DE102004048181A1

DE102004048181A1 - Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstückes aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil

Info

Publication number: DE102004048181A1
Application number: DE200410048181
Authority: DE
Inventors: Ulrich Riemer; Oliver Fischer
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2004-10-02
Filing date: 2004-10-02
Publication date: 2006-04-06

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Oberfläche eines Werkstücks (10) aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil, bei dem eine mit Silizium angereicherte obere Schicht (12) so behandelt wird, dass Silizium an der Oberfläche freigelegt wird, wobei eine verschleißfeste Siliziumschicht an der Oberfläche hergestellt wird. Das Herauslösen gewisser Bestandteile aus der die obere Schicht bildenden Legierung geschieht dabei erfindungsgemäß auf elektrochemischen Wege, wodurch ein umweltfreundliches und kostengünstiges Verfahren geschaffen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil, bei dem eine mit Silizium angereicherte Schicht so behandelt wird, dass Silizium vorzugsweise mindestens an der Oberfläche freigelegt wird.
Aluminiumlegierungen mit einem Siliziumanteil werden wegen ihrer hohen Verschleißfestigkeit und des vergleichsweise geringen spezifischen Gewichts beispielsweise im Motorenbau insbesondere für die Herstellung von Zylinderlaufflächen in Zylinderkurbelgehäusen eingesetzt. Derartige Aluminium-Legierungen mit einem Siliziumanteil von beispielsweise mehr als 10 % sind unter der Bezeichnung „ALUSIL" bekannt geworden. Handelt es sich um Legierungen mit einem übereutektischen Siliziumanteil von mehr als etwa 12 % wird beim Erstarren primäres Silizium ausgeschieden. Durch geeignete Verfahren kann man das Silizium in den Zylinderbohrungen in Form von mikroskopisch kleinen und besonders harten Partikeln freilegen und somit Laufflächen für Kolben und Kolbenringe mit hoher Verschleißfestigkeit schaffen. Durch eine geeignete Gießtechnik kann man bereits beim Gießen die Konzentration des Siliziums in gewünschten Bereichen, d. h. in der zu schaffenden verschleißfesten Oberfläche zugewandten oberen Schichten anreichern. Eine aus dem Stand der Technik bekannte Methode um in diesen Schichten mit angereichertem Silizium die Ausscheidungen von primärem Silizium freizulegen ist ein Ätzverfahren. Dabei werden oberflächenseitige Bereiche des Werkstücks zum Beispiel mit geeigneten Säuren angeätzt, um so gewisse Substanzen aus dem Material herauszulösen. Diese Methode ist zum einen sehr zeitintensiv. Außerdem sind die verwendeten Chemikalien in der Regel gesundheitsschädlich, so dass für die Einhaltung des erforderlichen Gesundheitsschutzes hohe Nebenkosten entstehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei dem die verschleißfeste Siliziumstruktur in kürzerer Zeit effektiv und mittels einer weniger gesundheitsgefährdenden Methode freigelegt werden kann.
Die Lösung dieser Aufgabe liefert ein erfindungsgemäßes Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass eine verschleißfeste Siliziumschicht durch einen elektrochemischen Vorgang hergestellt wird. Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht eine geringere Fertigungszeit, wobei diese von der Komplexität der jeweiligen Geometrie des Bauteils abhängig ist. Die erfindungsgemäße Lösung liefert ein verschleißarmes Fertigungsverfahren, welches es ermöglicht, qualitativ hochwertige Oberflächen zu erzielen. Die bislang verwendeten gesundheitsschädlichen Chemikalien wie beispielsweise zum Ätzen verwendete Salzsäure oder dergleichen werden nicht mehr benötigt. Das erfindungsgemäße elektrochemische Verfahren ersetzt einen bisher langwierigen Bearbeitungsprozess durch Ätzen. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, vorzugsweise aus einer Oberflächenschicht elektrisch leitende Elemente herauszulösen. Dadurch bleibt das gewünschte verschleißfeste Silizium im Oberflächenbereich beziehungsweise im Bereich einer oberen Schicht des Werkstücks erhalten. Eine vorherige Konzentration des Siliziums in diesen Bereichen kann vor der elektrochemischen Bearbeitung durch geeignete Gießtechnik erzielt werden.
Durch das erfindungsgemäße elektrochemische Verfahren kann der Abtrag insbesondere im Bereich einer oberen Schicht lokal oder auch großflächig, vorzugsweise ganzflächig erfolgen. Die Größe der abgetragenen Fläche lässt sich beispielsweise durch die jeweilige Werkzeugelektrodenausführung beeinflussen. Zwecks Abtrag kann gemäß einer bevorzugten Variante der Erfindung eine Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug beziehungsweise Werkzeugelektrode erfolgen.
Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, dass gewünschte Bereiche eines Werkstücks gezielt bearbeitet werden können, ohne dass andere Bereiche des Werkstücks angeätzt werden. Die Prozesskosten sind wesentlich niedriger als bei den bislang bekannten Ätzverfahren. Bei der erfindungsgemäßen Lösung tritt praktisch kein Werkzeugverschleiß auf. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren sehr umweltfreundlich.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere dazu, Werkstücke zu behandeln, die in ihrem Oberflächenbereich oder in dem Bereich einer oberen Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von mehr als 10 % bestehen. Gegenstand der Erfindung ist insbesondere die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bearbeitung von Verschleißflächen, beispielsweise im Motorenbau, insbesondere der Laufflächen von Zylinderlaufbuchsen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Werkstück, welches mindestens teilweise eine verschleißfeste Oberflächenschicht oder obere Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil, insbesondere mit einem Siliziumanteil von mehr als 10 % aufweist, wobei das Werkstück nach einem Verfahren der zuvor genannten Art behandelt wurde.
Die in den Unteransprüchen genannten Merkmale betreffen bevorzugte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben. Dabei zeigen
1 eine stark vereinfachte schematische Schnittansicht durch ein beispielhaftes Werkstück im Ausgangszustand vor dem elektrochemischen Herauslösen elektrisch leitender Bestandteile;
2 eine entsprechende schematisch stark vereinfachte Ansicht nach Durchführung des Verfahrens.
Zunächst wird auf 1 Bezug genommen. Die Darstellung in 1 ist schematisch stark vereinfacht und zeigt ein Werkstück 10, welches zum Beispiel eine Zylinderlaufbuchse ist umfassend einen gegossenen Gehäusekörper 15, der beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung besteht, die einen prozentualen Siliziumanteil von mehr als 10 % aufweist. Durch ein besonderes Gießverfahren kann man erreichen, dass sich das Silizium in einer oberen Schicht 12 des Gehäusekörpers 15 anreichert. Diese obere Schicht 12 umfasst die Zylinderlaufflächen 13. Die Tatsache, dass in dieser oberen Schicht 12 beziehungsweise Oberflächenschicht eine erhöhte Konzentration an Silizium vorliegt ist in der Zeichnung gemäß 1 schematisch durch Punkte angedeutet, die Siliziumpartikel symbolisieren sollen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, dass mittels eines Werkzeugs 11 die zylindrische innere Oberfläche 13 des Werkstücks 10, das heißt in diesem Fall die Zylinderlauffläche auf elektrochemischem Wege bearbeitet wird. Dazu kann das Werkzeug 11 in axialer Richtung in den zylindrischen Hohlraum der Zylinderlaufbuchse in Richtung des Pfeils 14 hineinbewegt beziehungsweise aus diesem herausbewegt werden. Es folgt dann ein elektrochemischer Vorgang, bei dem aus der oberen Schicht 12 der Zylinderlaufbuchse elektrisch leitende Elemente herausgelöst werden. Dadurch wird der in 2 dargestellte Zustand erreicht. Durch das Herauslösen elektrisch leitender Elemente verbleiben die in der oberen Schicht angereicherten Partikel, so dass nun eine verschleißfeste obere Siliziumschicht erhalten wird, die in 2 mit dem Bezugszeichen 12a bezeichnet ist. Durch Vergleich der beiden Zeichnungen 1 und 2 kann man erkennen, dass quasi die angereicherten Siliziumpartikel durch das elektrochemische Bearbeitungsverfahren nach der Erfindung in der oberen Schicht 12 freigelegt wurden, so dass die modifizierte obere Schicht 12a erhalten wird.

10: Werkstück
11: Werkzeug
12: obere Schicht
12a: obere Siliziumschicht
13: Zylinderlaufflächen
14: Pfeil
15: Gehäusekörper

Claims

Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil, bei dem eine mit Silizium angereicherte Schicht so behandelt wird, dass Silizium freigelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass elektrochemisch eine verschleißfeste Siliziumschicht hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem elektrochemischen Verfahren mindestens teilweise, vorzugsweise überwiegend in einer oberen Schicht (12) beziehungsweise Oberflächenschicht des Werkstücks elektrisch leitende Elemente aus dem Material des Werkstücks (10) herausgelöst werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein lokaler Abtrag erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein großflächiger, vorzugsweise ganzflächiger Abtrag an der Oberfläche des Werkstücks (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Relativbewegung zwischen mindestens einer Werkzeugelektrode (11) und dem Werkstück (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das behandelte Werkstück mindestens in seinem Oberflächenbereich oder im Bereich einer oberen Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil von mehr als 10 % besteht.
Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Bearbeitung von Verschleißflächen, insbesondere Laufflächen von Zylinderlaufbuchsen.
Werkstück welches mindestens teilweise eine verschleißfeste Oberflächenschicht oder obere Schicht aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliziumanteil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkstück nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 behandelt wurde.