DE2439871A1

DE2439871A1 - Verfahren zur herstellung eines ueberzogenen rotorgehaeuses

Info

Publication number: DE2439871A1
Application number: DE2439871A
Authority: DE
Inventors: Leonard G Cordone; William A Donakowski; John R Morgan
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1973-08-20
Filing date: 1974-08-20
Publication date: 1975-03-06
Also published as: US3937266A; JPS5063312A

Description

Verfahren zur Herstellung eines überzogenen

Rotorgehäuses

Uie Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorgehäuses, insbesondere ein Verfahren zur Auftragung eines abnützungsbeständigen Überzuges.

Genäss der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines überzogenen Rotorgehäuses angegeben, welches für einen Rotorinnenverbrennungsmotor wertvoll ist. Ein erster Kern oder Dorn wird aus-einem leitenden Material, beispielsweise einem chromhaltigen Stahl gefertigt. Die äussere Oberfläche des ersten Kernes oder Domes wird zu dem Spiegelbild der erhaltenen inneren Oberfläche des Ratorgehäuses geformt; das erste Kern- oder Dornmaterial wird ■ vorzugsweise durch Anwendung von siedendem Wasser unter Bildung eines Chromoxidmaterials auf der äusseren Oberfläche

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passiviert, um die Haftung der umgebenden aufgezogenen Materialien zu verhindern. Ein dünner aus Kompositionsteilchen bestehender abnützungsbeständiger Überzug wird elektrolytisch- auf dem ersten Kern oder Dorn unter Bildung eines Aufbaues abgeschieden. Der abnützungsbeständige Überzug besteht vorzugsweise aus nicke]getragenen,eingebetteten Siliciumcarbidteilchen. Der erste Kern oder Dorn wird von dem abgeschiedenen dünnen Überzug abgestreift, wobei eine selbsttragende Auskleidung oder Muffe hinterbleibt, wobei die Auskleidung oder Muffe in ihrer Gesamtfonn verwendet werden kann oder zu kleineren Auskleidungsbändern für die getrennte Verarbeitung geschlitzt werden kann. Die Auskleidung wird über einen Zwillingskern oder -dorn, der identische Form zu dem ersten Kern oder Dorn hat, jedoch, vorzugsweise durch Anwendung in der Formgussmaschine vorerhitzt ist, gebracht und sie werden zusammen in die Formgussmaschine eingesetzt. Geschmolzenes Aluminium wird der Maschine zum Giessen um die Auskleidung zugeführt, um eine vollständige Gehäusestruktur zu bilden, wobei die Auskleidung eine hohe Abnützungsbeständigkeit bringt.

Der erfindungsgemäss erhaltene Überzug ist wertvoll als Auskleidung für die Epitrochoidofrerflache eines Rotorgehäuses für einen Rotorinnenverbrennungsmotor.

■ Die Anwendung von Zwillingsdornen oder -kernen beim Übertragungsverfahren verbessert den Oberflächenfinish der Auskleidung durch eine erhöhte Anzahl von Abscheidungskreisläufen. Ein weiterer Vorteil ergibt sich darin, dass eine abgeschiedene Muffe unter Bildung unabhängiger Auskleidungen geschlitzt wird.*Es ergeben sich dadurch verringerte Kosten und glattere Auskleidungsoberflächen als sie beim Quss erhalten werden.

Es gibt zahlreiche technische Verfahren zur Herstellung von Rotorgehäusen für einen typischen Rotorinnenverbrennungsmotor. Ein günstiges Verfahren besteht in der Herstellung einer Kernoberfläche, welche als Spiegelbild der beabsich-

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tigten Oberfläche des Rotorgehäuses dient. Der Kern wird durch Flammsprühen mit einem Material, beispielsweise einem unlegierten Kohlenstoffstahl, zur Bildung eines relativ dicken·, und ziemlich porösen selbstgeschmolzenen Überzug auf dem Kern oder Dorn durch Flammsprühen überzogen.. Die 'Materialwahl für das Flammsprühen ist begrenzt, da das Material eine Haftung an dem schliesslich erhaltenen Gehäuse, üblicherweise Aluminium, erzielen muss, welches den Überzug umgibt. Der Sprühüberzug und der Kern oder Dorn werden zu-

saamen zu der Formgussmaschine übertragen, wo massives Aluminium hierüber zur Bildung eines zusammenhängenden Kompositionskörpers gegossen wird. Das wird bisweilen als Transplartierverfahren bezeichnet. Kern oder Dorn und Überzug müssen vor der Einführung in die Formgussmaschine vor erhitzt werden. Anschliessend an den beendeten Aluminiumformguss wird der Kern von der Uberzugsauskleidung abgestreift, wodurch ein innen glattes Eotorgehäuse hinterbleibt. Die Hauptnachteile dieses bekannten Transplantationsverfahren sind:

(a) ein unlegierter Kohlenstoffstahl, der nicht ausreichend abnützungsbeständig von sich aus ist, ist lediglich als metallurgische Zwischenschicht wirksam und die Verkleidung muss weiterhin mit einem zusätzlichen abnützungsbeständigen Überzug, wie Chrom, behandelt werden, um die Struktur zu beenden;

(b) es ergibt sich eine beträchtliche Porosität bei dem Flammsprühüberzugsverfahren, so dass die Wärmeübertragung durch das Gehäuse an das Kühlsystem, welches um das Rotorgehäuse angebracht ist, verringert wird, und (c) der Kern oder Dorn, welcher Erhitzung und-Kühlung infolge seiner Einbringung in das Formgussverfahren unterworfen wird, unterließt einer ziemlich frühen Zerstörung und die Glätte seiner ^;i.ucr:eren Oberfläche wird vorzeitig zerstört, so dass sich eventuell Fehler in der Oberfläche der Auskleidungen ergeben, die einen zusätzlichen Schleifarbeitsgang zur Entfernung der !■ehler in der Überzugsauskleidung erforderlich machen.

Ein besonders brauchbares Material mit hoher Abnützungsbestänciipkeit ict eine elektrolytisch abgeschiedene Basis aus

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Nickel mit eingebetteten Siliciumcarbidteilchen. Dieses Material ist seit einiger Zeit für die Zwecke des Überziehens verschiedener Produkte einschliesslich Rotorgehäuse für Rotormotoren bekannt. Jedoch wurde bisher nur eine., direkte elektrolytische Abscheidung angewandt und niemals das vorstehend aufgeführte Übertragungsverfahren Ein signifikantes Problem, das bisher im Wege gestanden war, um das Gebiet des elektrolytischen Nickelüberzuges mit dem Übertragungsverfahren zu kombinieren, ist die Unmöglichkeit, eine ausreichende Bindung zu erzielen. Elektrolytische Überzüge sind äusserst dicht und haben üblicherweise keine Porosität. Porosität ist normalerweise eine Zwangsbegleitung bei einem Sprühüberzug, der die Basis für eine Vernetzung und Benetzung des Gussmetalles liefert, welches die scharfe Umgebung eines Rotorinnenverbrennungsmotores aushält. Gemäss dem Stand der Technik wurde Wert und Bedeutung eines Verfahrens der Anwendung eines abnützungsbeständigen Materials, wie Nickel-Siliciumcarbid in Kombination mit dem Konzept von Zwillingskernen oder -dornen nicht erkannt; es wurde kein Ursprungskern oder -dorn zur Ausbildung einer Auskleidung verwendet, wobei der erste Kern oder Dorn dann aus der Auskleidung entfernt wird und die Auskleidung dann auf einem Zwillingskern oder -dorn in das Formgussverfahren eingebracht wird.

Die Hauptaufgabe der Erfindung besteht in einem verbesserten Kompositionsrotorgehäuse mit einer darin befindlichen, aus einem äusserst abnützungsbeständigen Material geformten Auskleidung, welche an die hierum gegossen-e Aluminiumträgerstruktur fest gebunden ist, wobei das Kompositionsgehäuse durch ein mit niedrigen-Kosten erfolgendes Herstellungsverfahren ausgezeichnet ist.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Kompositionsrotorgehäuse entsprechend der vorstehenden Auggabe, welches v/eiterhin nach einem Verfahren hergestellt wird, welches die Zerstörung der beim Herstellungsverfahren verwendeten Kerne oder Dorne vermeidet, wobei insbesondere bei

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dem Verfahren die Notwendigkeit der Erhitzung der zur Ausbildung des Glätte der inneren Oberfläche der Auskleidung verwendeten Kerne vermieden wird, so dass sichergestellt wird, dass die Kern- oder Dornoberfläche nicht bei der anschliessenden cyclischen Wärmebehandlung zerstört wird. Die Kerne sind aus einem Material geformt, welches leicht passiviert werden kann, um das Anhaften an einen Germet zu verhindern.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung eines Kompositionsrotorgehäuses, dessen Überzug in Muffenform auf einem Ursprungskern- oder dorn abgeschieden wird, worauf dann die Muffe anschliessend in dünne Bandgestaltungen geschlitzt wird, jede getrennte Gestalt auf einen Zwillingskern für den anschliessend · hierum erfolgenden Guss des tragenden Aluminiumgehäuses ge- · bracht wird. .

Eine weitere Aufgabe besteht in der ausgezeichneten Wahl eines Materials für die· elektrolytische Abscheidung einer Rotorgehäuseauskleidung, welche die Gesamtauskleidung bilden kann und dennoch stark genug zur Selb, st tragung ist, wenn ■ . sie zwisehen den Herstellungsstufen ohne einen tragenden Kern gefördert wird. ■

In den Figuren stellen

Fig. 1 ein schematisches Fließschema, welches die Hauptstufen der vorliegenden Erfindung zeigt,

Fig. 2 ein Glätteprofil, worin die bisherigen Massen mit denjenigen der erfindungsgemässen Kompositionsmaterialien verglichen v/erden,
dar.

Unter Bezugnahme zunächst auf Fig.-1 wird ein bevorzugtes Verfahren zur Durchführung der Erfindung erläutert. Ein erster Kern oder Dorn 10 wird aus einem geeigneten Kernmaterial

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hergestellt, welches zur maschinellen Bearbeitung für eine sehr exakte, komplizierte Gestalt,/beispielsweise eine Epitrochoidoberfläche 11 fähig ist, wie sie für die Innenoberfläche eines Hptorgehäuses eines typischen Rotorinnenverbrennungsmotores erforderlich ist. Die Epitrqchaid- Oberfläche 11 stellt das Spiegelbild der erhaltenen Epitrochoid r-.oberflache dar, die auf dem Rotorgehäuse ausgebildet werden soll. Ein geeignetes und notwendiges Material für diesen Zweck würde ein chromhaltiger Stahl mit einem Chromgehalt im Bereich von 3 bis 25 % sein. Der Chromgehalt ermöglicht es, dass das Material passiviert wird, was die Nicht-Haftung zwischen der Kern- oder Dornoberfläche 11 und dem hierauf abzuscheidenden Material erleichtert. Ausserdem kann der Kern oder Dorn in einer Richtung von einem Ende 10a zu dem anderen Ende 10b des Kernes oder Domes verjüngt sein. Hier ist der Kern als ziemlich langes Element dargestellt, worin die Breite 12 der Oberfläche 11 weit grosser als die Breite der auf dem Rotorgehäuse zu verwendenden Oberfläche ist. Dies erleichtert die Begrenzung einer Ausklei dung, welche eine langgestreckte Muffe 13 darstellt, worauf die Muffe dann anschliessend in getrennte Bänder oder Formen 14 für den Gebrauch in den Rotorgehäusen gebrochen wird. Die maschinell behandelte Oberfläche des Kernes 10 hat eine Oberflächenrauheit entsprechend einem quadratischen Mittel-Rauhwert von 8 bis 12 (r.m.s.).

Als nächstes wird der Kern in einen Elektrolyt zum Zweck der elektrolytischen Abscheidung eines Überzuges aus Nickel mit eingebetteten Siliciumcarbidteilchen gebracht. Die Zusammensetzung des Elektrolyts ist nicht kritisch, jedoch erwies es sich günstig,'die Bestandteile auf dem fclgenden Bereich einzuregeln: Nickelsulf^miat im Bereich von 200 bis 600 g je Liter, NiCl₂ * 6 H₃O im Beröich von 30 bis ?0 g je Liter und H-BO;, im Bereich von 20 bis 40 g je Liter. Siliciumcarbid, das zu den härtesten Materialien gehört, wird bevorzugt; zusätzlich zeigt es hohe Härte in Verbindung mit niedrigen Kosten in äusserst günstiger Weise. Andere

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harte Teilchen, die verwendet werden können, umfassen Oxide von Aluminium oder Eisen, Garbide von Silicium oder Wolfram, Diamant und fein-dispergierte harte Metalle, wie Wolfram, und Gemische dieser Materialien. Die harten Teilchen werden in dem Elektrolyt in einer Menge zwischen 100 und 150 g je Liter und mit einer Teilchengrösse zwischen 0 und 10 Mikron " dispergiert. Der pH-Wert für den Elektrolyt wird entsprechend den anderen Verfahrensvariablen, (zwischen 3 und 5) in üblicher Weise gewählt. Die Badtemperatur kann etwa 70° C (160° F) . betragen und die Stromdichte ist kritisch und in der Reihenfolge gestuft im Bereich von etwa 50 bis 100 Amp je 0,093 H^ (square foot) für einige Ausgangsmomente der elektrolytischen Abscheidung und wird dann eventuell auf 500 .bis 1000 Amp je 0,093 m² (square foot ) erhöht. Die Teilchen werden in Suspension in dem Bad durch geeignete Rührwirkung gehalten. Elektrolytisches Nickel stellt das bevorzugte Anodenmaterial dar.

Der abgeschiedene Überzug muss eine Stärke im Bereich von 381 bis 635 jam (15 his 25 mils) für eine geeignete Haftung haben. Der tlberzug I3 hat eine Porosität von praktisch 0. Dies steht in starken Kontrast zu den Eigenschaften eines aufgesprühten Überzuges, der einen beträchtlichen Betrag an Porosität, mindestens minimal 5 %i hat. Die Porosität dieser tJberzuger. ist ein Fehler, da sie die Wärmeübertragung verzögert und eine Sperre bei der tatsächlichen Einbringung im Rotorgehäuse bildet, wo die Wärme übertragen werden muss* " Durch die fehlende Porosität ergibt sich ein dichteres Material und infolgedessen liefert es auch eine grössere Wärmeübertragung. Der elektrolytisch abgeschiedene Nickel-Siliciumcarbidüberzug ist in dieser Richtung deutlich überlegen. Die thermische Leitfähigkeit des abgeschiedenen Überzuges beträgt 2,6 und der Überzug hat einen thermischen Expansionskoeffizienten von etwa 11,9 jacm/0,6⁰ C (4,7 micro inch/⁰ F)

Bei der nächsten Stufe des Verfahrens ist erforderlieh, dass der Kern oder Dorn von dem Überzug abgestreift wird und- eine

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selbsttragende Muffe erhalten wird. Dies wird erleichtert (a) durch die Verjüngung des Kerns oder Domes und (b) durch vorheriges Sieden des Kernes oder Dornes im Wasser, so dass die Oberfläche passiviert wird und eine chemische Chromoxidsperrschicht gegen die Haftung gebildet wird. Die Muffe, die beträchtlich langer als die Breite des Rotorgehäuses ist, wird dann zu Bändern 14 geschnitten, welche von entsprechender Konfiguration sind, um in jedes Rotorgehäuse zu passen. Dies kann durch einen Gang von Carbidschneidern bewirkt werden, welche zur Wanderung um die Epitrochoidgestalt angeordnet sind und die Muffe in getrennte Einheiten schlitzen (nicht gezeigt).

Ein Zwillingskern 15 wird hergestellt, der eine exakte Kopie der Querschnittsform des Ursprungskernes oder Dornes 10 ist, .wie bei 17 in der Anordnung in einer Form 20 gezeigt. Die Bänder 14 werden dann auf den Zwillingskern 15 , angebracht, wie bei 18 gezeigt. Die Anordnung von Zwil-■ lingskern 14, Form 20 und Band 15 wird dann in die Formguüsmaschirie 19 gebracht. Der Zwillingskern wurde vorhergehend beim kontinuierlichen Gebrauch in. den vorhergehenden Formgussverfahren erhitzt und braucht deshalb nicht gekühlt zu werden oder drastische Temperaturänderungen auszuhalten. Der Hohlraum der Formgussmaschine wird geschlossen und ein Material auf Aluminiumbasis wird darum gegossen, um ein Gussrotorgehäuse von gleicher Form, wie schematisch bei gezeigt, zu bilden. Die bevorzugte chemische Zusammensetzung des Aluminiummaterials ist eine, welche 9 bis 11 % Silicium enthält, um die Härte der Aluminiumlegierung zu erhöhen.

Ut₁ die Bander schneidung, zu vermeiden, kann der Ursprungskern 22 auch von einer engeren Dicke 23 geformt sein. Der erhaltene Überzug 24 ist gleichfalls enger und kann direkt in den Kern 15 und in die Formgussmaschine eingebracht werden.

Das Gussmaterial sollte aus eier Gruppe von Aluminium und Gusseisen gewählt werden. Das elektrolytisch abgeschiedene

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Material sollte· aus der Gruppe von Ni-SiC und anderen Systemen, welche beispielsweise Kobalt oder Kupfer als Grundmaterial und SiC, Wolframcarbid, Titancarbid oder Aluminiumoxid als hiermit abgeschiedenem teilchenförmigern Material umfassen, gewählt werden.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines überzogenen Rotorgehäuses für einen Rotorinnenverbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass * ·

(a) ein leitender Kern oder Dorn mit einer äusseren Oberfläche komplementär zu der erhaltenen. Innenoberfläche des Rotorgehäuses gebildet wird,

(b) elektrolytisch ein dünner Überzug eines abnützungsbeständigen Kompositionsteilchenmaterials auf dem Kern abgeschieden wird,

(c) der Kern von dem Überzug getrennt wird, so dass der Überzug als unabhängige und ungetragene Auskleidung verbleibt, und

(d) diese Auskleidung über einen Zwillingskern gebracht wird und ein geschmolzenes Hetallmaterial hierum gegossen wird, so dass Auskleidung und Metallmaterial miteinander, legiert' und mechanisch miteinander verankert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1·, dadurch gekennzeichnet, dass das elektrolytisch abgeschiedene Material aus SiIiciumcarbidteilchen, die in einer Nickelgrundlage suspendiert sind, besteht.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenrauheit des Kernes vor der elektrolytischen Abscheidung im Bereich eines quadratischen Mittel-Rauhwertes von 8 bis 12. (r.TD.s.) liegt.

Ύ. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Kerne aus einem Material bestehen, von dem mindestens der äussere Rand im wesentlichen aus einem chromhaltigen Stahl besteht. .

5. Verfahren nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, dass der chromhaltige Stahl einen Chromgehalt im Bereich

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von 3 bis 25 % hat.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5» dadurch gekennzeichnet, dass die chromhaltigen Stahlkerne vor der elektrolytischen Abscheidung oder dem Guss passivierfr werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Passivierung durch Anwendung von siedendem Wasser unter Bildung eines Chromoxidüberzuges auf dem Kern durchgeführt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7? dadurch gekennzeichnet, dass das elektrolytisch abgeschiedene Material zu einer Stärke von 38Λ bis 635 V^ (15 bis 25 mils) abgeschieden wird, so dass eine zufriedenstellende Haftung bei den Betriebsbedingungen des Motors erreicht wird.

9· Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Porosität der mit dem Aluminiumguss verbundenen Auskleidung praktisch Null beträgt und die thermische Leitfähigkeit der-Auskleidung im Bereich von 7,6 bis 12,7 ucm/0,6° C (3,0 bis 5,0 micr6-inch/°F) liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch .gekennzeichnet, dass der Kern in der Längsrichtung verjüngt ist, um die Abtrennungsstufe in Verbindung mit der Passivierung zu erleichtern.'

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern entlang einer Achse parallel zur äusseren Oberfläche des zu überziehenden Kernes langgestreckt ist, und die bei der Abscheidung und Abtrennung erhaltene AuskJeidung dann zu engeren Auskleidungsbändern zur Anv.'endunc in einer Mehrzahl von Eormgusstufen geschlitzt wird.

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