißspannungen so gehandhabt, dass die Verformung des Zylinderblocks wirkungsvoll minimiert wird.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors geschaffen, welches folgende Schritte aufweist: Festlegen eines Parametersatzes für den Zylinderblock, wobei der Parametersatz zumindest eine Schichtdicke der verschleißfesten Schicht, eine zulässige, Schweißspannung, eine erste Abmessung des Zylinders nach der Endbearbeitung, eine Druck-Richtung und eine Gegen-Druck-Richtung beinhaltet, Vorformen eines dem Parametersatz entsprechenden Zylinderblocks, Bestimmen mindestens eines ersten und eines zweiten Auftragschweiß-Abschnitts entlang eines Zylinders des Zylinderblocks entsprechend der Druck- und der Gegen-Druck-Richtung, wobei der erste Auftragschweiß-Abschnitt ein erster Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt und der zweite Auftragschweiß-Abschnitt ein zweiter Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt, Ausführen von Auftragschweißen am ersten und zweiten Auftragschweiß-Abschnitt und abschließende Endbearbeitung des Zylinderblocks entsprechend der ersten Abmessung des Zylinders nach der Endbearbeitung, wodurch die Oberfläche des Zylinders eine verschleißfeste Schicht erhält, welche die gewünschte Schichtdicke der verschleißfesten Schicht und die zulässige Schweißspannung entlang der Druck- und Gegen-Druck-Richtungen aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei: der Schritt des Bestimmens eines Parametersatzes einen Schritt beinhaltet, in dem ein Unterschied zwischen der ersten endbearbeiteten Zylinderabmessung und mindestens einer ersten zurückversetzten Zylinderabmessung gewählt wird, wobei der Unterschied ausreicht, dass die Dicke der verschleißfesten Schicht zwischen mindestens etwa 2 mm und etwa 5 mm beträgt, wodurch die verschleißfeste Schicht im Betrieb verschleißfest ist und die Verformung des Zylinderblocks aufgrund von Schweißspannungen minimiert ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei der Unterschied vorzugsweise zwischen etwa 3 mm und etwa 4 mm beträgt.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors geschaffen, welches folgende Schritte aufweist: Ausführen von Auftragschweißen an der Innenfläche eines Zylinders des Zylinderblocks lediglich in einem Bereich, in dem ein schädliches Übermaß an Verschleiß durch den Kolben auftritt, wobei der Bereich zumindest einen ersten Bereich mindestens zwischen etwa ±5° und etwa ±45° in einer Druck-Richtung und einen zweiten Bereich mindestens zwischen etwa ±5° und etwa ±45° in einer Gegen-Druck-Richtung relativ zum Zylinder des Zylinderblocks beinhaltet, und Endbearbeiten der Innenfläche des Zylinders auf die Endabmessung, wodurch die Innenfläche beständig gegen den Verschleiß durch den Kolben ist und wodurch ein Auftragschweiß-Abschnitt eine gewünschte Enddicke aufweist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei: die Innenfläche in zumindest einer ersten Ausnehmungsform entlang der Druck-Richtung und zumindest einer zweiten Ausnehmungsform entlang der Gegen-Druck-Richtung vorgeformt ist.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors geschaffen, wobei: die gewünschte Enddicke zwischen zumindest etwa 3 mm und etwa 4 mm beträgt.

Obige und andere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Figuren, in denen gleiche Bezugszahlen gleiche Elemente bezeichnen.
1 ist eine perspektivische Teil-Schnittansicht eines gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellten Zylinderblocks.
2 ist eine schematische Darstellung von Kräften in einem Zylinderblock, wie sie während des Betriebs in einem Verbrennungsmotor auftreten.
3 ist eine schematische Darstellung, die einen Bereich des Auftragschweißens in einem Zylinder gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung zeigt.
4(A) ist eine schematische Draufsicht-Darstellung eines vorgeformten Zylinders vor der Auftragschweißung gemäß dem Verfahren der Erfindung.
4(B) ist eine schematische Draufsicht-Darstellung eines Zylinders nach der Auftragschweißung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
4(C) ist eine schematische Draufsicht-Darstellung eines Zylinders nach Auftragschweißung und Endbearbeitung gemäß dem Verfahren der Erfindung.
5 ist eine schematische Draufsicht-Darstellung eines Zylinders, die den Zusammenhang zwischen einem vorgeformten Auftragschweiß-Abschnitt und einer endbearbeiteten Oberfläche gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Bezug nehmend auf 1, wird bei der Herstellung eine Mehrzahl von Auftrag-Schweißraupen 2 (im Weiteren als Schweißraupen 2 bezeichnet) an der Innenfläche eines Zylinders eines Zylinderblocks 1 ausgebildet. Die Schweißraupen 2 werden an vorher ausgewählten Bereichen ausgebildet, wo es wahrscheinlich ist, dass ein starker Verschleiß durch den Kolben entlang der Zylinderbohrung des Zylinderblocks 1 auftritt. Nach der Endbearbeitung bilden die Schweißraupen 2 eine verschleißfeste Schicht auf der Innenfläche des Zylinders, wie noch beschrieben werden wird.
Schweißraupen 2 werden in Bereichen (später gezeigt) ausgebildet, die durch ein nicht akzeptables Maß an Verschleiß durch den Kolben im Betrieb gekennzeichnet sind. Diese Bereiche erfahren den stärksten Verschleiß, wenn sich ein Kolben (auch später gezeigt) im Betrieb des Zylinderblocks 1 nach oben und nach unten bewegt.
Diese Bereiche umfassen einen ersten Bereich und einen zweiten Bereich, wie noch erläutert werden wird. Der erste Bereich erstreckt sich entlang einer in Druckkraft-Richtung gelegenen Zylinderwand über einen Winkelbereich, der Werte von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85 annimmt, wie noch erläutert werden wird. Der zweite Bereich erstreckt sich entlang einer in Gegen-Druckkraft-Richtung gelegenen Zylinderwand über einen Winkelbereich, der Werte von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85 annimmt, wie noch beschrieben werden wird.
Bezug nehmend auf 2 und 3, bewegt sich im Betrieb ein Kolben 3a im Zylinderblock nach oben und nach unten. Ein Kuppelmechanismus weist eine Pleuelstange 3b auf, die einen Kolben 3a mit einer Kurbelwelle 3 kuppelt. Im Betrieb arbeitet die Pleuelstange 3b in einer Ebene senkrecht zur Mittelachse der Kurbelwelle 3.
Während eines Zündvorganges im Zylinderblock 1 drückt oder schiebt ein Explosionsdruck E den Kolben 3a nach unten in Richtung auf die Kurbelwelle 3 zu. Die Pleuelstange 3b nimmt den Explosionsdruck E vom Kolben 3a auf und treibt die Kurbelwelle 3 in einer Drehbewegung an. Eine Reaktionskraft F_P wirkt von der Pleuelstange als Reaktion auf Motor- und andere Kräfte nach oben auf den Kolben 3a. Eine Druckkraft F_S drückt nach außen auf den Zylinderblock und als Reaktion auf den Zylinderblock 1 nach innen auf den Kolben 3a.
Eine erste Press- oder Druck-Richtung ist als eine Druck-Richtung D1 definiert. Wenn Kolben 3a sich nach unten bewegt, erfährt er sowohl die axiale Druckkraft F_S als auch wegen der Schrägstellung der Pleuelstange 3b eine Seitenkraft entlang der Druck-Richtung D1.
Eine zweite Press-Richtung ist als eine Gegen-Druck-Richtung D2 definiert. Wenn Kolben 3a sich nach oben, von der Kurbelwelle 3 weg, bewegt, erfährt er entlang der Gegen-Druck-Richtung D2 eine Kraft, die der Kraft F_S entgegen gerichtet ist und aus der Reaktionskraft auf die Kompression der Gase im Zylinderblock 1 und der entgegen gerichteten Schräglage der Pleuelstange 3b resultiert.
Während des Betriebs ist die Druck-Richtung D1 entgegen zur Gegen-Druck-Richtung D2 gerichtet, wie noch erklärt werden wird.
Bezug nehmend nun auch auf 3, wird ein Mittelpunkt C durch eine axiale Linie im Zentrum des Zylinders des Zylinderblocks 1, definiert. Im Betrieb rotiert ein Kurbelzapfen um den Wellenzapfen der Kurbelwelle 3 in einer Richtung R. Die Kurbelwelle 3 befindet sich direkt unterhalb des Mittelpunkts C und die Pleuelstange 3b arbeitet entlang eines Vektors senkrecht zur Kurbelwelle 3. Im Betrieb, wenn der Kolben 3a sich nach unten auf die Kurbelwelle 3 zu bewegt, ist eine Seite 6A des Zylinderblocks 1 derjenige Bereich, der einer Reibungskraft ausgesetzt ist. Die Seite 6A ist entlang der Druck-Richtung D1 zentriert. Eine Ebene L ist als eine Ebene definiert, welche die Kurbelwelle 3 im rechten Winkel schneidet und die Hauptachse der Pleuelstange 3b enthält.
Mit L als einer Grenzebene ist der erste Bereich (nicht gezeigt) so definiert, dass er sich auf beiden Seiten der Druck-Richtung D1 und der Ebene L in den Grenzen von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85° mit dem Mittelpunkt C als Bezugspunkt erstreckt. Der erste Bereich ist ein Bereich, der selektiv bei der Verarbeitung mit Schweißraupen 2 versehen wird, um verschleißfest zu sein. Der erste Bereich, in der Ausführungsform von 3 gezeigt und definiert entlang der Seite 6A, benutzt Grenzen, die als zumindest etwa ±45° dargestellt sind, mit Mittelpunkt C als Bezugspunkt und zu beiden Seiten der Druck-Richtung D1.
Im Betrieb, wenn der Kolben 3a sich nach oben bewegt, von der Kurbelwelle 3 weg nach oben getrieben, ist eine Seite 6B des Zylinderblocks 1 einer Reibungskraft ausgesetzt. Die Seite 6B ist entlang der Gegen-Druck-Richtung D2 zentriert. Eine Ebene L' ist als eine Ebene definiert, welche die Kurbelwelle 3 im rechten Winkel schneidet und die Hauptachse der Pleuelstange 3b enthält.
Mit L' als einer Grenzebene ist ein zweiter Bereich (nicht gezeigt) so definiert, dass er sich auf beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung D2 und der Ebene L' in den Grenzen von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85° mit dem Mittelpunkt C als Bezugspunkt erstreckt. Der zweite Bereich ist ein Bereich, der bei der Verarbeitung auch selektiv mit Schweißraupen 2 versehen wird, um verschleißfest zu sein. Der zweite Bereich, in der Ausführungsform von 3 gezeigt, benutzt Grenzen von zumindest etwa ±45°, mit Mittelpunkt C als Bezugspunkt und zu beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung D2.
In dieser Ausführungsform sind der erste Bereich der Druck-Richtung D1 (und Seite 6A) und der zweite Bereich der Gegen-Druck-Richtung D2 (und Seite 6B) symmetrisch. Druck-Richtung D1 und Gegen-Druck-Richtung D2 sind senkrecht zur Kurbelwelle 3 und sind im Allgemeinen entlang der Bewegungslinie der Pleuelstange 3b orientiert. Ferner können, abhängig von der Motordynamik, die Druck-Richtung D1 und die Gegen-Druck-Richtung D2 (und entsprechend erster und zweiter Bereich) leicht von der Symmetrie abweichen.
Die Anforderungen an die benötigten verschleißfesten Bereiche und das erforderliche Maß an Verschleißfestigkeit umfassen Temperatur, Wärmeübertragungsraten, Verschleißrate, das Vorhandensein und die Art der im Zylinderblock 1 verwendeten Schmierung und viele andere Faktoren.
Als ein Ergebnis kann der Bereich, über den sich die Schweißraupen 2 in der Druck-Richtung D1 erstrecken, bei anderen Ausführungsformen, da die für den Schutz des Zylinderblocks 1 nötige Verschleißfestigkeit von einer solchen Vielzahl von Anforderungen abhängt, angepasst werden und kann sich von dem Bereich unterscheiden, über den sich die Schweißraupen 2 in der Gegen-Druck-Richtung D2 erstrecken. Somit ist die Symmetrie der Seiten 6A, 6B nicht erforderlich.
Wichtig beim Schaffen einer verschleißfesten Schicht mittels Auftragschweißen ist, dass die Auftragschichten, die nach der abschließenden Endbearbeitung eine Dick zwischen etwa 2 mm und 5 mm, vorzugsweise zwischen etwa 3 mm und 4 mm, aufweisen, in den für Abtrag und Verschleiß anfälligsten Bereichen angeordnet sind. Um diese Dicke unterzubringen, ist es von Vorteil, die Innenfläche des Zylinders vor dem Schweißen vorzuformen.
Bezug nehmend auf 4(A), stellt eine Linie 7 näherungsweise eine Innenfläche eines Zylinders des Zylinderblocks 1 vor dem Auftragschweißen dar. Eine unterbrochene Linie 8 stellt die vorhergesagte endbearbeitete Innenfläche des Zylinders nach der Endbearbeitung dar.
Es ist wichtig zu verstehen, dass bei der Vorbereitung für das Auftragschweißen der Innenfläche des Zylinders, gesehen entlang der Zylinderachse, eine halb-elliptische oder eine ähnliche Form gegeben wird. Der Zwischenraum zwischen Linie 7, und unterbrochener Linie 8 stellt näherungsweise den nach der Endbearbeitung mit Schweißraupen 2, wie beschrieben werden wird, gefüllten Raum dar.
Bezug nehmend auf 4(B) und 4(C), beim Auftragschweiß-Vorgang wird die Mehrzahl der Auftragschweißraupen 2 entlang der Linie 7 aufgebracht und ragt in der Endform etwas über die Position der durchbrochenen Linie 8 hinaus. Ein auftraggeschweißter Abschnitt 9 stellt das anfängliche Ergebnis der Mehrzahl von Auftragschweißraupen 2 dar. Da die äußere Oberfläche (nicht gezeigt) des auftraggeschweißten Abschnitts 9 rau und häufig Einbrandkerben aufweist, werden die Schweißraupen über die Position der unterbrochenen Linie 8 hinaus aufgetragen. In einer späteren Bearbeitung wird die innere Umfangsoberfläche des Zylinders vollständig geglättet und jegliche Einbrandkerbe beseitigt, wodurch eine glatte Oberfläche entsteht.
Bezug nehmend auf 5 als eine Alternative zur obigen Ausführungsform, kann ein Auftragschweiß-Abschnitt 10 in einem Zylinderblock 1 vorgeformt und mit Schweißraupen 2 gefüllt sein. Späteres Bearbeiten und Glätten erzeugt eine vollkommen runde glatte Oberfläche 11.
In Abhängigkeit von der gewünschten Verschleißfestigkeit und der gewünschten Minimierung der Verformung können der vorgeformte auftraggeschweißte Abschnitt 10 und die Innenfläche eine Vielzahl von Formen annehmen, die speziellen Anforderungen und Produktionserfordernissen angepasst sind.
Ein Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahren ist das bevorzugte Verfahren zum Ausbilden der Auftragschweißraupe 2 gemäß der Erfindung.
Beispiele zulässiger Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahren sind ein Plasma-Pulver-Auftragschweißverfahren, ein WiG-Lichtbogen-Legierungs-Auftragschweißverfahren, ein CO₂-Lichtbogen-Schweißverfahren, ein Laser-Schweißverfahren und ein Elektronenstrahl-Schweißverfahren.
Andere Techniken zum Ausbilden einer verschleißfesten Schicht auf der Innenfläche des Zylinders beinhalten thermisches Spritzen und Plattieren. Unglücklicherweise tritt da, wo eine Grenzfläche aus thermischem Spritzen und Plattieren sich auf einer Gleitfläche befindet, ein Membran-Abschälen auf. Unerwünschtes Membran-Abschälen tritt auf, da sowohl beim thermischen Spritzen als auch beim Plattieren keine dauerhafte Verbindung zwischen der verschleißfesten Schicht und dem Grundmaterial geschaffen wird. Somit wird bei der Erfindung die verschleißfeste Schicht vorzugsweise weder mittels thermischen Spritzens noch mittels Plattieren ausgebildet, sondern mittels Auftragschweißens, wobei ein Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahren angewendet wird.
Beim Oberflächen-Schmelz-Legierungs-Verfahrenverbindet sich die mittels Auftragschweißens gebildete verschleißfeste Schicht fest mit dem Grundmaterial, um so ein Abschälen sogar dazu verhindern, wo sich die Grenzschicht auf der Gleitfläche befindet.
Beim Plasma-Pulver-Auftragschweißverfahren wird die Oberfläche eines Grundmaterials mittels eines Plasmastrahls geschmolzen, um eine Schmelze zu schaffen. Ein Pulver (Material für die Deckschicht) und ein Trägergas werden dann der Schmelze zugegeben, um eine Deckschicht zu bilden.
Beim WIG-Lichtbogen-Legierungs-Auftragschweißverfahren wird dadurch eine legierte Schicht erhalten, dass ein Pulver, das auf ein Grundmaterial durch eine Pulver-Förder-Düse aufgebracht wurde, einer Schmelze hinzugefügt wird, die mittels Aufschmelzens der Oberfläche eines Grundmaterials mit einem WIG-Schweißapparat erzeugt wurde.
Jedes der Verfahren, die einen CO₂-Lichtbogen, einen Laserstrahl oder einen Elektronenstrahl benutzen, sind gemäß einem gemeinsamen Verfahrensprinzip geeignet, wobei der einzige große Unterschied in der Wärmequelle für das Schmelzen besteht.
Es werden die Ergebnisse von Beispielen des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung beschrieben.
Beispiele 1 bis 3
Es wird eine verschleißfeste Schicht auf der Innenfläche des Zylinders eines Ein-Zylinder-Zylinderblocks mit einem Innendurchmesser von 100 mm ausgebildet, wobei eine Plasma-Pulver-Auftragschweiß-Ausrüstung unter den in Tabelle 1 gezeigten Bedingungen eingesetzt wird.
Drei Arten von Schweißoperationen werden an verschiedenen Schichtwinkeln in einem Bereich zwischen etwa ±5° und ±85° von der Druck-Richtung D1 und der Gegen-Druck-Richtung D2 aus ausgeführt, indem der Zylinder gedreht wird. Es wird als Füllmaterial ein Legierungspulver verwendet, das Aluminium, 23 % Si, 3 % Co, 3 % Fe, 3 % Ni, 3 % Cu und 1 Mg (Gewichtsprozent) enthält.
Tabelle 1
Nach einem abschließenden Glätten wird der Zylinderblock zusammengebaut, um einen betriebsbereiten Motor zu bilden. Ein Dauertest auf dem Motorprüfstand wird mit 25 Tests mit 7000 U/min für 25 Minuten (total 4 375 000 Umdrehungen) durchgeführt.
Das Anwachsen des Innendurchmessers eines Zylinders nach dem Dauertest auf dem Motorprüfstand ist in Tabelle 2 gezeigt.
Tabelle 2
In den Beispielen 1–3 wird der Arbeitsbereich vor dem Auftragschweißen vorgewärmt (auf 150°C), um Rissbildung zu verhindern und durch Wasserstoff verursachte Gaseinschlüsse zu minimieren. Die Schweißstromstärke betrug 180 bis 150 A. Bei den Beispielen 1–3 wird die Stromstärke entsprechend der Tatsache verringert, dass mit zunehmender Dauer des Schweißvorgangs mehr Wärme im Werkstück gespeichert ist.
Wie aus Tabelle 2 zu sehen, wächst der Innendurchmesser, gemessen an der Druck-Richtung und der Gegen-Druck-Richtung, bei einem Bereich von ±5° stark an. Diese Zunahme des Durchmessers ist nicht groß genug, um Anbackungen zu verursachen. Deshalb ist festzustellen, dass Auftragschweißen, zumindest in diesem Wertebereich, eine verschleißfeste Schicht ergibt, die wirkungsvoll einen Schaden verhindert.
Daneben existiert bei einem Bereich von etwa ±85° bei Betrachtung der Druck- und Gegen-Druck-Richtung eine obere angenäherte Grenze der Wirksamkeit. Diese obere Grenze beruht lediglich auf Überlegungen zu den Auswirkungen der verschleißfesten Schicht. Sollten Anforderungen an die Verschleißfestigkeit, die über das normale Maß hinausgehen, auftreten, kann der Bereich den Erfordernissen entsprechend vergrößert werden.
Nach den obigen Beispielen 1–3 sollte die verschleißfeste Schicht einen Bereich überdecken, dessen Erstreckung von mindestens etwa ±5° bis etwa ±85° reicht, um eine Innenfläche zu erhalten, die sowohl eine ausreichende Verschleißfestigkeit als auch einen Grad von Schweißspannungen aufweisen, der eine einfache Nachbearbeitung des Materials erlaubt. Da der Bereich, der mit der Auftragschweißung versehen wird, auf die oben beschriebenen Bereiche beschränkt ist, können die Schweißspannungen wirkungsvoll beherrscht werden und die Verformung durch die Spannungen minimiert werden.
Andere Beispiele
Obgleich festgestellt wurde, dass bei den Beispielen 1–3 ein Legierungspulver verwendet wurde, das Aluminium, 23 Si, 3 % Co, 3 % Fe, 3 % Ni, 3 % Cu und 1 % Mg (Gewichtsprozent) enthält, ist die Erfindung nicht auf den Gebrauch eines solchen Legierungspulvers beschränkt, sondern sie kann an verschiedene Legierungen entsprechend der Herstellerbedürfnisse angepasst werden.
Das Verfahren der Erfindung kann mit (einer) Deckschichtlegierung(en) eingesetzt werden, wie sie in den ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen JP 10-030163 A und JP 10-096087 A von denselben (demselben) Erfinder(n) beschrieben sind.
In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen JP 10-030163 A besteht ein geeignetes Legierungspulver aus einem Aluminium-Legierungspulver, das 5 bis 20 mol % Silber, 5 bis 20 mol % Kupfer, 5 bis 20 mol % Silizium und der Rest Aluminium enthält. Auch ist ein ähnliches, aber bevorzugtes Legierungspulver offenbart, das 10 bis 15 mol % Silber, 10 bis 15 mol % Kupfer, 10 bis 15 mol % Silizium und der Rest Aluminium besteht.
In der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen JP 10-096087 A ist eine geeignete Deckschicht offengelegt, welche Aluminium als Hauptbestandteil, 1 bis 40 mol % Kupfer und andere der Erfindung angepasste Legierungsbestandteile enthalten kann.
Bei allem bisher Gesagten war das Werkstück für die Schweißung ein Zylinderblock aus Aluminium.
Es sollte dem Leser bewusst sein, dass das Verfahren gemäß der Erfindung für das Schweißen an einem Zylinderblock aus Gusseisen angepasst werden kann, wie es in der ungeprüften japanischen Patentveröffentlichungen JP 09-314342 A offengelegt ist.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors, welches folgende Schritte aufweist: Festlegen eines Parametersatzes für den Zylinderblock, wobei der Parametersatz zumindest eine Schichtdicke der verschleißfesten Schicht, eine zulässige Schweißspannung, eine erste Abmessung des Zylinders nach der Endbearbeitung, eine Druck-Richtung und eine Gegen-Druck-Richtung beinhaltet, Ausbilden eines dem Parametersatz entsprechenden Zylinderblocks, Bestimmen mindestens eines ersten und eines zweiten Auftragschweiß-Abschnitts entlang eines Zylinders des Zylinderblocks entsprechend der Druck- und der Gegen-Druck-Richtung, wobei der erste Auftragschweiß-Abschnitt ein erster Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt und der zweite Auftragschweiß-Abschnitt ein zweiter Bereich ist, der sich von mindestens etwa ±5° bis etwa ±45° auf beiden Seiten der Gegen-Druck-Richtung relativ zur Mittelachse des Zylinders erstreckt, Ausführen von Auftragschweißen am ersten und zweiten Auftragschweiß-Abschnitt und abschließende Endbearbeitung des Zylinderblocks entsprechend der ersten Abmessung des Zylinders nach der Endbearbeitung, wodurch die Oberfläche des Zylinders eine verschleißfeste Schicht erhält, welche die gewünschte Schichtdicke der verschleißfesten Schicht und die zulässige Schweißspannung entlang der Druck- und Gegen-Druck-Richtungen aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei: der Schritt des Bestimmens eines Parametersatzes einen Schritt beinhaltet, in dem ein Unterschied zwischen der ersten endbearbeiteten Zylinderabmessung und mindestens einer ersten zurückversetzten Zylinderabmessung gewählt wird, wobei der Unterschied ausreicht, dass die Dicke der verschleißfesten Schicht zwischen mindestens etwa 2 mm und etwa 5 mm beträgt, wodurch die verschleißfeste Schicht im Betrieb verschleißfest ist und eine Verformung des Zylinderblocks aufgrund von Schweißspannungen minimiert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei: der Unterschied zwischen etwa 3 mm und etwa 4 mm beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks eines Verbrennungsmotors, welches folgende Schritte aufweist: Ausführen von Auftragschweißen an der Innenfläche eines Zylinders des Zylinderblocks lediglich in einem Bereich, in dem ein schädliches Übermaß an Verschleiß durch den Kolben auftritt, wobei der Bereich zumindest einen ersten Bereich mindestens zwischen etwa ±5° und etwa ±45° in einer Druck-Richtung und einen zweiten Bereich mindestens zwischen etwa ±5° und etwa ±45° in einer Gegen-Druck-Richtung relativ zum Zylinder des Zylinderblocks beinhaltet, und Endbearbeiten der Innenfläche des Zylinders auf die Endabmessung, wodurch die Innenfläche beständig gegen den Verschleiß durch den Kolben ist und wodurch ein Auftragschweiß-Abschnitt eine gewünschte Enddicke aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 4, wobei: die Innenfläche in zumindest einer ersten Ausnehmungsform entlang der Druck-Richtung und zumindest einer zweiten Ausnehmungsform entlang der Gegen-Druck-Richtung vorgeformt ist.
Verfahren gemäß Anspruch 5, wobei: die gewünschte Enddicke zwischen zumindest etwa 3 mm und etwa 4 mm beträgt.