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EP1041173A1 - Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Leichtmetallzylinderblock, Verfahren zu seiner Herstellung und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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Publication number
EP1041173A1
EP1041173A1 EP00105126A EP00105126A EP1041173A1 EP 1041173 A1 EP1041173 A1 EP 1041173A1 EP 00105126 A EP00105126 A EP 00105126A EP 00105126 A EP00105126 A EP 00105126A EP 1041173 A1 EP1041173 A1 EP 1041173A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light metal
laser beam
powder
alloy
zone
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP00105126A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1041173B1 (de
Inventor
Franz Josef Dr. Feikus
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Original Assignee
Vereinigte Aluminium Werke AG
Vaw Aluminium AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Vereinigte Aluminium Werke AG, Vaw Aluminium AG filed Critical Vereinigte Aluminium Werke AG
Publication of EP1041173A1 publication Critical patent/EP1041173A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1041173B1 publication Critical patent/EP1041173B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • Y10T29/49229—Prime mover or fluid pump making
    • Y10T29/4927—Cylinder, cylinder head or engine valve sleeve making

Definitions

  • the invention relates to a light metal cylinder block with at least a wear-resistant and tribologically optimized Cylinder tread, comprising a light metal matrix alloy and a hard metal-containing powder material that is used as a finely dispersed, Primary silicon excretions contain surface layer is present on the light metal matrix.
  • EP 0 837 152 A1 (Bayerische Motoren Werke AG) is a method for coating an existing aluminum alloy Known component of an internal combustion engine. In doing so, a Laser beam directed so that it is not directly on the surface of the component to be coated, but previously on one Powder jet hits. Because of the energy of the laser beam Powder is completely transferred from the solid to the liquid phase, so that it hits the component surface in shape fine droplets are deposited on it as layer material, which partially solidify amorphously due to the solidification conditions.
  • silicon crystals should be used be produced in the order of 1 to 5 microns.
  • the substrate surface is therefore very hot and can therefore heat the impacting Si melt not dissipate quickly enough so that no crystalline Phase and no primary crystals but amorphous phases.
  • a on a worn layer thickness of 3 mm to achieve a smooth, flat surface of the layer material removed about 50% (Column 6, lines 10 to 15).
  • EP 0 411 322 A1 describes a process for producing more wear-resistant Surfaces on components made of an AlSi alloy described, which is based on the aforementioned EP 0 221 276, however, the layer prior to laser melting is a vaccine (Nucleating agent) added for primary silicon crystals becomes.
  • the following substances are used as inoculants or nucleating agents called: silicon nitride, silicon carbide, titanium carbide, titanium nitride, Boron carbide and titanium boride.
  • the coating produced in the form of screen printing technology as a peel-off film applied the surface of the component in question.
  • the fat the layer can preferably be 200 ⁇ m and the melting depth 400 up to 600 ⁇ m. It becomes a line-focused laser beam used in an inert atmosphere to melt down with a melting depth of 400 ⁇ m.
  • the silicon content in the alloyed zone was 25% in the example a nickel content of 8% (hardness above 250 HV).
  • EP 0 622 476 A1 describes a metal substrate with a laser-induced one MMC coating known.
  • the MMC layer has one Layer thickness between 200 microns and 3 mm and contains homogeneous distributed SIC particles, preferably up to 40 percent by weight SiC as homogeneously distributed SIC particles in the MMC layer are included.
  • the powder mixture is included for production. SiC powder and pre-alloyed AlSi powder in one laser beam heated, the for the preparation of a homogeneous Alloy from the powder mixture required heat content the powder impinging on the substrate is brought about. Products with hard metal materials such as SiC have a very high Hardness that is unfavorable for the wear behavior of the piston rings are.
  • the processing is very complex because the top layer of the ceramic particles has to be removed, to achieve a functional, splinter-free tread.
  • the object of the present invention is therefore a light alloy cylinder block with at least one wear-resistant tribological to develop resilient tread in which the Surface layer made of 5 to 20% finely dispersed primary silicon there is a small marginal zone width in the transition to the matrix alloy and that in the transition zone free of defects and is oxide inclusions.
  • the one used to manufacture the light alloy cylinder block Process should get by with fewer process steps, whereby chemical post-processing is completely dispensed with should.
  • a device for coating the interior of a Light metal engine block made of aluminum or a magnesium alloy described, with a probe in the cylinder of a Engine blocks are sunk and at the same time pure silicon powder can be supplied.
  • the probe has a powder feed and a laser beam device.
  • This device is intended for the alloying of hard material particles in the form of silicon over a spiral over the tread rotating laser beam with parallel supplied silicon particles respectively. So that the laser energy is spread over a wide range
  • the laser beam has a track distributed on the matrix surface a linear focus with a track width of preferably 2 to 4 mm. Compared to one by point laser generated surface does not form a wavy at the focus Profile, but a flat band with finely dispersed primary silicon particles out.
  • the band is called the Alloy Zone, being just a narrow transition zone (the peripheral zone) between on an alloyed zone and the matrix metal (see FIG. 1).
  • the powder just before it hits the metal matrix alloy has a grain structure and only in contact with the metal matrix alloy in the area of the laser beam melted within a contact time of 0.1 to 0.5 sec and is alloyed, can be in the linear focus achieve a low marginal zone share of approx. 10%.
  • the laser track is lowered spirally in the cylinder bore, if necessary an overlap can be dispensed with, so that the useful parts practically collide.
  • a smooth, completely homogeneous surface layer that only still by finishing to remove a slight Ripple must be finished.
  • an alloy zone containing primary silicon with an average layer thickness of 300 to 750 ⁇ m in the matrix alloy generated.
  • the exact values of the layer thickness depend of various influencing factors, such as process parameters, accuracy the device positioning and dimensional tolerance of the casting from. It is therefore in the following for all thicknesses of an "average" layer thickness spoken, the tolerance range can be kept very close since the device on Component can be centered.
  • the initial layer thickness of 300 to 750 microns is then in one further processing step to the desired final layer thickness by fine machining with a removal of up to 150 ⁇ m, such as e.g. by honing etc.
  • the final layer thickness achieved in the process is in the range from 150 to 650 ⁇ m. It is a pure diffusion layer, that defined by a special one in claims 1 and 2 Structure is marked.
  • the feed of the laser beam and the supplied laser energy allow the excretion variables adjust the hard phases.
  • excrement sizes less than 10 ⁇ m reduces the depth of destruction in the mechanical finishing of the hard phases, so that the previously required processing allowances for the removal of the destroyed Hard phases can be significantly reduced. (The depth of destruction is contained in the top layer, hard phases not firmly integrated.)
  • the surface is created by alloying with the laser beam hardened, with hardness values of the surface layer of at least 160 HV can be reached. As a result of the good hardening, honing the laser surfaces directly. Additional required so far mechanical or chemical processing steps for exemption the hard phases are also no longer required. This is the previously required drilling of the cylinder coatings no longer necessary because of the surface ripple depending on the overlap of the strip-shaped alloy zone negligible because it is very low.
  • the coating device designed according to the invention from a powder feeder 1 at its end 1a has a nozzle 1b directed towards the tread 5.
  • the energy is supplied via a laser beam device 2, a focusing system 3 and a deflecting mirror 4, the ensures that the laser beam 6 only on the tread surface 7 hits with the powder.
  • the laser beam 6 linear, preferably focused as X, I or 8 and then for example by tilting the mirror on the tread surface 7 shown. Due to the shape of the illustration, the Energy input can be controlled so that the excretion structure can be influenced at its edges.
  • the laser beam 6 travels over the Tread surface 7 so that there is a strip-like band results. If at the same time a feed movement in the direction the cylinder axis 8 takes place, results from superposition a spiral coating of the tread surface of the two movements 7.
  • the rotating and the translational Movement in the direction of the cylinder axis 8 should be one on the other be tuned so that the turns of the spiral are tight abut each other so that there is a closed alloy zone results.
  • FIG. 2 shows the alloy zone 10, which is produced according to the invention with a line focus, and consists of a zone 11 which is rich in excretions and two zones 12, 13 which are arranged on the side and have little precipitation.
  • Figure 2 shows the state of the alloy zone immediately after the laser coating, it being evident that the proportion of the low-precipitation zone L AL , based on the usable length L NL of the precipitation-rich zone, is relatively small.
  • the corresponding areas in FIG. 3 are designated L AK , which belong to the edge zones 15, 16, 17.
  • FIG. 3 three alloy zones produced with a conventional circular focus are shown as a comparative example, the coating width approximately matching in the method with line focus and in the method with circular focus. It can be seen that the usable length L NK of the structure rich in excretions in the method with circular focus is considerably less than the usable length in the line focus L NL . Furthermore, the usable depth of the hardened surface layer in the circular focus is considerably less than in the line focus, since in the circular focus a structure with little elimination extends into deeper zones of the cylinder block structure. This is illustrated in the cross section according to FIG. 3 by the wide edge zones 15, 16, 17.
  • the quality of the coating according to the comparative example is less favorable. Furthermore, the required removal ⁇ H WK is significantly higher in the comparative example with the same machining depth as in the inventive example ( ⁇ H WL ), since the circular focus creates a wavy surface layer which has a lower usable material proportion M K in the area of the tread than a corresponding tread section according to FIG. 2 ( L NL ).
  • the usable material fraction is L NL
  • M K is formed as the sum of the individual values L NK1 , L NK2 , L NK3 .
  • the light alloy cylinder block according to the invention therefore has a more wear-resistant cylinder tread, thanks to uniform Distribution of the fine primary Si precipitates optimized tribologically is and by linear focus and overlapping Coating can be produced with significantly reduced production costs is.
  • FIG. 4 It is illustrated on the basis of the microstructure in FIG. 4. It is a micrograph with a magnification of 200: 1, in the right part of the picture A a cast alloy of the type AlSi9Cu3 and in the left part B a tribologically optimized surface layer with finely dispersed primary silicon precipitates is recognizable.
  • the primary silicon content here Example 10%, the primary phase diameter 4.4 ⁇ m and the distance the Si primary phases 13 ⁇ m.

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Abstract

Ein Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche besteht aus einer Leichtmetallmatrixlegierung mit einer feindispersen, Primär-Silizium-Ausscheidungen enthaltenden Oberflächenschicht. Dies wird aus rundlichen Körnern mit Korndurchmessern zwischen 1 und 10 µm gebildet. Die Oberflächenschicht enthält 10 bis 14 % AlSi-Eutektikum, 5 bis 20 % Primärsilizium, Rest reine Al-Phase. Bei der Herstellung eines Leichtmetallzylinderblocks wird ein Laserstrahl in einer Streifenbreite quer zur Vorschubrichtung von mindestens 2 mm über die Leichtmetallmatrixoberfläche geführt und hartstoffhaltiges Pulver im Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Leichtmetallmatrixoberfläche auf Schmelztemperatur aufgeheizt und eindiffundiert. Eine Vorrichtung zur Laufflächenbeschichtung von Hohlzylindern besteht aus Pulverzuführung, Laserstrahleinrichtung und Fokussiersystem mit Umlenkspiegel. Pulverzuführung und Laserstrahleinrichtung sind parallel zueinander in radialer und axialer Richtung des Hohlzylinders geführt. Das Fokussiersystem weist einen linienförmigen Strahlaustritt auf. Die Pulverzuführung ist mit einer Dosiereinrichtung versehen, über die der Volumenstrom des Pulvers in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls einstellbar ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft einen Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, umfassend eine Leichtmetallmatrixlegierung und ein hartmetallhaltiges Pulvermaterial, das als feindisperser, Primär-Silizium-Ausscheidungen enthaltene Oberflächenschicht auf der Leichtmetallmatrix vorliegt.
Nach EP 0 837 152 A1 (Bayerische Motoren Werke AG) ist ein Verfahren zum Beschichten eines aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Bauteils einer Brennkraftmaschine bekannt. Dabei wird ein Laserstrahl so gelenkt, daß er nicht direkt auf die Oberfläche des zu beschichtenden Bauteils gelangt, sondern zuvor auf einen Pulverstrahl trifft. Durch die Energie des Laserstrahls wird das Pulver vollständig vom festen in die flüssige Phase überführt, so daß es beim Auftreffen auf die Bauteiloberfläche in Form feiner Tröpfchen als Schichtmaterial darauf abgeschieden wird, die aufgrund der Erstarrungsbedingungen teilweise amorph erstarren.
Bei dem bekannten Verfahren erfolgt daher kein Einlegieren des Pulvers in die Oberflächenschicht des Bauteils, sondern es wird eine Phasenumwandlung des Beschichtungsmaterials auf dem Weg zur Oberfläche durchgeführt, wobei das Aluminium-Siliziumpulver im Laserstrahl verflüssigt wird. Beim Erstarren auf der Oberfläche soll fein disperses Silizium, sogenanntes Primärsilizium, freigesetzt werden.
Je nach Abkühlgeschwindigkeit sollen hierbei Siliziumkristalle in der Größenordnung von 1 bis 5 µm erzeugt werden. Die dazu erforderliche schnelle Abkühlung kann aber in der Praxis nicht erreicht werden, da die Energie des Laserstrahls auf das zu beschichtende Bauteil einwirkt. Die Substratoberfläche wird somit sehr heiß und kann daher die Wärme der auftreffenden Si-Schmelze nicht schnell genug abführen, so daß keine kristalline Phase und keine Primärkristalle sondern amorphe Phasen entstehen.
Gemäß dem Ausführungsbeispiel des BMW-Patents werden bei einer auf getragenen Schichtdicke von 3 mm zur Erzielung einer glatten, ebenen Oberfläche des Schichtmaterials etwa 50 % abgetragen (Spalte 6, Zeilen 10 bis 15). Dies bedeutet einen hohen Abtragsverlust, zu dem noch eine ungenutzte Randzone durch eine hohe Welligkeit des tröpfchenförmig auf getragenen Materials als nachteilig hinzugerechnet werden muß.
Aus der EP-A-0 221 276 ist es ferner bekannt, eine Aluminiumlegierung durch Umschmelzen ihrer Randschichten mit Laserenergie verschleißbeständiger auszubilden. Dabei wird auf die Oberfläche eine Schicht aus einem Binder, pulverförmigen Silizium, Kupfer und Titancarbid aufgebracht und anschließend mit dem Laser in die Oberfläche eingeschmolzen. Die Zugaben an TIC betragen in den Ausführungsbeispielen zwischen 5 bis 30 % und bewirken eine beträchtliche Zunahme in der Oberflächenhärte.
Unter tribologischen Aspekten ist jedoch durch die extrem hohe Abkühlgeschwindigkeit beim Laserumschmelzen zwar eine hohe Kornfeinheit, jedoch keine ausreichende Ausbildung des Primärsiliziums bei diesem Verfahren erreichbar. Daher ist das Laserumschmelzen für die Herstellung von Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen aus AlSi-Legierungen mit tragenden Plateaus aus Primärsilizium und zurückgesetzten, Schmierstoffen enthaltenden Bereichen ungeeignet.
In der EP 0 411 322 A1 wird ein Verfahren zum Herstellung verschleißfester Oberflächen an Bauteilen aus einer AlSi-Legierung beschrieben, das von der zuvor erwähnten EP 0 221 276 ausgeht, wobei jedoch der Schicht vor dem Lasereinschmelzen ein Impfmittel (Keimbildner) für primäre Siliziumkristalle zugegeben wird. Als Impfmittel bzw. Keimbildner werden folgende Substanzen genannt: Siliziumnitrid, Siliziumcarbid, Titancarbid, Titannitrid, Borcarbid und Titanborid.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Beschichtung in Form der Siebdrucktechnik als Abziehfolie hergestellt und auf die Oberfläche des betreffenden Bauteiles aufgebracht. Die Dicke der Schicht kann vorzugsweise 200 µm und die Einschmelztiefe 400 bis 600 µm betragen. Es wird ein linienförmig fokussierter Laserstrahl in inerter Atmosphäre verwendet, um das Einschmelzen mit einer Einschmelztiefe von 400 µm zu verwirklichen. Der Siliziumanteil in der legierten Zone betrug im Beispiel 25 % bei einem Nickelanteil von 8 % (Härte über 250 HV).
Wie schon zuvor beschrieben ist es bei den letztgenannten Verfahren des Umschmelzens bzw. Einschmelzens erforderlich, eine Kühlung während des Auftragens einer Schicht auf die Matrixlegierung durchzuführen, um die gewünschten feindispersen Ausscheidungen des Primärsiliziums zu erreichen. Wegen der zugesetzten Impfmittel können Reaktionen mit der Aluminiumoberfläche erfolgen. Außerdem sind die Beschichtungsmaßnahmen bei gekrümmten Oberflächen nicht immer anwendbar.
Aus der EP 0 622 476 A1 ist ein Metallsubstrat mit laserinduzierter MMC-Beschichtung bekannt. Die MMC-Schicht weist eine Schichtdicke zwischen 200 µm und 3 mm auf und enthält homogen verteilte SIC-Partikel, wobei bevorzugt bis zu 40 Gewichtsprozent SiC als homogen verteilte SIC-Partikel in der MMC-Schicht enthalten sind. Zur Herstellung wird das Pulvergemisch, enthalten. SiC-Pulver und vorlegiertes AlSi-Pulver in einem Laserstrahl erhitzt, wobei der für die Herstellung einer homogenen Legierung aus dem Pulvergemisch erforderliche Wärmegehalt durch das auf die Substrat auftreffende Pulver herbeigeführt wird. Produkte mit Hartmetallstoffen wie SiC weisen eine sehr hohe Härte auf, die für das Verschleißverhalten der Kolbenringe ungünstig sind. Außerdem ist die Bearbeitung sehr aufwendig, da die oberste Schicht der Keramikpartikel abgetragen werden muß, um eine funktionsfähige, splitterfreie Lauffläche zu erreichen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleißfesten tribologisch beanspruchbaren Lauffläche zu entwickeln, bei der die Oberflächenschicht aus 5 bis 20 % feindispersem Primärsilizium besteht, das im Übergang zur Matrixlegierung eine geringe Randzonenbreite aufweist und das in der Übergangszone frei von Fehlstellen und Oxideinschlüssen ist. Das zur Herstellung des Leichtmetallzylinderblocks eingesetzte Verfahren soll mit weniger Verfahrensschritten auskommen, wobei auf eine chemische Nachbearbeitung vollständig verzichtet werden soll.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele angegeben, wobei es sich um bevorzugte Anwendungsfälle des erfindungsgemäßen Laserlegierens handelt.
Zunächst wird eine Vorrichtung zur Innenraumbeschichtung eines Leichtmetallmotorblockes aus Aluminium oder einer Magnesiumlegierung beschrieben, wobei eine Sonde in den Zylinder eines Motorblocks eingesenkt wird und gleichzeitig reines Siliziumpulver zugeführt werden kann. Die Sonde weist eine Pulverzuführung und eine Laserstrahleinrichtung auf.
Durch einen an der Sonde angeordneten Drehantrieb werden eine Pulverausbringungsdüse und ein Energiestrahl auf den Innenraum bzw. die Lauffläche des Leichtmetallmotorblockes gelenkt.
Mit dieser Vorrichtung soll das Einlegieren von Hartstoffteilchen in Form von Silizium über einen über die Lauffläche spiralig rotierenden Laserstrahl mit parallel zugeführten Siliziumteilchen erfolgen. Damit die Laserenergie sich über eine breite Spur auf die Matrixoberfläche verteilt, hat der Laserstrahl einen linienförmigen Fokus mit einer Spurbreite von vorzugsweise 2 bis 4 mm. Im Vergleich zu einer durch punktförmigen Laser erzeugten Oberfläche bildet sich beim Fokus kein wellenförmiges Profil, sondern ein flaches Band mit feindispersen Primärsiliziumteilchen aus. Das Band wird als Auflegierungszone bezeichnet, wobei es nur eine schmale Übergangszone (der Randzone) zwischen auf legierter Zone und dem Matrixmetall aufweist (siehe Figur 1).
Da das Pulver im Zeitpunkt kurz vor dem Auftreffen auf die Metallmatrixlegierung eine Kornstruktur besitzt und erst im Kontakt mit der Metallmatrixlegierung im Bereich des Laserstrahls innerhalb einer Kontaktzeit von 0,1 bis 0,5 sec aufgeschmolzen und einlegiert wird, läßt sich bei dem linienförmigen Fokus ein geringer Randzonenanteil von ca. 10 % erreichen. Die Laserspur wird in der Zylinderbohrung spiralisch abgesenkt, wobei im Bedarfsfalle auf eine Überlappung verzichtet werden kann, so daß die Nutzanteile praktisch gegeneinanderstoßen. Somit entsteht eine glatte, vollständig homogene Oberflächenschicht, die nur noch durch eine Feinbearbeitung zur Beseitigung einer leichten Welligkeit fertig bearbeitet werden muß.
Als Beispiel für die erfindungsgemäße Bearbeitung bei der Herstellung eines Leichtmetallzylinderblocks mit mindestens einer verschleißfesten, tribologisch optimierten Zylinderlauffläche wird von folgenden Bearbeitungsschritten ausgegangen:
Zunächst wird eine Auflegierungszone enthaltend Primärsilizium mit einer mittleren Schichtdicke von 300 bis 750 µm in der Matrixlegierung erzeugt. Die exakten Werte der Schichtdicke hängen von verschiedenen Einflußgrößen, wie Verfahrensparameter, Genauigkeit der Vorrichtungspositionierung und Maßtoleranz des Gußteils ab. Es wird daher im folgenden bei allen Dickenangaben von einer "mittleren" Schichtdicke gesprochen, wobei der Toleranzbereich sehr eng gehalten werden kann, da die Vorrichtung am Bauteil zentriert werden kann.
Die Ausgangsschichtdicke von 300 bis 750 µm wird dann in einem weiteren Bearbeitungsschritt auf die gewünschte Endschichtdicke durch eine Feinbearbeitung mit einem Abtrag bis zu 150 µm, wie z.B. durch Honen etc., gebracht. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichte Endschichtdicke liegt im Bereich von 150 bis 650 µm. Dabei handelt es sich uni eine reine Diffusionsschicht, die durch eine besondere in den Ansprüchen 1 und 2 definierte Gefügestruktur gekennzeichnet ist.
Mit der Steuerung der Pulverzufuhr, dem Vorschub des Laserstrahls und der zugeführten Laserenergie lassen sich die Ausscheidungsgrößen der Hartphasen einstellen. Bei Ausscheidungsgrößen kleiner 10 µm verringert sich die Zerstörungstiefe in der mechanischen Endbearbeitung der Hartphasen, so daß die bisher erforderlichen Bearbeitungszugaben für die Entfernung der zerstörten Hartphasen sich deutlich reduzieren lassen. (Die Zerstörungstiefe wird durch die in der obersten Schicht enthaltenden, nicht fest eingebundenen Hartphasen bestimmt.)
Durch das Einlegieren mit dem Laserstrahl wird die Oberfläche gehärtet, wobei Härtewerte der Oberflächenschicht von mindestens 160 HV erreicht werden. Infolge der guten Härtung lassen sich die Laseroberflächen direkt honen. Bisher erforderliche zusätzliche mechanische oder chemische Bearbeitungsschritte zur Freistellung der Hartphasen sind ebenfalls nicht mehr erforderlich. Damit ist das bisher erforderliche Ausbohren der Zylinderbeschichtungen nicht mehr erforderlich, da die Oberflächenwelligkeit je nach Überlappung der streifenförmigen Auflegierungszone vernachlässigbar da sehr gering ist.
Im folgenden wird die erfindungsgemäß erzielbare Oberflächenstruktur auf einer Motorblock-Lauffläche anhand eines Vergleichsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1
Prinzipbild einer erfindungsgemäß ausgebildeten Beschichtungseinrichtung im Teilquerschnitt;
Fig. 2
Prinzipbild einer erfindungsgemäß erzeugten Oberflächenschicht;
Fig. 3
Vergleichsbeispiel mit einer anderen Oberflächenstruktur;
Fig. 4
Querschnitt an einem Gußteil im Bereich der laserlegierten Zone.
Nach Figur 1 besteht die erfindungsgemäß ausgebildete Beschichtungseinrichtung aus einer Pulverzuführung 1, die an ihrem Ende 1a eine auf die Lauffläche 5 gerichtete Düse 1b aufweist.
Die Energiezufuhr erfolgt über eine Laserstrahleinrichtung 2, einem Fokussiersystem 3 und einem Umlenkspiegel 4, die dafür sorgt, daß der Laserstrahl 6 erst auf der Laufflächenoberfläche 7 zusammen mit dem Pulver auftrifft.
Nach den bekannten optischen Gesetzen wird der Laserstrahl 6 linienförmig, vorzugsweise als X, I oder 8 fokussiert und dann beispielsweise durch Kippen des Spiegels auf der Laufflächenoberfläche 7 abgebildet. Durch die Form der Abbildung kann der Energieeintrag gesteuert werden, so daß das Ausscheidungsgefüge in seiner Ausprägung an den Rändern beeinflußbar ist.
Durch Drehung des Spiegels 4 wandert der Laserstrahl 6 über die Laufflächenoberfläche 7, so daß sich ein streifenförmiges Band ergibt. Wenn dabei gleichzeitig eine Vorschubbewegung in Richtung der Zylinderachse 8 erfolgt, ergibt sich durch Überlagerung der beiden Bewegungen eine spiralförmige Beschichtung der Laufflächenoberfläche 7. Die rotierende und die translatorische Bewegung in Richtung der Zylinderachse 8 sollten dabei so aufeinander abgestimmt werden, daß die Windungen der Spirale dicht aneinanderliegen, so daß sich eine geschlossene Auflegierungszone ergibt.
In Figur 2 ist die erfindungsgemäß mit einem Linienfokus erzeugte Auflegierungszone 10, bestehend aus einer ausscheidungsreichen Zone 11 und zwei seitlich angeordneten ausscheidungsarmen Zonen 12, 13, dargestellt. Figur 2 zeigt den Zustand der Auflegierungszone unmittelbar nach der Laserbeschichtung, wobei zu erkennen ist, daß der Anteil der ausscheidungsarmen Zone LAL, bezogen auf die nutzbare Länge LNL der ausscheidungsreichen Zone, relativ gering ist. Die entsprechenden Bereiche in Figur 3 sind mit LAK bezeichnet, die zu den Randzonen 15, 16, 17 gehören.
In Figur 3 sind als Vergleichsbeispiel drei mit herkömmlichem Kreisfokus hergestellte Auflegierungszonen dargestellt, wobei die Beschichtungsbreite bei dem Verfahren mit Linienfokus und bei dem Verfahren mit Kreisfokus annähernd übereinstimmen. Man erkennt, daß die nutzbare Länge LNK des ausscheidungsreichen Gefüges bei dem Verfahren mit Kreisfokus wesentlich geringer ist als die nutzbare Länge beim Linienfokus LNL. Ferner ist die nutzbare Tiefe der gehärteten Oberflächenschicht beim Kreisfokus wesentlich geringer als beim Linienfokus, da beim Kreisfokus ein ausscheidungsarmes Gefüge bis in tiefere Zonen des Zylinderblockgefüges reicht. Dies ist im Querschnitt nach Figur 3 durch die breiten Randzonen 15, 16, 17 veranschaulicht.
Da bei gleicher Eindringtiefe die nutzbare Tiefe im Vergleichsbeispiel nach Figur 3 geringer ist als im erfindungsgemäßen Beispiel nach Figur 2 ist die Qualität der Beschichtung nach dem Vergleichsbeispiel ungünstiger. Ferner ist der erforderliche Abtrag ΔHWK im Vergleichsbeispiel bei gleicher Bearbeitungstiefe wie im Erfindungsbeispiel wesentlich höher (ΔHWL), da der Kreisfokus eine wellige Oberflächenschicht erzeugt, die im Bereich der Lauffläche einen geringeren nutzbaren Materialanteil MK aufweist als ein entsprechender Laufflächenabschnitt gemäß Figur 2 (LNL).
Der nutzbare Materialanteil ist im Erfindungsbeispiel LNL, während MK als Summe der Einzelwerte LNK1, LNK2, LNK3 gebildet wird.
Der erfindungsgemäße Leichtmetallzylinderblock hat daher eine verschleißfestere Zylinderlauffläche, die durch gleichmäßige Verteilung der feinen Si-Primärausscheidungen tribologisch optimiert ist und durch linienförmige Fokussierung und überlappende Beschichtung mit deutlich reduziertem Fertigungsaufwand herstellbar ist.
Es wird anhand des Gefügebildes in Figur 4 verdeutlicht. Es handelt sich um ein Schliffbild mit der Vergrößerung 200 : 1, wobei im rechten Bildteil A eine Gußlegierung vom Typ AlSi9Cu3 und im linken Bildteil B eine tribologisch optimierte Oberflächenschicht mit feindispersen Primär-Silizium-Ausscheidungen zu erkennen ist. Der Primärsiliziumanteil beträgt im vorliegenden Beispiel 10 %, der Primärphasendurchmesser 4,4 µm und der Abstand der Si-Primärphasen 13 µm.
Für die Belastungsfähigkeit des neuen Werkstoffs ist besonders von Bedeutung die Anbindung der Auflegierungszone B an das Matrixgefüge A. Am Schliffbild 4 ist erkennbar, daß in der Übergangszone C keine Oxide oder andere Fehlstellen vorliegen. Dieses beruht darauf, daß die Auflegierungszone quasi "insitu" aus dem Matrixgefüge gebildet wurde und somit ein einheitlicher Werkstoff mit unterschiedlichen Zusammensetzungen im Bereich A, B entstanden ist.
Bezugszeichenliste
1
Pulverzuführung
1a
Ende der Pulverzuführung
1b
Düse
2
Laserstrahleinrichtung
3
Fokussiersystem
4
Umlenkspiegel
5
Lauffläche
6
Laserstrahl
7
Laufflächenoberfläche
8
Zylinderachse
9
-
10
Auflegierungszone
11
Ausscheidungsreiche Zone
12,13
Ausscheidungsarme Zone
14
-
15,16,17
Randzonen
MK
Materialanteil
LNK
Nutzbare Länge des ausscheidungsreichen Gefüges
LNL
Nutzbare Länge der ausscheidungsreichen Zone
LAL
Anteil der ausscheidungsarmen Zone
LAK
Bereiche, die zu den Randzonen gehören
▵HWK
Abtrag Vergleichsbeispiel
▵HWL
Abtrag Erfindungsbeispiel
A
Matrixgefüge
B
Auflegierungszone
C
Übergangszone

Claims (18)

  1. Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, bestehend aus einer Leichtmetallmatrixlegierung mit einer feindispersen, Primär-Silizium-Ausscheidungen enthaltenden Oberflächenschicht,
    wobei das Primärsilizium aus gleichmäßig verteilten, rundlich geformten Körnern mit einem mittleren Korndurchmesser zwischen 1 und 10 µm besteht und die Oberflächenschicht 10 bis 14 % AlSi-Eutektikum, 5 bis 20 % Primärsilizium, Rest reine Al-Phase enthält, wobei die Mindesthärte der Oberfläche 160 HV beträgt.
  2. Leichtmetallzylinderblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Si-Primärphasen in einem Abstand von 1 - 5 Primärphasendurchmesser in der Oberflächenschicht verteilt vorliegen.
  3. Leichtmetallzylinderblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Primärsilizium in einer streifenförmigen Auflegierungszone mit einer Streifenbreite von mindestens 2 mm und einer mittleren Schichtdicke von 150 - 650 µm in der Matrixlegierung angeordnet ist, wobei die Streiten spiralförmig über die Zylinderlauffläche verlaufen.
  4. Leichtmetallbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Streifenbreite 2 bis 4 mm beträgt.
  5. Leichtmetallbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß bei mehreren nebeneinander angeordneten Auflegierungszonen eine Überlappung der Streiten vorgesehen ist, wobei die Überlappungsbreite 5 bis 10 % beträgt.
  6. Leichtmetallzylinderblock mit mindestens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, bestehend aus einer Leichtmetallmatrixlegierung mit einer feindispersen, Primär-Silizium-Ausscheidungen enthaltenden Oberflächenschicht, die als reine Diffusionsschicht aus einer ausscheidungsreichen Auflegierungszone (11) und ausscheidungsarmen Randzonen (12, 13) besteht,
    wobei die Ausscheidungen aus gleichmäßig verteilten, rundlich geformten Körnern des Primärsiliziums mit einem mittleren Korndurchmesser zwischen 1 und 10 µm gebildet werden und die Auflegierungszone aus 10 bis 14 % AlSi-Eutektikum, 5 bis 20 % Primärsilizium, Rest reine Aluminiumphase besteht und eine Mindesthärte von 160 HV aufweist.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallzylinderblocks mit mindestens einer verschleißfesten und tribologisch optimierten Zylinderlauffläche, umfassend eine Leichtmetallmatrixlegierung und ein hartstoffhaltiges Pulvermaterial, das als feindisperse, Primär-Silizium-Ausscheidungen enthaltene Oberflächenschicht in der Leichtmetallmatrix vorliegt, durch Schwerkraft-, Niederdruck- oder Druckgußverfahren mit anschließender Oberflächenbearbeitung durch parallel zueinandergerichtete Laser- und Pulverstrahlen,
    wobei der Laserstrahl in einer Streitenbreite quer zur Vorschubrichtung von mindestens 2 mm über die Leichtmetallmatrixoberfläche geführt wird und bei dem das Pulver erst im Auftreffpunkt des Laserstrahls auf die Leichtmetallmatrixoberfläche in einer Kontaktzeit von 0,1 bis 0,5 Sekunden auf Schmelztemperatur aufgeheizt und eindiffundiert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Leichtmetallmatrixlegierung im Auftreffpunkt in einer Tiefe von mindestens 350 µm vollständig aufgeschmolzen und an der Leichtmetallmatrixoberfläche in den Plasmazustand überführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das geschmolzene Pulver bei der Diffusion eine Auflegierungszone bildet, die eine Schichtdicke von 500 - 1000 µm aufweist.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Pulver im Zeitpunkt kurz vor dein Auftreffen auf die Metallmatrixlegierung eine Kornstruktur besitzt und erst im Kontakt mit der Metallmatrixlegierung im Bereich des Laserstrahls innerhalb einer Kontaktzeit von 0,1 bis 0,5 sec aufgeschmolzen und einlegiert wird.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorschubgeschwindigkeiten von Laserstrahl und Pulverstrahl derart gesteuert werden, daß
    a) eine Diffusion in die Metallmatrixlegierung mit Eindringtiefen von 350 bis 850 µm erfolgt,
    b) durch langsame gesteuerte Abkühlung der Auflegierungszone rundlich geformte Primärphasen kleiner 10 µm gebildet werden, deren Abstände 1 bis 5-mal Primärphasendurchmesser betragen,
    c) eine Ausscheidung von Hartphasen erhalten wird, mit einer Schichthärte von HV 110 bis 160.
  12. Verfahren nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Vorschubgeschwindigkeit 0,8 bis 4,0 m pro Minute bei einer focussierten Auftreffläche des Laserstrahls von 1 bis 10 mm2 und einer Laserlichtleistung von 3 bis 4 kW beträgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Laserstrahl mit einem linienförmigen Fokus auf der Innenlauffläche eines Hohlzylinders spiralig rotiert und dabei durch Zugabe eines Si-Pulvers eine streifenförmige, Primärsilizium enthaltende Auflegierungszone gebildet wird.
  14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die mittlere Bearbeitungstiefe in der Auflegierungszone 750 µm beträgt.
  15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Hartphasen der Auflegierungszone durch eine mechanische Bearbeitung freigelegt werden, wobei der Abtrag der obersten Schicht kleiner 30 % der Gesamtschichtdicke beträgt.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Auflegierungszone ohne Zwischenbearbeitung direkt gehont wird.
  17. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens einer Laufflächenbeschichtung von Hohlzylindern, bestehend aus einer Pulverzuführung (1), einer Laserstrahleinrichtung (2) und einem Fokussiersystem (3) mit einem Umlenkspiegel (4),
    dadurch gekennzeichnet,
    daß Pulverzuführung (1) und Laserstrahleinrichtung (2) parallel zueinander in radialer und axialer Richtung des Hohlzylinders geführt sind,
    daß das Fokussiersystem (3) einen linienförmigen Strahlaustritt mit einer Strahlenbreite von 2,0 bis 2,5 mm aufweist
    und daß die Pulverzuführung mit einer Dosiereinrichtung versehen ist, über die der Volumenstrom des Pulvers in Abhängigkeit von der Vorschubgeschwindigkeit des Laserstrahls einstellbar ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Fokussiersystem (3) eine X-, I- oder 8-förmige Fokusform aufweist, die an den oberen und unteren Randzonen im Vergleich zum mittleren Fokusbereich einen erhöhten Energieaustritt ermöglicht.
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