具有用于接收活塞的开孔的工件

摘要

本发明涉及一种具有用于接收活塞的开孔的工件，例如以内燃发动机曲轴箱的形式。本发明始于具有开孔(12a、12b)的工件(10)，该开孔(12a、12b)具有涂层(17)。这允许活塞(19)与开孔(12a、12b)之间的摩擦系数尽可能小。为了能够特别精确地设定从开孔(12a、12b)区域到工件(11)环境中所期望的热传递，依据本发明提出：开孔(12a、12b)具有不同于中空圆筒形状的形状，以产生不同的涂层(17)厚度。因此，通过适当地选择开孔(12a、12b)的轮廓以及因此适当地选择涂层(17)，能够为开孔(12a、12b)的每个区域设定理想的热传递。

说明书

技术领域

本发明涉及一种依据权利要求1的前序部分所述的具有用于接收活塞的开 孔的工件。

背景技术

在EP1022351A1中描述了形式为发动机本体或者内燃发动机曲轴箱的工 件，其具有多个用于接收能够沿着轴向方向来回移动的活塞的开孔。该气缸形 式的开孔具有涂层，该涂层形成活塞的跑合面，其中该跑合面为中空圆筒。施 加该涂层以实现活塞与气缸之间尽可能小的摩擦系数，此外还使得磨损的趋势 非常小。

除了所提到的涂层效果外，涂层还对气缸与绕气缸流动的冷却液之间的热 交换产生影响。涂层越厚，所提到的热交换通常越小。因此，通过选择涂层厚 度能够影响热交换。

发明内容

针对该背景，本发明的目的尤其在于提出一种具有用于接收活塞的开孔的 工件，其中所期望的从开孔区域到工件环境中的热传递能够被特别精确地设定。 依据本发明，该目的通过具有权利要求1所述特征的工件来满足。

依据本发明的工件具有基体，该基体具有开孔，所述开孔用于接收能够沿 着轴向方向来回移动的活塞。该开孔具有涂层，该涂层形成用于活塞的跑合面。 在这方面，该跑合面为中空圆筒形的。

依据本发明，基体的开孔在跑合面区域中具有与中空圆筒形状不同的形状。 由于活塞的跑合面为中空圆筒形的，所以在跑合面区域中产生不同的涂层厚度。 因此，在活塞来回移动的轴向区域中，任何情况下，开孔都具有不同于中空圆 筒形状的形状。因此，能够通过适当地选择开孔的轮廓，从而为开孔的每个区 域适当地选择涂层厚度，来设定理想的热传递。

此外，在具有加剧磨损的区域中，涂层可以更厚。

对于内燃发动机而言，所提到的工件特别被设计为包括铝合金或镁合金或 铸铁的发动机本体或曲轴箱，或者是特别包括铸铁的气缸套。

由于在施加涂层后，跑合面并未精确地具备工件后续操作所要求的尺寸， 所以对活塞的跑合面进行后续机加工，尤其是磨加工。

例如，如在申请人的EP1022351A1中所述，涂层可以被设计为含铁层。又 例如，该层还可以包括比如在申请人的EP1507020A2或EP1174524A2中所述 的材料。此外，自然能够想到其它适合涂层的合适材料。

层的厚度特别是可以介于30μm和约2mm之间，其中除过渡区域之外，所 述层特别地仅具有两种不同的厚度。一方面，是具有薄涂层的第一区域，该薄 涂层具有30μm至200μm的第一厚度，而另一方面，是具有厚涂层的第二区域， 该厚涂层具有0.5mm至2mm的第二厚度。因此，到绕工件流动的冷却液的热 传递相当不同，尤其是比第一区域中的要小。在这方面，第二区域中的热传递 是减少还是增加，取决于涂层材料的热导率与工件材料的热导率比较。如果涂 层材料的热导率小于工件材料的热导率，则第二区域中的热传递减少。在另一 种情况下，热传递增加。

在本发明的一个方面中，基体的开孔具有中空圆筒的基本形状，以及在径 向方向上的至少一个切口。除在轴向方向上(一个或多个)边缘处的过渡区域 之外，所述切口特别是在径向方向上具有相同的深度。过渡区域可以特别被设 计为斜面、具有相同半径或不同半径组合的倒角。切口可以被布置在开孔的边 缘处，或者还与边缘间隔开。开孔在轴向方向上可以具有一个或多个切口。因 此，可以简单地制出基体的开孔。

特别地，一个或多个切口完全处于外围并且是圆环形状。因此，它们能够 被特别简单地制出。涂层特别借助于被引入到开孔中的旋转等离子体焰炬来施 加。还可以连同旋转的基体一起来使用固定焰炬。如果切口完全处于外围，则 涂层可以首先仅被施加在切口中，并且当切口被充满时，涂层能够被扩展到整 个开孔。因此，在涂层的制造中，并不需要首先施加在后续工艺步骤中必须再 次被移除的材料。这就允许快速且经济地制造工件。

此外，在工件为气缸套的设计中，后者可以被设计为相对于其纵向轴线对 称，这允许气缸套特别简单地安装到发动机本体或者曲轴箱中。

在本发明的一个方面中，切口具有不同的深度，其中该深度与切口在上述 过渡区域外部的径向范围有关。特别是切口具有凹部，该凹部被布置在切口的 轴向边缘区域中。切口的轴向边缘区域应被理解为与所提到的过渡区域之一邻 接的区域。为了在施加涂层方面设法使用尽可能少的材料，明智的是不总在开 孔的整个轴向范围上施加涂层，而是以局部限制的方式仅施加在切口区域中。 因此，等离子体焰炬只须在开孔内，并且实际上是在所提到的切口的轴向边缘 区域中回动。结果是，与边缘区域外部相比，在回动点(reversal points)的区域 中以及因而在边缘区域中施加了更多材料。如果开孔具有恒定的深度，则边缘 区域中的该材料在后处理中必须再次被移除。相比之下，如果切口在边缘区域 中具有凹部，则额外的材料至少可以被部分接收在该凹部中，这使得付出较小 的努力来处理成为可能，从而实现更加经济的后处理。

切口可以被布置在开孔的边缘处或者开孔内。在布置在开孔边缘处的情况 中，切口特别地仅在设置成与开孔边缘相对的过渡区域处具有凹部。在另一种 情况下，切口特别地在两个过渡区域都具有各自的凹部。

在本发明的一个方面中，切口具有介于0.5mm和2mm之间的深度，以及 具有在轴向方向上介于5mm和50mm之间的高度。

在本发明的一个方面中，涂层具有第一层和第二层，其中第一层至少部分 地被布置在第二层上。在这方面，两个层具有不同的属性，特别是包括不同的 材料。例如，形式为热障涂层的第二层被布置在形成跑合面的第一层与基体之 间。在这方面，可以在用于活塞的跑合面的整个区域中，或者仅在用于活塞的 跑合面的一个或多个局部区域中，形成热障涂层。例如，可以仅在上述切口内 形成热障涂层。也可以选择第二层的材料以产生增加的热传递。第二层还可以 被设计为所谓的底涂层，其允许在工件和第一层之间形成特别强的连接。底涂 层也能对热传递产生影响。

通过提供第二层特别是热障涂层，从开孔到环境的热传递能够被特别精确 地设定。

涂层还可以具有多于两层，也就是说，例如三个或四个不同的层。

在本发明的一个方面中，仅仅第一层形成用于活塞的跑合面。因此，在跑 合面的整个区域中，第二层被布置在第一层和工件之间。

当涂层具有两层且仅第一层应当形成用于活塞的跑合面时，上述在切口边 缘区域处的凹部尤其有利。没有所提到的凹部的风险在于，在切口的边缘区域 中，必须在后处理中移除如此多的材料，以至于第一层变得不可接受的薄，或 甚至不再覆盖第二层。然后，活塞与第二层之间将会发生不需要乃至不可接受 的接触。因此，所提到的凹部使得在这种情况下也可以可靠地产生所期望的涂 层成为可能。

在本发明的一个方面中，在切口区域中第二层形成跑合面，而在其它区域 中第一层形成跑合面。这被特别实现为使得：首先以恒定的厚度施加第二层， 然后第一层被施加在第二层上。因此，这些层依随切口的轮廓。在对跑合面进 行后处理时，即尤其是在进行磨加工时，处理平面被固定，从而跑合面的位置 和轮廓也被固定，使得在切口环境中所期望的区域内第一层形成跑合面，而在 其它区域中第二层形成跑合面。因此，能够以简单且经济的方式为跑合面提供 局部不同的属性。

例如，第二层可以由具有长使用寿命的硬质金属材料构成，而第一层例如 可以具有陶瓷特征。陶瓷特征在减少摩损方面具有优势。第一层还可以被设计 为用粉末制成的金属层，该粉末与第二层相比更粗，并且具有约30-60μm的 颗粒尺寸，这通常会产生更高的表面孔隙率。例如，在这方面，增加的表面孔 隙率可以有助于活塞的活塞环更快地达到所谓的流体动力润滑的状态，或者有 助于降低磨损的趋势。

热障涂层特别包括陶瓷材料。例如，它可以由粉末制成，该粉末包括按重 量占75％的氧化锆(ZrO₂)、按重量介于18％和22％之间的氧化钇(Y₂O₃)以及作 为剩余部分的其它氧化物。这样的粉末由申请人在销售品名“Metco202NS”下 在市场上销售。例如，热障涂层具有介于0.5mm和2mm之间的厚度。因此， 在具有热障涂层的区域中，能够实现从开孔到环境的特别小的热传递。

第二层还可以包括另一种合适的材料，例如铁或钴和/或镍的合金、以及铬、 铝、钇的合金，已知为所谓的MCrAlY合金。这种合金经常被用作底涂层。

涂层还可以具有超过两个的具有不同属性和/或成分的不同层。

在本发明的一个方面中，借助于热喷涂工艺过程，特别是借助于等离子喷 涂工艺过程，来施加涂层。因此，能够特别经济地施加涂层。此外，这样还可 以施加特别耐磨的涂层。

涂层的施加特别借助于大气压下的等离子喷涂工艺过程来执行，即借助于 所谓的APS涂层工艺过程。因此，能够特别经济地制成高质量的涂层。例如， 涂层材料能够以粉末的形式存在。在这方面，颗粒尺寸可以达到5μm和90μm 之间。

还可以使用其它热涂层工艺过程，例如高速火焰喷涂或电弧喷涂。

附图说明

参考下面的实施例描述并且参考附图，来说明本发明的其它优点、特征和 细节，附图中相同或具有相同功能的元件设置有相同的附图标记。

在附图中示出了：

图1 具有两个内覆涂层的气缸的曲轴箱的截面图；

图2 内覆涂层的气缸套的截面图示；

图3 第一实施例中具有两层涂层的气缸套的截面图；

图4 第二实施例中具有两层涂层的气缸套的截面图；

图5 第三实施例中具有两层涂层的气缸套的截面图；

图6 第二实施例中具有单层涂层的气缸套的截面图；

图7 第四实施例中具有两层涂层的气缸套的截面图；

图8 依据图7，但是与图7相比具有不同设计的两层涂层的气缸套的截面 图；以及

图9 第五实施例中具有两层涂层的气缸套的截面图。

具体实施方式

图1中示出了被设计为内燃发动机曲轴箱10(未进一步示出)的工件的截 面图。曲轴箱10并未按比例绘制，而只是非常示意性地示出。特别地，与本发 明相关联的部分被极大放大地示出。

曲轴箱10包括铝，并且具有基体11，基体11具有总共四个气缸形式的开 孔，但是其中仅两个开孔(或开口)12a、12b被示出。所示的两个开孔12a、 12b具有相同的设计，使得描述等同地适用于开孔12a、12b二者。

开孔12a、12b具有中空圆筒形的基本形状，该基本形状具有切口14，切口 14相对于轴向方向13大致居中布置，并且向外指向，并因此沿径向方向指向。 因此，结果是基体11的开孔12a、12b具有不同于中空圆筒形状的形状。切口 14完全位于外围，因而具有圆环形的横截面。从中空圆筒的基本形状到切口14 之间的过渡被各自设计为斜面。相对于中空圆筒形的基本形状，切口14在径向 方向上具有0.5mm至2mm的深度15，例如说1mm。切口14的高度16介于 5mm和50mm之间，例如说20mm，其中中空圆筒形基本形状的直径例如能 够达到80mm。在这方面，开孔14的高度16被认为是不同于中空圆筒基本形 状的轴向区域范围。

开孔12a、12b具有涂层17，涂层17形成被布置在开孔12a、12b内的活塞 19所用的跑合面18。跑合面18为中空圆筒形的，并且活塞19能够在开孔12a、 12b内沿着轴向方向13以已知的方式移动。在这方面，活塞19在内燃发动机的 操作中越过切口14移动。使用APS等离子喷涂工艺过程来施加涂层17，并且 随后使用磨加工工艺过程进行后处理。涂层17使用例如在申请人的EP 1022351A1中所述的含铁材料来制造。在施加涂层17时，涂层17首先被施加 在整个开孔12a、12b内。当在切口14外达到足够的层厚度时，涂层仅在切口 14的区域中以目标方式继续。

但是，可以首先施加仅切口内的涂层，并且仅当切口被充满时，才同样在 切口外进行。另外，可在整个涂层工艺过程期间，在整个开孔内施加这样的厚 涂层，以使中空圆筒形的跑合面能够在后处理时形成。

由于中空圆筒形的跑合面18和不同于中空圆筒形的开孔12a、12b的形状 的组合，导致涂层17在径向方向上具有非均匀的厚度。诚然，涂层17在特定 的轴向位置周围具有相同的厚度；但在另一个轴向位置处，厚度可以不同。

在切口14外的轴向方向13上，涂层17具有100μm至200μm的第一厚度 D1，例如说150μm。在切口14的斜面上，厚度增加达到0.5-21mm的最大第 二厚度D2，例如说1mm。

曲轴箱10的基体11附加地具有冷却液通道20，其中冷却液循环流动，并 且在内燃发动机运行中将热量从曲轴箱10运走。冷却液通道20围绕开孔12a、 12b延伸，并且被布置在切口14的区域中。

图2中示出了被设计为气缸套110的工件。气缸套110被设置为在内燃发动 机的曲轴箱(未示出)中使用。气缸套110并未按比例绘制，而仅被非常示意性 地示出。特别地，与本发明相关联的部分被极大放大地示出。

气缸套110包括铸铁，并且具有基体111，基体111具有开孔112。开孔112 具有中空圆筒形的基本形状，该中空圆筒形的基本形状具有相对于轴向方向113 在边缘处向外指向从而因此沿径向方向指向的切口114。因此，结果是基体111 的开孔112具有不同于中空圆筒形的形状。切口114同样完全位于外围，因而 具有圆环形的横截面。从切口114到中空圆筒形基本形状之间的过渡被设计为 斜面。切口114的深度和长度可以与图1中切口14的深度和长度相类似。

开孔112具有涂层117，涂层117形成被布置在开孔112内的活塞(未示出) 所用的中空圆筒形的跑合面118。涂层117与图1中的涂层17包括相同的材料， 并且使用相同的方法制造。

由于中空圆筒形的跑合面118和不同于中空圆筒形的开孔112的形状的组 合，导致涂层117在径向方向上具有非均匀的厚度。在这方面，涂层117的厚 度可以与图1中涂层17的厚度相类似。

图3、图4和图5中分别示出了依据图2的气缸套的截面。在这方面，示出 了具有开孔的切口的相应截面。图3、图4和图5中的基体和开孔具有相同的设 计。这些实施例仅在涂层的方式上有所区别，其中所有三个涂层都包括一个置 于另一个之上的两个不同层。

依据与图3相对应的实施例，开孔212的涂层217具有形成活塞(未示出) 所用的跑合面218的第一层221。层221与图1中的涂层17包括相同的材料， 并且使用相同的方法制造。在这方面，涂层217的厚度也可以与图1中涂层17 的厚度相类似。

形式为热障涂层222的第二层被布置在第一层221和基体211之间的全部 轴向范围上。热障涂层222包括陶瓷材料，并且事实上还包括粉末，该粉末由 申请人根据销售品名“Metco202NS”在市场上销售。该热障涂层具有介于0.5mm 和2mm之间的均匀厚度，例如说1mm。热障涂层222同样借助于APS等离子 喷涂工艺过程来施加。

跑合面218为中空圆筒形设计，第一层221具有可以与图2中的涂层117 相类似的在轴向方向上可变的厚度。因此，开孔212的切口214以及热障涂层 222的均匀厚度得到补偿。

依据图4的实施例相对于依据图3的实施例仅有少许不同，所以将仅关注 差别。在依据图4的实施例中，涂层317的第一层321具有均匀的厚度，而热 障涂层322具有可变的厚度。热障涂层322被设计为使得其对开孔312的切口 314进行补偿，以使第一层321能够被施加到已经是中空圆筒形的轮廓。

依据图5的实施例相对于依据图4的实施例仅有少许不同，所以将仅关注 差别。在依据图5的实施例中，涂层417的热障涂层422被设计为使得其仅填 充开孔412的切口414，以使中空圆筒形的轮廓产生，均匀厚度的第一层421 能够被施加到该中空圆筒形的轮廓上。

依据图6的实施例相对于依据图2的实施例仅有少许不同，所以将仅关注 差别。在依据图6的实施例中，切口514具有不一致的深度。切口514在轴向 边缘区域523中具有处于边缘的凹部524。凹部524被布置为使得其经由恒定的 倒角526被连接到切口514的边缘526。在设置成与边缘526相对的一侧上，凹 部524同样具有倒角527。当仅在切口514的区域中施加涂层517时，凹部524 用于接收材料，该材料另外在等离子体焰炬的回动时沉积。

在依据图7的实施例中，开孔612的切口614具有一般与依据图1的切口 14类似的布置和轮廓。除了这些之外，在其两个轴向边缘区域623a、623b，切 口614具有与依据图6的凹部524相对应的凹部624a、624b。涂层617具有第 一层621和第二层622，其中第二层622仅被施加在切口614的区域中。

依据图8的实施例与依据图7的实施例相比，区别仅在于第二层722不仅 被布置在切口714的区域中，而且还被布置在其外。

依据图9的实施例相对于依据图1的实施例仅有少许不同，所以将仅关注 差别。切口814同样具有恒定的深度。首先施加第二层822，然后在其上施加第 一层821，第一层821具有相应的大致恒定的厚度。因此，该两层821、822很 大程度上依随切口814的轮廓。在接下来的后处理上，处理平面被固定，以使 第一层821在切口814的环境中形成跑合面818，而第二层822则在其它区域中 形成跑合面。