專利名稱：帶有曲軸箱的內(nèi)燃機(jī)以及用于制造曲軸箱的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求I前序部分所述的帶有曲軸箱的內(nèi)燃機(jī)以及一種按照權(quán)利要求2的特征的用于制造曲軸箱的方法。
背景技術(shù)：
用于內(nèi)燃機(jī)的曲軸箱目前主要是在壓鑄工藝中由輕金屬材料制成。在此通常采用鋁硅合金。為了能夠在壓鑄工藝中對(duì)這種合金進(jìn)行加工，而限于采用亞共晶鋁硅合金。采用鋁硅合金，能夠在壓鑄工藝中非常低成本地和大批量地生產(chǎn)曲軸箱。壓鑄制成的汽缸表面不能夠持久地承受活塞/活塞環(huán)-汽缸系統(tǒng)中的摩擦應(yīng)力載荷。一方面，壓鑄制成的曲軸箱具有相對(duì)較高的多孔性。另一方面，亞共晶招娃合金表面的摩擦應(yīng)力承載性能由于其相對(duì)較小的強(qiáng)度、相對(duì)較高的延展性以及其過于小的耐磨強(qiáng)度而不適合作為汽缸工作面。因此，為獲得足夠的耐用度，經(jīng)常采用灰鑄鐵襯套，該襯套被置于輕金屬曲軸箱的汽缸中。作為另一選擇方案，已知這樣的輕金屬曲軸箱，其汽缸工作面用合適的表面材料加以涂層。US 5, 908, 670,WO 9749497,EP 568315BUUS 5, 626, 674 以及 US 5，380，564 介紹了相應(yīng)的涂層工藝，其中，首先借助于高壓流體射流對(duì)汽缸工作面進(jìn)行粗糙化處理，接著以熔化的金屬滴或者合金滴的形式，例如，通過電弧線材噴涂方法往粗糙化處理的汽缸的內(nèi)表面上敷設(shè)涂層。此夕卜，題為 “Thermal spraying of cylinder bores with the PlasmaTransferred Wire Arc process，，,作者為 K. Bobzin、F. Ernst>K. Richardt>T. Schlaefer>C. Verpoort>G. Flores,刊登在Surface and Coating Technology,第 202卷，第 18期，2008年6月15日，第4438-4443頁(yè)的文章；以及另一篇題為“Thermal Spraying of CylinderBores with the PTffA Internal Coating System”,作者為 K. Bobzin 等人，刊登在Proceedings of the ASME Internal Combustion Engine Division Fall2007 TechnicalConference, ICEF07, 2007 年 10 月 14-17 日，Charleston, South Carolina, USA 的文章都屬于相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種帶有至少一個(gè)汽缸的內(nèi)燃機(jī)曲軸箱，該汽缸的工作面有涂層，其中，該工作面應(yīng)具備高的抗摩擦能力。所述目的通過權(quán)利要求I或者2的特征來(lái)實(shí)現(xiàn)，可從各從屬權(quán)利要求中獲得本發(fā)明的一些有利的設(shè)計(jì)方案和改進(jìn)方案。本發(fā)明的出發(fā)點(diǎn)是帶有曲軸箱的內(nèi)燃機(jī)，該曲軸箱具有至少一個(gè)為容納活塞而設(shè) 置的汽缸，汽缸的內(nèi)側(cè)設(shè)有構(gòu)成用于活塞的工作面的涂層。本發(fā)明的核心在于，涂層具有大量的孔隙，其中，孔隙的平均尺寸和/或孔隙面積份額在汽缸的長(zhǎng)度上變化。
例如，以如下方式“設(shè)定”平均孔隙尺寸和孔隙面積份額可能是有意義的，即，使平均孔隙尺寸以及孔隙面積份額從汽缸底端向著汽缸頂端的方向減小。所說(shuō)“汽缸頂端”是指其上安裝汽缸蓋的那個(gè)端部。汽缸底端是指背離汽缸蓋的端部?；蛘?，作為另ー選擇，以如下方式設(shè)定孔隙的尺寸和孔隙面積份額可能是有利的，即，使它們?cè)谄椎闹虚g區(qū)域內(nèi)最大并且向著頂端和底端的方向減小。或者，作為另ー選擇，可設(shè)置如下使孔隙面積份額從汽缸頂端向著汽缸底端的方向増大，并且，平均孔隙尺寸在汽缸的長(zhǎng)度上基本恒定。或者，作為另ー選擇，可設(shè)置如下使孔隙面積份額在汽缸的中間區(qū)域內(nèi)最小并且朝汽缸兩端方向増大，并且，平均孔隙尺寸在汽缸的長(zhǎng)度上基本恒定。根據(jù)本發(fā)明，制造用于內(nèi)燃機(jī)的具有至少ー個(gè)汽缸的曲軸箱的方法特別是包括以下步驟 -在壓鑄エ藝中，由輕金屬材料例如由鋁硅合金澆鑄曲軸箱。對(duì)此特別可考慮亞共晶招娃合金。-接下來(lái)對(duì)所述至少ー個(gè)汽缸的內(nèi)側(cè)進(jìn)行精車。-然后對(duì)經(jīng)過精車的內(nèi)側(cè)進(jìn)行粗糙化處理。-最后往經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)側(cè)上敷設(shè)涂層，該涂層構(gòu)成用于置入汽缸內(nèi)的活塞的工作面。根據(jù)本發(fā)明如此敷設(shè)該涂層，即，形成帶有大量孔隙的涂層，其中，平均孔隙尺寸和/或孔隙面積份額在汽缸的長(zhǎng)度上變化。對(duì)于在摩擦學(xué)上有利的表面涂層的構(gòu)造設(shè)計(jì)，具有決定性意義的是噴射到經(jīng)粗糙化處理的汽缸內(nèi)側(cè)上的金屬滴或者合金滴的尺寸。該液滴尺寸應(yīng)該處在O. 5 μ m與500 μ m之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選在O. 5 μ m與150 μ m之間的范圍內(nèi)，以便實(shí)現(xiàn)盡可能精細(xì)分布的孔隙。產(chǎn)生的這些孔隙更可能是圓的或者橢圓的或細(xì)長(zhǎng)的形狀。從孔隙的長(zhǎng)寬比大于例如4 I起，被稱為長(zhǎng)孔隙。孔隙的長(zhǎng)寬比小于例如4 1，則被稱為圓孔隙?？紫队脕?lái) “儲(chǔ)”油，并且在馬達(dá)運(yùn)行中構(gòu)成“微壓室(Mikrodruckkammern) ”。“孔隙面積份額”在金相的橫斷面磨片(Querschliff)中加以確定。所說(shuō)“孔隙面積份額”的概念可以理解為在橫斷面磨片中所求得的全部包含于ー個(gè)評(píng)估面積(計(jì)算面積)中的孔隙面積之和相對(duì)于整個(gè)評(píng)估面積的比例。長(zhǎng)孔隙相對(duì)于圓孔隙的比例通過孔隙內(nèi)部的壓カ分布而決定性地確定了摩擦學(xué)性能。例如當(dāng)長(zhǎng)孔隙相對(duì)于圓孔隙的比例在O. 01和2. 5之間的范圍內(nèi)時(shí)，則可獲得最優(yōu)的摩擦特性?？紫睹娣e份額、孔隙尺寸以及孔隙分布在氣缸的長(zhǎng)度上如此地適配摩擦系統(tǒng)的相應(yīng)要求，即，使得在所有的運(yùn)行狀態(tài)中都擁有最優(yōu)的潤(rùn)滑條件或者磨損性能。平均孔隙尺寸在內(nèi)燃機(jī)運(yùn)行中對(duì)于活塞環(huán)和汽缸工作面之間的潤(rùn)滑油膜的承載能力的確定非常重要。必須如此選擇涂層材料，即，使得能夠在混合摩擦區(qū)中，特別是在汽缸底端或者頂端的區(qū)域中(下面的和上面的死點(diǎn))得到足夠的耐磨性。作為涂層材料，可以考慮例如非合金鋼，特別是FeC-材料，特別是材料FeCO. 8。經(jīng)精車的汽缸表面的粗糙度，也就是在粗糙化處理之前，可以在例如Rz =2 μ m-25 μ m的范圍內(nèi)。
對(duì)經(jīng)過精車的汽缸內(nèi)側(cè)的粗糙化處理可以通過機(jī)械和/或化學(xué)的方式來(lái)進(jìn)行。例如，可以考慮對(duì)經(jīng)過精車的汽缸內(nèi)側(cè)進(jìn)行切削加工。作為選擇或者補(bǔ)充，經(jīng)精車的汽缸內(nèi)側(cè)也可以被噴砂或噴剛玉。另外，還可考慮通過用流體特別是用乳濁液和/或懸浮液進(jìn)行高壓噴射來(lái)實(shí)現(xiàn)粗糙化處理。通過粗糙化處理，在汽缸表面產(chǎn)生了微小(微觀)的側(cè)凹。若汽缸表面的粗糙度在粗糙化工序之后處在Rz = 30 ii m-200 y m范圍內(nèi)，這被證明為特別有利。在通過這種方式預(yù)處理的汽缸表面上，接下來(lái)敷設(shè)在摩擦學(xué)上合適的材料作為汽缸工作面。該敷設(shè)可通過例如電弧線材噴涂方法來(lái)進(jìn)行，其中，熔化成液態(tài)的金屬滴或者合金滴借助于流體射流以非常高的速度被拋射到經(jīng)粗糙化處理的汽缸表面，由此產(chǎn)生具有大量孔隙的工作面層。在敷設(shè)涂層之后，通過機(jī)械的珩磨工藝對(duì)該涂層進(jìn)行最終加工。
對(duì)于涂層的耐磨性(也就是耐磨強(qiáng)度)來(lái)說(shuō)，首先，涂層中氧化物的含量是決定性的。緊接噴涂之后在由液態(tài)過渡到固態(tài)時(shí)的氧化物生成，可通過改變用于噴涂金屬滴或者合金滴所采用的載體氣體的組份配比而有針對(duì)性地加以控制。作為載體氣體，可以采用富含氮的空氣。汽缸工作面的硬度變化曲線可以相應(yīng)于在汽缸的長(zhǎng)度上變化的硬度分布特征來(lái)設(shè)定，其中，該硬度可優(yōu)選在300HV到700HV之間的硬度范圍內(nèi)。在敷設(shè)熔化成液態(tài)的金屬滴或者合金滴時(shí)所產(chǎn)生的圓的以及長(zhǎng)的孔隙在汽缸表面構(gòu)成了一種包括不相互連接的空穴的系統(tǒng)。為了使這些空穴能夠起到微壓室的作用，并且在內(nèi)燃機(jī)的工作循環(huán)過程中供應(yīng)足夠的油，如已經(jīng)提及的那樣，在敷設(shè)涂層之后進(jìn)行精細(xì)結(jié)構(gòu)化珩磨作為最終加工是必需的。為保證工作表面具備良好的承載能力以及保證良好的油供應(yīng)，工作表面的Rpk應(yīng)該處在-0. 05iim-2iim 之間的范圍內(nèi)，-優(yōu)選在0.05iim_l. 5iim之間的范圍內(nèi)，-并且特別優(yōu)選在0.05 u m-1. I U m之間的范圍內(nèi)。汽缸工作面的Rvk應(yīng)該在0. 5 ii m-15 U m之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選在I U m-10 ii m之間的范圍內(nèi)。此外，重要的是，粗糙度特征值VO在0. I ii m-16 U m之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0. Iiim-Iliim之間的范圍內(nèi)。粗糙度特征值Rk應(yīng)該在0. 05 ii m-5 ii m之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選在0. 05 u m_3 y m之間的范圍內(nèi)，并且特別優(yōu)選在0. I ii m-2 ii m之間的范圍內(nèi)。只有這些粗糙度特征值的有益組合才確保珩磨后的汽缸表面具有最佳的摩擦特性。根據(jù)本發(fā)明所敷設(shè)的涂層與傳統(tǒng)的過共晶鋁硅材料相比，具有明顯改善的耐磨強(qiáng)度。在傳統(tǒng)的汽缸中是被置入灰鑄鐵襯套，與該汽缸相比，由于敷設(shè)的涂層基本上不具有自身的剛性并且配合于汽缸基質(zhì)的結(jié)構(gòu)，所以可注意到有較小的汽缸翹曲變形。從另一方面來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)又能夠降低活塞環(huán)的壓緊力，從而最終導(dǎo)致摩擦損耗的減小。涂層中固有的微壓室引起了更高的流體動(dòng)力學(xué)上的摩擦份額比例，這同樣對(duì)損耗性摩擦起積極的作用。根據(jù)本發(fā)明的涂層相對(duì)于目前經(jīng)常使用的灰鑄鐵襯套具有非常高的抗腐蝕性，并且，即使是在很高的燃燒溫度以及酸性介質(zhì)情況下，會(huì)基于改善的導(dǎo)熱而從汽缸表面導(dǎo)入冷介質(zhì)中。固有的微壓室與灰鑄鐵襯套相比，在取得同樣潤(rùn)滑效果的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)更為精細(xì)的表面組織結(jié)構(gòu)，并從而實(shí)現(xiàn)摩擦優(yōu)勢(shì)。由此，輕金屬壓鑄件與Fe涂層的組合能夠?qū)崿F(xiàn)成本優(yōu)勢(shì)。因?yàn)榭擅庥弥两駷橹供`直使用的灰鑄鐵襯套，所以還獲得了重量?jī)?yōu)勢(shì)以及更高的耐磨強(qiáng)度。


下面結(jié)合附圖更為詳細(xì)地介紹本發(fā)明。唯一的附圖I以示意圖示出了根據(jù)本發(fā)明 的涂層的表面性質(zhì)。
具體實(shí)施例方式圖I以展開圖示意性地示出了內(nèi)燃機(jī)的被珩磨光滑的汽缸表面(工作面)。該エ作面更可能具有“長(zhǎng)孔隙”以及“圓孔隙”。從孔隙的長(zhǎng)/寬比Gd x2)大于4 I起，在這里稱之為長(zhǎng)孔隙，低于此比例則被稱為圓孔隙。孔隙面積份額在金相的橫斷面磨片中確定?？紫睹娣e份額由全部孔隙面積之和與整個(gè)評(píng)估面積A的比例算出。近似地，一個(gè)孔隙的孔隙面積可以當(dāng)作“矩形”來(lái)考慮，也就是孔隙面積χ * χ2。
權(quán)利要求
1.帶有曲軸箱的內(nèi)燃機(jī)，該曲軸箱具有至少一個(gè)為容納活塞而設(shè)置的汽缸，所述汽缸的內(nèi)側(cè)設(shè)有構(gòu)成用于活塞的工作面的涂層，其特征在于，所述涂層具有大量的孔隙，其中，孔隙的平均尺寸和/或孔隙面積份額在所述汽缸的長(zhǎng)度上變化。
2.制造用于內(nèi)燃機(jī)的具有至少一個(gè)汽缸的曲軸箱的方法，包括以下步驟 -在壓力加工工藝中，由輕金屬材料特別是由鋁硅合金澆鑄所述曲軸箱， -精車所述汽缸的內(nèi)側(cè)， -對(duì)經(jīng)過精車的所述內(nèi)側(cè)進(jìn)行粗糙化處理， -在經(jīng)過粗糙化處理的所述內(nèi)側(cè)上敷設(shè)構(gòu)成用于活塞的工作面的涂層， 其特征在于，制作出帶有大量孔隙的涂層，其中，孔隙的平均尺寸和/或孔隙面積份額在汽缸的長(zhǎng)度上變化。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述粗糙化處理以機(jī)械的和/或化學(xué)的方法進(jìn)行。
4.如權(quán)利要求2或3之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述粗糙化處理通過以下方式實(shí)現(xiàn) -通過切削加工，或 -通過噴砂或者噴剛玉，或 -通過用流體特別是用乳濁液和/或懸濁液進(jìn)行高壓噴射。
5.如權(quán)利要求2至4之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述汽缸的經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)側(cè)具有Rz = 30 μ m-200 μ m的表面粗糙度或在Rz = 30 μ m-200 μ m范圍內(nèi)的表面粗糙度。
6.如權(quán)利要求2至5之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述涂層通過噴涂熔化成液態(tài)的液滴而被敷設(shè)，特別是通過電弧線材噴涂方法。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，所述熔化成液態(tài)的液滴借助于載體氣體被拋射到所述汽缸的經(jīng)過粗糙化處理的內(nèi)側(cè)上，其中，所述載體氣體主要由富含氮的空氣構(gòu)成。
8.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求I至7之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述涂層是涉及一種鐵基涂層，特別是涉及一種由非合金鋼組成的涂層，特別是涉及一種FeC-涂層，特別是涉及一種FeCO. 8_涂層。
9.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求2至8之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述涂層的、參與決定該涂層的硬度的氧化物含量在所述汽缸的長(zhǎng)度上變化，并且是處在300HV與700HV之間的范圍內(nèi)。
10.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求2到9之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述工作面通過機(jī)械的珩磨工藝而被最終加工或者是被珩磨的。
11.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，經(jīng)珩磨的所述工作面具有處在下述范圍內(nèi)的粗糙度Rpk在O. 05μπι-2μπι之間的范圍中，和/或Rvk在范圍=O. 5 μ m-15 μ m內(nèi)，和/或VO在O. 1“111-16 4 111之間的范圍中，和/或Rk在O. 05μπι-5μπι之間的范圍中。
12.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求2至11之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述汽缸具有靠近汽缸蓋的頂端和靠近油槽的底端，其中，孔隙的尺寸以及孔隙面積份額從所述底端向所述頂端的方向減小。
13.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求2至11之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，所述汽缸具有靠近汽缸蓋的頂端和靠近油槽的底端以及處于這兩端之間的中間區(qū)域，其中，孔隙的尺寸和孔隙面積份額在所述中間區(qū)域內(nèi)最大并且朝所述頂端和所述底端方向減小。
14.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求2至11之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，孔隙面積份額從汽缸頂端向汽缸底端的方向增大，并且，平均孔隙尺寸在所述汽缸的長(zhǎng)度上基本恒定。
15.如權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃機(jī)或者如權(quán)利要求2至11之任一項(xiàng)所述的方法，其特征在于，孔隙面積份額在汽缸的中間區(qū)域內(nèi)最小并且朝汽缸兩端方向增大，并且，平均孔隙尺寸在所述汽缸的長(zhǎng)度上基本恒定。
全文摘要
本發(fā)明涉及帶有曲軸箱的內(nèi)燃機(jī)，該曲軸箱具有至少一個(gè)為容納活塞而設(shè)置的汽缸，所述汽缸的內(nèi)側(cè)設(shè)有構(gòu)成用于活塞的工作面的涂層，其中，所述涂層具有大量的孔隙，并且，孔隙的平均尺寸和/或孔隙面積份額在所述汽缸的長(zhǎng)度上變化。
文檔編號(hào)C23C4/06GK102712989SQ201080042864
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月14日
發(fā)明者K·戴科, M·孔斯特, M·維特曼 申請(qǐng)人:寶馬股份公司