DE4040975A1 - Verfahren zum herstellen eines zylinderblockes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Zylinder­ blockes aus einer Metallegierung, insbesondere einer Leichtmetallegie­ rung: für Brennkraftmaschinen, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspru­ ches 1.

Beispielsweise aus dem Aluminiumtaschenbuch/Düsseldorf 1983, Seiten 871 bis 875, ist es bekannt, Zylinderblöcke aus Leichtmetall bzw. deren Zylinderlaufflächen mit einer verschleißfesten Schicht zu versehen. Die Verschleißschicht kann dabei entweder durch Primärsiliciumausscheidung der AlSi-Legierung gebildet sein, oder es ist eine galvanische Be­ schichtung (z. B. Nikasil) aufgebracht.

Ferner ist es bekannt, in die Zylinderblöcke Graugußbuchsen einzusetzen (nasse Laufbuchsen) oder einzugießen (trockene Laufbuchsen).

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren aufzuzeigen, welches bei guter fertigungstechnischer Beherrschbarkeit die Herstellung von Lauf­ flächen gezielter Struktur und Verschleißbeständigkeit an gattungsge­ mäßen Zylinderblöcken ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Ver­ fahrens sind den weiteren Patentansprüchen entnehmbar.

Es wird somit vorgeschlagen, auf einer Trägerhülse die Verschleiß­ schicht aufzubringen, diese anschließend einzugießen und dann durch Abarbeiten der Trägerhülse die Verschleißschicht offenzulegen. Daraus resultieren mehrere Vorteile:

Zunächst ist die fertigungstechnische Handhabung bei der Herstellung der Verschleißschicht an einer Trägerhülse wesentlich einfacher und besser beherrschbar als am gesamten, bereits gegossenen Zylinderblock. So kann für das Aufbringen der Verschleißschicht und gemäß Anspruch 2 einer weniger harten Übergangsschicht weit effektiver das thermische Spritzen eingesetzt werden, mit dem Schichten definierter Zusammen­ setzung und Struktur herstellbar sind. Aber auch galvanische Beschich­ tungen oder Aufschmelzlegierungen, beispielsweise mittels Laser aufge­ bracht, liegen im Rahmen des erfindungsgemäßen Vorschlages.

Ferner ist die Materialwahl für den Zylinderblock frei von den tribolo­ gischen Anforderungen an der Zylinderlauffläche und kann mehr nach der Gießbarkeit ausgerichtet werden; zudem ergibt die Verwendung von Trä­ gerhülsen die Möglichkeit, den Zylinderblock im Druckgießverfahren mit hoher Genauigkeit herzustellen. Obwohl das Abarbeiten der Trägerhülse an sich einen zusätzlichen Arbeitsgang darstellt, kann insgesamt gese­ hen der Fertigungsaufwand bei einem nach dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren hergestellten Zylinderblock verringert und trotzdem das Ver­ schleißverhalten der Zylinderlaufflächen verbessert werden.

Wie bereits ausgeführt, wird gemäß Anspruch 2 bevorzugt eine Beschich­ tung durch thermisches Spritzen vorgeschlagen. Dabei kann insbesondere nach dem Flammspritzverfahren oder dem Plasmaspritzverfahren eine harte Verschleißschicht und eine weniger harte Übergangsschicht aufgebracht werden. Die Übergangsschicht dient insbesondere dem Ausgleich der durch unterschiedliche Wärmedehnungen entstehende Schubspannungen und verhin­ dert somit ein Abplatzen der harten Verschleißschicht bei den auftre­ tenden, oftmals extremen Temperaturänderungen.

Zur bevorzugten Struktur und Zusammensetzung der verschleißfesten Be­ schichtung wird auf die Merkmale der Patentansprüche 3 bis 6 Bezug ge­ nommen. Als Material für die Trägerhülse kann ein Stahlblech oder ein Aluminiumblech dienen.

Auf die harte Verschleißschicht und die Übergangsschicht kann ferner als dritte Schicht eine innige, stoffschlüssige Verbindung zum Grundma­ terial des Zylinderblockes sicherstellende Haftschicht entsprechend den Merkmalen der Patentansprüche 7 und 8 aufgebracht sein.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher beschrieben. Die schematische Zeichnung zeigt in Fig. 1 eine mit einer äußeren Beschichtung versehene Trägerhülse in einem Zylinderblock einer Brennkraftmaschine, und

Fig. 2 eine Einzelheit Z der Trägerhülse gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung.

In der Fig. 1 ist mit 10 ein Zylinderblock für eine Hubkolben-Brenn­ kraftmaschine angedeutet, in den eine Trägerhülse 12 mit einer an deren Außenumfang aufgebrachten Beschichtung 14 (dick ausgezogene Linien) eingegossen ist. Der Zylinderblock 10 kann bekannter Bauart sein und besteht aus einer gut gießfähigen untereutektischen Aluminium/Silicium- Leichtmetallegierung, während die Trägerhülse 12 aus Stahlblech gebil­ det ist. In nicht dargestellter Weise ist je Zylinder der Brennkraft­ maschine eine Trägerhülse 12 vorgesehen.

Die Trägerhülse 12 - die entweder durch ein nahtloses Rohr gebildet oder aus einem Blechstreifen gewickelt sein kann - wird zunächst an ihrem Außenumfang im Flammspritzverfahren mit der Beschichtung 14 ver­ sehen. Die Beschichtung 14 (vgl. Fig. 2) setzt sich aus einer ersten harten Verschleißschicht 16, einer zweiten weniger harten Übergangs­ schicht 18 und schließlich einer dritten Haftschicht 20 zusammen.

Die harte Verschleißschicht 16 besteht aus CrWo Carbiden, die in Pul­ verform im Flammspritzverfahren in einer Schichtstärke von ca. 0,6 mm und mit einer tribologisch günstigen Porösität (Ölhaltung) von bis zu 10% thermisch aufgespritzt werden.

Anschließend folgt die weniger harte Übergangsschicht 18 aus ebenfalls einer CrWo-Legierung mit einer Porösität von bis zu 30% und einer Schichtstärke 0,1 bis 0,2 mm beträgt. Durch die Übergangsschicht sollen unzulässige und schädliche Schub- und Druckspannungen zwischen der har­ ten Verschleißschicht 16 und dem Grundmaterial des Zylinderblockes 10 abgebaut werden.

Schließlich folgt ebenfalls im Flammspritzverfahren aufgetragen die Haftschicht 20 aus einer Al-Bronze (AlCuSn), die eine hohe Porösität (Porengröße um 60 µm) bei einer Schichtstärke von ca. 0,5 mm aufweist. Die Haftschicht 20 bildet so eine stark vergrößerte spezifische Ober­ fläche und beim Eingießen ein formschlüssiges Verhaken sowie aufgrund deren geringeren Schmelzpunktes ein Anschmelzen bzw. eine intermetal­ lische Verbindung mit dem Grundmaterial.

Nach dem Aufbringen der Beschichtung 14 wird die Trägerhülse 12 in die Gießform für den Zylinderblock 10 eingesetzt bzw. auf die für die Zy­ linderöffnungen vorgesehenen Pinolen aufgesetzt, auf die Pinolentempe­ ratur erwärmt und beim Gießen des Zylinderblockes, bevorzugt im Druck­ gießverfahren, mit umgossen, wobei aufgrund der auftretenden Schmelz­ temperaturen in Verbindung mit der Haftschicht 20 eine feste, form- und stoffschlüssige Verbindung gebildet wird.

Um das Herausziehen der Pinolen nach dem Gießen zu erleichern, sollten die Trägerhülsen 12 (deren Innenbohrung) und die Pinolen in an sich be­ kannter Weise eine kegelige Gestalt (Gußschräge z. B. 30′) aufweisen.

Zur Herstellung der beschichteten, verschleißfesten Lauffläche wird schließlich die Trägerhülse 12 bis zur ca. halben Schichtstärke der harten Verschleißschicht 16 (gestrichelte Linie 22) herausgearbeitet bzw. die Verschleißschicht 16 offengelegt. Es versteht sich, daß die maßliche Ausführung der Trägerhülse 12 und die Schichtdicke der Ver­ schleißschicht 16 auf den kontruktiv vorgegebenen Zylinderdurchmesser und die beabsichtigte Stärke der Verschleißschicht im Endmaß abzu­ stimmen sind.

Gegebenenfalls kann die so gebildete Lauffläche nach deren üblicher Behandlung (Honen etc.) auch noch einer Behandlung mit einem Eximer­ laser zum Öffnen oberflächennaher Poren unterzogen werden.

Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführung beschränkt. So können im Rahmen konstruktiver Vorgaben (Bauteilebelastungen, etc.) auch andere Beschichtungen und andere Materialien beim Zylinderblock und bei der Trägerhülse angezeigt sein, entsprechend den in den Patent­ ansprüchen angeführten Vorgaben. So können anstelle metallischer Hart­ stoffe auch oxidkeramische Beschichtungen Anwendung finden, die im Plasmaspritzverfahren aufgetragen werden können. Auch die Trägerhülse selbst kann gegebenenfalls durch eine Keramikhülse gebildet sein.

Claims (8)

1. Verfahren zum Herstellen eines Zylinderblockes aus einer Metallegierung, insbesondere einer Leichtmetallegierung für Brennkraft­ maschinen, bei dem eine jede Zylinderlaufbahn mit einer verschleiß­ festen Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die Beschichtung (14) auf die Außenumfangsfläche einer Trägerhülse (12) aufgebracht wird,
• - daß die Trägerhülse (12) beim Gießen des Zylinderblockes (10) mit eingegossen wird, und
• - daß schließlich durch Abarbeiten der Trägerhülse (12) die Be­ schichtung (14) freigelegt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch thermisches Spritzen auf die Trägerhülse (12) eine harte Ver­ schleißschicht (16) und eine weniger harte Übergangsschicht (18) aufgebracht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht (16) primäre Verbindungen der Übergangs­ metalle IVa (Ti, Zr, Hf) Va (V, Nb, Ta) und VIa (Cr, Mo, W) oder deren Carbide, Nitride, Boride oder Silicide eingesetzt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die Verschleißschicht (16) nichtmetallische Hartstoffe, insbeson­ dere deren Oxide (z. B. Al₂O₃, Cr₂O₃, ZrO₂, MgO) verwendet werden.

5. Verfahren nach einem oder meheren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschleißschicht (16) in einer Porösität von 2 bis 20%, insbesondere von 3 bis 10% hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsschicht (18) mit dem glei­ chen Werkstoff wie die Verschleißschicht (16), jedoch mit einer höheren Porösität, gebildet wird.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Leichtmetall-Zylinderblock (10) als Haftschicht (20) eine Metallegierung mit einem Aluminium­ gehalt < 3%, insbesondere eine Aluminium-Bronze aufgebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Haft­ schicht (20) mit einer Porösität von < 60 µm aufgebracht wird.