DD298005B5

DD298005B5 - Vorrichtung zur Behandlung von Kolben aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DD298005B5
Application number: DD34137390A
Authority: DD
Inventors: Christophe Bommier; Philippe Gimenez; Gerard Laslaz
Original assignee: Pechiney Recherche
Priority date: 1989-06-07
Filing date: 1990-06-06
Publication date: 1994-07-07
Also published as: ES2044511T3; BR9002666A; DE69003456T2; IS3581A7; FI902832A0; JPH0394099A; FR2648187B1; AU622377B2; PT94280A; EP0402287A1; CA2018288A1; FR2648187A1; KR910001092A; NO902507L; ATE94917T1; JPH0514796B2; US5032244A; DE69003456D1; AU5680490A; EP0402287B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Behandlung von Kolben aus einer Aluminium-Legierung, die in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, durch anodische Oxidation.

Es ist bekannt, daß in Verbrennungsmotoren die Teile der Kolben, die sich in der Nähe der Verbrennungszone befinden, und insbesondere die Kolbenköpfe, in Kontakt mit den relativ heißen Gasen treten und daher starken thermischen Spannungen unterzogen werden, die insbesondere Verformungen oder Ausbildungen einer im Hinblick auf die einwandfreie Funktionsweise der Motore schädlichen metallurgischen Struktur hervorrufen können.

Um die Auswirkungen dieser Spannungen zu vermindern, insbesondere im Fall von Kolben aus einsr Aluminium-Legierung, ist dem Fachmann bekannt, daß er beispielsweise die Kolben durch elektrolytische oder anodische Oxidation in der Weise behandeln kann, daß deren Oberfläche eine Oxid-Schicht, eine sogenannte thermische Sperre entwickelt, die dann das Metall des Kolbens gegen die ungünstige Hitze-Einwirkung schützt.

Diese anodische Oxidation wird in klassischer Art und Weise durch Eintauchen des Kolbens in ein Elektrolytbad und Durchleiten eines elektrischen Wechsel- oder Gleichstromes zwischen dem genannten Bad und dem Kolben erreicht, wobei im Fall von Gleichstrom der Kolben die Anode ist.

Da es vor allem der Bereich des Kolbenkopfes ist, der geschützt werden soll, erscheint es unnütz und nicht ökonomisch, die anodische Oxidation des gesamen Kolbens vorzunehmen, zumal dieser Arbeitsgang für den Zustand verschiedener anderer Flächen des genannten Kolbens durchaus schädlich sein kann. Daher bringt man vor der anodischen Oxidation im allgemeinen Aussparungen oder Masken aus Wachs oder einem polymeren Material auf dem Kolben an den Stellen an, wo man die Oberfläche in ihrem ursprünglichen Zustand erhalten will.

Diese Praxis erfordert eine zusätzliche Handarbeit, die zuerst im Anbringen der Masken und anschließend in ihrem Entfernen entweder durch Auflösen oder andere Mittel besteht, was somit zur Erhöhung der gesamten Dauer der Behandlung und ihrer Kosten führt.

Damit die Oxidschicht ihre Rolle als thermische Sperre mit ausreichender Wirksamkeit spielen kann, muß ihre Stärke mindestens 50pm betragen und dabei führt die anodische Oxidation zwangsläufig zur Einrichtung hoher Anode-Katode-Spannungen. Unter diesen Bedingungen riskiert man die Beschädigung der Schicht durch Einbrenn-Erscheinungen, das bedeutet eine beschleunigte und lokalisierte Auflösung der Schicht unter der Einwirkung erhöhter Stromdichte-Konzentrationen an einigen Punkten, was wiederum erhebliche lokale Temperatursteigerungen mit sich bringt. Zur Vermeidung dieser Risiken muß man sich auf die Anwendung von Stromdichten unterhalb 10A/dm² beschränken und demzufolge eine Verlängerung der Behandlungsdauer jensaits von 30 Minuten in Kauf nehmen, um eine geeignete Stärke der Oxidschicht zu erhalten.

Es ist außerdem notwendig, daß diese Schicht eine gute thermische Ermüdungsfestigkeit aufweist und daß sie genügend hart ist, um bei der Arbeitsweise des Kolbens nicht zu zerbröckeln. Um diese Ergebnisse zu erreichen, ist es bekannt, nach der anodischen Oxidation gewisse Behandlungen, z. B. eine Kompression der Schicht, vorzunehmen, wie es beispielsweise in dem französischen Patent 2 354 450 beansprucht wird.

In Kenntnis der Probleme, die die Herstellung von Kolben mit geeigneten thermischen Sperrschichten mit sich bringt, hat die Anmelderin gesucht und eine Lösung gefunden, die sowohl die Anwendung von Masken als auch die verlängerte Dauer der Oxidations-Behandlung vermeidet, und die der Oxidschicht die erforderlichen Eigenschaften verle'hi, ohne andere Verfahren als die eigentliche anodische Oxidation anwenden zu müssen.

Diese Lösung besteht darin, eine Vorrichtung zur Behandlung von Kolben aus einer Aluminium-Legierung, die in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, durch anodiäche Oxidation zur Verfügung zu stellen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die seitliche zylindrische Oberfläche des genannten Kolbens mit dem Plus-Pol einer Gleichstrom-Quelle durc'.i mindestens zwei symmetrisch an die genannte Oberfläche angelegte Teile verbunden ist, daß sie längs einer Linie, die in der Nähe des Kolbenkopfes verläuft, mit einem Abweiser aus elektrisch isolierendem Material ausgestattet ist, dessen Randfläche nach unten hin gekrümmt ist und dessen sich bei dem Kolbenkopf befindende Oberfläche gegenüber einer mit dem Minus-Pol der Stromquelle verbundenen Elektrode angeordnet ist, die ihrerseits mit mindestens einer Öffnung versehen ist, die die Passage eines geregelten Elektrolyt-Flusses für die anodische Oxidation gewährleistet, der zum Kolbenkopf hi veriäurt und dessen Oberfläche gegenüber der genannten Elektrode wiederum mit einem flexiblen Ansatzstück ausgerüstet ist, das sich an der Oberfläche des Kolbens abstützt.

Bei dieser Erfindung ist der Kolben daher mit dem Plus-Pol ein6. Oloichstrom-Quella durch mindestens zwei symmetrisch in bezug auf die Achse des Kolbens gegen seine seitliche Oberfläche angelegte Teile verbunden, so daß eine gute Verteilung des Stromes und eine homogene Oxidschicht erhalten werden.

Die seitliche Oberfläche des Kolbens ist mit einem flachen, vorzugsweise kreisförmigen Abweiser ausgestattet, dessen Randfläche nach unten hin gemäß einem an die Strömung des Elektrolyten angepaßten Profil gekrümmt ist. Dieser Abweiser stützt sich längs einer Linie des Kolbens, die so nah als möglich am Kolbenkopf liegt, von diesem ab und hat die Funktion, eine Abschirmung für den nach oben zum Kolben hin strömenden Elektrolyten zu bilden, um auf diese Weise die Wirkung der anodischen Oxidation fast ausschließlich auf den Kolbenkopf zu beschränken.

Da es nicht einfach ist, eine vollständige Abdichtung zwischen dem Abweiser und der seitlichen Oberfläche des Kolbens sowie deren Verschiebung im Bereich des Kolbenkopfes zu erreichen, ist es vorteilhaft, ihn mit einem Dichtungsstück auszustatten, das sich auf der genannten Oberfläche bis zum Bereich des Kopfes hin abstützt.

Das für die Herstellung dieses Abweisers verwendete Material kann jedes elektrisch isolierende Material sein, das in geeigneter Weise geformt werden kann.

Gegenüber der Oberfläche dieses Abweisers ist beim Kolbenkopf eine vorzugsweise kreisförmige Elektrode angeordnet, deren Randfläche leicht nach unten hin gekrümmt ist. Diese Elektrode ist mit dem Minus-Pol der genannten Stromquelle verbunden und vorzugsweise in ihrer Mitte durch mindestens eine Öffnung durchbohrt.

Durch diese Öffnung strömt der geregelte Fluß eines Elektrolyten, der durch ein Speise-Rohrleitungssystem geführt wird und der den Kolbenkopf umspült und ihn anodisch oxidiert, bevor er durch den zwischen dem Abweiser und der Elektrode existierenden ringförmigen Raum in eine Richtung entweichen kann, die sich dem Profil der Speisung, gegebenenfalls nach der Abkühlung, genau anpaßt. Die Regulierung des Elektrolyt-Flusses kann durch alle bekannten Mittel, wie eine volumetrische Pumpe oder ein Speisungs-System unter konstantem hydrostatischen Druck, vorgenommen werden.

Es ist offensichtlich, daß alle in Kontakt mit dem Elektrolyten stehenden Leitungen aus einem gegenüber diesem chemisch inerten Mateiial gefertigt werden.

Eine derartige Vorrichtung ermöglicht es, die weiter oben genannten Nachteile zu vermeiden. Tatsächlich wird einerseits im Hinblick auf die Anwesenheit des Abweisers und negebenenfalls des Dichtungsstückes nur der Kopf des Kolbens anodisch oxidiert und es besteht daher keinerlei Bedarf, Masken oder Aussparungen zu verwenden.

Andererseits ermöglicht die Passage eines geregelten Elektrolyt-Flusses zum Kopf hin, ein hydrodynamisches Regime zu errichten, das an die Dimensionen der zu behandelnden Oberfläche angepaßt ist und eine große Wärmeableitgeschwindigkeit sichert, so daß man die Stromdichte der anodischen Oxidation beträchtlich erhöhen kann, ohne „Einbronner" hervorzurufen.

Außerdem dient praktisch die gesamte Masse des Kolbens, die sich an der freien Luft befindet, als Zerstreuer für die Wärme und trägt ebenfalls zu der Möglichkeit bei, hohe Stromdichten anwenden zu können.

Eine derartige Vorrichtung führt außerdem zur Ausbildung von Oxidschichten größerer Stärke, die 70 μσι überschreiten können, in weniger als 5 Minuten, und diese Schichten besitzen von Natur aus, das heißt, ohne nachträgliche Behandlung, geeignete Härte und Wärmefestigkeit.

Die Erfindung wird besser mit Hilfe der anliegenden Zeichnung verstanden, die die Vorrichtung im vertikalen axialen Schnitt darstellt.

Man erkennt darin einen Kolben 1, an dessen seitlicher Wandung mit Hilfe der Schrauben 2 die mit derr Plus-Pol einer nicht dargestellten Quelle verbundene Stromspeisung 3 befestigt ist. Diase Stromspeisung ist innig mit dem Abweiser 4 verbunden, der mit einem flexiblen Ansatzstück 5 ausgerüstet ist. Gegenüber des anodisch zu oxidierenden Kopfes 6 ist eine E ektrode 7 angeordnet, die in iher Mitte mit mehreren Öffnungen 8 versehen ist, durch die der Fluß des Elektrolyten 9 strömt, ier übet das Rohrleitungssystem 10 herangeführt wird, das seinerseits wiederum mit nicht dargestellten Antriebsmitteln verb'j iden ist, die eine geregelte Speisung gewährleisten.

Die Erfindung kann mit Hilfe des folgenden Anwendungsbeispieles veranschaulicht werden:

An der seitlichen Wandung eines Kolbens aus einer Aluminium-Legierung vom Typ AS 12UN (d.h., daß sie in Gewichtsteilen etwa 12% Silicium, 1 % Kupfer und 1 % Nickel als hauptsächliche Zusatz-Elemente enthält) wurde eine mit dem Plus-Pol einer Stromquelle verbundene Gleichstrom-Speisung befestigt. Diese Speisung war innig mit einem sich an die Wandung des Kolbens anpassenden Abweiser verbunden. Eine Titan-Elektrode mit Löchern wurde im Abstand von 5 cm von dem Kolbenkopf angeordnet und mit einer Rohrleitung verbunden, in der der Elektrolyt zirkulierte, der 180g/l HjSO₄ von 5"C enthielt. Dann wurde eine Stromdichte vor. ""A/dm² drei Minuten lang angewendet und eine Oxidschicht mit einer Stärke von 65 pm erhalten, wobei keinerlei Spuren von Einbrennern auftraten. Daher wurden verschiedene Messungen an dem Kolben durchgeführt. Es wurde zuerst festgestellt, daß die Schicht eins Harte zwishen 200 und 300HV besaß. Dieser Kolben wurde anschließend thermischen Ermüdungsversuchen unterzogen, deren Zyklus nachstehend gezeigt wird:

- Durchlauf von -20⁰C bis 35O⁰C innerhalb von 15s

- Abkühlung an der Luft, 15s

- Abkühlung in Wasser, 15s

- Trocknungander Luft, 15s.

Die Versuche wurden bis zu 6000 Zyklen geführt. Nach 1000 Zyklen erschien eine leichte Porosität. Aber erst nach 5000 Zyklen begann die Schicht leicht zu verwittern. Risse erschienen nach 6000 Zyklen, aber ihre Tiefe war geringer (0,5mm) als bei konventionellen Verfahren.

Um die Härte der Schicht zu erhöhen, wurden Versuche unter den gleichen Bedingungen durchgeführt und mit der gleichen Vorrichtung wie zuvor, aber mit einem Elektrolyten der folgenden Zusammensetzung bei einer Temperatur von 0⁰C:

H₂SO₄ 180 g/l

H₂C₂O₄ (Oxalsäure) 10g/l

Nach der anodischen Oxidation mit dergleichen Stromdichte wurde innerhalb von weniger als 5 Minuten eine Schicht erhalten, deren Stärke mehr als 60 pm betrug. Ihre Wärmefestigkeit war vergleichbar mit der des vorstehenden Beispiels. Die Härte war jedoch größer als 400HV, das ist ein Wert, der als ausreichend für die vorgesehene Anwendung erachtet wird.

Claims

Vorrichtung zur Behandlung von Kolben (1) aus einer Aluminium-Legierung, die in Verbrennungsmotoren eingesetzt werden, durch anodische Oxidation, dadurch gekennzeichnet, daß die seitliche zylindrische Oberfläche des genannten Kolbens mit dem Plus-Pol (3) einer Gleichstrom-Quelle durch mindestens zwei symmetrisch an die genannte Oberfläche angelegte Teile verbunden ist, daß sie längs einer Linie, die in der Nähe des Kolbenkopfes verläuft, mit einem Abweiser (4) aus elektrisch isolierendem Material ausgestattet ist, dessen Randfläche nach unten hin gekrümmt ist und dessen sich bei dem Kolbenkopf befindende Oberfläche gegenüber einer mit dem Minus-Pol der Stromquelle verbundenen Elektrode (7) angeordnet ist, die ihrerseits mit mindestens einer Öffnung (8) versehen ist, die die Passage eines geregelten Elektrolyt-Flusses (9) für die anodische Oxidation gewährleistet, der zum Kolbenkopf hin verläuft und dessen Oberfläche gegenüber der genannten Elektrode wiederum mit einem flexiblen Ansatzstück (5) ausgerüstet ist, das sich an der Oberfläche des Kolbens abstützt.

Hierzu 1 Seite Zeichnung