DE10334701A1 - Thermisch gespritzte Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren - Google Patents

Abstract

Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren, die aus einer thermisch gespritzten Eisenbasislegierung und hierin dispergierten reib- und verschleißmindernden Partikeln aufgebaut ist, wobei die Partikel bevorzugt Element der Gruppe Al, Cu, Zn, Sn oder Mo umfassen, sowie Lichtbogendrahtspritzverfahren zur Abscheidung einer reibmindernden Schicht aus Eisenbasislegierung mit dispergierten Partikeln, wobei mindestens ein Füll- oder Compositedraht Verwendung findet, der aus Eisenbasislegierung und einer Füllung aus reibmindernden Partikeln aufgebaut ist.

Description

• Die Erfindung betrifft Schichten auf der Basis von Eisenlegierungen mit dispergierten reibungsvermindernden Partikeln zur Reduktion der Reibung auf Zylinderlaufbuchsen, wobei die Schichten mittels thermischer Spritzverfahren, insbesondere dem Zweidraht-Lichtbogendrahtspritzen hergestellt werden.
• Die Erfindung befasst sich mit der Reduktion der Reibleistung, bzw. des Reibverschleißes von Zylinderlaufbuchsen, auch als Zylinderlaufbahn bezeichnet, was die für die Weiterentwicklung von Kolbenmotoren, insbesondere Otto- und Dieselmotoren für Kraftfahrzeuge, erforderlich ist. An diese Zylinderlaufbuchsen werden sehr hohe Anforderungen an die selbstschmierenden, korrosionshemmenden und verschleißreduzierenden Eigenschaften gestellt. Durch die Erfüllung dieser Anforderungen sind u. a. eine Reduktion von Kraftstoffverbrauch und Emission absehbar. In diesem Zusammenhang spielt auch die lokale Anpassung der Schichteigenschaften an die entsprechenden motorisch geforderten Einsatzbedingungen im Zylinder eine wichtige Rolle.
• In der Regel werden die Laufbuchsen in kostenintensiven und komplexen Verfahren in die Zylinderbohrungen eingepresst oder eingegossen. So ist beispielsweise der Einsatz von Gusseisen- Laufbuchsen für Aluminiummotorblöcke der seit längerem aus der US 1,347,476 bekannt. Dabei läuft eine Stahlkolbenringpackung geschmiert in Kontakt mit der Gusseisen-Zylinderbohrungswand. Für die Schmierung des Kontaktes sind die tribologischen Eigenschaften von Grauguss bestimmend. Verschleißfestigkeit und Abriebfestigkeit von Grauguss sind insbesondere auf die Anwesenheit von Graphit zurückzuführen, der als selbstschmierende Phase in einer verschleißfesten Matrix aus alpha-Fe und Eisencarbid auftritt.
• Eine weitere Methode zum Aufbau der Zylinderlaufbuchsen ist die Ni-Plattierung von Zylinderbohrungswänden, um die Eisensubstrate Korrosion widerstandsfähig zu machen, wie sie beispielsweise in der US 991,404 beschrieben ist. Diese Schichten zeigen jedoch noch nicht die gewünschte Duktilität beziehungsweise hinreichende Schmiereigenschaften.
• Moderne Zylinderlaufbuchsen sollten dagegen aus Gründen der Kostenreduktion und der Flexibilität ihres Eigenschaftsprofils durch thermische Spritzverfahren als reibungsreduzierende Schicht auf den Grundwerkstoff aufgetragen werden. In der Regel werden hier die konventionellen Plasma- oder Flamm-Spritzverfahren eingesetzt.
• Aus der EP 0 716 158 B1 ist beispielsweise ein Verfahren zum Beschichten von Zylinderbohrungswänden eines Motorblocks aus Aluminium bekannt. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte. Gießen eines Motorblocks aus einer Aluminiumlegierung. Oberflächenbehandlung der gegossenen Zylinderwände, um Verunreinigungen zu entfernen und eine gereinigte Oberfläche bereitzustellen. Bloßlegen frischen Metalls auf der gereinigten Oberfläche, um eine Oberfläche zur Verbindung bereitzustellen. Abscheiden einer plasmagespritzten Beschichtung auf der bloßgelegten frischen Metalloberfläche aus einem Pulvergemisch, das Feststoffschmierpartikel enthält.
• Eine weitere Variante ist beispielsweise aus der DE 196 37 737 A1 bekannt. Hier wird eine Beschichtung auf Leichtmetall-Substraten auf der Basis von niedrig legiertem Stahl, der dispergierte Partikel aus Eisenoxid enthält, aufgetragen. Dabei wird als Herstellungsverfahren das Lichtbogendrahtspritzen mit niedrig legiertem Stahldraht mit geringem Kohlenstoffgehalt gewählt, wobei dem Treibgas der Spritzvorrichtung gezielt Sauerstoff zugesetzt wird, der einen Teil des Fe des Drahts in Eisenoxid aufoxidiert. Das Eisenoxid wirkt dabei als reibungsmindernder Zusatz. Das Eigenschaftsprofil dieser Schichten kann die höchsten Ansprüche an Reib- und Verschleißminderung von Zylinderlaufbuchsen noch nicht erfüllen.
• Es ist daher Aufgabe der Erfindung ein kostengünstiges thermisches Abscheideverfahren für die Herstellung von reibvermindernden und verschleißreduzierenden Beschichtungen auf metallischen Substraten, insbesondere Zylinderlaufbuchsen, bereitzustellen, dass eine höchstmögliche Flexibilität hinsichtlich lokaler geometrischer Ausgestaltung und Eigenschaftsprofil aufweist.
• Die Aufgabe wird gelöst durch thermisch gespritzte Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungsmotoren, die eine Schichtzusammensetzung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 aufweisen, sowie durch ein Lichtbogendrahtspritzverfahren zur Abscheidung dieser Zylinderlaufbuchse mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus einem thermisch gespritzten Verbundwerkstoff aus einer Matrix aus einer Eisenbasislegierung und metallischer oder keramischer disperser Phase aufgebaut ist. Die disperse Phase ist dabei entweder homogen über die gesamte Schicht verteilt, oder weist einen Konzentrationsgradienten auf.
• Die disperse Phase besteht dabei erfindungsgemäß aus reib- und verschleißmindernden metallischen und/oder keramischen Partikeln.
• Zu den erfindungsgemäß verwendeten Eisenbasislegierungen zählen insbesondere Gusseisen, Stahl und Edelstahl, bevorzugt mit den Legierungsbestandteilen Cr, Mo und/oder Ni.
• In einer ersten erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die reibmindernden Partikel überwiegend metallisch. Die metallischen Partikel enthalten erfindungsgemäß eine Metalllegierung mindestens zweier Elemente der Gruppe Mg, Al, Si, Cu, Zn, Sn, Pb oder Mo. Bevorzugt sind dabei Legierungen aus den Systemen Cu/Zn, Cu/Zn/Sn, Cu/Sn, Cu/Pb oder Cu/Mg, wobei hierbei der Cu-Gehalt innerhalb der Partikel oberhalb 20 Gew%, bevorzugt oberhalb 50 Gew% liegt.
• Weitere bevorzugte Zusammensetzungen der metallischen Partikel sind Al-Legierungen, die 10 bis 25% Si enthalten, sowie die Systeme Al/Sn oder Al/Zn.
• Zusätzlich zu den aufgeführten metallischen Partikeln können auch intermetallische oder keramische Komponenten als Nebenbestandteil der dispersen Phase auftreten. Dabei handelt es sich bevorzugt um Graphit, BN, TiO₂ und/oder MoS₂. Deren Anteil liegt bevorzugt unterhalb 30 Gew% der dispersen Phase.
• Eine bevorzugte thermisch gespritze Zylinderlaufbuchse wird durch eine Matrix auf der Basis einer Fe-Legierung, die B und/oder Mo enthält und keramischen Partikeln gebildet.
• Der Gesamtgehalt der dispersen Phase liegt in der Regel im Bereich von 2 bis 60 Gew% der thermisch abgeschiedenen Schicht und bevorzugt im Bereich von 2 bis 12 Gew%.
• Weist die Schichtzusammensetzung einen Gradienten auf, der parallel zur Flächennormalen der Schicht läuft, so liegt der Gehalt der dispersen Phase in der Schicht-Oberfläche bevorzugt oberhalb 60 Gew%.
• In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung sind die reibmindernden Partikel überwiegend keramisch. Die keramischen Partikel enthalten erfindungsgemäß mindestens je ein metallisches und ein nichtmetallisches Element der Gruppe B, Al, Ti, Mo, C, N, O, oder S. Kohlenstoff kann hierbei auch elementar, bevorzugt als Graphit auftreten.
• Bevorzugt sind dabei die entsprechenden Oxide und Nitride, insbesondere TiO₂, BN, AlN, sowie B₄C oder MoS₂. Zusätzlich zu den aufgeführten keramischen Partikeln können auch metallische Komponenten als Nebenbestandteil der dispersen Phase auftreten. Dabei handelt es sich bevorzugt um Cu-, oder Al-Legierungen. Deren Anteil liegt bevorzugt unterhalb 30 Gew% der dispersen Phase.
• Die Partikelgröße der erfindungsgemäßen metallischen und/oder keramischen Partikel der dispersen Phase beträgt im allgemeinen 1 bis 200 μm und bevorzugt 5 bis 75 μm.
• Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Laufbahn ist es, dass die Feststoff-Schmiermittel, die durch die metallischen oder keramischen Partikel gebildet werden, über die metallische Matrix aus Fe-Basislegierung gleichmäßig verteilt und durch diese fest eingebunden sind, wodurch die Partikel ihre selbstschmierenden Eigenschaften für die Zylinderlaufbuchse optimal entwickeln können.
• Zu den erfindungsgemäßen Schichten, insbesondere für die Zylinderlaufbuchsen, gehören auch Gradientenwerkstoffe, bei denen sich die Schichtzusammensetzung entlang einer ihrer Raumrichtungen kontinuierlich ändert. So kann es von Vorteil sein, die Funktionalität der Fläche gezielt lokal durch einen hohen oder niedrigeren Gehalt an disperser Phase zu verändern. Bevorzugt weist die Zylinderlaufbuchse senkrecht zur Oberfläche einen Gradienten des Fe-Gehaltes auf, wobei der Fe-Gehalt vom Substratwerkstoff zur Oberfläche der Laufbahn hin abnimmt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise eine Zwischenschicht erzeugt, die an einen Grundwerkstoff aus einer Eisenbasislegierung oder einem Stahl angepasst ist.
• Die Dicke der abgeschiedenen Zylinderlaufbuchse liegt typischerweise unterhalb 10 mm. Besonders bevorzugt sind Schichtdicken um 50 bis 500 μm. Es ist ein Charakteristikum des erfindungsgemäßen LDS-Verfahrens, dass sich vergleichsweise große Schichtdicken in guter Qualität abscheiden lassen, die auch deutlich oberhalb von 10 mm liegen können.
• Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf das Herstellungsverfahren der Beschichtungen, insbesondere der Zylinderlaufbuchsen, mittels eines thermischen Spritzverfahrens.
• Je nach Zusammensetzung der Schicht können viele der gängigen thermischen Spritzverfahren zur Herstellung der Schicht genutzt wereden. Hierzu zählen beispielsweise das Hochgeschwindigkeitsflammspritzen oder das atmosphärische Plasmaspritzen.
• Das besonders bevorzugte thermischen Spritzverfahren zur Herstellung einer Schicht aus metallischer Matrix und einer dispersen Phase aus metallischen und/oder keramischen Partikeln ist das Lichtbogen-Drahtspritzverfahren (LDS) mit mindestens einem Compositedraht. Die Compositedrähte umfassen dabei sowohl die Eisenbasislegierung als auch die Partikel der zu bildenden dispersen Phase. Das LDS-Verfahren wird bevorzugt mit zwei Drähten, insbesondere zwei gleich aufgebauten Drähten durchgeführt.
• Durch das erfindungsgemäße LDS-Verfahren ist eine sehr große Materialvielfalt, das heißt insbesondere eine Variation der Schichteigenschaften gewährleistet.
• Das thermische Spritzverfahren wird erfindungsgemäß mit hohen Abscheideraten, beziehungsweise hohen Geschwindigkeiten des Gas- oder Plasmastrahls geführt, so dass eine lange Kontaktzeit der einzelnen Komponenten der abzuscheidenden Schicht bei hohen Temperaturen und/oder in der flüssigen Phase verhindert wird. Hierdurch wird die Reaktion bzw. Auflegierung zwischen metallischer Schmelze aus der Eisenbasislegierung und den zu dispergierenden Partikeln, beziehungsweise deren Schmelzetröpfchen im wesentlichen unterbunden. Erst damit lassen sich auch Ungleichgewichts-Phasen erhalten, wie sie beispielsweise durch eine schmelzmetallurgische Herstellung kaum erhältlich wären, da hier eine lange Kontaktzeit zwischen den Komponenten der dispersen Phase und der Schmelze der Matrix besteht, in der sich das Phasengleichgewicht (thermodynamisches Gleichgewicht) einstellen kann.
• Dies bewirkt eine schnelle Abkühlung der Spritzpartikel und dass die Verweilzeit der die disperse Phase bildenden Partikel in der Schmelzphase der Matrix gering ist. Somit werden chemische Reaktionen und strukturelle Umwandlungen dieser Partikel auf ein Minimum reduziert.
• Beim LDS-Verfahren ist vorgesehen mindestens einen Compositedraht zu verwenden. Dabei ist unter Compositedraht ein aus mehreren Materialien aufgebauter Draht zu verstehen, der insbesondere auch Fülldrähte umfasst.
• Besonders bevorzugt weist der mindestens ein Compositedraht einen Metallmantel (wird im folgenden als Fülldraht bezeichnet) oder eine durchgängige Metallphase aus einer Fe-Basislegierung mit einem Anteil von 20 bis 80 Vol% des Drahtes auf.
• Der Metallmantel oder die durchgängige Metallphase geben dem Draht dabei die benötigte mechanische Stabilität. Bevorzugt umschließt der Metallmantel oder die durchgängige Metallphase alle der wesentlichen Komponenten der dispersen Phase des abzuscheidenden Materials nahezu vollständig.
• Der Metallmantel oder die Metallphase des Compositedrahtes ist bevorzugt aus Gusseisen, Stahl, oder Edelstahl aufgebaut.
• Die Komponenten der dispersen Phase werden durch Partikel oder Pulver gebildet, die vom Mantel des Fülldrahtes oder der Matrix des Compositedrahtes umschlossen sind.
• Werden andere thermische Spritzverfahren angewendet, die Pulver als Ausgangsstoffe verwenden, so sind der späteren Schichtzusammensetzung entsprechende Pulvermischungen zu wählen.
• Die Komponenten der keramischen Partikel der dispersen Phase enthalten erfindungsgemäß mindestens je ein metallisches und ein nichtmetallisches Element der Gruppe B, Al, Ti, Mo, C, N, O, oder S, sowie elementares C. Die metallischen Partikel der dispersen Phase enthalten mindestens eine Metall oder eine Metalllegierung aus einem Element der Gruppe Mg, Al, Si, Cu, Zn, Sn oder Mo.
• Bevorzugt bestehen die Partikel dabei aus Legierungen der Systeme Cu/Zn, Cu/Sn oder Cu/Mg, sowie TiO₂, BN, AlN, oder MoS₂.
• Werden Metalllegierungen für die disperse Phase vorgesehen, so reicht es mitunter aus, im Compositedraht nicht die Legierungspulver sondern nur deren einzelne Komponenten in Pulverform vorzugeben. Insbesondere die niedrig schmelzenden Komponenten aus Cu oder Sn können in heißen Phase des LDS-Prozesses zu den jeweiligen Legierungen zusammenschmelzen.
• Die verwendeten Pulverpartikel weisen typischerweise Größen im Bereich von 0,5 bis 100 μm auf.
• Im Falle metallischer Komponenten der dispersen Phase kann es auch von Vorteil sein statt Pulvern, Späne oder der Drähte zu verwenden.
• Eine Methode, die für das bevorzugte LDS-Verfahren geeigneten Fülldrähte aufzubauen, geht von Metall-Folien, oder Metall-Bändern aus. Das Metall-Band wird mit den pulvrigen Komponenten beaufschlagt, parallel zur Längsachse zusammengerollt, umgekrimmt und zum Fülldraht ausgezogen. In analoger Weise lassen sich auch Metall-Rohre mit den weiteren Komponenten füllen und zu Drähten ausziehen. Eine weitere Variante sieht vor, die gefüllten Rohre zu Bändern auszuwalzen und diese zu mehr oder weniger abgeflachten Drähten zu zerteilen. Dieses Verfahren führt beispielsweise zu den ausgeführten Compositedrähten.
• Die erfindungsgemäße Zylinderlaufbuchse weist auch bei höchsten Spitzendrücken oberhalb ca. 200 bar eine überlege Fresssicherheit auf.
• Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Abbildungen 1 bis 3 dargestellt.
• Dabei zeigen:
• 1 Das Schliffbild einer mittels LDS-Verfahren thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchse mit Matrixwerkstoff aus Stahl (1), reibmindernden Partikeln aus Keramikwerkstoff (2) und reibmindernden Partikeln aus Metallwerkstoff (3)
• 2 Das Schliffbild einer mittels LDS-Verfahren thermisch gespritzten Zylinderlaufbuchse mit Matrixwerkstoff aus Stahl (1) und reibmindernden Partikeln aus Metallwerkstoff (3)
• 3 Einen Fülldraht aus Stahlmantel (4) und Füllmaterial (5) aus metallischen und keramischen Partikeln, sowie eine herstellungsbedingte Walznaht

Claims (13)

1. Thermisch gespritzte Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus einer Eisenbasislegierung und hierin dispergierten reib- und verschleißmindernden Partikeln aufgebaut ist, wobei die Partikel aus einer Metalllegierung mindestens zweier Elemente der Gruppe Al, Cu, Zn, Sn oder Mo aufgebaut sind.
2. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel aus Legierungen auf der Basis der Systeme Cu/Zn, Cu/Sn, Cu/Pb, Cu/Mg, Al/Sn oder Al/Zn bestehen.
3. Thermisch gespritzte Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren dadurch gekennzeichnet, dass sie im wesentlichen aus einer Eisenbasislegierung und hierin dispergierten reib- und verschleißmindernden Partikeln, aus einer Keramik mindestens zweier Elemente der Gruppe B, Al, Ti, Mo, C, N, O, oder S aufgebaut ist.
4. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Partikel im wesentlichen aus TiO₂, BN, AlN, C, oder MoS₂ bestehen.
5. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass die in der Eisenbasislegierung dispergierten Partikel einen Anteil von 2 bis 60 Gew% besitzen.
6. Zylinderlaufbuchse nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn einen Gradienten des Fe-Gehaltes aufweist, wobei der Fe-Gehalt vom Grund der gespritzten Schicht zur Oberfläche hin abnimmt.
7. Verwendung von thermisch gespritzen Zylinderlaufbuchsen nach einem der vorangegangenen Ansprüche in Verbrennungsmotoren aus Eisenlegierungen, Stahl oder Edelstahl, sowie Leichtmetall auf der Basis von Al, Ti und/oder Mg.
8. Verwendung von thermisch gespritzen Zylinderlaufbuchsen nach einem der vorangegangenen Ansprüche bei Zylinder-Drücken über 200 bar.
9. Lichtbogendrahtspritzverfahren zur Abscheidung einer reibmindernden Schicht aus Eisenbasislegierung mit dispergierten Partikeln auf einem Metallsubstrat dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Compositedraht Verwendung findet, der einen Mantel oder eine Oberfläche aus Eisen-Basislegierung und eine Seele oder eine Füllung aus Metall- und/oder Keramik-Partikeln umfasst.
10. Lichtbogendrahtspritzverfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass die Verweilzeit und/oder Prozesstemperatur der Spritzpartikel in der Gasphase so kurz oder niedrig gewählt werden, dass die Partikel der Seele oder Füllung des Compositedrahtes im wesentlichen unverändert abgeschieden werden.
11. Lichtbogendrahtspritzverfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung und/oder die kristallographische Phase der dispergierten Partikel im wesentlichen derjenigen, der im Compositedraht enthaltenen Partikel entspricht.
12. Lichtbogendrahtspritzverfahren nach Anspruch 9 ddadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Compositedrähte mit Mantel aus Eisenbasislegierung und mit Seele aus Al, Cu-, Sn- und/oder Zn-Metall oder -Legierungen verwendet werden.
13. Lichtbogendrahtspritzverfahren nach Anspruch 9 dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere Compositedrähte mit Mantel aus Eisenbasislegierung und mit Seele oder Füllung aus B₄C, BN, AlN, MoS₂, C und/oder TiO₂ verwendet werden.