DE102021005106B4

DE102021005106B4 - Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders und derartig ausgebildete Beschichtung

Info

Publication number: DE102021005106B4
Application number: DE102021005106.8A
Authority: DE
Inventors: Gerd Paczkowski; Hendrik Liborius; Andreas Schubert; Thomas Lampke
Original assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Current assignee: Technische Univ Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts; Technische Universitaet Chemnitz Koerperschaft Des Oeffentlichen Rechts
Priority date: 2021-10-08
Filing date: 2021-10-08
Publication date: 2025-07-24
Anticipated expiration: 2041-10-09
Also published as: DE102021005106A1

Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und derartig ausgebildete Beschichtungen. Die Verfahren und die Beschichtungen zeichnen sich insbesondere durch die Realisierung einer hochdichten Schicht mit verbesserten Gleit- und Notlaufeigenschaften aus. Dazu werden in einem ersten Schritt Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder eingebracht. In einem zweiten Schritt werden die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders zur Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen in den Vertiefungen und einer Verbindungsschicht auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders mit den Verbindungen thermisch beschichtet. In einem dritten Schritt erfolgt ein Materialauftrag auf die Verbindungsschicht mittels Laserauftragschweißen. In einem vierten Schritt erfolgt eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung der laserauftraggeschweißten Schicht zur Ausbildung einer Innenlauffläche der Zylinderbuchse oder des Zylinders. Abschließend werden in einem fünften Schritt Vertiefungen in die laserauftraggeschweißte Schicht als Schmierstoffreservoire eingebracht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und eine derartig ausgebildete Beschichtung.
Die Druckschrift EP 1 645 652 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtsystems. Dazu werden auf ein Substrat mindestens eine Zwischenschicht und eine Deckschicht so aufgebracht, dass die äußere Schicht oder die Zwischenschicht aufgrund einer Vertiefung nur zumindest teilweise auf dem Substrat oder auf der Zwischenschicht vorhanden ist. In den Vertiefungen werden Verankerungsmittel erzeugt. Mittels eines Lasers oder eines Plasmabrenners werden die Vertiefungen eingebracht und die jeweilige Schicht aufgebracht. Die Verankerungsmittel werden als separat ausgeführte und durchgehende oder innere Verankerungsmittel ausgebildet.
Durch die Druckschrift WO 2013/083 672 A1 sind ein Plasmaspritzgerät sowie ein Beschichtungsverfahren bekannt. Dabei ist das Gerät vorzugsweise zur Beschichtung von konvexen Oberflächen ausgebildet, wie Innenflächen von Bohrungen oder Rohren, konzipiert. Charakteristisch dabei ist, dass die Vorrichtung sowohl einen Plasmabrenner zum thermischen Spritzen als auch eine sogenannte Behandlungseinrichtung aufweist. Die Behandlungseinrichtung kann ein weiterer Plasmabrenner aber auch ein Laser sein. Dem Behandlungsstrahl kann aber auch Beschichtungsmaterial zugeführt werden um eine weitere Schicht durch Laserauftragschweißen zu applizieren. Verankerungen sind nicht vorgesehen.
In der Druckschrift DE 10 2016 210 507 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung einer Gleitfläche an einem Maschinenelement sowie ein Maschinenelement beschrieben. Vor dem Aufbringen einer Beschichtung oder von Beschichtungen erfolgt eine Behandlung des Grundwerkstoffs mittels eines Lasers, wobei die Oberfläche strukturiert wird. Danach erfolgt ein Schichtaufbau mittels PVD und/oder PACDV und/oder CVD. Nach der Beschichtung liegt eine profilierte Gleitschicht vor.
Durch die Druckschrift DE 10 2018 202 540 A1 ist ein Motorblock eines Verbrennungsmotors mit optimierten Wärmeleiteigenschaften bekannt, welcher eine vom Motorblock umgebene, zylindrische Kolbenbahn mit einer Längsachse aufweist. Dazu werden eine erste und eine zweite innenseitige, umfängliche Beschichtung auf einer Roh-Kolbenbahn jeweils mittels eines thermischen Verfahrens erzeugt. Nachfolgend werden diese Beschichtungen maßlich fertiggestellt. Die Schichten überlappen sich dabei teilweise in der Richtung der Längsachse. Dabei kann die zweite Beschichtung mittels eines thermischen Spritzverfahrens und dann die erste Beschichtung mittels Laserauftragschweißen hergestellt werden. Dabei können diese Beschichtungen sich in Längsachse teilweise überlappen. Die Überlappung weist somit die zwei Beschichtungen auf. Die maßliche Fertigstellung kann mittels Honen erfolgen, wobei die dadurch erzeugte Oberfläche günstige schmiermittelführende und schmiermittelhaltende Eigenschaften aufweist.
Die Druckschrift US 2010/0 326 270 A1 beinhaltet ein Verfahren zum Aufrauen von Metalloberflächen zur Haftverbesserung von hierauf thermisch gespritzten Schichten. Dazu werden gleichförmige Nuten, insbesondere Rechtecknuten und/oder Trapeznuten, in die Metalloberfläche eingebracht. Diese werden dann durch Drehen, Bohren, Fräsen oder Walzen verformt, um Hinterschnitte auszubilden. Damit wird die Oberfläche eines Zylinderblocks aufgeraut.
Die Druckschrift US 8 286 468 B2 umfasst unter anderem Zylinderlaufbuchsen mit einer thermisch gespritzten Beschichtung auf den Innenflächen der Zylinderbohrungen. Zum Aufrauen der Grundmaterialoberfläche wird unter anderem eine Bohrvorrichtung verwendet. Die Bohrstange dieser Bohrvorrichtung wird gleichzeitig gedreht und nach unten bewegt, um ein Schraubengewinde entlang der zylindrischen Innenfläche auszubilden. Die Oberfläche des Rippenabschnitts ist fein gezackt. Auf die so ausgebildete Oberfläche wird eine Schicht thermisch aufgespritzt.
Die Druckschrift EP 3 314 033 B1 beinhaltet eine eisenbasierte Legierung zur Herstellung thermisch aufgebrachter Verschleissschutzschichten, welche thermisch aufgespritzt oder im Laserpulverauftragschweißen hergestellt werden. Die jeweilige Schicht ist als solche als Verschleissschutzschicht aufgebracht.
Durch die Druckschrift DE 102 57 213 B4 ist ein Verfahren zur Aufbereitung einer Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses bekannt. Dazu werden Grundwerkstoff abgetragen, mittels eines Auftragschweißverfahrens eine Beschichtung aufgebracht und diese Beschichtung abgetragen, bis der ursprüngliche Durchmesser einer neuen Zylinderlauffläche wieder erreicht ist. Das Verfahren beinhaltet eine Reparatur einer Zylinderlauffläche.
Der in den Patentansprüchen 1 und 5 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochdichte Schicht mit verbesserten Gleit- und Notlaufeigenschaften als Innenlauffläche einer Zylinderlaufbuchse oder einem Zylinder aus einem Leichtmetall zu realisieren.
Diese Aufgabe wird mit den in den Patentansprüchen 1 und 5 aufgeführten Merkmalen gelöst.
Das Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und die derartig ausgebildete Beschichtung zeichnet sich insbesondere durch die Realisierung einer hochdichten Schicht mit verbesserten Gleit- und Notlaufeigenschaften von Zylinderlaufbuchsen oder Zylindern aus einem Leichtmetall aus.
Dazu werden in einem ersten Schritt trapezförmige Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder eingebracht, wobei die trapezförmigen Vertiefungen so eingebracht werden, dass die Zylinderlaufbuchse oder der Zylinder bereichsweise radial und/oder radial wendelförmig verlaufende und beabstandet zueinander angeordnete trapezförmige Vertiefungen aufweist. In einem zweiten Schritt werden die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders zur Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und einer Verbindungsschicht auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse oder des Zylinders mit den Verbindungen aus einem Eisenbasiswerkstoff thermisch beschichtet, so dass die Verbindungen in den Vertiefungen und die Verbindungsschicht einstückig formschlüssig ausgebildet sind. In einem dritten Schritt erfolgt ein Materialauftrag einer Eisenbasisschicht auf die Verbindungsschicht mittels Laserauftragschweißen. In einem vierten Schritt erfolgt eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung der laserauftraggeschweißten Schicht zur Ausbildung einer Innenlauffläche der Zylinderbuchse oder des Zylinders. Abschließend werden in einem fünften Schritt Vertiefungen in die laserauftraggeschweißte Schicht zur Verwendung als Schmierstoffreservoir eingebracht, so dass Geometrie, Anzahl und Verteilung dieser in die laserauftraggeschweißte Schicht eingebrachten Vertiefungen angepasst an ein Eigenschaftsprofil des Verbrennungsmotors sind.
Auf der Innenfläche der aus einem Leichtmetall insbesondere aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinderlaufbuchse oder des aus einem Leichtmetall insbesondere aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Zylinders ist zur Ausbildung der Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors dazu eine thermisch beschichtete Verbindungsschicht angeordnet. Diese ist weiterhin in eingebrachten Vertiefungen mit Hinterschnitten verankert. Auf der Verbindungsschicht befindet sich die laserauftraggeschweißte Schicht, deren Oberfläche durch eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung die Innenlauffläche der Zylinderbuchse oder des Zylinders ausbildet. Weiterhin weist die laserauftraggeschweißte Schicht eingebrachte Vertiefungen als Reservoir für einen Schmierstoff auf.
Das Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders stellt vorteilhafterweise eine Kombination der Verfahren thermisches Beschichten und Laserauftragschweißen dar. Mit dem Laserauftragschweißen wird vorteilhafterweise eine hochdichte und die Innenlauffläche darstellende Schicht aufgetragen. Damit kann eine Zylinderlaufbuchse oder ein Zylinder aus einem Leichtmetall in einem Verbrennungsmotor verwendet werden, welche verschleißfest ausgebildet ist und sich durch verbesserte Gleit- und Notlaufeigenschaften auszeichnet. Mit der Kombination der beiden Beschichtungsverfahren wird eine Möglichkeit geschaffen, indirekt auf Leichtmetallen mittels Laserauftragschweißen eine Schicht zu applizieren. Zur Erzeugung tribologisch günstiger Eigenschaften dieser Schicht erfolgt die Nachbearbeitung mittels Verfahren mit geometrisch bestimmten Schneiden und/oder der randschichtumformenden Bearbeitung. Die Schicht lässt sich aufgrund seiner Materialeigenschaften schnell, reproduzierbar, verschleißarm und durch Verfahren mit geometrisch bestimmter Schneide ohne Kühlschmiermittel nachbearbeiten. Damit ist eine tribologisch beständige Schicht realisiert. Aufgrund der geringen schichteigenen Porosität wird zur Erzeugung eines notwendigen Rückhaltevolumens für einen Schmierstoff die Schicht mit Vertiefungen versehen, so dass eine Optimierung der hydrodynamischen Schmierung gegeben ist. Die Vertiefungen können dazu entsprechend der auf den Kolben wirkenden Kräfte eingebracht werden. So kann die Anzahldichte in den oberen und unteren Wendepunkten variiert werden. Damit ist ein neues Schmierkonzept möglich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den folgenden Weiterbildungen angegeben, welche das Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und die Zylinderlaufbuchse oder den Zylinder aus einem Leichtmetall mit einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors jeweils einzeln oder in einer Kombination weiterbilden.
Die trapezförmigen Vertiefungen können mittels eines spanabhebenden Verfahrens, elektromagnetischer Wellen oder Elektronenstrahlen eingebracht werden. Spanabhebende Verfahren können dazu Drehen, Fräsen oder Ausspindeln sein. Dazu können Sonderwerkzeuge beispielsweise mit diamantbestückten Schneideinsätzen verwendet werden. Elektromagnetische Wellen sind insbesondere die elektromagnetischen Wellen eines Lasers.
Die formschlüssigen Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und die Verbindungsschicht können vorteilhafterweise mittels Plasmaspritzen oder Drahtlichtbogenspritzen ausgebildet werden. Dazu kann insbesondere das atmosphärische Plasmaspritzen verwendet werden.
Die formschlüssigen Verbindungen, die Verbindungsschicht und die laserauftraggeschweißte Schicht können aus demselben Material bestehen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung prinzipiell dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.
Es zeigt:

1 ein Ausschnitt einer Beschichtung mit einer Verbindungsschicht und einer laserauftraggeschweißten Schicht auf einer Zylinderlaufbuchse oder einem Zylinder zur Ausbildung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors.

Im folgenden Ausführungsbeispiel werden ein Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse 1 oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors und eine derartige Beschichtung zusammen näher erläutert.
Eine Schichtanordnung für eine Zylinderlaufbuchse 1 oder einen Zylinder zur Ausbildung der Innenlauffläche für einen Kolben eines Motors besteht im Wesentlichen aus einer Verbindungsschicht 2 mit Vertiefungen und einer laserauftraggeschweißten Schicht 3.
Die 1 zeigt einen Ausschnitt einer Beschichtung mit einer Verbindungsschicht 2 und einer laserauftraggeschweißten Schicht 3 auf einer Zylinderlaufbuchse 1 oder einem Zylinder zur Ausbildung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors in einer prinzipiellen Darstellung.
In einem ersten Schritt werden Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse 1 oder den Zylinder aus einem Leichtmetall eingebracht. Das Leichtmetall ist dazu beispielsweise ein Aluminiumwerkstoff oder besteht aus einer Aluminiumlegierung. Die Vertiefungen sind im Querschnitt trapezförmig für eine Schwalbenschwanzverbindung ausgebildet. Die trapezförmigen Vertiefungen werden dazu so eingebracht, dass wenigstens die Zylinderlaufbuchse 1 oder den Zylinder bereichsweise umlaufende und beabstandet zueinander angeordnete trapezförmige Vertiefungen entstehen und so vorhanden sind. Die trapezförmigen Vertiefungen sind so grabenförmig ausgebildet.
In einem zweiten Schritt werden die Innenfläche der Zylinderlaufbuchse 1 oder des Zylinders zur Ausbildung von Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und einer damit verbundenen Verbindungsschicht 2 thermisch beschichtet. Die Verbindungen der trapezförmigen Vertiefungen und die Verbindungsschicht 2 bestehen dazu insbesondere aus einem Eisenbasiswerkstoff, welcher durch Plasmaspritzen partikelweise aufgebracht wird.
In einem dritten Schritt erfolgt ein Materialauftrag auf die Verbindungsschicht 2 mittels Laserauftragschweißen. Dazu wird ein Eisenbasiswerkstoff aufgetragen. Die so vorhandene laserauftraggeschweißte Schicht 3 wird in einem vierten Schritt nachfolgend spanend und/oder randschichtumformend nachbearbeitet.
Abschließend wird diese laserauftraggeschweißte Schicht 3 in einem fünften Schritt mit Vertiefungen 4 versehen. Dazu wird insbesondere ein Verfahren des Laserbohrens verwendet, so dass die laserauftraggeschweißte Schicht 3 Sacklöcher zur Aufnahme eines Schmiermittels als Schmierstoffreservoir aufweist.
Damit ist auf der Innenfläche der aus einem Leichtmetall bestehenden Zylinderlaufbuchse 1 oder des aus einem Leichtmetall bestehenden Zylinders die thermisch beschichtete Verbindungsschicht 2 angeordnet. Diese ist mit Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen mit Hinterschnitten in der Zylinderlaufbuchse 1 oder dem Zylinder verankert. Die Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und die Verbindungsschicht 2 sind so einstückig ausgebildet. Auf der Verbindungsschicht 2 befindet sich die laserauftraggeschweißte Schicht 3, deren Oberfläche durch eine spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung die Innenlauffläche der Zylinderbuchse 1 oder des Zylinders ausbildet. Weiterhin weist die laserauftraggeschweißtete Schicht 3 Vertiefungen 4 auf, die durch Laserbohren eingebrachte Sacklöcher sein können. Diese sind gezielt und musterförmig strukturiert eingebracht. Diese Strukturierung erfolgt in erster Linie zur Erhöhung eines Rückhaltevolumens für den Schmierstoff. Geometrie, Anzahl und Verteilung dieser Vertiefungen 4 der laserauftraggeschweißten Schicht 3 können individuell an ein Eigenschaftsprofil des Verbrennungsmotors angepasst werden und so sein. Dadurch kann insbesondere in den Wendepunkten der Bewegung des Kolbens an unterschiedlichen Positionen des Kolbens das Rückhaltevolumen variiert werden.

Claims

Verfahren zum Beschichten einer Innenfläche einer Zylinderlaufbuchse (1) oder eines Zylinders aus einem Leichtmetall zur Realisierung einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors mit den folgenden Schritten: - Einbringen von trapezförmigen Vertiefungen mit Hinterschnitten in die Zylinderlaufbuchse (1) oder den Zylinder, wobei die trapezförmigen Vertiefungen so eingebracht werden, dass die Zylinderlaufbuchse (1) oder der Zylinder bereichsweise radial und/oder radial wendelförmig verlaufende und beabstandet zueinander angeordnete trapezförmige Vertiefungen aufweist, - thermisches Beschichten der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse (1) oder des Zylinders zur Ausbildung von formschlüssigen Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und einer Verbindungsschicht (2) auf der Innenfläche der Zylinderlaufbuchse (1) oder des Zylinders mit den Verbindungen aus einem Eisenbasiswerkstoff, so dass die Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und die Verbindungsschicht (2) einstückig formschlüssig ausgebildet sind, - Materialauftrag einer Eisenbasisschicht auf die Verbindungsschicht (2) mittels Laserauftragschweißen, - spanende und/oder randschichtumformende Nachbearbeitung der laserauftraggeschweißten Schicht (3) zur Ausbildung der Innenlauffläche der Zylinderlaufbuchse (1) oder des Zylinders und - Einbringen von Vertiefungen (4) in die laserauftraggeschweißte Schicht (3) zur Verwendung als Schmierstoffreservoir, so dass Geometrie, Anzahl und Verteilung dieser in die laserauftraggeschweißte Schicht (3) eingebrachten Vertiefungen (4) angepasst an ein Eigenschaftsprofil des Verbrennungsmotors sind.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die trapezförmigen Vertiefungen mittels eines spanabhebenden Verfahrens, elektromagnetischer Wellen oder Elektronenstrahlen eingebracht werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen und die Verbindungsschicht (2) mittels Plasmaspritzen oder Drahtlichtbogenspritzen ausgebildet werden.
Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssigen Verbindungen in den trapezförmigen Vertiefungen, die Verbindungsschicht (2) und die laserauftraggeschweißte Schicht (3) aus demselben Material bestehen.
Zylinderlaufbuchse (1) oder Zylinder aus einem Leichtmetall mit einer Innenlauffläche für einen Kolben eines Verbrennungsmotors mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 hergestellt.