DE69504944T2

DE69504944T2 - Verfahren zur Herstellung von Motorblöcken mit beschichteten Zylinderbohrungen

Info

Publication number: DE69504944T2
Application number: DE1995604944
Authority: DE
Inventors: Carlo A. Farmington Hills Michigan 48336 Fucinari; V. Durga Nageswar Bloomfield Township Michigan 48302 Rao; Robert A. Grosse Pointe Park Michigan 48230 Rose
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1994-12-09
Filing date: 1995-12-06
Publication date: 1999-02-18
Anticipated expiration: 2015-12-07
Also published as: CA2164142A1; ES2121300T3; MX9505021A; EP0716158A1; EP0716158B1; DE69504944D1; JPH08246943A

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von metallenen Motorblöcken mit wärmeleitenden Beschichtungen geringer Reibung auf den Zylinderbohrungswänden.
Gegenwärtig werden Aluminiummotorblöcke für Kraftfahrzeuge hergestellt, indem zuerst die Blöcke in der Umgebung einer Gießanlage gegossen werden, wo die Luft gewöhnlich von Schwebeteilchen aus der Rückgewinnung des Kernsands und der Sandstrahlung durchsetzt ist. Als zweites wird der Block in einer separaten Motorenmontageanlage bearbeitet und mit Beschichtungen versehen. In der Motorenmontageanlage werden die Motorblöcke vor der Beschichtung einer Viehlzahl von vorbereitenden Schritten unterzogen, wie zum Beispiel Waschen, Entfetten, Preßluftreinigung, Grobspanen, Feinschlichtarbeit, Grobziehschleifen (80er/100er und 200er Schleifscheiben) und Feinziehschleifen, die insgesamt sehr teuer sind und das Fertigungsverfahren beträchtlich verlängern. Die geringe Produktivität macht beträchtlich höhere Investitionen von Kapital erforderlich, damit die Werke die geforderte Produktionskapazität erreichen. In der Motorenmontageanlage wird die Beschichtung der Zylinderbohrungen gewöhnlich mit Materialien wie Eisen oder Nickel durchgeführt. Das Eisen kann mit Molybdän gemischt werden, um eine verschleißfeste Schicht mit sehr geringer Schmierfähigkeit zu erreichen. Das Nickel kann mit Aluminium und Siliziumkarbid kombiniert werden, um das Elektroplattieren (oder in manchen Fällen die autokatalytische Galvanisierung) einer zusammengesetzten, verschleißfesten Schicht mit begrenzter Schmierfähigkeit zu ermöglichen. Diese Verfahren sind teuer, langwierig und resultieren nicht in einem entscheidend niedrigeren Reibungskoeffizienten, um so eine Verbesserung der Motorleistung oder des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen.
Es ist ein Gegenstand dieser Erfindung, ein Verfahren zur ökonomischeren Herstellung eines Motorblocks mit verbesserten, direkt beschichteten Zylinderbohrungswänden in einem Gießwerk zur Verfügung zu stellen, wobei die Beschichtung einen niedrigeren Trockenreibungskoeffizienten und ebenso eine hohe Wärmeleitfähigkeit für einen verbesserten Wärmehaushalt des Motors hat.
Die Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks mit wie in Anspruch 1 definierten beschichteten Zylinderbohrungswänden, das dem obigen Gegenstand entspricht. Die bevorzugten Ausführungen des beanspruchten Verfahrens werden in den abhängigen Ansprüchen 2-10 definiert. Das Verfahren umfaßt (a) das Gießen eines Motorblocks aus Metall (in erster Linie eine kostengünstige Aluminiumlegierung wie zum Beispiel Typ 319), (b) das Entfernen von Verunreinigungen (die Verunreinigungen beinhalten Material der Sandgußform, das an dem Gußstück haftet) von den gegossenen Zylinderbohrungswänden, um wenigstens eine ringförmige, gereinigte, frische Metalloberfläche bereitzustellen, (c) das Abscheiden einer plasmagesprühten Schicht auf der Oberfläche mitsamt einer Pulvermischung, die Festschmierstoffpartikel enthält, (d) das Formen dieser Schicht, so daß sie konzentrisch um die exakte Achse der Zylinderbohrungswände verläuft, und (e) das Ziehschleifen der Schicht zu endgültiger Schlußglätte. Vorzugsweise liefert die plasmagesprühte Schicht einen Trockenreibungskoeffizienten von 0.3 oder weniger. Bloßlegen von frischem Metall (Entfernen jeglichen Metalloxids) kann durch Sandstrahlen (Kugelstrahlen), Erosion durch elektrische Entladung, mechanisches Einarbeiten von Auszackungen oder durch Plasmaätzung erreicht werden. Das Bilden der konzentrischen Form kann entweder durch Grobspanen der Zylinderbohrungswände gefolgt von der Abscheidung der dünnsten Beschichtung (die dann nur Endziehschleifen benötigt), oder durch Abscheidung einer dickeren Beschichtung gefolgt von Grobziehschleifen der Beschichtung zur Konzentrizität erreicht werden. Es sollte betont werden, daß das Auftragen der dünnsten Beschichtung und anschließendes, endgültiges Ziehschleifen realisierbar ist, wenn die Zylinderbohrung sowohl exakt konzentrisch als auch richtig zur Kurbelwellenachse ausgerichtet ist. Durch das Verwenden von Werkzeugköpfen können das Bloßlegen des frischen Metalls und die Plasmabeschichtung maschinell integriert werden, wodurch die Zeit des Arbeitszyklus auf bis zu 15 Sekunden reduziert werden kann. Ein Vorteil dieser Erfindung ist die Steigerung der Effektivität der Vorbereitung der Zylinderbohrungswand auf die Beschichtung, um bessere Haftung zu fördern und die Menge des Beschichtungsmaterials zu reduzieren, das benötigt wird, um eine dauerhafte, reibungsmindernde Beschichtung zu liefern, die zufriedenstellend in Motoren, die verschiedene Kraftstoffarten verbrennen, ihre Wirkung entfaltet und konzentrisch um die exakte Achse der Bohrungen ausgerichtet ist.
Die Erfindung wird jetzt anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen weiter beschrieben werden, worin:
Abb. 1 eine Darstellung der aufeinanderfolgenden Schritte der Durchführung des Verfahrens dieser Erfindung ist;
Abb. 2 eine vergrößerte Schnittansicht einer Zylinderbohrungswand darstellt, die maschinell bearbeitet wurde, um Auszackungen zu liefern, die frisches Metall nach dem Verfahren von Abb. 1 darbieten;
Abb. 3 einen vergrößerten Teil von Abb. 2 darstellt, der die Beschaffenheit der gezackten, maschinell bearbeiteten Oberfläche zeigt;
Abb. 4 einen zentralen Aufriß einer Reihe von Zylinderbohrungswänden eines typischen V-8 Aluminiummotors darstellt, der Vorrichtungen zeigt, die frisches Metall an den Zylinderbohrungswänden durch Sandstrahlen bloßlegen;
Abb. 4A eine vergrößerte Ansicht eines Teils der Sandstrahldüse darstellt; Abb. 5 eine stark vergrößerte Ansicht eines Teils der Zylinderbohrungswand von Abb. 4 darstellt;
Abb. 6 ein zentraler Aufriß einer Reihe von Zylinderbohrungswänden eines typischen V-8 Aluminiummotors ist, der Plasmaätzvorrichtungen zeigt, die als Teil des Verfahrens von Abb. 1 an den Zylinderbohrungswänden frisches Metall bloßlegen;
Abb. 7 eine stark vergrößerte Ansicht eines Teils der Zylinderbohrungswand von Abb. 6 darstellt und den Effekt des Plasmaätzens zeigt;
Abb. 8 eine Skizze eines typischen Aluminiummotorblocks darstellt, der in ein Elektrolytbad getaucht ist, das benutzt wird, um elektrische Entladungserosion an den Zylinderbohrungswänden durchzuführen, wobei die übrigen Oberflächen des Motorblocks abgedeckt werden, um dort die Erosion zu verhindern;
Abb. 9 eine stark vergrößerte Ansicht eines Teils einer Zylinderbohrungswand darstellt, die aus einer Bearbeitung mit elektrischer Entladung hervorgeht;
Abb. 10 eine Querschnittsskizze eines Motorblocks darstellt, in der das Plasmaspritzen der Bohrungsflächen gezeigt wird;
Abb. 11 eine zentrale Aufrißansicht der Konstruktion aus Abb. 10 darstellt, die entlang der Linie 11-11 dieser Abbildung verläuft;
Abb. 12 eine stark vergrößerte Ansicht der Düse der Plasmaspritzpistole darstellt, die das Anbringen und Abscheiden der Beschichtung verdeutlicht;
Abb. 13 eine stark vergrößerte Ansicht eines Teils des Plasmastrahls darstellt, wie er in Abb. 12 gezeigt ist; und
Abb. 14 eine Skizze eines Teils der Beschichtung darstellt, wie sie durch die Plasmaabscheidung erzeugt wird.
Die neuartigen Schritte dieser Erfindung zur Herstellung eines Motorblocks 10 mit einzigartigen, reibungsmindernden, plasmabeschichteten Zylinderbohrungswänden beseitigen viele früher notwendige Vorgänge, wie zum Beispiel teures Feinabspanen; dies wird durch eine genauere Zentrierung der beschichteten Oberfläche um die exakte Achse der Zylinderbohrungswände zusammen mit der Steuerung der Dicke der Beschichtung erreicht, was die Kosten der Beschichtung verringert und ihre Qualität steigert. Die wesentlichen Schritte (wie in Abb. 1 gezeigt) umfassen: Das Gießen in der Moforblockform 10, das Vorbereiten aller Zylinderbohrungswände 11 durch Reinigung und Oberflächenvorbereitung, so daß sie frei von Verunreinigungen sind, die Plasmaabscheidung einer reibungsmindernden Beschichtung 12, das Zentrieren der freigelegten Oberfläche 13 der Beschichtung um die exakte Achse 14 der Zylinderbohrung 11 durch entweder (i) das Nachfolgen einer zentrierten Substratoberfläche 15 während der Abscheidung, oder (ii) das Legen einer Spur für ein zentriertes formgebendes Werkzeug 16, wie zum Beispiel eine Ziehschleifahle, und das Ziehschleifen der zentrierten Schicht in die endgültige Form, wenn sie nicht schon gehont wurde.
Der Motorblock 10 kann in einer Sandform (wie beispielsweise in einer Form 17), einer Maskenform (dauerhaft oder teilweise dauerhaft), durch Spritzguß oder eine andere wirtschaftlich akzeptable Gießtechnik gegossen werden. Sandformen ist vorteilhaft, da es gute Produktformgenauigkeit mit optimaler Wirtschaftlichkeit für die Massenfertigung verbindet. Um eine angemessene Vorbereitung auf die anschließende Beschichtung der Zylinderbohrung sicherzustellen, sollte der Gießvorgang auf die folgende Art und Weise gesteuert werden: Die Bohrungen sollten so genau wie möglich zentriert sein, wobei die gleiche Bohrungsstärke beibehalten werden soll. Die Bohrungsoberfläche kann durch Benutzen eines entsprechenden Kerns oder durch maschinelles Bearbeiten mit präzisen, spiralförmig angeordneten Auszackungen gegossen werden; die Grate der Auszackungen unterstützen das Auftragen der Beschichtung und sie liefern, falls sie durch Abspanen hergestellt wurden, frisches Metall, mit dem die Beschichtung eine Verbindung eingeht.

Oberflächenvorbereitung

Verunreinigungsfreie Vorbereitung bedingt zunächst die Reinigung des Motorblocks. Dies kann Entfetten einschließen, wenn die angewandte Gießtechnik gewöhnlich Rückstände hinterläßt, oder Sandstrahlen, wenn solche Rückstände nicht entstehen. Der entfettete oder sandgestrahlte Block wird danach gewaschen, um lose Sand- oder Metallsandpartikel zu entfernen, falls Sand oder Sandformen verwendet wurden. Zur Entfettung können von der OSHA genehmigte Lösungsmittel, wie zum Beispiel Dichloräthylen, benutzt werden, worauf eine Spülung mit Isopropylalkohol folgt. Das Entfetten kann mit verdampften Lösungsmitteln durchgeführt werden, etwa in einer Kammer, in der das Lösungsmittel auf ungefähr 10ºC (50ºF) über dem Siedepunkt des Enfettungsfluids erhitzt wird. Für den Waschvorgang können entweder Hochdruckwasserstrahlen benutzt werden, oder der Motorblock kann wie in Abb. 1 gezeigt in ein Bad 18 getaucht werden. Nach dem Waschen werden die Blöcke 10 ölfreien Luftstrahlen 19 ausgesetzt, die die Blöcke von jeglicher Feuchtigkeit befreien. Alternativ kann ein Hochdruckreinigungsvorgang angewandt werden, der kommerziell als "Hydroblast" bekannt ist, und der Sandstrahlen/Waschen/Spülen usw. unnötig macht. Es ist wichtig, daß die zu beschichtenden Bohrungsoberflächen vollkommen fettfrei sind; Aluminiumgußstücke neigen dazu, gelegentlich poröse Stellen aufzuweisen, die Öle speichern können. Sämtliche absorbierten Öle oder Reinigungsfluida müssen vollständig entfernt werden. Selbst bei der Dampfentfettung ist es nötig, mit ölfreier Druckluft nachzureinigen und den Block anschließend zu erwärmen [auf ungefähr 82.2ºC (180ºF)]. Bei Gießvorgängen hoher Qualität, wie zum Beispiel bei Niederdruckspritzguß, ist Porosität jedoch kein großes Problem.
Als nächstes muß frisches Metall auf den Zylinderbohrungswänden unmittelbar vor der Plasmaabscheidung der Beschichtung freigelegt werden. Dies kann entweder durch (i) maschinelle Bearbeitung einer frischen Oberfläche durch Flachfräsen oder Zackenfräsen, (ii) Sandstrahlen oder (iii) Plasmaätzen erreicht werden. Beim Zackenfräsen wird ein Werkzeug 20 verwendet, das kreisförmige Auszackungen 21, wie in den Abb. 2 und 3 gezeigt, aus der zu beschichtenden Wand 11 fräst; die Auszackungen liefern Grate 22 und Täler 23. Die Täler werden später durch die Beschichtung 24 vorzugsweise plan mit den Graten gemacht. Die in Längsrichtung voneinander getrennten Grate dienen als lasttragende Vorrichtungen zum Führen von Bestandteilen wie beispielsweise Kolben, die sich entlang der Grate der ausgezackten Oberfläche bewegen. Eine beschichtete, ausgezackte Oberfläche hat die folgenden Eigenschaften: Die Fähigkeit, bei sehr geringer Porengröße und guter Lasttragefähigkeit Öl zurückzuhalten, einen verringerten Ölverbrauch und ausgezeichnete Schichthaftung (Haftfestigkeit von mehr als 493 kg/cm² (7000 psi) basierend auf dem ASTM C-633 Verfahren).
Sonst kann frisches Metall, wie in den Abb. 4 und 5 gezeigt, durch Sandstrahlen bloßgelegt werden. Die Freisetzung von frischem Metall ist nötig, um eine hervorragende metallurgische Bindung zwischen der Aluminium- oder Metalloberfläche der Motorblockwände und der metallisierten Beschichtung zu erreichen. Beim Sandstrahlen mag es wünschenswert sein, erst die angrenzenden Oberflächen des Motorblocks abzudecken, um jene Oberflächen zu schützen, die nicht sandgestrahlt werden sollen. Die Abdeckung 25 kann von dem in Abb. 10 gezeigten Typ sein; ein Hochtemperaturelastomer wird wie gezeigt um den Block gegossen. Dieses Elastomer ist geschmeidig genug, um an der Blockoberfläche 26 zu haften, und es wird Overspray aus dem Sandstrahlen verhindern, so daß der Block keinen Schaden durch einschlagende Kugeln 27 oder, wenn die Abdeckung auf dem Block bleibt, durch überschüssiges Beschichtungsmaterial während des Plasmaspritzens davonträgt; fehlgesprühtes Material wird lose an der Elastomerabdeckung 25 haften und kann durch konventionelle Reinigungsverfahren entfernt werden, so daß die Maske wiederverwendet werden kann. Die Abdeckung 26 kann alternativ auch eine modifizierte Druckerschwärze sein, die ausreichend beständig gegen das Sandstrahlen und beim Übersprühen der Beschichtung ist; sie kann dann nach dem Schritt der Plasmasprühbeschichtung leicht durch Hochdruckwasserreinigung entfernt werden.
Die Partikelgröße des Metallsands 27 bzw. der Kugeln wird in einem Bereich von 0.045-0.200 mm (45-200 Mikrometer) gehalten, und diese bestehen vorzugsweise aus kantigen Aluminiumoxidpartikeln. Der Metallsand 27 wird unter einem Druck von ungefähr 0.35 bis 3.5 kg/cm² (5 bis 50 psi) zum Aufprall auf eine konische Düse 28 geleitet, die ihrerseits den Metallsand dann auf ein Strömungsmuster von 360º verteilt, um die gesamte ringförmige Zylinderwand 11 abzuschleifen. Gewöhnlich genügt dem Gerät 29, das die Düse 28 trägt, ein Arbeitsgang hinauf und herab entlang der Länge der zu sandstrahlenden Zylinderbohrungswandoberfläche. Der Metallsand wird von den Zylinderbohrungswänden durch eine in den Sandstrahler 31 integrierte Saugvorrichtung 30 zur Wiederverwendung zurückgewonnen. Jeglicher zurückbleibender Metallsand auf den Zylinderbohrungswänden kann leicht durch Behandlung mit ölfreier Hochdruckluft entfernt werden (was von Abspülen und Drucklufttrocknung gefolgt werden kann). Die metallsandgestrahlte, frische Oberfläche 32 wird sich im allgemeinen mit mikrometergroßen Auszackungen 33 präsentieren, wie in Abb. 5 gezeigt ist.
Noch eine weitere Alternative (wie in den Abb. 6 und 7 gezeigt) zur Freilegung frischen Metalls kann die Verwendung von Plasmaätzen einschließen, worin ein halogenhaltiges Fluid 34 durch einen Lichtbogen 35 fließt und dabei ionisierte Halogenatome 36 (Plasmastrahl) freisetzt. Dieser Plasmastrahl aus Halogenatomen schlägt dann gegen die Zylinderwandoberfläche 37 des Motorblocks, um vorzugsweise die Aluminiumoberfläche anzugreifen und eine frische Aluminiumoberfläche freizulegen. Ätzen ist als das Verwenden eines Fluids definiert, das eine metallurgische Reaktion mit Aluminium und anderen Metallen (Si, Cu, Mg, Zn) in der Gießlegierung eingeht, um Oberflächenrauheit oder Porosität zu erzeugen. Der Plasmakopf 38, der das Ätzmittel auf die Oberfläche befördert, kann vorzugsweise so eingerichtet werden, daß das Material über die Achse 39 der Zylinderbohrungswand auf die Oberfläche der gegenüberliegenden Wand gesprüht wird. Eine den Kopf 38 tragende Trageplatte 40 kann die Spritzpistole günstig auf einem gebogenen Pfad 41 während der Auf- und Abbewegung der Spritzpistole 42 drehen. Die Temperatur- und Druckbedingungen zur Durchführung von Plasmaätzen werden durch die Steuerung des Lichtbogenstroms und des Gasflusses angepaßt. Die eingespeiste Energie beträgt ungefähr zwischen 5 und 15 KW. Das Plasmaträgergas ist gewöhnlich höchst reines Argon mit 1 bis 5% eines halogenhaltigen Fluids. Dieses Fluid kann Freon, Trichlormethanäthylen, oder ein Trichlorid aus der Familie der fluorierten Kohlenwasserstoffe sein. Die resultierende plasmageätzte Oberfläche 43 wird sich wie in Abb. 7 gezeigt darstellen, und sie ist durch eine sehr helle, besonders rauhe Oberfläche (mit Furchen 44) gekennzeichnet, die sehr reaktionsfreudig ist. Aufgrund dieser Reaktionsfreudigkeit wird es zwischen der Oberfläche 43 und der Beschichtung zu einer sehr starken Bindung kommen.
Eine weitere Alternative zur Freilegung frischen Metalls kann die Verwendung elektrischer Entladungserosion (siehe Abb. 8 und 9) zur Erzeugung einer unregelmäßigen, nicht passivierten Oberfläche 45 zur mechanischen Bindung der thermischen Sprühbeschichtung sein. Elektrische Entladungserosion umfaßt im wesentlichen das Schmelzen und rasche Verfestigen von Kügelchen der verborgenen Bohrungsoberfläche 46, die durch elektrische Entladung beschichtet werden soll. Das Schmelzen und rasche Verfestigen wird erreicht, indem (a) eine Elektrode (Anode) 47 in Funkenschlagweite zur Oberfläche 46 gebracht wird, (b) der Zwischenraum mit einem Elektrolyt 48 gefüllt wird, der ein halogenhaltiges Kohlenwasserstoff-Fluid in einer Menge der Größenordnung von etwa 2-5% des Elektrolyts enthält, und (c) an die Elektrode Gleichspannungimpulse 49 angelegt werden, um zyklischen Funkenschlag zwischen der Elektrode und der Oberfläche durch den Elektrolyt zu liefern, was in der Zersetzung des Kohlenwasserstoffelektrolyts und somit der Freisetzung von Halogenatomen resultiert, die die Oberfläche angreifen, um Passivierung während des Schmelzens und der Verfestigung der Kügelchen zu verhindern. Der Elektrolyt 48 wird während des Funkenschlags vorzugsweise auf eine Temperatur unter 18ºC (65ºF) gekühlt, und der halogenhaltige Kohlenwasserstoff ist in ausreichender Mengen vorhanden, um Silizium und Aluminium anzugreifen, wenn diese Oberfläche aus einer Silizium enthaltenden Aluminiumlegierung besteht. Der Motorblock kann wieder durch die oben beschriebenen Techniken abgedeckt werden, um die Erosion von anderen als den gewünschten Zylinderbohrungswandoberflächen zu verhindern. Die durch elektrische Entladungserosion erzeugte, resultierende Oberfläche ist in Abb. 9 dargestellt und durch eine klare, helle, höchst unregelmäßige und reaktionsfreudige Oberfläche 45 gekennzeichnet.
Die Parameter zur Durchführung der elektrischen Entladungserosion sind die in der gleichzeitig eingereichten europäischen Patentanmeldung Nr. 95306121.9 (vom 4. September 1995) offenbarten.

Plasmaspritzen

Ein Plasma wird (wie in den Abb. 12 und 13 gezeigt) von einem Lichtbogen zwischen einer Wolframkathode 50 und einer düsenförmigen Kupferanode 51 erzeugt, der Argon- und Wasserstoffgasmoleküle 52 ionisiert, die in die Kammer 53 der Spritzpistole 54 geleitet werden. Aufgrund der Geometrie der Kathoden/Anoden- Konstruktion wird das ionisierte Gas 52, das (wegen des Passierens des Lichtbogens 55) sehr stark erhitzt und höchst leitfähig ist, auf eine sehr hohe Geschwindigkeit (bis zu 300-700 m/s) beschleunigt. Indem Pulver 56 axial in die Plasmaflamme 57 eingeführt werden, können Pulverpartikel 58 Geschwindigkeiten von etwa 600 m/s erreichen, bevor sie auf einem Ziel 59 einschlagen. Die Abscheidungsrate kann zwischen 2 und 10 Kilogramm pro Stunde betragen. Das Schutzgas, wie zum Beispiel Argon mit Wasserstoff, wird bei einem Druck von ungefähr 0.14 bis 1.76 kg/cm² (2 bis 25 psi) und bei Raumtemperatur in die Pistole getrieben. Der Speisungsvorrat besteht aus einem metallisierten Pulver, das zumindest eine Metallschale 60 aufweist, die während der sehr raschen, vorübergehenden Erhitzung in der Plasmaflamme aufweicht, wobei die aufgeweichten Partikel dann durch die hohe Sprühgeschwindigkeit auf die Zieloberfläche gespritzt werden.
Die Pulverpartikel 58 können für die Zwecke dieser Erfindung entweder (i) Stahl- oder Eisenoxid und eine Eisenlegierung mit Partikeln aus Ni, Mn, Cr und C sein, die einen niedrigen Trockenreibungskoeffizienten besitzen; oder (ii) ein nichtoxidierter Stahl oder ein anderes Metall sein, gemischt mit einem Festschmierstoff, ausgewählt aus der folgenden Gruppe: Graphit, MoS&sub2;, BN, LiF&sub2;, oder Eutektika von LiF/NaF&sub2; oder CaF&sub2;/NaF&sub2;; und (iii) mit Metall umhüllte oder gemischte Festschmiermittel oder ein Metall-Festschmierstoff-Film-Gemisch eines Typs wie in (ii) beschrieben sein. Es ist wichtig, daß die chemischen Eigenschaften all dieser Pulver einen Trockenreibungskoeffizienten unter 0.4 aufweisen und ein hohes Maß an Fließfähigkeit besitzen, um leicht in die Plasmaspritzpistole eingeführt werden zu können.
Das Einbringen des Plasmasprays in die Zylinderbohrung wird detailliert in den Abb. 10 und 11 gezeigt, in denen eine mit einer Düse 57 an ihrem unteren Ende ausgestattete Pistole 54 um eine Achse 62 rotiert, die exzentrisch zu der zentralen Achse 63 der Zylinderbohrung verläuft, so daß das Sprühmuster 64 des erhitzten Pulvers einen Weg über die Achse 63 der Zylinderbohrung beschreibt, bevor es die gegenüberliegende Zieloberfläche 65 erreicht. Die Pistole 54 wird nicht nur auf einem bogenförmigen Pfad um die Achse der Zylinderbohrung bewegt, sondern auch gewöhnlich in einem Arbeitsgang angehoben und gesenkt, um eine erste Beschichtungslage 76 (siehe Abb. 14) von einer Stärke 70 von 0.1 bis 0.25 mm (100 bis 250 Mikrometer) zu erzeugen. Die Abscheidungsrate sollte ungefähr 5 bis 10 Kilogramm pro Stunde betragen, um annähernd 92% Abscheidungseffizienz zu erreichen. Overspray 68 (Partikel, die nicht an der vorgesehenen Oberfläche haften bleiben) wird in einem Sammelbehälter 67 gesammelt und zur Wiederverwendung durch die Pistole 54 bei späterem Plasmaspritzen zurückgeführt. Ungenaues Sprühen kann im wesentlichen durch das Verwenden eines Roboters 69 verringert werden, der die rotierende Pistole 54 sorgfältig bewegt, um das vorgesehene Ziel auf präzise Weise zu besprühen; der Roboter kann die Pulverteilchengröße so einstellen, daß das Muster 64 zu einem fokussierten Spray konzentriert wird. Durch einen Unterdruck 71 unter dem Block 72 werden lose Overspraypartikel 68 zur Wiederverwendung zurückgeführt. Die Abdeckung 25 von der Art wie oben für Plasmaätzen und Metallsandstrahlen beschrieben kann auch hier benutzt werden; ein geformtes Elastomer wird über die an die Zylinderbohrungswände angrenzenden Ränder 73 des Motorblocks gespannt, um das Haften von Material außerhalb der vorgesehenen Zylinderbohrungsoberfläche zu verhindern. Zusätzlich zur Pistole 54 zum Befördern des Pulvers und dem Herstellen eines Plasmas kann in der Pistole 54 ein angrenzender Kanal 74 eingerichtet werden, der kühlende Luftströme 75 so leitet, daß Luft aus der Pistolendüse in entgegengesetzter Richtung zu dem Plasmastrahl austritt; so kann das in den Pulverteilchen enthaltene, an der Luft härtende Material unverzüglich der Luftkühlung ausgesetzt werden, was Verhärten der beschichteten Oberfläche zur Folge hat.
Das abgeschiedene Material sollte kontrolliert in einer Stärke 76 von 0.175 bis 0.300 mm (175 bis 300 Mikrometer) gehalten werden, wenn die Bohrungen perfekt zentriert sind [innerhalb von ±0.015 mm (±15 Mikrometer) Abweichung], oder in einer Stärke von 0.5 bis 0.75 mm (500 bis 750 Mikrometer), wenn die Bohrungszentren mehr als 0.5 mm abweichen. Die Schicht kann in einer oder mehreren Lagen abgeschieden werden, um diese Stärke zu erreichen. Wenn die Zylinderbohrungswandoberflächen so vorbereitet wurden, daß sie genau mit der exakten Achse der Zylinderbohrungswände zusammenfallen, kann eine dünnere Beschichtung von Feststoffschmiermitteln in der Größenordnung von 0.225 bis 0.300 mm (225 bis 300 Mikrometer) aufgetragen werden, die den Verlauf der Zylinderbohrungsoberfläche genau nachvollzieht, so daß die innere, beschichtete oder die freiliegende Oberfläche der Beschichtung auch exakt konzentrisch um die Achse 63 der Zylinderbohrung verläuft. Wenn die Zylinderbohrungsoberflächen zuvor nicht in eine konzentrische Form gebracht wurden, kann die Beschichtung auf eine Stärke der Größenordnung (was nicht im Einklang mit der Erfindung steht) von 0.300-0.700 mm (300-700 Mikrometer) angehoben werden, wonach dann durch Grobziehschleifen die Konzentrizität der inneren Oberfläche hergestellt werden kann, wobei die Ziehschleifahle die Vorlage zur exakten Ausrichtung der fertigbearbeiteten Oberfläche gibt.
Um eine noch stärkere metallurgische Bindung zwischen Beschichtung und Unterlage zu erreichen, kann eine Bindeschicht 77 eingeführt werden, zum Beispiel aus Nickelaluminid (das 6-10% Aluminium enthält und ansonsten aus Nickel oder rostfreiem Stahl besteht, wie zum Beispiel eine 434, 420 oder 80/20 Nickel-Chrom- Legierung). Die Bindeschicht kann auch als Plasmasprühbeschichtung vor der Abscheidung der Festschmiermittelbeschichtung aufgetragen werden.
Diese letzte Beschichtung ist folgendermaßen gekennzeichnet: Sie hat ein durch einen ASTM-C-633 Test bestimmtes Haftvermögen von wenigstens 493-670 kg/cm² (7000-9000 psi) [dies kann für frisch abgespante Oberflächen ohne jede weitere Oberflächenbearbeitung auch 211-352 kg/cm² (3000-5000psi) betragen], sie weist eine Reihe von Mikroporen auf, die die Absorption darin von Öl ermöglichen, um während des normalen Betriebs den Ölfilm auf den Zylinderbohrungswänden ständig versorgen zu können, wobei die Porengröße in einem Bereich von 0.005 bis 0.040 mm (5 bis 40 Mikrometer) liegt und mindestens 70% der Poren kleiner als 0.001 mm (10 Mikrometer) sind. Die Gesamtporosität sollte 10% nicht übersteigen, damit nicht nur ein geringer Reibungskoeffizient gewährleistet ist, sondern die Spannungsbelastbarkeit die maximale durch die Kolbenringe ausgeübte Spannungsbelastung [140 kg/cm² (2000 psi)] um 105 kg/cm² (1500 psi) übersteigt.
Sowohl das Plasmaspritzen als auch das noch zu beschreibende, darauf folgende Ziehschleifen sollten beide vorzugsweise unter Verwendung von Reihen von zwei oder drei Spritzpistolen 54 durchgeführt werden, die auf einer einzigen Aufspannvorrichtung festgemacht sind und von einer einzigen oder rückkopplungsgesteuerten, automatischen Robotervorrichtung gesteuert sind. Zum Beispiel kann beim Plasmaspritzen ein Paar von Pistolen so eingerichtet werden, daß diese in die erste und dritte Bohrung einer Reihe von vier offenen Zylinderbohrungen eingeführt werden und, nachdem sie wieder herausgezogen und weitergerückt wurden, auch die zweite und vierte Bohrung besprühen, wodurch die Produktivität gesteigert wird. Diese Anordnung ermöglicht auch das Einführen kühlender Hochdruckluftstrahlen in die bereits beschichteten Zylinder, wodurch die Hitze der Beschichtung sich rasch verstreuen kann und thermische Verformung der Bohrung vermieden wird. Diese zusätzliche Luft wirkt auch als zusätzlicher Träger der überschüssig gesprühten Pulvermenge zu dem Staubsammelsystem zur Wiederverwendung des gesammelten Pulvers. Ähnlich können auch die Ziehschleifahlen auf einer Montagevorrichtung befestigt werden, so daß eine Reihe abgestufter Honscheiben angewandt werden können, indem die tragende Montagevorrichtung weiterrückt und nacheinander jede Bohrung bearbeitet. Das Ziehschleifen ist der letzte Schritt des Verfahrens und schließt vorzugsweise Plateauziehschleifen mit ein, was bedeutet, daß die beschichtete Oberfläche erst durch eine 90er/100er Schleifscheibe bearbeitet wird, wobei ungefähr 0.05 mm (50 Mikrometer) der Beschichtung abgetragen werden; danach werden weitere 0.01/0.025 mm (10/25 Mikrometer) der Beschichtung durch eine 300er/400er Schleifscheibe abgetragen und endlich wird durch eine 600er Grießziehschleifahle eine glatte Oberfläche mit sehr geringem Abschliff der Beschichtung hergestellt. Jede dieser Schleifscheiben oder Ziehschleifahlen kann auf einem separaten, an einer gemeinsamen Montagevorrichtung angebrachten Schaft festgehalten werden, so daß sie koordiniert weitergerückt werden können und die oben beschriebene Sequenz des Plateauziehschleifens in jeder Bohrung durchführen können. Das Resultat ist eine extrem genau fertigbearbeitete Beschichtungsoberfläche, die wesentlich näher an dem in der Bohrung arbeitenden Kolben angelegt werden kann, wodurch eine stark verringerte Reibung geliefert und die thermische Leitfähigkeit erhöht wird, so daß das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsvorgangs im Motor auf einem höheren Wert aufrechterhalten werden kann. Besonders bemerkenswert ist, daß die Ziehschleifahle dem Verlauf der Oberfläche folgt.
Wenn die Bohrungen perfekt zentriert sind, die Beschichtung gleichmäßig auf die gesamte Bohrungsoberfläche aufgetragen wurde und die Hitze entsprechend gehandhabt wurde, um Verformung der Bohrung zu verhindern, dann ist die maximale Abweichung ±0.015 mm (±15 Mikrometer) und eine Vorbearbeitung der beschichteten Bohrungen nicht notwendig. Das Ziehschleifen wird direkt nach der Beschichtung durchgeführt, wodurch minimale Mengen von Material aufgetragen und zur Reinigung entfernt werden müssen. Daraus resultieren wesentliche Kostensenkungen. Falls die Bohrungen nicht oder ungenau zentriert sind, wird vor dem Ziehschleifen eine Feinstbearbeitung durchgeführt. Verschiedene Tests sind durchgeführt worden, um die Wirkung der entsprechend des Verfahrens dieser Erfindung angebrachten, reibungsmindernden Beschichtung zu ermitteln. Das Motordrehmoment eines Testmotors mit Zylinderbohrungen, die entsprechend dieser Erfindung beschichtet wurden, wurde zuerst bei 1500 U/min und dann bei 750 U/min gemessen. Der Wert des Antriebsdrehmoments eines unbeschichteten oder nach derzeitigen Fertigungsverfahren hergestellten Typs gußeiserner Zylinderbohrungswandoberflächen erweist sich als erheblich höher als das Drehmoment für unterschiedlich beschichtete Oberflächen, was jeweils die Unterschiede aufzeigt, die aus den verschiedenen chemischen Eigenschaften der jeweiligen Beschichtungen resultieren. Untersucht wurden weiterhin Eisen-Eisenoxid, ein Gemisch aus härtbarem Stahl und Festschmierstoffen, und drittens metallumhüllte Festschmierstoffpartikel.
Auf ähnliche Weise wurde der Kraftstoffverbrauch für unbeschichtete Zylinderbohrungen im Vergleich zu beschichteten untersucht. Dabei wurde es offensichtlich, daß die Verringerung der Reibung der beschichteten Bohrungen nach dieser Erfindung, zusammen mit deren Eigenschaft, eine angemessene Wärmeleitfähigkeit aufrechtzuerhalten, einen wesentlich ökonomischeren Kraftstoffverbrauch bewirkt.

Claims

1. Ein Verfahren zur Herstellung eines Motorblocks mit beschichteten Zylinderbohrungswänden, das folgende Schritte umfaßt:

(a) Das Gießen eines Motorblocks (10) aus einer Aluminiumlegierung;

(b) die Oberflächenbehandlung der gegossenen Zylinderwände (11), um Verunreinigungen zu entfernen und eine gereinigte Oberfläche bereitzustellen;

(c) das Bloßlegen frischen Metalls auf der gereinigten Oberfläche, um eine Oberfläche (13) zur Verbindung bereitzustellen; und

(d) das Abscheiden auf der bloßgelegten, frischen Metalloberfläche (13) einer plasmagespritzten Beschichtung (12) mit einem Pulvergemisch, das Festschmierstoffpartikel enthält;

dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Schritte des Verfahrens in einer Gießanlage durchgeführt werden, in der der Motorblock (10) gegossen wird, und daß das Verfahren die folgenden weiteren Schritte umfaßt:

(e) Das Zentrieren der freigelegten Oberfläche der Beschichtung um die exakte Achse (14) der Zylinderbohrungen, um weniger als 0,015 mm Abweichung der Oberfläche entlang der Gesamthöhe der Bohrung zu erreichen, indem entweder (i) die Beschichtung (12) in einer Stärke zwischen 0,175-0,300 mm abgeschieden wird, um einer zentrierten Oberfläche zu folgen, oder (ii) die Beschichtung (12) in einer Stärke zwischen 0,500-0,750 mm abgeschieden wird, um eine Spur für ein zentriertes formgebendes Werkzeug (16) zu legen; und

(f) das Ziehschleifen der zentrierten Beschichtung zur endgültigen Fertigbearbeitung in Plateauschritten.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, in dem Schritt (b) entweder (i) durch Sandstrahlen, gefolgt von ölfreiem Hochdruckluftstrahlen; oder (ii) durch Sandstrahlen in Verbindung mit Grobspanen vor der Plasmabeschichtung; und durch Plasmaätzen mit Freon oder anderen halogenhaltigen Kohlenwasserstoffen durchgeführt wird.

3. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, in dem Schritt (b) durch Waschen und Entfetten ausgeführt wird.

4. Ein Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 oder 3, in dem Schritt (c) durch Sandstrahlen, elektrische Entladungserosion oder mechanisches Herstellen von Auszackungen ausgeführt wird.

5. Ein Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem im Schritt des Plateauziehschleifens nicht mehr als 0025-0030 mm der Beschichtung abgetragen werden.

6. Ein Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem dieses Pulvergemisch Festschmierstoffe umfaßt, die aus der folgenden Reihe ausgewählt werden können: Eisenoxide; nickelumhülltes Bornitrid; Edelstahl gemischt mit metallumhülltem Bornitrid, Graphit oder Molybdändisulfid, Kalziumfluorid, Lithiumfluorid und/oder Calciumfluorid, einer eutektischen Zusammensetzung aus Lithiumfluorid.

7. Ein Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem bei den Schritten (c) und (d) ein einzelner, integrierter Werkzeugkopf benutzt wird.

8. Ein Verfahren nach Anspruch 7, in dem der integrierte Werkzeugkopf die gereinigte Oberfläche plasmaätzt, um das frische Metall bloßzulegen.

9. Ein Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem Plasmaspritzen durchgeführt wird, um das überschüssig gespritzte Pulvermaterial zurückzugewinnen und/oder in den Spritzvorgang zurückzuführen, und in der die nicht zur Besprühung vorgesehenen Oberflächen durch eine viskose Druckerschwärze oder ein Hochtemperaturelastomer (25) abgedeckt werden.

10. Ein Verfahren nach einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, in dem dieses Plasmaspritzen durchgeführt wird, um zwei Schichten abzulagern, wobei die erste eine Bindeschicht aus Nickelaluminid oder Edelstahl Typ 434 oder 420 oder 80/20 NiCr mit 4-10% Aluminiumkomposit besteht.