用于涂覆内燃机气缸壁的方法
【专利说明】用于涂覆内燃机气缸壁的方法
[0001]本发明涉及用于涂覆内燃机气缸壁的方法，其中，所述气缸壁被预先粗糙化以便改进涂层的粘附性。
[0002]由于重量的原因，机动车辆中的内燃机通常被设计为具有由轻金属、尤其是铝合金制成的气缸体曲轴箱。然而，其问题在于，由于轻金属的摩擦学特性、特别是其较差的耐磨性，由气缸体形成的气缸壁仅不足够适合作为活塞的滑动面。
[0003]为了避免这些问题，在具有由轻金属制成的气缸体曲轴箱的许多内燃机中设置有例如由灰铸铁制成的气缸套，由此轻金属的优点(低的比重)能够与灰铸铁的优点(良好的摩擦学特性)相结合。
[0004]替代地，已知轻金属气缸体曲轴箱的气缸壁具有涂层，以实现滑动面的期望摩擦学特性。其中，这种涂层通常通过熔化涂层材料并且将其喷涂到气缸壁上来实现。
[0005]在气缸壁的涂覆中实现涂层在基底材料上的良好粘附是尤为重要的。为此，已知，气缸体曲轴箱的气缸壁在被涂覆之前被粗糙化，以便增加层之间的接触面。多次尝试在被粗糙化了的气缸壁中形成使熔化的涂层材料能够灌入其中的底切，以便在硬化之后实现与气缸壁的形状锁合连接。
[0006]已知使气缸壁粗糙化的各种不同的可能方式。
[0007]—方面，使用被称为“高压喷射”的方法，在所述方法中利用(固体)颗粒或液体对气缸壁高压喷射。因此，壁材料的颗粒被碎裂，并且壁材料逐点地塑性变形。特别地，利用借助于压缩空气传送的沙子或金刚砂的喷射以及利用水或乳剂的喷射被广泛使用。压缩空气或液体由此在通常1500bar至3500bar的非常高的压强下从使用的喷嘴传送。高压喷射的一个缺点在于喷嘴由于高压以及可能与研磨材料接触而快速磨损。此外，难以符合形状和位置的容差并且因此涉及到巨大的开支。最后，这涉及到所使用介质的高消耗，这在一些情况下还可能涉及到在介质的准备回收上花费大量工作。
[0008]还已知使气缸壁机械地粗糙化。这能够例如通过粗研磨或开槽等实现。在此使用一个或更多个工具在切削或非切削过程中在气缸壁中形成槽或切口。
[0009]例如从DE 10 2009 027 200 B3已知，为了使气缸壁粗糙化，在第一个方法步骤中将具有特别是矩形或梯形的横截面的螺旋槽引入气缸壁中。这既可以通过切削，也可以通过非切削工艺来实现。接着在第二步骤中，在槽之间螺旋延伸的肋部逐渐地在径向上塑性变形以形成底切。为了引入槽，使用具有单个刀片的工具，其中，该工具既可以被转动地驱动，也可以沿着气缸的纵轴线轴向地移动。
[0010]为了后续涂覆而准备气缸壁的替代方法包括化学和电粗糙化、刷涂和粘附性底漆嗔涂。
[0011]从该现有技术出发，本发明的目的在于，改进将涂层固定到气缸壁上的质量。
[0012]通过根据独立权利要求1的方法实现了该目的。根据本发明的方法的有利实施例是从属权利要求的主题并且在本发明的下面描述中被解释。
[0013]本发明基于:形成气缸的气缸体的基底材料的质量在重要程度上决定了涂层在气缸壁上的粘附性。气缸体大部分通过铸造制造，这不可避免地涉及不均匀的形成，例如空隙、孔隙或其他结构缺陷。这些不均匀可能对涂层的粘附性具有不利影响，这是由于在缺陷位置处可能存在涂层在基底材料上的不充分粘接。
[0014]从这点出发，本发明基于如下理念，即在粗糙化之前尽可能已经消除至少在表面附近的不均匀。
[0015]为此，用于涂覆在涂覆之前被粗糙化的内燃机气缸壁的一般方法被进一步发展为在粗糙化之前使气缸壁通过塑性变形而被至少部分地挤压(verdichtet)。
[0016]通过挤压气缸壁，特别地能够使结构空隙密闭并且因此使孔隙度减小。仅松散地引入基底材料的颗粒能够被更紧实地固定。这能够确保后续施加的涂层更好地固定到基底材料。
[0017]而且，经由根据本发明的方法的挤压还能够从根本上提高围绕着气缸的基底材料的强度。由此能够减少在内燃机的后续工作期间气缸变形的危险。
[0018]“粗糙化”应被理解为在气缸壁中引入或暴露多个凹部。
[0019]在根据本发明的方法的一个优选实施例中可见，气缸壁仅部分地被挤压、尤其是以交替顺序产生气缸壁的几个挤压和未挤压部分。这特别地能够简化和/或加速在挤压之后的气缸壁的粗糙化。特别地，能够利用与气缸壁的挤压部分相比，使用更少的力或更少的能量就能够磨蚀未挤压部分的事实。相反地，在粗糙化过程中使用基本上相同的力或能量产生例如与从DE 10 2009 027 200 B3中已知的槽结构相似的气缸壁结构，即特别地具有一个或更多个周向、尤其是螺旋形周向槽。而且，还能够有利的是，根据本发明形成的槽结构能够具有更少的精确形成的拐角和边缘，因此，能够减少这些拐角和边缘可能具有的、特别是在具有凹陷形状的槽结构的涂层中的切口效应。
[0020]特别优选地，能够是通过利用(至少一种)液体(例如水或乳剂)和/或颗粒(例如沙子和/或金刚砂)介质喷射来实现粗糙化。这能够具有的优点在于，通过借助于介质产生的在未挤压部分中的基底材料的增大的磨蚀，形成与例如从DE 10 2009 027 200 B3已知的槽结构相似的宏观结构，该宏观结构还被具有许多微型凹部的微观结构覆盖，所述微观结构对于通过喷射进行粗糙化而言是典型的。总之，由此可实现涂层在气缸壁上的特别良好的锁合和因此的粘附性。
[0021]“微型凹部”被理解为是指其尺寸小于由于仅部分挤压而暴露的凹部结构(宏观结构)的相应尺寸(特别地对应于所述相应尺寸的一小部分)的凹部。
[0022]除了喷射之外，还能够通过暴露于激光和/或通过机械加工来实现粗糙化，其中，仅部分地挤压气缸壁的优点在这些方法中都能够被利用。
[0023]“机械粗糙化”被理解为是指借助于安装在加工机器上的至少一个工具利用切削或非切削方法(即通过塑性变形)通过直接接触在气缸壁中产生凹部的过程。
[0024]能够以现有技术中已知的任何技术和方式来实现涂覆，其中，优选可使用将在熔融状态中的涂覆材料喷涂到气缸壁上并在其上硬化的热喷涂方法。热喷涂方法的示例包括电弧丝喷涂和等离子涂覆。
[0025]参照附图中示出的示例性实施例，在下面更详细地解释本发明，在这些附图中:
[0026]图1:示出了作为根据本发明的用于涂覆气缸壁的方法的第一步骤的、气缸壁的部分挤压；
[0027]图2:示出了待利用用于挤压的工具涂覆的气缸的俯视图；
[0028]图3:示出了作为根据本发明的用于涂覆气缸壁的方法的第二步骤的、气缸壁的喷射；
[0029]图4:示出了喷射之后的气缸壁；
[0030]图5:示出了作为根据本发明的方法的第三步骤的、气缸壁的涂覆;和
[0031]图6:示出了作为替代根据本发明的用于涂覆气缸壁的方法的第一步骤的、与部分挤压相反的、气缸壁的全面挤压。
[0032]图1至5以图解方式示出了根据本发明的、用于涂覆由气缸体曲轴箱1形成的气缸2的(气缸)壁的方法的不同步骤，以及为此使用的设备。
[0033]气缸体曲轴箱1能够被设计为由轻金属、特别是由铝合金制成的铸造构件。铸造构件、特别是气缸壁还能够在实施下述的本发明的方法之前被机械加工、特别是被铣磨和/或抛光。
[0034]在根据本发明的方法的第一步骤中，通过气缸体曲轴箱1的基底材料的部分塑性变形而在气缸壁的表面附近(部分地)挤压气缸壁。为此使用包括多个滚光体4的滚光工具3，所述滚光体4具有围绕其外表面延伸的外围凹部5。滚光体4在周边周围被布置在滚光工具3的基体6的凹部中，并且在径向上突出超出基体6的外侧。被转动驱动的滚光工具3沿着气缸2的纵轴线7移动，其中，塑性变形被实现为由滚光体4形成的(最大)圆周在直径上比气缸2(在挤压前)的内径更大。通过滚光体4的初始部分的锥形设计能够将滚光工具3插入气缸2中。气缸壁的当与滚光体4接触时被布置在凹部5的区域中的那些部分没有被压紧，或者仅轻微地被挤压。气缸壁的部分挤压导致在其中形成槽的凹部与之间的肋部交替的结构，其中肋部没有被挤压或不那么被挤压。替代地，部分被挤压的气缸壁还能够被实现为气缸壁的由滚光工具3限定的区域没有被行进过。
[0035]滚光工具3的滚光体4被布置为绕着基体6的纵轴线8均匀分布，所述纵轴线在使用滚光工具3期间优选与气缸2的纵轴线7共轴。由此可实现，分别由两个相对滚光体4向基体6传递的反作用力能够大致地彼此平衡。由此可减少滚光工具3和驱动其(未示出)的装置的负载。
[0036]在挤压之后，气缸壁被喷射(参见图3)。为此，在高压(例如500bar到3500bar，特别地1500bar到3500bar)下借助于喷嘴9将诸如水之类的介质施加到气缸壁，所述喷嘴能够例如被设计为常规的圆形喷嘴或扁平喷嘴。因此，气缸体曲轴箱1的基底材料在表面附近被不均匀地磨蚀，其中在未挤压部分(肋部)中的磨蚀大于挤压部分(槽)中的磨蚀。这能够导致在挤压之后起初形成肋部的未挤压部分在喷射后形成结构的槽(参见图4，其中还以虚线表示在喷射前存在的结构)。此外，在所有部分中产生不规则地形成和布置的微型凹部，这能够特别地导致改善最终施加到经加工的气缸壁的涂层的粘附性。
[0037]涂层随后被施加到经加工的气缸壁(参见图5)。其作为在内燃机气缸2中被引导的活塞的滑动面。能够特别地借助于热喷涂(例如电弧丝喷涂)施加涂层，为此，喷涂头10以已知的方式被转动驱动并且沿着气缸2的纵轴线7移动。熔融涂层材料由此能够灌入槽和微型凹部中，填充它们，并且在硬化后形成涂层和气缸壁之间的牢固粘接。
[0038]图6示出了作为替代根据本发明的用于涂覆气缸壁的前述方法的第一步骤的、气缸壁的全面挤压。“全面”被理解为是指气缸壁的被用于挤压的工具加工或经其行进过的整个部分都被挤压。这不旨在排除没有以这种方式加工因此也没有被挤压的气缸壁部分。对于全面挤压，使用具有基本上为圆柱形外表面的滚光体4。
[0039]如果气缸体曲轴箱1具有多于一个的气缸2，则根据本发明，同时加工多个、尤其全部的气缸2。
【主权项】
1.一种用于涂覆内燃机气缸壁的方法，其中，所述气缸壁在被涂覆之前被粗糙化，其特征在于，在粗糙化之前使所述气缸壁通过塑性变形而被挤压。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述气缸壁仅被部分挤压。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，以交替顺序产生所述气缸壁的几个被挤压和未被挤压的部分。4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，通过利用液体或颗粒介质进行喷射来实现所述粗糙化。
【专利摘要】本发明涉及一种用于涂覆内燃机气缸壁的方法，其中，所述气缸壁在被涂覆之前被粗糙化，其特征在于，在粗糙化之前使所述气缸壁通过塑性变形而被挤压。
【IPC分类】C22F1/04, C23C4/02, C23C4/12, C21D7/08, F16J10/04, F02F1/00
【公开号】CN105492647
【申请号】CN201480045431
【发明人】沃尔弗拉姆·瓦格纳, 帕特里克·沃伊赛特施莱格
【申请人】宝马股份公司, 慕尼黑工业大学
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年7月31日
【公告号】DE102013013830A1, EP3036350A1, US20160193626, WO2015024628A1