DE10022657A1

DE10022657A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung, Gleitelement und Kolben

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Publication number: DE10022657A1
Application number: DE10022657A
Authority: DE
Inventors: Masaya Nomura; Yoshinobu Ozaki
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1999-04-28
Filing date: 2000-04-28
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2020-04-29
Also published as: CN1283834C; US6951691B2; CN1273281A; US6569537B1; US20040081837A1; DE10022657B4; US6607609B2; CN1195892C; US20030077464A1; CN1548791A; CN1594652A; CN1303249C

Abstract

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit den Schritten der Herstellung einer eine spezifische Ammoniumverbindung oder wäßrigen Ammoniak und Magnesiumsilikofluorid enthaltenden Behandlungslösung, der Erhitzung der Behandlungslösung auf eine Temperatur von 70 bis 100 DEG C und des Einweichens des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in der Behandlungslösung; auf einen Kolben, dessen Oberfläche mit einem Film aus einem Gemisch von NH¶4¶MgAlF¶6¶ und MgAlF¶5¶ È 1,5 H¶2¶O oder einem Gemisch von NH¶4¶MgAlF¶6¶ und MgAl¶2¶F¶8¶ È 2H¶2¶O beschichtet ist; und auf ein aus Aluminium oder einem ähnlichen Werkstoff bestehendes Gleitelement, dessen Gleitfläche mit einem aus einem der vorgenannten Gemische bestehenden Film beschichtet ist, der eine kubische kristalline Struktur hat und keine kristalline Ausrichtung aufweist. DOLLAR A Die vorliegende Erfindung kann ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung zur Verfügung stellen, das mit einfachen Ausrüstungen durchführbar ist, zur Senkung der Behandlungskosten führen kann und ein Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung mit hervorragender Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit und anderen Eigenschaften, sowie Gleitelemente mit hervorragender Abriebfestigkeit und anderen Eigenschaften bereitstellen kann.

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Alumi nium oder Aluminiumlegierung und auf mit Hilfe des Verfahrens beschichtete Kolben sowie auf einen Oberflächenfilm für Aluminium oder Aluminiumlegierung und auf Gleitelemente mit einer damit beschichteten Gleitfläche.

Im besonderen bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren zur Oberflächenbe handlung, das mit einfachen Ausrüstungen durchführbar ist, die Behandlungskosten senkt und dem Aluminium bzw. der Aluminiumlegierung eine hervorragende Abriebfestigkeit, Kor rosionsbeständigkeit sowie andere Eigenschaften verleiht, sowie auf Kolben, die eine nach diesem Verfahren durchgeführte Oberflächenbehandlung erhielten. Sie bezieht sich weiter hin auf einen Oberflächenfilm, der für den Einsatz auf den Gleitflächen von Verbrennungs motoren geeignet ist und sich durch hervorragende Abriebfestigkeit und Anfangsge brauchsfähigkeit und ausgezeichnetes Ölhaltevermögen sowie andere Eigenschaften aus zeichnet, und auf mit diesem Gleitfilm beschichtete Gleitelemente.

Die bisher herkömmlich angewandte Behandlung mit Alumite ist ein Verfahren zur an odischen Oxidation von Aluminium im Säurebad mit dem Ziel der Herstellung eines harten Aluminiumoxidfilmes auf der Aluminiumoberfläche. Dieses Verfahren hat jedoch den Nach teil, daß Geräte für die Stromversorgung benötigt werden, und daß ein beträchtlicher Ko stenaufwand infolge der langsamen Filmbildung erforderlich ist.

Andererseits wird die Wand eines Kolbens aus Aluminium oder Aluminiumlegierung als Teil eines Verbrennungsmotors verzinnt. Obwohl mit dem Zinnfilm eine gute Anfangsge brauchsfähigkeit erzielt wird, kann eine Wirkung im Sinne einer Verbesserung der Abriebfe stigkeit nicht erwartet werden.

In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme der herkömmlichen Verfahren zur Oberflächenbehandlung wurden von den Erfindern umfangreiche Untersuchungen mit dem Ziel der Entwicklung eines Verfahrens zur Oberflächenbehandlung durchgeführt, das mit einfachen Geräten ausführbar ist und mit Hilfe dessen die Behandlungskosten gesenkt und ein gleichmäßiger Film mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit, Abriebfestigkeit und anderen Eigenschaften hergestellt werden kann, sowie der Entwicklung von nach diesem Verfahren oberflächenbehandelten Gleitelementen.

Im Ergebnis der Untersuchungen stellten die Erfinder fest, daß die oben beschriebe nen Probleme durch ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung gelöst werden können, das die Schritte der Bereitstellung einer Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und eine spezi elle Ammoniumverbindung oder ähnliche Verbindung enthaltenden Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung), der Erhitzung dieser Behandlungslösung auf eine Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C und des Einweichens des Aluminiums oder der Aluminiumlegie rung in dieser Behandlungslösung umfaßt.

Weiterhin wurde festgestellt, daß die oben beschriebenen Probleme auch durch die Beschichtung der gesamten Oberfläche eines Gleitelements oder von dessen Gleitfläche mit einem spezifischen Film aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder ei nem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O gelöst werden können.

Weiterhin wurde festgestellt, daß die oben beschriebenen Probleme zum Beispiel auch durch die Herstellung eines spezifischen, aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Filmes auf der Oberfläche von Aluminium oder Aluminiumlegierung und darin dispergierten Siliziumteil chen gelöst werden kann. Die vorliegende Erfindung wurde aus dieser Sicht realisiert.

Demzufolge wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfah ren zur Oberflächenbehandlung bereitgestellt, das die Schritte der Herstellung einer Be handlungslösung, die eine Ammoniumverbindung, d. h. entweder Ammoniumborfluorid oder Ammoniumchlorid, oder wäßriges Ammoniak und Magnesiumsilikofluorid (MgSiF6 . 6H₂O) enthält, der Erhitzung der Behandlungslösung auf eine Temperatur im Bereich 70 bis 100°C und des Einweichens des Aluminiums oder Aluminiumlegierungen in der Behandlungslösung umfaßt. In diesem Verfahren zur Oberflächenbehandlung enthält die vorgenannte Behand lungslösung vorzugsweise 0,1 bis 20 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid und die als Ammonium (NH₄) dargestellten 0,1 bis 10 Gewichtsanteile der Ammoniumverbindung oder des wäßrigen Ammoniaks. Die bei dieser Erfindung angewandte Ammoniumverbindung be steht vorzugsweise in einer Verbindung, die eine Löslichkeit von mindestens 1 g/l in Wasser besitzt und im gelösten Zustand in der Lage ist, der Lösung Ammoniumionen (NH₄ ⁺) zuzu führen. In diesem spezifischen Falle wird Ammoniumborfluorid (NH₄BF₄) oder Ammonium chlorid (NH₄Cl) verwendet.

Weiterhin wird durch die vorliegende Erfindung ein Kolben bereitgestellt, der einer Oberflächenbehandlung nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Oberflächenbehand lung unterzogen wurde.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kolben bereitge stellt, dessen Oberfläche mit einem aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Film be schichtet wird, wobei vorzugsweise die gesamte Oberfläche des Kolbens einschließlich Kol benringnuten, Kolbenbolzennabe, Wand, Kolbenkopf und Kolbeninnenfläche mit dem Film beschichtet wird. Bei diesem Kolben liegt die Schichtdicke des Filmes vorzugsweise im Be reich 1 bis 20 µm.

Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Gleitelement aus einem aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Grundmetall bereitgestellt, wo bei die gesamte Oberfläche des Gleitelements oder dessen Gleitfläche mit einem Film aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O beschichtet ist, eine kubische Kristallstruktur hat und keine kristalline Ausrichtung aufweist.

Weiterhin wird ein Gleitelement bereitgestellt, dessen gesamte Oberfläche oder des sen Gleitfläche mit einem Film einer Dicke von 1 bis 20 µm beschichtet ist und aus einer Vielzahl von Haufwerken mit einer Größe von 1 bis 20 µm besteht, wobei jedes Haufwerk durch Mikrokristalle mit einer Größe von 1 µm oder kleiner gebildet wird.

Gemäß einem vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Film zur Oberflä chenbehandlung von Aluminiumlegierungen bereitgestellt, der auf der Oberfläche von Alu minium oder Aluminiumlegierung gebildet wird sowie aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O besteht und in dem Siliziumteilchen dispergiert sind, wobei der Anteil der im Film dispergierten Silizium teilchen im Bereich von 1 bis 24 Gew.-% und vorzugsweise 6 bis 24 Gew.-% und der Anteil von Silizium in der Aluminiumlegierung im Bereich 4 bis 24 Gew.-% und 7 bis 24 Gew.-% liegt.

Die Erfindung soll an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert werden. In den Zeichnungen zeigen:

Bild 1 ist eine schematische Darstellung eines Kolbens gemäß der vorliegenden Erfin dung;

Bild 2 ist eine schematische Ansicht eines Oberflächenbehandlungsfilmes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Bild 3 ist eine schematische Ansicht eines Oberflächenbehandlungsfilmes gemäß der vorliegenden Erfindung;

Bild 4 ist eine schematische Ansicht des Querschnittes eines Filmes;

Bild 5 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines mit der Behandlungslösung 1 des Bei spiels 1 erzeugten Filmes;

Bild 6 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines mit der Behandlungslösung 2 des Bei spiels 1 erzeugten Filmes;

Bild 7 ist ein Diagramm mit Darstellung der Querschnittsformen der in den Abriebver suchen festgestellten Kratzspuren;

Bild 8 ist eine grafische Darstellung des in den Abriebversuchen festgestellten Ver schleißausmaßes;

Bild 9 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines mit der Behandlungslösung 1 des Beispiels 1 erzeugten Filmes;

Bild 10 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme eines mit der Behandlungslösung 2 des Beispiels 1 erzeugten Filmes;

Bild 11 ist eine Mikroaufnahme eines Querschnittes eines mit der Behandlungslösung 1 des Beispiels 1 erzeugten Filmes;

Bild 12 ist eine Mikroaufnahme eines Querschnittes eines mit der Behandlungslösung 2 des Beispiels 1 erzeugten Filmes;

Bild 13 ist eine grafische Darstellung der Ergebnisse der in Beispiel 5 durchgeführten Abriebfestigkeitsversuche;

Bild 14 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines mit der Behandlungslösung 3 des Beispiels 6 erzeugten Filmes;

Bild 15 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines mit der Behandlungslösung 4 des Beispiels 7 erzeugten Filmes; und

Bild 16 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm eines mit der Behandlungslösung 5 des Beispiels 8 erzeugten Filmes.

Die in diesen Bildern angegebenen Bezugszahlen haben folgende Bedeutung: 1 - Kol ben; 2 - Grundmetall; 3 - Film; 4 - Ringnut; 5 - Kolbenwand; 6 - Bolzenbohrung; 7 - Mikrokri stall; 8 - Haufwerk von Mikrokristallen; 9 - Silizium; 10 - Aluminiumlegierung; 11 - Film auf Aluminiumoberfläche.

Zunächst wird nachstehend das Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt die Schritte der Bereitstellung einer Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und eine spezielle Ammoniumverbindung oder wäßrigen Ammoniak enthaltenden Behandlungslö sung, der Erhitzung dieser Behandlungslösung auf eine Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C und des Einweichens des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in dieser Be handlungslösung.

Die in der vorliegenden Erfindung angewandte Ammoniumverbindung besteht vor zugsweise aus einer Verbindung mit einer Löslichkeit von mindestens 1 g/l in Wasser und ist im gelösten Zustand in der Lage, der Lösung Ammoniumionen (NH₄ ⁺) zuzuführen. In diesem spezifischen Falle wird Ammoniumborfluorid oder Ammoniumchlorid verwendet. Das wäßri ge Ammoniak kann in normaler Konzentration verwendet werden.

Die in der vorliegenden Erfindung verwendete Behandlungslösung enthält vorzugswei se 0,1 bis 20 Gewichtsanteile und am günstigsten 0,2 bis 15 Gewichtsanteile Magnesiumsili kofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und 0,01 bis 10 als Ammonium (NH₄) dargestellte Gewichtsanteile und am günstigsten 0,02 bis 5 Gewichtsanteile der vorgenannten Ammoniumverbindung oder einer ähnlichen Verbindung pro 100 Gewichtsanteile Wasser. Diese Behandlungslö sung gestattet die Herstellung eines Filmes mit einer höheren Einheitlichkeit, Abriebfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf der Oberfläche von Aluminium oder Aluminiumlegierungen.

Wenn der Gehalt an Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) weniger als 0,1 Ge wichtsanteile beträgt oder wenn der als Ammonium (NH₄) dargestellte Gehalt an Ammoni umverbindung oder einer ähnlichen Verbindung in der in der vorliegenden Erfindung ver wendeten Behandlungslösung unter 0,01 Gewichtsanteilen liegt, wird die Reaktion verzögert und die Behandlungszeit übermäßig verlängert.

Wenn andererseits der Gehalt an Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) höher als 20 Gewichtsanteile ist oder wenn der als Ammonium (NH₄) dargestellte Gehalt an Ammonium verbindung oder einer ähnlichen Verbindung größer als 10 Gewichtsanteile ist, kann dies die Auflösung der Verbindung erschweren.

Der gemäß der vorliegenden Erfindung auf seiner Oberfläche zu beschichtende Werk stoff ist Aluminium oder Aluminiumlegierung. Spezifische Beispiele sind unter anderen reines Aluminium, Flachaluminiumwerkstoffe, Aluminiumgußwerkstoffe und Aluminiumdruckguß werkstoffe. Die vorliegende Erfindung kann bei allen vorgenannten Werkstoffen angewandt werden und bewirkt im Ergebnis der Oberflächenbehandlung die Verbesserung der Abrieb festigkeit, Korrosionsbeständigkeit und anderer Eigenschaften.

Die Vorbehandlung eines für die Oberflächenbehandlung vorgesehenen Werkstoffes kann einfach durch Beseitigung der anhaftenden Verunreinigungen (z. B. Öl) erfolgen. Die Oberflächenbehandlung kann jedoch erfolgen, nachdem der Werkstoff einem alkalischen Ätzprozeß mit Natriumhydroxid oder einer ähnlichen Substanz und einer sauren Reinigung unterzogen wurde.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird das für die Oberflächenbehandlung vorgese hene Aluminium oder die Aluminiumlegierung in der vorgenannten Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung) eingeweicht.

Die Temperatur der Behandlungslösung, in der das Aluminium oder die Aluminiumle gierung eingeweicht wird, liegt gewöhnlich im Bereich 70 bis 100°C, vorzugsweise 75 bis 99°C und am günstigsten 80 bis 98°C. Wenn die Temperatur der Behandlungslösung niedriger als 70°C ist, wird die Reaktion verzögert und die Behandlungszeit übermäßig verlängert.

Wenn andererseits die Temperatur der Behandlungslösung über 100°C liegt, führt dies zu einer erhöhten Verdampfung von Behandlungslösung.

In bezug auf die Behandlungszeit reicht es für die Zwecke der Oberflächenbehandlung aus, den Werkstoff für einen Zeitraum von etwa 2 Minuten in der Behandlungslösung einzu weichen, da die filmbildende Reaktion in einer Zeit von etwa 1 Minute abgeschlossen ist. Man muß davon ausgehen, daß der Werkstoff nach erfolgter Filmbildung problemlos noch für weitere 30 Minuten oder mehr in der Behandlungslösung eingeweicht verbleiben kann, da dieser Film eine Schutzwirkung hat.

Der nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung auf Aluminium oder einem ähnlichen Werkstoff gebildete Oberflä chenfilm hat eine Schutzwirkung und führt somit zu einer Verbesserung der Korrosionsbe ständigkeit des Werkstoffes auf Aluminiumbasis. Weiterhin besitzt der so gebildete Oberflä chenfilm eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit.

Da andererseits das Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung keine Geräte zur Stromversorgung benötigt, führt dies zu einer Vereinfachung der mechanischen Einrichtung und ist aus diesem Grunde aus der Sicht des Kostenaufwandes sehr vorteilhaft. Außerdem ermöglicht das Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Oberflächenbehand lung eine schnellere Filmbildung auf der Oberfläche des Aluminiums oder ähnlicher Werk stoffe und hat somit eine höhere Produktivität.

Im folgenden wird der Kolben entsprechend dem zweiten Aspekt der vorliegenden Er findung beschrieben.

Der Kolben der vorliegenden Erfindung wurde einer Oberflächenbehandlung gemäß einem Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit den Schritten der Bereitstellung einer Ma gnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und die vorgenannte spezielle Ammoniumverbindung oder ähnliche Verbindung enthaltenden Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung), der Erhitzung dieser Behandlungslösung auf eine Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C und des Einweichens des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in dieser Behandlungslösung unterzogen. In diesem Verfahren enthält die vorgenannte Behandlungslösung vorzugsweise 0,1 bis 20 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und die als Ammonium (NH₄) dargestellten 0,1 bis 10 Gewichtsanteile der vorgenannten Ammoniumverbindung pro 100 Gewichtsanteile Wasser.

Vor der Erzeugung eines Filmes gemäß dem oben beschriebenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung wird der Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem orga nischen Lösungsmittel, einem Entfettungsmittel und ähnlichen Mitteln gereinigt. Die vorlie gende Erfindung kann für eine breite Palette von normalen Motorkolben aus Aluminiumlegie rung eingesetzt werden.

Der gereinigte Motorkolben wird nach dem oben beschriebenen Verfahren zur Ober flächenbehandlung in der Behandlungslösung eingeweicht. Dadurch wird auf der Oberfläche des Kolbens ein Film aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O gebildet. Bei dieser Behandlung wird ein Ge misch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O in einer solchen Weise aufgetragen, daß in dem Falle, daß die bereitge stellte Menge an Ammonium (NH₄) für die Filmbildung allein aus NH₄MgAlF₈ nicht ausrei chend ist, MgAlF₅ . 1,5H₂O oder MgAl₂F₈ . 2H₂O durch Zumischung zu NH₄MgAlF₆ auskri stallisiert. Während dieses Prozesses kann es zur teilweisen Bildung eines Filmes nur aus NH₄MgAlF₆ kommen. Beide vorgenannte Filme besitzen eine ausgezeichnete Abriebfestig keit.

In bezug auf die Behandlungszeit reicht es für die Zwecke der Oberflächenbehandlung aus, den Kolben für einen Zeitraum von etwa 2 Minuten und vorzugsweise 2 bis 10 Minuten in der Behandlungslösung einzuweichen, da die filmbildende Reaktion ähnlich wie in dem oben beschriebenen Verfahren zur Oberflächenbehandlung in einer Zeit von etwa 1 Minute abgeschlossen ist. Man muß davon ausgehen, daß der Werkstoff nach erfolgter Filmbildung problemlos noch für weitere 30 Minuten oder mehr in der Behandlungslösung eingeweicht verbleiben kann, da dieser Film eine Schutzwirkung hat.

An dem Kolben gemäß der in vorstehend beschriebener Art und Weise realisierten Erfindung wird die Oberfläche mit einem Film aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O sowie wahlweise mit einem nur aus NH₄MgAlF₆ bestehenden Film beschichtet, wobei sich diese Oberfläche durch hervorragende Oberflächeneigenschaften auszeichnet. Mit diesem Film lassen sich günstige Wirkungen erzielen, selbst wenn er auf den verschiedenen Teilen des Kolbens wie Kolbenringnuten, Kolbenbolzennabe, Kolbenwand, Kolbenkopf und alle Seitenflächen gebil det wird. Es ist jedoch vorzugsweise anzustreben, daß die gesamte Oberfläche des Kolbens einschließlich dieser Teile mit dem Film überzogen wird.

Der vorstehend beschriebene Kolben gemäß der vorliegenden Erfindung ist nicht so weich wie herkömmliche Kolben, die zum Beispiel verzinnt wurden, hat aber eine hervorra gende Abriebfestigkeit und sehr gute Standfestigkeit.

Im folgenden wird das Gleitelement gemäß dem dritten Aspekt der vorliegenden Erfin dung beschrieben.

Das Gleitelement gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Grundmetall gefertigt, und die gesamte Oberfläche des Gleitelements oder dessen Gleitfläche wird mit einem Film aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O beschichtet, hat eine kubische Kristallstruktur und weist keine kristalline Ausrichtung auf weist. Jeder der vorstehend genannten Filme hat eine hervorragende Abriebfestigkeit, wobei der Film auch nur aus NH₄MgAlF₆ bestehen kann.

Weiterhin ist das erfindungsgemäße Gleitelement so gestaltet, daß die gesamte Ober fläche des Gleitelements oder dessen Gleitfläche mit einem Film einer Dicke von 1 bis 20 µm beschichtet ist und aus einer Vielzahl von Haufwerken mit einer Größe von 1 bis 20 µm besteht, wobei jedes Haufwerk durch Mikrokristalle mit einer Größe von 1 µm oder kleiner gebildet wird.

Dieses Gleitelement wird nachstehend unter Bezugnahme auf Bild 1 näher beschrie ben.

Unter Bezugnahme auf Bild 1 wird ein Kolben 1 für den Einsatz als Gleitelement in einem Verbrennungsmotor aus einem aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Grund metall 2 gefertigt. Die Oberfläche des Grundmetalls wird mit einem Film 3 zur Verbesserung ihrer Gleiteigenschaften beschichtet. Die Wand 5 des Kolbens gleitet entlang der Innenwand einer das Gegenelement bildenden Zylinderbohrung, die Ringnuten 4 gleiten an den Kolben ringen, und die Bolzenbohrung 6 gleitet entlang eines Kolbenbolzens.

Beispielhaft wird eine Legierung Al-Si-Cu-Ni-Mg oder eine ähnliche Legierung als Grundmetall 2 eingesetzt. Spezifische Beispiele der Legierung umfassen AC8A, AC8B, AC9A und AC9B.

Der Film 3 wird auf der Oberfläche des Kolbens 1 gebildet, indem der Kolben 1 einer Behandlung zur chemischen Umwandlung unterzogen wird. Dieser Film 3 kann in einer aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O gebildeten Schicht bestehen. Wahlweise kann dieser Film 3 durch eine nur aus NH₄MgAlF₆ bestehenden Schicht gebildet werden. Selbst wenn der Film 3 eine der genannten Zusammensetzungen hat, besitzt er eine kubische Kristallstruktur und weist keine kristalline Ausrichtung auf.

Dieser Film 3 besteht aus Mikrokristallen 7 mit einer Größe von 1 µm oder kleiner. Diese Mikrokristalle 7 bilden zusammen eine Vielzahl von Haufwerken 8 mit einer Größe von 1 bis 20 µm, und diese Haufwerke 8 überziehen die Oberfläche des Grundmetalls bis zu einer Dicke von 1 bis 20 µm (Bild 2 und 3). Dieser Film bildet eine neue Gleitfläche. Die Struktur dieser Haufwerke 8 ist entsprechend des Gehaltes an MgAlF₅ . 1,5H₂O oder MgAl₂F₈ . 2H₂O im Gemisch mit NH₄MgAlF₆ unterschiedlich.

Diese den Film 3 bildenden Mikrokristalle 7 und Haufwerke 8 bewirken eine Vergröße rung der Gleitfläche und somit eine Verbesserung des Ölhaltevermögens. Da die Haufwerke 8 zum Verschleiß neigen, zeigt die Gleitfläche eine gute Anfangsgebrauchsfähigkeit. Diese Verbesserungen bei den Verschleißeigenschaften wirken sich in einer höheren Standfestig keit des Gleitelements, einer verminderten Reibung und eines geringeren Kraftstoffverbrau ches aus.

Schließlich wird im folgenden der Oberflächenfilm gemäß dem vierten Aspekt der vor liegenden Erfindung beschrieben.

Der erfindungsgemäße Oberflächenfilm für Aluminiumlegierungen ist ein Film, der auf der Oberfläche von Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt wird, aus einem Ge misch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O besteht und darin dispergierte Siliziumteilchen umfaßt. Wahlweise kann die ser Film durch eine nur aus NH₄MgAlF₆ bestehenden Schicht gebildet werden. Weiterhin liegt der Anteil der im Film dispergierten Siliziumteilchen im Bereich von 1 bis 24 Gew.-% und vorzugsweise 6 bis 24 Gew.-% und der Anteil von Silizium in der vorgenannten Alumini umlegierung im Bereich 4 bis 24 Gew.-% und vorzugsweise 7 bis 24 Gew.-%.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugte Struktur des Filmes wird in Bild 4 dar gestellt. Die Aluminiumlegierung des Grundmetalles enthält 4 bis 24 Gew.-% Silizium 9, und eutektisches Silizium oder proeutektisches Silizium wird in der Aluminiummatrix dispergiert. Die Oberfläche der Aluminiumlegierung wird mit einem aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Film beschichtet, und Siliziumteilchen ähnlich dem in dem Grundmetal aus Aluminiumlegie rung dispergierten eutektischen Silizium oder proeutektischen Silizium werden in diesem Film dispergiert.

Die vorstehend beschriebene Struktur des erfindungsgemäßen Oberflächenbehand lungsfilmes kann in der folgenden Art und Weise erzielt werden.

Eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 4 bis 24 Gew.-% Silizium (Si) wird mit einer organischen Säure, einem Entfettungsmittel oder ähnlichen Mittel entfettet und danach einem alkalischen Ätzprozeß mit Natriumhydroxid oder einer ähnlichen Substanz sowie einer sauren Reinigung unterzogen. Danach wird eine Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) enthaltende Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung) und eine Ammoniumverbindung auf eine Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C erhitzt und die Aluminiumlegierung darin für eine Zeit von etwa 2 bis 10 Minuten eingeweicht.

Gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren wird das in der Oberfläche der Aluminiumlegierung vorhandene Aluminium in der Behandlungslösung vorzugsweise gelöst. Gleichzeitig reagiert das gelöste Aluminium (Al) mit dem in der Lösung vorhandenen Fluor (F), Magnesium (Mg) und Ammonium (NH₄) und bildet einen Film aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O.

Dieser Film wird auf die Oberfläche der Aluminiumlegierung aufgetragen und enthält Silizi umteilchen, die in der Behandlungslösung schwer löslich sind. Somit entsteht ein Film mit darin dispergiertem Silizium.

Man muß jedoch davon ausgehen, daß in dem vorstehend beschriebenen Verfahren die Entfettung mit Hilfe eines organischen Lösungsmittels, Entfettungsmittels oder eines ähnlichen Mittels, der alkalische Ätzprozeß sowie die saure Reinigung der Reinigung des Grundmetalls dienen und nicht direkt für die Herstellung der erfindungsgemäßen Filmstruktur erforderlich sind.

Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher beschrieben. Diese Beispiele sind jedoch nicht als Einschränkung des Geltungsbereiches der vorliegenden Erfindung aufzufassen.

Das Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Aluminium oder Aluminiumlegierungen erfordert nur einfache Ausrüstungen, senkt die Behandlungskosten und bildet einen Film mit hervorragender Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie andere Eigenschaften.

Das heißt, daß nach der vorliegenden Erfindung die mechanische Ausrüstung verein facht werden kann, da die Behandlungsbedingungen unkompliziert sind und das entstehen de beschichtete Aluminium oder ähnliche Material eine hervorragende Abriebfestigkeit hat und eine Verminderung der Reibungsverluste bewirken kann. Weiterhin besitzt der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugte Film Schutzeigenschaften, so daß er unabhängig von den Behandlungsbedingungen in einer gleichmäßigen Schicht über die gesamte Ober fläche des Aluminiums oder ähnlichen Materials aufgetragen wird, und weist wenig Un gleichmäßigkeiten in der Filmdicke auf. Weiterhin besitzt der in dieser Weise hergestellte Film eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit und weist selbst unter aggressiven Um gebungsbedingungen eine entsprechende Abriebfestigkeit auf.

Weiterhin besitzen die Kolben, die einer Oberflächenbehandlung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wurden, eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit, Korrosionsbeständigkeit sowie andere Eigenschaften. Dementsprechend zeichnen sie sich durch hervorragende Standfestigkeit aus und sind für einen effektiven Einsatz als Kolben für verschiedene Motoren geeignet.

Weiterhin kann die Standfestigkeit der Gleitelemente von Motoren, Kompressoren und ähnlichen Maschinen durch Beschichten der Gleitflächen der aus Aluminium oder Alumini umlegierung gefertigten Gleitelemente gemäß der vorliegenden Erfindung verbessert wer den. Durch die Beschichtung von Motorkolben zum Beispiel ist es möglich, Verbesserungen in bezug auf Abriebfestigkeit, Anfangsgebrauchsfähigkeit, Ölhaltevermögen sowie andere Eigenschaften zu erzielen. Das wirkt sich in einer Erhöhung der Standfestigkeit, Verringe rung der Reibung, Verbesserung der Motorleistung und Verringerung des Kraftstoffverbrau ches aus und ist demzufolge ein wichtiger Faktor aus wirtschaftlicher Sicht.

Beispiel 1

Hier handelt es sich um ein Beispiel, bei dem eine Aluminiumlegierung einer Oberflä chenbehandlung unter Einsatz von Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und Ammonium silikofluorid [(NH₄)₂SiF₆] enthaltenden Behandlungslösungen (oder wäßrigen Lösungen) un terzogen wurde.

0,67 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und 0,13 Gewichtsan teile Ammoniumsilikofluorid [(NH₄)₂SiF₆] wurden in 100 Gewichtsanteilen Wasser gelöst. Diese wäßrige Lösung wurde auf 90°C erhitzt und als Behandlungslösung 1 verwendet. Ein Probekörper aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in dieser Behandlungslösung 1 für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt.

Danach wurden 0,67 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und 0,33 Gewichtsanteile Ammoniumsilikofluorid [(NH₄)₂SiF₆] in 100 Gewichtsanteilen Wasser gelöst. Diese wäßrige Lösung wurde auf 90°C erhitzt und als Behandlungslösung 2 verwendet. Ein Probekörper aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in dieser Behandlungslösung 2 für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt.

Bild 5 zeigt die Ergebnisse der Analyse des gebildeten Filmes mit Hilfe eines Röntgen diffraktometers für den mit der vorgenannten Behandlungslösung 1 oberflächenbehandelten Probekörper.

Aus Bild 5 ist ersichtlich, daß im Ergebnis der Behandlung mit Behandlungslösung 1 ein aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehender Film auf der Oberfläche des Probekörpers aus Aluminiumguß gebildet wurde. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm zeigt jedoch sowohl das Röntgenbeugungsspektrum des gebildeten Filmes als auch die Röntgenbeugungsspektren des Aluminiums (Al) als dem Grundmetall (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) und des im Grundmetall enthaltenen Siliziums (Si). Aus diesem Röntgenbeugungsdiagramm ist eben falls ersichtlich, daß der gebildete Film keine kristalline Ausrichtung aufwies.

Bild 6 zeigt die Ergebnisse der Analyse des gebildeten Filmes mit Hilfe eines Röntgen diffraktometers für den mit der vorgenannten Behandlungslösung 2 oberflächenbehandelten Probekörper.

Aus Bild 6 ist ersichtlich, daß im Ergebnis der Behandlung mit Behandlungslösung 2 ein Film aus NH₄MgAlF₆ auf der Oberfläche des Probekörpers aus Aluminiumguß gebildet wurde. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm zeigt jedoch sowohl das Röntgenbeugungs spektrum des gebildeten Filmes als auch die Röntgenbeugungsspektren des Aluminiums (Al) als dem Grundmetall (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) und des im Grundmetall enthalte nen Siliziums (Si). Aus diesem Röntgenbeugungsdiagramm ist ebenfalls ersichtlich, daß der gebildete Film keine kristalline Ausrichtung aufwies.

An den Probekörpern, die der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung unter Ein satz der vorgenannten Behandlungslösung 1 oder 2 unterzogen worden waren, wurden Ku gel-Scheiben-Abriebversuche unter Verwendung des wärmebehandelten Werkstoffes SCM435 als Gegenwerkstoff durchgeführt. Weiterhin wurde an einem Probekörper (aus dem Werkstoff AC8A-T6), der keiner Oberflächenbehandlung unterzogen wurde, ein Kugel- Scheiben-Abriebversuch in der gleichen Weise durchgeführt.

Die Querschnittsformen (oder -profile) der dadurch erzeugten Kratzspuren werden in Bild 7 dargestellt.

Die im Ergebnis der Kugel-Scheiben-Versuche erhaltenen Verschleißausmaße werden in Bild 8 gezeigt.

Aus Bild 7 ist ersichtlich, daß die der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung un ter Anwendung der vorgenannten Behandlungslösung 1 oder 2 unterzogenen Probekörper im Vergleich zu den Probekörpern ohne Oberflächenbehandlung eine hervorragende Ab riebfestigkeit aufwiesen.

Aus Bild 8 ist ersichtlich, daß die der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung un ter Anwendung der vorgenannten Behandlungslösung 1 oder 2 unterzogenen Probekörper ein Verschleißausmaß von etwa 1/20 des Verschleißausmaßes des nicht oberflächenbehan delten Probekörpers aufwiesen und sich daher durch eine hervorragende Abriebfestigkeit auszeichneten.

Weiterhin kann festgestellt werden, daß unabhängig davon, ob der im Ergebnis der Oberflächenbehandlung gebildete Film nur aus NH₄MgAlF₆, einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestand, die der Oberflächenbehandlung unterzogenen Probekörper im Vergleich zu den Probekörpern ohne Oberflächenbehandlung eine deutliche Verbesserung der Abriebfestig keit aufwiesen.

Bild 9 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme des gebildeten Filmes für den der Oberflächenbehandlung unter Einsatz der vorgenannten Behandlungslösung 1 unterzoge nen Probekörper. Bild 2 ist eine schematische Ansicht zum Bild 9.

Aus Bild 2 und 9 ist ersichtlich, daß der Film aus Mikrokristallen 7 mit einer Größe von 1 µm oder darunter besteht und daß diese Mikrokristalle sich zur Bildung einer Vielzahl von Haufwerken 8 mit einer Größe von 1 bis 20 µm zusammenfinden. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Vielzahl der Haufwerke 8 die Oberfläche des Grundmetalls (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) bedeckt und so einen Film bildet.

Bild 10 ist eine elektronenmikroskopische Aufnahme des gebildeten Filmes für den der Oberflächenbehandlung unter Einsatz der vorgenannten Behandlungslösung 2 unterzoge nen Probekörper. Bild 3 ist eine schematische Ansicht zum Bild 10.

Aus Bild 3 und 10 ist ersichtlich, daß der Film aus Mikrokristallen 7 mit einer Größe von 1 µm oder darunter besteht und daß diese Mikrokristalle sich zur Bildung einer Vielzahl von Haufwerken 8 mit einer Größe von 1 bis 20 µm zusammenfinden. Weiterhin ist ersichtlich, daß die Vielzahl der Haufwerke 8 die Oberfläche des Grundmetalls (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) bedeckt und so einen Film bildet.

Aus Bild 9 und 10 ist auch ersichtlich, daß die Struktur dieser Haufwerke 8 entspre chend der Zusammensetzung des Filmes, d. h. des Gehaltes an MgAlF₅ . 1,5H₂O oder MgAl₂F₈ . 2H₂O im Gemisch mit NH₄MgAlF₆ unterschiedlich ist (siehe Bild 2 und 3).

Die Bilder 11 und 12 sind Mikroaufnahmen eines Querschnittes des gebildeten Filmes für die der Oberflächenbehandlung unter Einsatz der Behandlungslösung 1 oder 2 unterzo genen Probekörper. Bild 4 ist eine schematische Ansicht zu den Bildern 11 und 12.

Aus Bild 4, 11 und 12 ist ersichtlich, daß ein Film mit einer Dicke von etwa 6 µm auf der Oberfläche des Grundmetalls (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) gebildet wurde. Außer dem kann festgestellt werden, daß aus dem Grundmetall (d. h. dem Werkstoff AC8A-T6) stammende Silizium-(Si-)-Teilchen in den in diesen Mikroaufnahmen gezeigten Filmen ent halten sind. Das ist darauf zurückzuführen, daß die in dem Grundmetall (d. h. dem Werkstoff AC8A-T6) enthaltenen Siliziumteilchen an der Oberfläche des Grundmetalls verblieben und während des Prozesses der Oberflächenbehandlung in den Film einbezogen wurden.

Beispiel 2

Ein Probekörper aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungs mittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in einer Behandlungslösung ähnlich der Behandlungslösung 2 des oben genannten Beispiels 1 für die Dauer von 5 Minuten oberflä chenbehandelt.

An dem der oben beschriebenen Oberflächenbehandlung unterzogenen Probekörper (d. h. dem Probekörper des Beispiels 2) und einem nicht der oben beschriebenen Oberflä chenbehandlung unterzogenen Probekörper (d. h. einem unbehandelten Probekörper) wurde die Korrosionsbeständigkeit in Salzwasser-Sprühversuchen bewertet.

Aus den in dieser Weise ermittelten Ergebnissen ist ersichtlich, daß der Probekörper der vorliegenden Erfindung eine Schutzwirkung aufwies und der durch die oben beschriebe ne Oberflächenbehandlung gebildete Oberflächenfilm eine Verbesserung der Korrosionsbe ständigkeit von Aluminium oder Aluminiumlegierung bewirkte.

Beispiel 3

Ein Probekörper aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfet tungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in einer Behandlungslösung ähn lich der Behandlungslösung 2 des oben genannten Beispiels 1 für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt.

An dem der oben beschriebenen Oberflächenbehandlung unterzogenen Probekörper (d. h. dem Probekörper des Beispiels 3), einem der Oberflächenbehandlung mit Hart-Alumite unterzogenen Probekörper (aus dem Werkstoff AC8A-T6) und einem keiner Oberflächenbe handlung unterzogenen Probekörper (aus dem Werkstoff AC8A-T6) wurden die Reibungs koeffizienten unter Ölschmierung mit dem Werkstoff SCM als Gegenmaterial gemessen. Die dabei erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt.

Tabelle 1

Aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, daß die oben beschriebene Oberflächenbehandlung zu einer Verminderung des Reibungskoeffizienten führte.

Beispiel 4

Ein Motorkolben (aus dem Werkstoff AC8A-T6) wurde mit einem organischen Lö sungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in einer Behandlungslösung ähnlich der Behandlungslösung 2 des oben genannten Beispiels 1 für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt. Dabei wurde ein Film aus NH₄MgAlF₆ auf der Oberfläche des Kolbens gebildet.

Sowohl der Kolben mit der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Oberflächenbe handlung (d. h. der Kolben des Beispiels 4) als auch der Kolben ohne die oben beschriebene Oberflächenbehandlung (d. h. ein unbehandelter Kolben) wurden in einen Motor eingebaut und der Motor mit Vollast betrieben.

Nach dem Betriebseinsatz wurden die beiden Kolben ausgebaut und auf ihren Ober flächenzustand überprüft. Die geprüften Faktoren bestanden unter anderen in der Anhaftung von Aluminium an den Ringen, Kerbenbildung an der Bolzennabe und Kerbenbildung auf der Wandoberfläche. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Aus den in Tabelle 1 gezeigten Ergebnissen ist ersichtlich, daß der der erfindungsge mäßen Oberflächenbehandlung unterzogene Kolben dem unbehandelten Kolben hinsichtlich aller Faktoren, d. h. Kolbenringnuten, Bolzennabe und Wandoberfläche, überlegen war.

Beispiel 5

Sechs Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichem Silizium-(Si-)-Gehalt wurden mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in einer Behandlungslösung ähnlich der Behandlungslösung 2 des oben genannten Beispiels 1 für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt. Im Ergebnis des Versuches wurde das Aluminium (Al) in den Aluminiumlegierungen in der Behandlungslö sung gelöst. Gleichzeitig ging das gelöste Aluminium (Al) eine Reaktion mit Fluor (F), Ma gnesium (Mg) und Ammonium (NH₄) in der Behandlungslösung ein, wodurch sich ein Film auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung bildete. Während der Bildung dieses vorge nannten Filmes wurden Siliziumteilchen, die in der Behandlungslösung schwer löslich waren, darin eingelagert, so daß ein Film mit darin dispergiertem Silizium entstand. Somit wurden verschiedene Probekörper mit Filmen unterschiedlichen Silizium-(Si-)-Gehalts erhalten.

Die in dieser Weise hergestellten Probekörper wurden in Dorn-Scheiben-Abriebver suchen untersucht, in denen ein einsatzgehärteter und vergüteter Dorn aus SCM420 als Gegenmaterial verwendet wurde. In diesen Versuchen wurde die Abriebfestigkeit der Filme als Verschleißausmaß bewertet. Die damit erreichten Ergebnisse werden in Bild 13 gezeigt.

Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß im Vergleich zu dem Probekörper ohne Silizi um-(Si-)-Gehalt im Film selbst der Probekörper mit nur etwa 1% Siliziumgehalt eine höhere Abriebfestigkeit aufwies, und daß die Probekörper mit einem Siliziumgehalt von 6% und darüber eine beträchtlich höhere Abriebfestigkeit zeigten.

Beispiel 6

In diesem Beispiel wurde eine Aluminiumlegierung mit einer Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung) mit einem Gehalt an Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und Ammo niumborfluorid (NH₄BF₄) oberflächenbehandelt.

0,67 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und 0,51 Gewichtsan teile Ammoniumborfluorid (NH₄BF₄) wurden in 100 Gewichtsanteilen Wasser gelöst. Diese wäßrige Lösung wurde auf 90°C erhitzt und als Behandlungslösung 3 verwendet. Ein Probe körper aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in der vorgenannten Behandlungslösung für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt.

Bild 14 zeigt die Ergebnisse der Analyse des gebildeten Filmes mit Hilfe eines Rönt gendiffraktometers für den mit der vorgenannten Behandlungslösung 3 erfindungsgemäß oberflächenbehandelten Probekörper.

Aus Bild 14 ist ersichtlich, daß im Ergebnis der Behandlung mit Behandlungslösung 3 ein aus NH₄MgAlF₆ bestehender Film auf der Oberfläche des Probekörpers aus Aluminium guß gebildet wurde. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm zeigt jedoch sowohl das Röntgen beugungsspektrum des gebildeten Filmes als auch die Röntgenbeugungsspektren des Alu miniums (Al) als dem Grundmetall (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) und des im Grundmetall enthaltenen Siliziums (Si).

Beispiel 7

In diesem Beispiel wurde eine Aluminiumlegierung mit einer Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung) mit einem Gehalt an Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und Ammo niumchlorid (NH₄Cl) oberflächenbehandelt.

0,67 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und 0,26 Gewichtsan teile Ammoniumchlorid (NH₄Cl) wurden in 100 Gewichtsanteilen Wasser gelöst. Diese wäß rige Lösung wurde auf 90°C erhitzt und als Behandlungslösung 4 verwendet. Ein Probekör per aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in der vorgenannten Behandlungslösung für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt.

Bild 15 zeigt die Ergebnisse der Analyse des gebildeten Filmes mit Hilfe eines Rönt gendiffraktometers für den mit der vorgenannten Behandlungslösung 4 erfindungsgemäß oberflächenbehandelten Probekörper.

Aus Bild 15 ist ersichtlich, daß im Ergebnis der Behandlung mit Behandlungslösung 4 ein aus NH₄MgAlF₆ bestehender Film auf der Oberfläche des Probekörpers aus Aluminium guß gebildet wurde. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm zeigt jedoch sowohl das Röntgen beugungsspektrum des gebildeten Filmes als auch die Röntgenbeugungsspektren des Alu miniums (Al) als dem Grundmetall (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) und des im Grundmetall enthaltenen Siliziums (Si).

Beispiel 8

In diesem Beispiel wurde eine Aluminiumlegierung mit einer Behandlungslösung (oder wäßrigen Lösung) mit einem Gehalt an Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und einer wäßrigen Ammoniaklösung oberflächenbehandelt.

0,67 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid (MgSiF₆ . 6H₂O) und 2 ml des wäßrigen Ammoniaks (25%-ige wäßrige Lösung) wurden in 100 Gewichtsanteilen Wasser gelöst. Diese wäßrige Lösung wurde auf 90°C erhitzt und als Behandlungslösung 5 verwendet. Ein Probekörper aus Aluminiumguß AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend durch Einweichen in der vorgenannten Behandlungslösung für die Dauer von 5 Minuten oberflächenbehandelt.

Bild 16 zeigt die Ergebnisse der Analyse des gebildeten Filmes mit Hilfe eines Rönt gendiffraktometers für den mit der vorgenannten Behandlungslösung 5 erfindungsgemäß oberflächenbehandelten Probekörper.

Aus Bild 16 ist ersichtlich, daß im Ergebnis der Behandlung mit Behandlungslösung 5 ein aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehender Film auf der Oberfläche des Probekörpers aus Aluminiumguß gebildet wurde. Dieses Röntgenbeugungsdiagramm zeigt jedoch sowohl das Röntgenbeugungsspektrum des gebildeten Filmes als auch die Röntgenbeugungsspektren des Aluminiums (Al) als dem Grundmetall (d. h. des Werkstoffes AC8A-T6) und des im Grundmetall enthaltenen Siliziums (Si).

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung mit den Schritten der Herstellung einer Be handlungslösung, die eine Ammoniumverbindung, d. h. entweder Ammoniumborfluorid oder Ammoniumchlorid, oder wäßriges Ammoniak und Magnesiumsilikofluorid enthält; der Erhit zung der Behandlungslösung auf eine Temperatur von 70 bis 100°C; und des Einweichens des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in der Behandlungslösung.

2. Verfahren zur Oberflächenbehandlung nach Anspruch 1, in welchem die Behand lungslösung 0,1 bis 20 Gewichtsanteile Magnesiumsilikofluorid und 0,01 bis 10 Gewichtsan teile der als Ammonium dargestellten Ammoniumverbindung oder des wäßrigen Ammoniaks pro 100 Gewichtsanteile Wasser enthält.

3. Kolben, der einer Oberflächenbehandlung entsprechend dem nach Anspruch 1 oder 2 beanspruchten Verfahren zur Oberflächenbehandlung unterzogen wurde.

4. Kolben, dessen Oberfläche mit einem aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Film beschichtet ist.

5. Kolben nach Anspruch 4, dessen gesamte Oberfläche einschließlich Kolbenringnu ten, Kolbenbolzennabe, Wand, Kolbenkopf und Kolbeninnenflächen mit einem aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Film beschichtet ist.

6. Kolben nach Anspruch 4 oder 5, bei dem die Dicke des aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Filmes in Bereich 1 bis 20 µm liegt.

7. Gleitelement aus einem aus Aluminium oder Aluminiumlegierung bestehenden Grundmetall, bei dem die gesamte Fläche des Gleitelementes oder dessen Gleitfläche mit einem aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O bestehenden Film beschichtet ist, der eine kubische kristalli ne Struktur hat und keine kristalline Ausrichtung aufweist.

8. Oberflächenbehandlungsfilm für Aluminiumlegierungen, der auf der Oberfläche von Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt wird, aus einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAlF₅ . 1,5H₂O oder einem Gemisch von NH₄MgAlF₆ und MgAl₂F₈ . 2H₂O besteht und darin dispergierte Siliziumteilchen enthält, wobei der Gehalt an den im Film dispergierten Siliziumteilchen im Bereich 1 bis 24 Gew.-% und der Gehalt an Silizium in der Aluminiumle gierung im Bereich 4 bis 24% liegt.