DE10021148A1 - Production of wear resistant surfaces on components made of aluminum-silicon alloys comprises introducing thermal energy to the surfaces to be processed, and honing the surface in such a way that the silicon carbides are exposed - Google Patents

Production of wear resistant surfaces on components made of aluminum-silicon alloys comprises introducing thermal energy to the surfaces to be processed, and honing the surface in such a way that the silicon carbides are exposed

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Abstract

Production of wear resistant surfaces on components made of aluminum-silicon alloys comprises introducing thermal energy to the surfaces to be processed so that a silicon accumulation from the base matrix or a distribution and size of silicon carbide can be adjusted on the surface; and honing the surface in such a way that the silicon carbides are exposed. Preferred Features: The thermal energy is introduced inductively or by using a laser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von verschleißfesten Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an Bauteilen aus einer Al-Si-Legierung, insbesondere an Aluminium-Kurbelgehäusen, an übereutektischen Buchsen oder an übereutektischen Laufflächen von Aluminium- Kurbelgehäusen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a method for producing wear-resistant surfaces, in particular of cylinder running surfaces of reciprocating piston internal combustion engines, on components made of an Al-Si alloy, especially on aluminum crankcases hypereutectic bushings or on hypereutectic treads of aluminum Crankcases, according to the preamble of claim 1.

Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring- Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z. B. die Legierung AlSil7Cu4Mg, besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.The hypoeutectic aluminum-silicon alloys mainly used for cylinder crankcases are unsuitable for the tribological loading of the piston-piston ring-cylinder raceway system due to the low proportion of the wear-resistant silicon phase. Hypereutectic alloys, e.g. B. the alloy AlSil 7 Cu 4 Mg, have a sufficient proportion of silicon crystallites. This hard, wear-resistant structural component is highlighted by chemical and / or mechanical processing steps compared to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required wing portion. However, the castability, the poor machinability and the high cost of this alloy are disadvantageous compared to the hypoeutectic and nearutectic alloys.

Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z. B. Grauguß. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt. One way to circumvent this disadvantage is to cast bushings from wear-resistant material such. B. Gray cast iron. The problem here, however, is Connection between socket and casting, which is achieved solely by a mechanical Gearing is guaranteed. By using a porous ceramic Bushing material, it is possible to infiltrate this during the casting process and to one material connection to arrive. This is a slow mold filling as well Application of high pressure is required, which makes the process economical significantly reduced.  

Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen als galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend.Alternatively, sub- and near-eutectic alloys are called galvanic Coatings applied directly to the raceways. However, this is expensive and Insufficiently stable tribochemically. Another alternative is thermal Spray layers, which are also applied directly to the tread. The However, the adhesive strength of these layers is due to a sole micromechanical Insufficient brackets.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 39 22 378 A1, DE 196 43 029 A1 oder der EP 0 950 461 A2 bekannt. Hierbei wird üblicherweise ein zu bearbeitender Hohlkörper, welcher zylinderförmig mit einer rotationssymmetrischen Zylinderachse ausgebildet ist, mit einem Laserstrahl und einem Legierungspulver beaufschlagt. Der auf die Oberfläche des zu bearbeitenden Körpers fallende Laserstrahl erzeugt an der Zylinderwand im Bereich einer Kolbenlauffläche ein Schmelzbad, in welches hier vorzugsweise Silizium oder andere Hartstoffe eingebracht werden, um eine verschleißfeste, tribologisch geeignete Lauffläche zu erhalten. Ein derartiges Oberflächenveredeln mittels eines zusätzlichen aufgebrachten oder einlegierten Werkstoffes ist jedoch aufwendig.It has therefore already been proposed to remelt the surface modifications, Alloying, dispersing and coating using a laser, such as from DE 39 22 378 A1, DE 196 43 029 A1 or the EP 0 950 461 A2 is known. A hollow body to be machined is usually which is cylindrical with a rotationally symmetrical cylinder axis, with a laser beam and an alloy powder. The one on the surface of the body to be processed falling laser beam generated on the cylinder wall in Area of a piston running surface, a molten bath, in which here preferably silicon or other hard materials are introduced to make a wear-resistant, tribological to get a suitable tread. Such surface finishing by means of a additional applied or alloyed material is expensive.

Als einzige Alternative der Oberflächenveredelung bei übereutektischen Buchsen oder Aluminium-Kurbelgehäusen unter Vermeidung der Zuführung eines Zusatzwerkstoffes verbleibt bisher das Ätzen der Oberfläche, da durch die Si-Verteilung mit geringem Abstand und der geringen Si-Karbidgröße keine Honahle zwischen den Si-Karbiden zur Freilegung der Si-Karbide eingreifen können.As the only alternative to the surface finishing of hypereutectic bushings or Aluminum crankcases while avoiding the addition of a filler material So far, the etching of the surface remains, because of the low Si distribution Distance and the small Si carbide size no Honahle between the Si carbides Exposure of the Si carbides can intervene.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei die obengenannten Nachteile überwunden werden und die Oberfläche eines Bauteils aus einer Al-Si-Legierung ohne die Notwendigkeit der Zuführung eines Zusatzstoffes veredelt wird.The present invention has for its object a method of to provide the above type, the above disadvantages be overcome and the surface of a component made of an Al-Si alloy without the need to add an additive is refined.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a method of the above. Kind of with the in Characteristics characterized claim 1 solved. Advantageous embodiments of the Invention are specified in the dependent claims.

Dazu sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:
The following steps are provided for this purpose according to the invention:

  • a) Zuführen von thermischer Energie an die zu bearbeitende Oberfläche derart, daß sich an der Oberfläche eine Si-Anreicherung aus der Grundmatrix aufschwemmt sowie eine honbare Verteilung und Größe von Si-Karbid einstellt unda) supplying thermal energy to the surface to be processed such that Si enrichment is suspended on the surface from the basic matrix as well as honable distribution and size of Si carbide and
  • b) Honen der Oberfläche derart, daß die Si-Karbide gegenüber der Grundmatrix freigelegt werden.b) honing the surface in such a way that the Si carbides compared to the basic matrix be exposed.

Dies hat den Vorteil einer preiswerten Oberflächenveredelung bzw. Herstellung einer tribologisch geeigneten, verschleißfesten Oberfläche ohne die Notwendigkeit die Oberfläche zu Ätzen oder einen Zusatzwerkstoff auftragen oder einlegieren zu müssen.This has the advantage of an inexpensive surface refinement or manufacture of a tribologically suitable, wear-resistant surface without the need for To etch the surface or to apply or alloy an additional material.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird in Schritt (a) die thermische Energie induktiv oder mittels eines Lasers eingebracht.In a particularly preferred embodiment, the thermal Energy introduced inductively or by means of a laser.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung.Further features, advantages and advantageous configurations of the invention result from the dependent claims, as well as from the following description of the Invention.

Bei der Verwendung von Leichtmetall-Kurbelgehäusen, beispielsweise Aluminium- Kurbelgehäusen aus einer Aluminiumlegierung mit einem Si-Gehalt größer 8% oder Kurbelgehäusen mit eingesetzten Aluminium-Buchsen, die einen höheren Si-Gehalt aufweisen bis hin zur übereutektischen Aluminium-Buchse, wird erfindungsgemäß eine Oberflächenveredelung folgendermaßen ausgeführt. Der Oberfläche wird induktiv oder mittels eines Laserstrahls thermische Energie zugeführt, um die Si-Kristalle durch Wärmeeinbringung, beispielsweise durch Anschmelzen und Abkühlen, so in ihrer Größe und Verteilung zu beeinflussen, daß eine nachfolgende mechanische Bearbeitung, beispielsweise honen und nachträgliches freilegen der Si-Karbide erfolgen kann. Mit anderen Worten werden Zwischenräume zwischen den Si-Karbiden und die Si-Karbide selbst durch die Zuführung von thermischer Energie vergrößert.When using light metal crankcases, e.g. aluminum Crankcases made of an aluminum alloy with a Si content greater than 8% or Crankcases with inserted aluminum bushings, which have a higher Si content have up to the hypereutectic aluminum socket, according to the invention one Surface finishing carried out as follows. The surface becomes inductive or Thermal energy is supplied to the Si crystals by means of a laser beam Heat input, for example by melting and cooling, so in size and distribution to influence that subsequent mechanical processing, for example, honing and subsequent exposure of the Si carbides can take place. With in other words, gaps between the Si carbides and the Si carbides even enlarged by the supply of thermal energy.

Bei Aluminium-Materialen, bei denen an der Oberfläche kein hoher Si-Gehalt vorliegt, werden, begünstigt durch die geringe Masse des Si, durch das Einbringen der Wärme und durch das daraus resultierende Anlösen der Matrix Si-Karbide aus bzgl. der Oberfläche unteren Bereichen aufgeschwemmt und an der Oberfläche angereichert. Dadurch ist die Oberfläche im Gegensatz zu herkömmlichen übereutektischen Buchsen bzw. Kurbelgehäusen hon- und Si-freilegbar, so daß durch das auf die Wärmeeinbringung folgende Honen eine tribologisch geeignete und verschleißfest Oberfläche erzielt wird.For aluminum materials for which there is no high Si content on the surface, are favored by the low mass of Si, by the introduction of heat and by the resulting dissolution of the matrix Si carbides from the The lower parts of the surface are suspended and enriched on the surface. This makes the surface unlike conventional hypereutectic bushings  or crankcases hon- and Si-exposed, so that by the on Heat input following honing a tribologically suitable and wear-resistant Surface is achieved.

Die Si-Kristalle einer eingegossenen übereutektischen Aluminiumbuchse werden mittels induktiver Aufheizung oder mittels Laser durch den eingebrachten Wärmeeinfluß in ihrer Größe und Verteilung so verändert, daß eine nachfolgende mechanische Bearbeitung mittels Honen mit anschließendem Freilegen der Si-Karbide erfolgen kann. Bei diesem Umformprozeß werden die kleinen Si-Karbide vergrößert und die Abstände der Si- Karbide vergrößert, so daß die Honahle in die Zwischenräume der Si-Karbide kommt und diese gegenüber der Grundmatrix freilegen kann.The Si crystals of a cast-in hypereutectic aluminum bush are made using inductive heating or by laser due to the influence of heat in your Size and distribution changed so that subsequent mechanical processing by means of honing with subsequent exposure of the Si carbides. With this Forming process, the small Si carbides are enlarged and the spacing of the Si Carbide enlarged, so that the honahle comes into the spaces between the Si carbides and can expose it to the basic matrix.

Bei Aluminium-Kurbelgehäusen, bei denen der Si-Gehalt im Grundwerkstoff nicht so hoch ist, wird mittels der induktiven Aufheizung bzw. Laserbehandlung eine Si- Anreicherung an der Oberfläche erzielt, wobei durch die Wärmeeinwirkung Si-Karbide aus der Grundmatrix aufgeschwemmt werden. Dadurch entsteht eine mechanisch bearbeitbare, tribologisch geeignete und verschleißfeste Schicht (Grobkornbildung bei Wärmeeinfluß).For aluminum crankcases, where the Si content in the base material is not so is high, an inductive heating or laser treatment Enrichment on the surface achieved, with the action of heat Si carbides can be suspended from the basic matrix. This creates a mechanical workable, tribologically suitable and wear-resistant layer (coarse grain formation at Heat-affected).

Claims (2)

1. Verfahren zum Herstellen von verschleißfesten Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an Bauteilen aus einer Al- Si-Legierung, insbesondere an Aluminium-Kurbelgehäusen, an übereutektischen Buchsen oder an übereutektischen Laufflächen von Aluminium-Kurbelgehäusen, gekennzeichnet durch folgende Schritte,
  • a) Zuführen von thermischer Energie an die zu bearbeitende Oberfläche derart, daß sich an der Oberfläche eine Si-Anreicherung aus der Grundmatrix aufschwemmt sowie eine honbare Verteilung und Größe von Si-Karbid einstellt und
  • b) Honen der Oberfläche derart, daß die Si-Karbide gegenüber der Grundmatrix freigelegt werden.
1. A method for producing wear-resistant surfaces, in particular cylinder running surfaces of reciprocating piston internal combustion engines, on components made of an Al-Si alloy, in particular on aluminum crankcases, on hypereutectic bushings or on hypereutectic running surfaces of aluminum crankcases, characterized by the following steps,
  • a) supplying thermal energy to the surface to be machined in such a way that an Si enrichment is suspended on the surface from the basic matrix and an honable distribution and size of Si carbide is established and
  • b) honing the surface in such a way that the Si carbides are exposed relative to the basic matrix.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) die thermische Energie induktiv oder mittels eines Lasers eingebracht wird.2. The method according to claim 1, characterized in that in step (a) thermal energy is introduced inductively or by means of a laser.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE19650258A1 (en) * 1996-12-04 1998-06-10 Wendt Ulrich Priv Doz Dr Rer N Locally modifying material properties

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