DE10002440A1

DE10002440A1 - Zylinderlaufbuchse zum Eingießen in einen als Leichtmetall-Gußteil ausgebildeten Motorblock, Verbundgußteil daraus und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10002440A1
Application number: DE2000102440
Authority: DE
Inventors: Karl Harsch; Markus Herget; Thomas Hoffmann; Helmut Proefrock
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-01-21
Publication date: 2001-08-02

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguß, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material zum Eingießen in einen als Leichtmetall-Gußteil ausgebildeten Motorblock für einen Verbrennungsmotor, ein daraus herstellbares Verbundgußteil sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Zylinderlaufbuchse auf ihrer dem Motorblock zugewandten Außenfläche eine Haftvermittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan besteht. Das resultierende Verbundgußteil ist im Bereich der Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock frei von Trennungen oder Spalten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus Grauguß, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material zum Eingießen in einen als Leichtmetall-Gußteil ausgebildeten Mo torblock und ein Verbundgußteil daraus, wobei die Zylinderlauf buchse in dem Verbundgußteil von dem Leichtmetall umgossen ist, derart, daß eine Anbindung zwischen der Außenfläche der Zylinder laufbuchse und dem Motorblock gegeben ist. Die vorliegende Erfin dung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derarti gen Verbundgußteils.

Aus der DE 28 41 446 C2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers aus einem Metallteil und einer Leichtmetallguß schicht bekannt, bei welchem auf das Metallteil eine Zwischen schicht aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung durch Hochtemperaturspritzen aufgebracht wird und anschließend die Guß schicht aus einer Aluminiumlegierung gegossen wird.

Die DE 38 16 348 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Metall-Verbundgußwerkstücken, bei dem die zu beschichtende Ober fläche eines Werkstückes aufgerauht und mit einer Koppelschicht bspw. in Form einer niedrigschmelzenden Metallegierung wie einer Nickelbasislegierung versieht. Anschließend wird das Werkstück auf Fließtemperatur der Koppelschicht erwärmt und umgossen.

Die EP 0 807 479 A1 schließlich offenbart ein Verfahren zur Her stellung eines Zylinderblocks, bei welchem die Zylinderlaufbuch sen auf einen lost foam Kern aufgespritzt und mit einer Zwischen schicht versehen werden, welche beim Gießen des Zylinderblocks durch Ausgasen entfernt wird.

Diese Verfahren eignen sich zwar zur Herstellung verschiedener Halb- oder Fertigfabrikate. Jedoch stellt sich im Automobilbau bei der Herstellung von gegossenen Motorblöcken aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegierung mit eingegossenen Zylinderlauf buchsen aus einem anderen Material das Problem, daß Trennungen oder Spalten zwischen der Außenwand der Zylinderlaufbuchse und dem umgossenen Material oder Umguß auftreten, die sich auch bei Anwendung dieser bekannten Verfahren nicht vermeiden lassen, de ren Bildung vielmehr beim Ausgasen einer Zwischenschicht sogar noch gefördert wird. Diese Trennungen oder Spalten können sehr großflächig sein und bis zu 85% der Gesamtfläche einnehmen. Au ßerdem können die Zylinderlaufbuchsen vor dem Einbringen in die Gußform für den Motorblock nicht erwärmt werden, um die Kopp lungsschicht auf Fließtemperatur zu bringen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Zylinder laufbuchse und ein Verbundgußteil der o. g. Art sowie ein Verfah ren zur Herstellung eines derartigen Verbundgußteils zur Verfü gung zu stellen, bei welchem eine von Trennungen oder Spalten freie Anbindung der Zylinderlaufbuchse an den Motorblock möglich ist.

Die Lösung besteht in einer Zylinderlaufbuchse mit den Merkmalen des Anspruchs 1, einem Verbundgußteil mit den Merkmalen des An spruchs 5 sowie einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Erfindungsgemäß ist also vorgesehen, daß die Zylinderlaufbuch se auf ihrer dem Motorblock zugewandten Außenfläche eine Haftver mittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium- Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Alumi nium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan besteht. Das erfindungsgemäße Verbundgußteil zeichnet sich dadurch aus, daß im Bereich der An bindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Leichtmetall- Gußteil eine Haftvermittlerschicht aus einer Nickel-Aluminium- Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Alumi nium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan vorgesehen ist, wobei der Bereich der Anbindung frei von Trennungen oder Spalten ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß

- zunächst eine oder mehrere Zylinderlaufbuchsen hergestellt wer den,
- eine Haftvermittlerschicht aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Flammdrahtspritzen auf die dem Motorblock zugewandte Außenflä che der Zylinderlaufbuchse aufgespritzt wird,
- eine oder mehrere so beschichtete Zylinderlaufbuchsen in eine Gießform für den Motorblock eingebracht werden und
- zur Herstellung des Verbundgußteils umgossen werden.

Der überraschende Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht dar in, daß Zylinderlaufbuchsen aus verschiedenen Materialien, nämlich aus Grauguß, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Werkstoff verarbeitet werden können und daß die Zusammensetzung der Nickel-Aluminiumlegierung oder der Nickel-Titan-Legierung ei ne feste und gleichmäßig gute Anbindung zwischen diesen Materia lien und dem umgossenen Material des Motorblocks gewährleistet. Darüber hinaus treten im Bereich der Anbindung keine Spalten oder Trennungen auf. Die Haftvermittlerschicht weist somit immer höhe re Bindungskräfte zwischen dem Material der Zylinderlaufbuchse und dem umgossenen Material auf als diejenigen Bindungskräfte, die unmittelbar zwischen dem Material der Zylinderlaufbuchse und dem umgossenen Material vorliegen.

Durch den besseren Verbund zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem umgossenen Material (Umguß) entsteht ein starres, mechanisch stabiles System, welches insbesondere die folgenden Vorteile auf weist:

- Die thermische Kopplung zwischen Zylinderlaufbuchse und Umguß ist verbessert. Dadurch wird eine Überhitzung vermieden, welche die Festigkeit der Zylinderlaufbuchse herabsetzen würde.
- Aufgrund des festen Verbundes haben Wachstumserscheinungen des Umgusses gegenüber der Zylinderlaufbuchse keine negativen Aus wirkungen.
- Es werden keine Setzerscheinungen als Folge der beim Anziehen der Zylinderkopfschrauben auftretenden mechanischen Belastung beobachtet.
- Es wird kein Verzug beobachtet, das heißt, die Form der Zylin der bleibt auch unter Einwirkung der statischen und dynamischen Kräfte auf die Zylinder während des Motorlaufs stabil. Dadurch wird der Blowby verringert und der Ölverbrauch des Verbren nungsmotors verringert.

Diese Vorteile begünstigen die Einhaltung der strengeren Abgas vorschriften nach der "Euronorm 2003".

Ein Vorwärmen der Zylinderlaufbuchsen vor dem Umgießen ist nicht notwendig. Die Haftvermittlerschicht kann in festem Zustand um gossen werden.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü chen. Die Haftvermittlerschicht weist, insbesondere eine Dicke von 50 bis 200 µm, vorzugsweise von 100 µm auf und wird bevorzugt mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Flammdrahtspritzen auf die Außenfläche der Zylinderlaufbuchse aufgebracht.

Die Zylinderlaufbuchse kann in an sich bekannter Weise aus Grau guß oder einem Aluminiumwerkstoff, vorzugsweise einer an Si übe reutektischen Al-Si-Legierung wie sie bspw. unter den Handelsna men Silitec 5, Alusil etc. bekannt sind, gefertigt sein. Die Zy linderlaufbuchse kann auch aus keramischen Werkstoffen, bspw. Oxidkeramiken, Keramik-Metall-Verbundwerkstoffen, Siliziumcarbid keramiken oder faserverstärkten SiC/SiC- oder C/SiC-Keramiken ge fertigt sein.

Der Motorblock ist bspw. in an sich bekannter Weise aus Leichtme tall oder einer Leichtmetallegierung, vorzugsweise einer untereu tektischen Aluminiumlegierung, druckgegossen oder kokillengegos sen.

Zum Flammdrahtspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen werden bevor zugt ein Draht bzw. zwei Drähte aus demselben Material wie die Haftvermittlerschicht, also eine Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium oder eine Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan verwendet.

Zylinderlaufbuchsen von 140 mm Höhe und 93 mm Durchmesser aus dem Werkstoff Silitec 5 wurden an ihrer Außenseite durch Sandstrahlen gereinigt und durch Lichtbogendrahtspritzen mit einer 100 µm dic ken Haftvermittlerschicht aus 95 Gew.-% Nickel und 5 Gew.-% Alu minium bzw. aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan überzogen. Nicht zu beschichtende Randzonen der Außenfläche wurden vorher abgedeckt. Diese Zylin derlaufbuchsen wurden in einen Motorblock aus einer üblichen un tereutektischen Aluminiumlegierung in an sich bekannter Weise im Druckgußverfahren eingegossen. Die resultierenden Verbundgußstüc ke wiesen keine Trennungen oder Spalte zwischen den Zylinderlauf buchsen und dem Umguß auf.

Claims

1. Zylinderlaufbuchse aus Grauguß, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material zum Eingießen in einen als Leichtme tall-Gußteil ausgebildeten Motorblock für einen Verbrennungsmo tor, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse auf ihrer dem Motorblock zugewandten Außenfläche eine Haftvermittlerschicht aufweist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan besteht.

2. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht eine Dicke von 50 bis 200 µm, vor zugsweise von 100 µm aufweist.

3. Zylinderlaufbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Flammdrahtspritzen auf die Außenfläche aufgebracht ist.

4. Zylinderlaufbuchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer an Si übereutektischen Al-Si-Legierung gefer tigt ist.

5. Verbundgußteil aus einem als Leichtmetall-Gußteil ausgebilde ten Motorblock für einen Verbrennungsmotor und mindestens einer eingegossenen Zylinderlaufbuchse aus Grauguß, einem Aluminium werkstoff oder einem keramischen Material, wobei die Zylinder laufbuchse in dem Verbundgußteil von dem Leichtmetall umgossen ist, derart, daß eine Anbindung zwischen der Außenfläche der Zy linderlaufbuchse und dem Motorblock gegeben ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Anbindung zwischen der Zylinderlaufbuchse und dem Motorblock eine Haftvermittlerschicht vorgesehen ist, welche aus einer Nickel-Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium oder aus einer Nickel-Titan- Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan besteht und wobei der Bereich der Anbindung frei von Trennungen oder Spalten ist.

6. Verbundgußteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht mittels Lichtbogendrahtpritzen oder Flammdrahtspritzen auf die Außenfläche der mindestens einen Zy linderlaufbuchse aufgebracht ist.

7. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine eingegossene Zylinderlaufbuchse aus einer an Si übereutektischen Al-Si-Legierung gefertigt ist.

8. Verbundgußteil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorblock aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegie rung, vorzugsweise einer untereutektischen Aluminiumlegierung, druckgegossen oder kokillengegossen ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundgußteils aus einem als Leichtmetall-Gußteil ausgebildeten Motorblock für einen Verbren nungsmotor und mindestens einer Zylinderlaufbuchse aus Grauguß, einem Aluminiumwerkstoff oder einem keramischen Material, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

- Herstellen der Zylinderlaufbuchse(n),
- Aufbringen einer Haftvermittlerschicht aus einer Nickel- Aluminium-Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Aluminium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan auf die dem Mo torblock zugewandte Außenfläche der Zylinderlaufbuchse mittels Lichtbogendrahtspritzen oder Flammdrahtspritzen,
- Einbringen einer oder mehrerer so beschichteter Zylinderlauf buchsen in eine Gießform für den Motorblock,
- Umgießen der mindestens einen Zylinderlaufbuchse zur Herstel lung des Verbundgußteils.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Haftvermittlerschicht in einer Dicke von 50 bis 200 µm, vorzugsweise von 100 µm aufgetragen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Zylinderlaufbuchse aus einer an Si übe reutektischen Al-Si-Legierung gefertigt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Motorblock aus Leichtmetall oder einer Leichtmetallegie rung, vorzugsweise einer untereutektischen Aluminiumlegierung, druckgegossen oder kokillengegossen wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zum Flammdrahtspritzen oder Lichtbogendrahtspritzen ein bzw. zwei Drähte verwendet werden, welcher aus einer Nickel-Aluminium- Legierung aus 80 bis 95 Gew.-% Nickel und 5 bis 20 Gew.-% Alumi nium oder aus einer Nickel-Titan-Legierung aus 95 bis 99 Gew.-% Nickel und 1 bis 5 Gew.-% Titan besteht.