EP1559807A1 - Verfahren zur Reparatur verschlissener Gleitflächen, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken - Google Patents

Verfahren zur Reparatur verschlissener Gleitflächen, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken Download PDF

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EP1559807A1
EP1559807A1 EP05100597A EP05100597A EP1559807A1 EP 1559807 A1 EP1559807 A1 EP 1559807A1 EP 05100597 A EP05100597 A EP 05100597A EP 05100597 A EP05100597 A EP 05100597A EP 1559807 A1 EP1559807 A1 EP 1559807A1
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sliding surface
layer
sliding
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Keith A. Kowalsky
David Cook
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    • C23C4/18—After-treatment
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    • C23C4/06—Metallic material

Definitions

  • the invention relates to a method for repairing worn sliding surfaces, in particular for cylinder surfaces of engine blocks, according to the preamble of Claim 1.
  • an iron-containing layer on the sliding surface is, wherein the iron-containing layer has an amorphous structure with finely divided, nano-crystalline Metal borides and / or metal carbides may have a sliding surface be produced with high strength.
  • spraying remain the obtained original dimensions of the sliding layer, there are z. B. in the overhaul of Internal combustion engines no pistons with oversize necessary. Furthermore, the iron-containing layer used by their amorphous structure very cheap Sliding friction properties on.
  • the iron-containing layer has an excellent mechanical connection or Clamming to the base material due to the amorphous solidification and is thus being able to be applied to the sliding surface machined by ablation become.
  • the removal of the Sliding surface before the application of the layer may be by any suitable Surface treatment methods take place, for. B. drilling, turning, milling, Grinding or sanding, sandblasting, lasers. This allows flexible use the layer in any repair work on sliding surfaces. Because of the high Hardness and firmness of the layer will also be a possible weakening of the Base material compensated by wear or subsequent removal, so that the original strength of the base material can be almost achieved again can.
  • Application example is the critical web area between cylinder bores an engine block.
  • the coating is particularly suitable for thermal shock stressed engines. Thermal shock occurs when at cold start at low Ambient temperatures Engines quickly under load to maximum speed to turn up.
  • the iron-containing layer having an amorphous structure with has finely divided, nano-crystalline metal borides and / or metal carbides is the sliding surface highly resilient, because of the nano-crystalline precipitates the metal boride and metal carbides create a layer of extremely high hardness.
  • iron-containing layer is repair highly loaded cylinder surfaces of supercharged diesel and gasoline engines.
  • inventive layer in the drilled cylinder bore the cylinder bore is brought back to the original nominal size, so that the original piston can be used.
  • the layer is a very high strength, including the original strength of the engine block even restored, since the engine block is now the original Has wall thicknesses.
  • the coated iron-containing layer is subsequently with points with Heat applied, z. B. by laser light and / or electron beams. Then In the area of the heat input, finely divided nanocrystalline metal borides are formed and / or metal carbides from the amorphous structure of the iron-containing layer excreted.
  • the iron-containing layer when applying a relative have high content of crystalline and / or partially crystalline structure. This allows the favorable mechanical processing.
  • the iron-containing layer preferably has a hardness in the region of the heat input from 1000 to 1250 HV 0.05 on, however, the hardness can be adjusted by appropriate Process parameters and material composition readily in the range be set between 800 HV 0.05 and 1500 HV 0.05. Such hardness is previously z.
  • tungsten carbide / cobalt based tungsten carbide tools known, and can now be applied over a large area for sliding surfaces. Due to the high hardness, the iron-containing layer is extremely wear-resistant.
  • the Metallboride or metal carbides preferably have a size of 60 to 130 nm on. Due to the small size, the friction is reduced and the hardness increased.
  • the thermal spraying method is for application the iron-containing layer a plasma wire spraying (PTWA) or a Arc wire spraying (LDS). Both methods allow for more correct Setting the process parameters a cost-effective application of ferrous Layer.
  • PTWA plasma wire spraying
  • LDS Arc wire spraying

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur verschlissener Gleitflächen, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei die verschlissene Gleitfläche zumindest in einem vorbereitenden Arbeitsschritt durch Materialabtragung bearbeitet wird. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß nach der Materialabtragung durch thermisches Spritzen eine eisenhaltige Schicht auf die Gleitfläche aufgetragen wird, wobei die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist. Durch das Aufspritzen bleiben die ursprünglichen Maße der Gleitschicht erhalten, es sind z. B. bei der Überholung von Verbrennungsmotoren keine Kolben mit Übermaß notwendig. Weiterhin weist die verwendete eisenhaltige Schicht durch ihre amorphe Struktur sehr günstige Gleitreibungseigenschaften auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Reparatur verschlissener Gleitflächen, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Üblicherweise werden die Zylinderlaufflächen von Motorblöcken durch Aufbohren der Zylinderbohrungen repariert, indem die verschlissene Oberfläche abgetragen wird und die neu entstehende Gleitfläche einer geeigneten Oberflächenbearbeitung unterzogen wird. Dies erfordert jedoch einen neuen Kolben mit Übermaß. Weiterhin wird der Zylinderblock selbst an hochbelasteten Stellen, wie z. B. dem kritischen Stegbereich zwischen den Zylinderbohrungen, durch den Materialabtrag beim Aufbohren geschwächt, so daß es in diesem Bereich zu Rissen kommen kann.
Aus der WO 03/106718 ist eine eisenhaltige Schicht bekannt, die durch thermisches Spritzen aufgetragen wird. Eine derartige Schicht ist aufgrund der hohen Härte gut als Gleitfläche geeignet. Dazu wird die Schicht im Bereich der Gleitflächen auf ein Grundmaterial der zu beschichtenden Maschinenteile durch thermisches Spritzen aufgetragen.
Demgemäß ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Gleitfläche so zu reparieren, daß durch die Reparatur die Festigkeit des Grundkörpers, z. B. eines Motorblockes, nicht reduziert ist. Auch sollte vorteilhafterweise die Maßhaltigkeit der Gleitfläche gewährt sein. Vorteilhaft wäre es auch, wenn dabei die reparierte Gleitfläche gute Gleiteigenschaften aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruches 1.
Indem nach der Materialabtragung der verschlissenen Gleitfläche anschließend durch thermisches Spritzen eine eisenhaltige Schicht auf die Gleitfläche aufgetragen wird, wobei die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist, kann eine Gleitfläche mit hoher Festigkeit erzeugt werden. Durch das Aufspritzen bleiben die ursprünglichen Maße der Gleitschicht erhalten, es sind z. B. bei der Überholung von Verbrennungsmotoren keine Kolben mit Übermaß notwendig. Weiterhin weist die verwendete eisenhaltige Schicht durch ihre amorphe Struktur sehr günstige Gleitreibungseigenschaften auf.
Die eisenhaltige Schicht besitzt eine ausgezeichnete mechanische Verbindung bzw. Verklammerung zum Grundmaterial aufgrund der amorphen Erstarrung und ist damit in der Lage, auf die durch Abtragung bearbeitete Gleitfläche aufgetragen zu werden. Dabei kann der Auftrag der Schicht auf eine nachbearbeitete, gesäuberte und / oder gestrahlte Oberfläche der Gleitfläche erfolgen. Die Abtragung der Gleitfläche vor der Aufbringung der Schicht kann durch jedes geeignete Oberflächenbearbeitungsverfahren erfolgen, z. B. Bohren, Drehen, Fräsen, Schleifen oder Anschleifen, Sandstrahlen, Lasern. Dies erlaubt den flexiblen Einsatz der Schicht bei jedweden Reparaturarbeiten an Gleitflächen. Aufgrund der hohen Härte und Festigkeit der Schicht wird auch eine evt. Schwächung des Grundmaterials durch Verschleiß oder nachträglichen Abtrag ausgeglichen, so daß die ursprüngliche Festigkeit des Grundmaterials nahezu wieder erreicht werden kann. Anwendungsbeispiel ist der kritische Stegbereich zwischen Zylinderbohrungen eines Motorblocks.
Aufgrund der hohen mechanischen Umklammerung der Schicht mit dem Grundmaterial eignet sich die Beschichtung insbesondere auch für Thermoschock beanspruchte Motoren. Thermoschock tritt auf, wenn beim Kaltstart bei niedrigen Umgebungstemperaturen Motoren schnell unter Last auf Höchstdrehzahl hochdrehen. Indem die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und / oder Metallkarbiden aufweist, ist die Gleitfläche hochbelastbar, da aufgrund der nano-kristallinen Ausscheidungen der Metallboride und Metallkarbide eine Schicht mit extrem hoher Härte entsteht.
Eine weitere bevorzugte Anwendung der eisenhaltigen Schicht ist die Reparatur hochbelasteter Zylinderlaufflächen von aufgeladenen Diesel- und Benzinmotoren. Durch Aufbringen der erfinderischen Schicht in der aufgebohrten Zylinderbohrung wird die Zylinderbohrung wieder auf das ursprüngliche Nennmaß gebracht, so daß der ursprüngliche Kolben verwendet werden kann. Weiterhin ist, da die Schicht eine sehr hohe Festigkeit aufweist, auch die ursprüngliche Festigkeit des Motorblocks selbst wieder hergestellt, da der Motorblock nun wieder die ursprünglichen Wandstärken aufweist.
Verwendung findet die erfinderische eisenhaltige Schicht bei der Reparatur von Gleitflächen an Maschinenteilen, insbesondere von Pleuellagern, Kurbelwellenlagern, Kolbenringen, Zylinderlaufflächen und Kolben. Dies schließt neben Verbrennungsmotoren alle Maschinen ein, wo sich derartige Maschinenbauteile befinden, z. B. Hydraulikzylinder, Getriebe, Wellenlagerungen.
Bei der Verwendung der eisenhaltigen Schicht zur Reparatur von Gleitflächen spielt es keine Rolle, ob die Gleitfläche vor der Reparatur bereits die gleiche oder eine ähnliche Beschichtung aufwies, oder ob die Gleitfläche direkt aus dem Grundmaterial, auf das die eisenhaltige Schicht aufgetragen wird, gebildet war. Insbesondere im letzteren Fall eignet sich die Schicht sehr gut, um alte, verschlissene Zylinderblöcke aufzuarbeiten, die jedoch noch nicht beschichtet waren.
Vorteilhaft wird die aufgetragene eisenhaltige Schicht nachträglich mit punktuell mit Wärme beaufschlagt, z. B. durch Laserlicht und/oder Elektronenstrahlen. Dann werden im Bereich des Wärmeeintrags feinverteilte nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide aus der amorphen Struktur der eisenhaltigen Schicht ausgeschieden. Damit kann die eisenhaltige Schicht beim Auftragen einen relativ hohen Anteil an kristalliner und/oder teilkristalliner Struktur aufweisen. Dies erlaubt die günstige mechanische Bearbeitung. Durch den Wärmeeintrag entstehen zusätzliche nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide, die die Festigkeit der eisenhaltigen Schicht im Bereich des Wärmeeintrags wesentlich erhöhen.
Bevorzugt weist die eisenhaltige Schicht im Bereich des Wärmeeintrags eine Härte von 1000 bis 1250 HV 0,05 auf, jedoch kann die Härte durch entsprechende Prozeßparameter und Materialzusammensetzung ohne weiteres im Bereich zwischen 800 HV 0,05 und 1500 HV 0,05 eingestellt werden. Eine solche Härte ist bisher z. B. bei Hartmetallwerkzeugen auf Basis von Wolfram-Karbid / Kobalt bekannt, und kann jetzt auch für Gleitflächen großflächig angewendet werden. Aufgrund der hohen Härte ist die eisenhaltige Schicht extrem verschleißfest. Die Metallboride bzw. Metallkarbide weisen bevorzugt eine Größe von 60 bis 130 nm auf. Aufgrund der geringen Größe wird die Reibung reduziert und die Härte gesteigert.
Bei einem vorteilhaften Verfahren ist das thermische Spritzverfahren zum Auftragen der eisenhaltigen Schicht ein Plasmadrahtspritzen (PTWA) oder ein Lichtbogendrahtspritzen (LDS). Beide Verfahren ermöglichen bei richtiger Einstellung der Prozeßparameter eine kostengünstige Auftragung der eisenhaltigen Schicht.
Ein weiteres vorteilhaftes Verfahren ergibt sich, wenn Gleitflächen nur abschnittsweise repariert werden müssen. Dann kann der zu reparierende Bereich der Gleitfläche durch Materialabtragung vorbereitet werden. Nur in diesem Bereich wird die eisenhaltige Schicht aufgetragen. Dadurch ist eine kostengünstige Reparatur größerer Gleitflächen, die nur bereichsweise verschlissen sind, möglich.
Die Ausführung und die Verwendung der Erfindung ist nicht auf die vorliegenden Bespiele beschränkt. Es versteht sich von selbst, daß das erfinderische Verfahren zur Reparatur jeder verschlissenen Gleitfläche benutzt werden kann.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Reparatur verschlissener Gleitflächen, insbesondere für Zylinderlaufflächen von Motorblöcken, wobei die verschlissene Gleitfläche zumindest teilweise in einem vorbereitenden Arbeitsschritt durch Materialabtragung bearbeitet wird,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    nach der Materialabtragung durch thermisches Spritzen eine eisenhaltige Schicht auf die Gleitfläche aufgetragen wird, wobei die eisenhaltige Schicht eine amorphe Struktur mit feinverteilten, nano-kristallinen Metallboriden und/oder Metallkarbiden aufweist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    die eisenhaltige Schicht weitere nano-kristalline Metallboride und/oder Metallkarbide aufweist, die nach dem Auftrag der eisenhaltigen Schicht durch einen nachträglichen Wärmeeintrag in die eisenhaltige Schicht entstanden sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Bereich des Wärmeeintrags feinverteilte nanokristalline Metallboride und/oder Metallkarbide aus der amorphen Struktur der eisenhaltigen Schicht ausgeschieden sind.
  4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der nachträgliche Wärmeeintrag mittels Laserstrahlen und/oder Elektronenstrahlen erfolgt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche vorherigen,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das thermische Spritzverfahren zum Auftragen der eisenhaltigen Schicht ein Plasmadrahtspritzen (PTWA) oder ein Lichtbogenspritzen (LDS) ist.
  6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Reparatur von Gleitflächen an Maschinenteilen, insbesondere von Pleuellagern, Kurbelwellenlagern, Kolbenringen, Zylinderlaufflächen und Kolben.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Gleitfläche nur in Teilbereichen mittels der eisenhaltigen Schicht repariert wird.
  8. Gleitfläche, repariert nach einem der vorherigen Verfahren.
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