DE102006040362A1

DE102006040362A1 - Abriebbeständige Komibnation aus Aluminiumkolben und Aluminiumzylinderbohrung und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102006040362A1
Application number: DE102006040362A
Authority: DE
Inventors: Yucong West Bloomfield Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2005-09-01
Filing date: 2006-08-29
Publication date: 2007-04-26
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: US7543557B2; DE102006040362B4; US20070234994A1; CN1924335A; CN1924335B

Abstract

Eine Anordnung aus Kolben und Zylinder für einen Motor ist offenbart. Die Anordnung umfasst einen Kolben, der einen Aluminiumlegierungs-Kolbenkörper mit einem Kopf und einem sich von dem Kopf erstreckenden Mantel aufweist. Der Mantel weist eine äußere Oberfläche auf, die ein Oberflächenfinish in einer Wellenform mit Erhöhungen und Vertiefungen aufweist und die eine Gesamtrauigkeit zwischen etwa 6 und 12 Mikrometer aufweist, wobei die Gesamtrauigkeit (Rt) als die Differenz zwischen der höchsten Erhöhung und der tiefsten Vertiefung innerhalb einer Beurteilungslänge definiert ist. Das Oberflächenfinish weist einen ungefähren Abstand von Erhöhung zu Erhöhung zwischen 0,17 und 0,25 Millimeter innerhalb der Beurteilungslänge auf. Die äußere Oberfläche ist mit einer Nickelkeramikverbundbeschichtung beschichtet. Eine Aluminiumlegierungs-Zylinderbohrung ist in einem Motorblock angeordnet und ausgebildet, um den Kolbenkörper aufzunehmen. Die Zylinderbohrung weist eine Bohrungsoberfläche mit einem Mittenrauwert (Ra) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer auf. Die Zylinderbohrung kann aus einer eutektischen Al-Si-Legierung einschließlich anderer Legierungselemente gebildet sein.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Erfindung betrifft Aluminiumkolben und Aluminiumzylinderbohrungen für Fahrzeugverbrennungsmotoren, und insbesondere Kombinationen aus Aluminiumkolben und Zylinderbohrungen mit verbesserter Abriebbeständigkeit.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist auf dem Gebiet, das Verbrennungsmotoren betrifft, bekannt, dass Aluminiumbohrungsmotoren Vorzüge wie zum Beispiel verbesserte Kraftstoffwirtschaftlichkeit aufgrund des leichteren Gewichts von Aluminiummotoren und eine bessere Motorleistungsfähigkeit und -zuverlässigkeit aufgrund von verringerter Bohrungsverformung und verbesserter Wärmeübertragung durch Aluminiumzylinderbohrungen bieten können. Aluminiumbohrungsmotoren ermöglichen auch einen engeren Zwischenraum zwischen Kolben und Zylinderbohrung, was zu einer Verringerung des Motorengeräuschs und des Ölverbrauchs führt. Wenn Aluminiummaterialien sowohl für den Kolben als auch für die Zylinderbohrung verwendet werden, wird jedoch die Abriebbeständigkeit zwischen Kolben und Zylinderbohrungen ein bedeutsames Thema. Die Abriebbeständigkeit ist bei Aluminiumbohrungsmotoren wegen der engeren Zwischenräume, die zwischen Aluminiumkolben und Bohrungen möglich sind, von weiterer Bedeutung.

Ein Abrieb ist ein adhäsiver Verschleißprozess, der auftritt, wenn zwei Teile in einem Zustand erschöpften Schmiermittels gegeneinander gleiten. Ein Abrieb zwischen Kolben und Zylinderbohrungen ist problematisch, da er zu einer verringerten Motorleistungsfähigkeit führen kann und einen Motorausfall bewirken kann. Ein gängiger Aluminiumkolbenmantel, der in einem durchgehenden Schnitt mit einer einzelnen Diamantspitze gefertigt ist, weist typischerweise eine wellige Oberfläche mit Erhöhungen und Vertiefungen auf. Die Gesamtrauigkeit (Rt von roughness total) ist eine Eigenschaft von Kolbenmänteln, die als der über eine bestimmte Länge des Kolbenmantels gemessene Abstand von der höchsten Erhöhung zu der tiefsten Vertiefung definiert ist. Ein gängiger Aluminiumkolbenmantel kann eine Gesamtrauigkeit zwischen 13 und 19 Mikrometer aufweisen. Weiterhin kann ein gängiger Kolbenmantel typischerweise einen Abstand zwischen den Erhöhungen von 0,32–0,79 mm (320–790 Mikrometer) aufweisen. Um die Abriebbeständigkeit zwischen Kolben und Zylinderbohrungen zu verbessern, werden Kolbenmäntel herkömmlicherweise mit einem Beschichtungsmaterial beschichtet, das eine Abriebbeständigkeit bietet. Der herkömmliche Kolbenmantel-Beschichtungsprozess beinhaltet ein Beschichten des Kolbenmantels ohne ein Verändern der herkömmlichen Gesamtrauigkeit des Kolbenmantels oder des Abstands zwischen den Erhöhungen. Tatsächlich wurde allgemein geglaubt, dass ein Verringern der Oberflächenrauigkeit des Kolbenmantels (ein Herabsetzen der Gesamtrauigkeit und des Abstands zwischen Erhöhungen) beim Verbessern der Abriebbeständigkeit unwirksam ist und die Abriebbeständigkeit sogar verschlechtern kann.

Das US-Patent 6,684,844 B1 offenbart die Ergebnisse einer früheren Arbeit für den Rechtsinhaber der vorliegenden Erfindung betreffend eine verbesserte Abriebbeständigkeit eines verbesserten beschichteten Aluminiumkolbens, der in einer gusseisernen Zylinderbohrung betrieben wird.

Erwünscht war die Entwicklung einer optimalen Aluminiumzylinderbohrungs-Behandlung und eines Materials zur Verwendung mit dem verbesserten Kolben, um eine verbesserte Verschleiß- und Abriebbeständigkeit zu erhalten.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung verwendet eine kürzlich entwickelte Aluminiumlegierung für Motorblöcke, die in der Veröffentlichung der US-Patentanmeldung US 2004/0265163 A1, veröffentlicht am 30. Dezember 2004, offenbart ist. Die neue Legierung bietet eine gute Gießfähigkeit, eine verbesserte Zugfestigkeit und eine verbesserte Verschleiß- und Kolben/Zylinder-Abriebbeständigkeit. Ein vergleichendes Testen mit anderen Aluminium-Motormaterialien bestätigte die verbesserten Ergebnisse des neuen Materials. Jedoch war eine weitere Entwicklung erforderlich, um die Bohrungs- und Oberflächenbedingungen sowie die Verfahren, um diese zu erhalten, zu optimieren, um die Beständigkeit der neuen Kombination gegenüber Verschleiß und Abrieb zu maximieren.

Die vorliegende Erfindung verwendet ein unkonventionell "glattes" Kolbenmantel-Oberflächenfinish, das mit einer Verbundbeschichtung beschichtet ist, in Kombination mit einem unkonventionell "glatten" Zylinderbohrungs-Oberflächenfinish. Bei einer speziellen Ausführungsform weist eine Anordnung aus Kolben und Zylinder für einen Motor gemäß der vorliegenden Erfindung einen Kolben auf, der einen Aluminiumkolbenkörper mit einem Kopf und einem sich von diesem Kopf erstreckenden Mantel aufweist. Der Mantel weist eine äußere Oberfläche auf. Die äußere Oberfläche weist ein Oberflächenfinish in Wellenform mit Erhöhungen und Vertiefungen auf und weist eine Gesamtrauigkeit zwischen etwa 6 und 12 Mikrometer, vorzugsweise 10 Mikrometer, auf. Die Gesamtrauigkeit (Rt) ist als die Differenz zwischen der höchsten Erhöhung und der tiefsten Vertiefung innerhalb einer Beurteilungslänge definiert. Das Oberflächenfinish weist einen ungefähren Abstand von Erhöhung zu Erhöhung innerhalb der Beurteilungslänge zwischen 0,17 und 0,25 Millimeter, vorzugsweise 0,20 Millimeter, auf. Die äußere Oberfläche des Kolbenmantels ist mit einer Verbundbeschichtung beschichtet, wie zum Beispiel einer Ni-P-BN-Keramikverbundbeschichtung. Die Anordnung weist ferner eine in einem Motorblock angeordnete Aluminiumzylinderbohrung auf. Die Zylinderbohrung ist ausgebildet, um den Kolbenkörper aufzunehmen. Die Zylinderbohrung weist eine Bohrungsoberfläche auf, wobei die Bohrungsoberfläche einen Mittenrauwert (Ra von roughness average) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer, vorzugsweise 0,09 bis 0,12 Mikrometer, aufweist.

Die Zylinderbohrung kann aus einer eutektischen Al-Si-Legierung einschließlich anderer Legierungselemente hergestellt sein. Die Aluminiumlegierung kann gewichtsbezogen 9,5 bis 12,5 % Silizium, 0,1 bis 1,5 % Eisen, 1,5 bis 4,5 % Kupfer, 0,2 bis 3 % Mangan, 0,1 bis 0,6 % Magnesium, maximal 2,0 % Zink, 0 bis 1,5 % Nickel, maximal 0,25 % Titan, bis zu 0,05 % Strontium und Aluminium umfassen. Das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen beträgt mindestens 1,2, wenn der Eisengehalt gleich oder größer als 0,4 % ist, und das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen beträgt mindestens 0,6, wenn der Eisengehalt geringer als 0,4 % der Legierung ist.

Ein Verfahren zum Anfertigen einer Anordnung aus Aluminiumkolben und Aluminiumzylinder zur Verwendung in einem Motor ist offenbart, wobei der Kolben einen Kolbenkörper mit einem Kopf und einem Mantel aufweist, der Mantel sich von dem Kopf erstreckt und eine äußere Oberfläche aufweist und der Zylinder eine Zylinderbohrung ist, die ausgebildet ist, um den Kolbenkörper aufzunehmen, und die eine Bohrungsoberfläche aufweist. Das Verfahren umfasst die Schritte des Bearbeitens der äußeren Oberfläche des Kolbenmantels derart, dass die Beschaffenheit der äußeren Oberfläche eine Wellenform mit Erhöhungen und Vertiefungen, eine Gesamtrauigkeit (Rt) zwischen etwa 6 und 12 Mikrometer, wobei die Gesamtrauigkeit als die Differenz zwischen der höchsten Erhöhung und der tiefsten Vertiefung innerhalb einer Beurteilungslänge definiert ist, und einen ungefähren Abstand von Erhöhung zu Erhöhung zwischen 0,17 und 0,25 Millimeter innerhalb der Beurteilungslänge aufweist; des Beschichtens der bearbeiteten äußeren Oberfläche des Kolbenmantels mit einer Nickelkeramikverbundplattierung; des Grobhonens der Bohrungsoberfläche mit einem Diamantschleifmittel; des Fertighonens der Bohrungsoberfläche mit einem Feinkornschleifmittel; und des Finishens der Bohrungsoberfläche, wobei die gefinishte Bohrungsoberfläche einen Mittenrauwert (Ra) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer aufweist.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezieller Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 ist eine Seiten- bzw. teilweise Querschnittsansicht eines Kolbens, der in einer erfindungsgemäßen Zylinderbohrung angeordnet ist;
2 ist eine vergrößerte schematische Querschnittsansicht, die ein Oberflächenfinish eines Kolbenmantels darstellt;
3 ist eine Tabelle, welche die Abriebbeständigkeit von getesteten Kombinationen aus Aluminiumkolben und Aluminiumzylinderbohrung darstellt; und
4 ist eine graphische Darstellung der in 3 gezeigten Daten.
BESCHREIBUNG EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
1 stellt eine Anordnung 10 aus Kolben und Zylinder zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor, wie zum Beispiel einem Fahrzeugmotor, dar. Die Anordnung 10 aus Kolben und Zylinder umfasst einen Aluminiumkolben 12, der in einer Zylinderbohrung 14 hin- und herbewegbar ist, die durch eine ringförmige Bohrungsoberfläche 16 in einem Aluminiummotorblock 18 definiert ist.
Der Kolben 12 weist einen Kopf 20 und einen Mantel 22 auf, der sich von dem Kopf 20 erstreckt. Der Mantel 22 weist eine äußere Oberfläche 24 auf. Mehrere Ringnuten 26, 28, 30 sind in dem Kopf 20 ausgebildet, um Ringe, wie z.B. Verdichtungsringe und einen Ölring (nicht gezeigt), aufzunehmen.
2 stellt allgemein eine Querschnittsansicht einer bearbeiteten Kolbenmanteloberfläche 24 eines Mantels 22 dar. Die Kolbenmanteloberfläche 24 wird durch Überqueren der Länge des Mantels 22 mit z.B. einer Drehmaschine bearbeitet, die durch eine Computer-numerische Steuerung (CNC von computer numeric control) betrieben wird. Beispielsweise kann die Maschine einen einzelnen Diamantspitzeneinsatz verwenden, um den Bearbeitungsprozess durchzuführen. Der Bearbeitungsprozess hat eine Kolbenmanteloberfläche 24 zur Folge, die eine Wellenform mit Erhö hungen 32 und Vertiefungen 34 aufweist. Die Größe F stellt den Abstand von Erhöhung zu Erhöhung der Wellenform dar und ist durch die transversale Vorschubgeschwindigkeit (in mm/Umdrehung) des Drehvorgangs definiert, durch den die Manteloberfläche 24 bearbeitet wird. Eine Umdrehung der Maschine führt zur Bildung einer vollständigen Welle. Zum Beispiel werden herkömmliche Kolben mit einer transversalen Vorschubgeschwindigkeit zwischen 0,32 und 0,79 mm pro Umdrehung bearbeitet, was einen Abstand von Erhöhung zu Erhöhung (F) zwischen 0,32 und 0,79 mm zur Folge hat.
Die Größe D stellt die Differenz zwischen der höchsten Erhöhung und der tiefsten Vertiefung innerhalb einer Beurteilungslänge dar. Die "Beurteilungslänge" ist die Bewertungslänge und ist typischerweise gleich dem Fünffachen der Cut-Off-Länge. Sie ist die Menge des Materials, die zum Messen der Oberflächeneigenschaften einer Maschinenkomponente verwendet wird. Die Größe D wird auch als Gesamtrauigkeit (Rt) bezeichnet. Die Gesamtrauigkeit (Rt) wird typischerweise in Mikrometer (μm) gemessen. Herkömmliche Kolben weisen gewöhnlich eine Gesamtrauigkeit (Rt) im Bereich von 13 bis 19 Mikrometer auf. Eine ähnliche Messeigenschaft ist der Oberflächen-Mittenrauwert (Ra). Der Mittenrauwert (Ra) ist definiert als der arithmetische Mittelwert des Abstands eines Rauigkeitsprofils (Punkte auf der Wellenform) von seiner Mittellinie (der mittleren "Höhe" der Wellenform). Die Cut-Off-Länge, die verwendet wird, um die "Beurteilungslänge" zu ermitteln, beträgt typischerweise 0,8 mm für eine Oberfläche mit einem Mittenrauwert (Ra) zwischen 0,1 und 2 Mikrometer.
Die Rauigkeit der Zylinderbohrung 14 kann auch durch den Mittenrauwert (Ra) gemessen werden. Zylinderbohrungen werden herkömmlicherweise auf einen Mittenrauwert zwischen 0,58 und 0,90 Mikrometer gefinisht. Die Rauigkeit der Zylinderbohrung kann ferner durch eine verrin gerte Erhöhungshöhe (Rpk) und eine verringerte Vertiefungstiefe (Rvk) gemessen werden. Rpk ist definiert als der Abstand von einer mittleren Höhe der Bohrungsoberfläche 16 zu einer Erhöhung in der Bohrungsoberfläche. Dies definiert den oberen Abschnitt der Lagerungsoberfläche, der während einer Einlaufperiode abgetragen wird. In ähnlicher Weise ist Rvk als der Abstand von der mittleren Höhe zu einer Vertiefung der Bohrungsoberfläche 16 definiert. Dies definiert den untersten Teil der Oberfläche, der die Funktion hat, Schmiermittel zurückzuhalten. Die Zylinderbohrungsoberfläche 16 sollte einen bestimmten Betrag an Rauigkeit aufweisen, um Öl zurückzuhalten, muss aber auch eine relativ glatte Oberfläche bereitstellen, um die Kolbenringe zu tragen.
Die vorliegende Erfindung stellt ohne die Verwendung von Zylinderlaufbuchsen oder verschleißbeständigen Zylinderbeschichtungen eine verbesserte Abriebbeständigkeit für einen Aluminiumkolben 12 zur Verfügung, der in einer Aluminiumzylinderbohrung 14 aufgenommen ist. Die Abriebbeständigkeit für Anordnungen aus Aluminiumkolben und -zylinder resultiert aus einem speziellen Oberflächenfinish für die Zylinderbohrung 14 und einer speziellen Oberflächentextur für die äußere Oberfläche 24 des Kolbenmantels 22, zusammen mit einer Nickelkeramikverbundbeschichtung (NCC-Beschichtung, NCC von nickel ceramic composite) auf der äußeren Kolbenmanteloberfläche 24. Insbesondere wird die verbesserte Abriebbeständigkeit erreicht, indem eine unkonventionell "glatte", NCC-beschichtete Aluminiumkolbenmanteloberfläche 24 mit einer unkonventionell "glatten" Aluminiumzylinderbohrung 14 kombiniert wird.
Speziell weist der Kolbenmantel 22 der vorliegenden Erfindung eine äußere Oberfläche 24 mit einer Gesamtrauigkeit (Rt) zwischen etwa 6 und 12 Mikrometer, vorzugsweise 10 Mikrometer, auf. Die äußere Oberfläche 24 weist auch einen Abstand zwischen Erhöhungen (F) zwischen 0,17 und 0,25 Millimeter, vorzugsweise 0,20 Millimeter, auf, was kleineren transversalen Vorschubgeschwindigkeiten während des Bearbeitens entspricht als herkömmlicherweise zum Bearbeiten von Kolbenmänteln verwendet werden. Die Kolbenmanteloberfläche 24 ist bedeutend glatter als herkömmliche Kolbenmäntel, welche eine Gesamtrauigkeit (Rt) zwischen 13 und 19 Mikrometer sowie einen Abstand von Erhöhung zu Erhöhung zwischen 0,32 und 0,79 Millimeter aufweisen.
Die äußere Oberfläche 24 des bearbeiteten Kolbenmantels 22 wird mit einer Verbundbeschichtung wie zum Beispiel einer Nickelkeramikverbundbeschichtung beschichtet. Die Nickelkeramikverbundbeschichtung kann zum Beispiel eine plattierte Ni-P-BN-Beschichtung (Nickel-Phosphor-Bornitrid-Beschichtung) sein, die etwa 3–7 Volumen-% BN und etwa 3 Gewichts-% Phosphor aufweist. Die Beschichtung kann durch herkömmliche Galvanisierprozesse mit suspendierten Keramikpartikeln in der Galvanisierlösung aufgebracht werden, welche während des Plattierens abgeschieden werden. Die BN-Partikel weisen einen Durchmesser von 4 Mikrometer und eine Dicke von weniger als 1 Mikrometer auf. Die NCC-Beschichtung kann eine Dicke von 10 bis 18 Mikrometer und eine Härte von etwa 47–50 HRC aufweisen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist der Kolbenmantel 22 eine Gesamtrauigkeit (Rt) von 10 Mikrometer und einen Abstand von Erhöhung zu Erhöhung (F) von 0,2 Millimeter auf. Ferner ist der Kolbenmantel 22 mit einer galvanisierten Ni-P-BN-Beschichtung beschichtet, die 6 Volumen-% BN aufweist. Die Ni-P-BN-Beschichtung weist eine Dicke von 16 Mikrometer und eine Mikrohärte von 48 HRC auf.
Der Motorblock 18 und dementsprechend die Zylinderbohrung 14 der vorliegenden Erfindung können aus einer eutektischen Al-Si-Legierung einschließlich anderer Legierungselemente, wie zum Beispiel Eisen, Kupfer, Mangan, etc., hergestellt sein. Eine geeignete Aluminiumlegierung, die in der Veröffentlichung der US-Patentanmeldung US 2004/0265163 zu finden ist, umfasst gewichtsbezogen 9,5 bis 12,5 % Silizium, 0,1 bis 1,5 % Eisen, 0,2 bis 3 % Mangan, 0,1 bis 0,6 % Magnesium, bis zu 0,05 % Strontium und Aluminium. Das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen beträgt mindestens 1,2, wenn der Eisengehalt gleich oder größer als 0,4 % ist, und das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen beträgt mindestens 0,6, wenn der Eisengehalt geringer als 0,4 % der Legierung ist. Die Legierung kann ferner gewichtsbezogen 1,5 bis 4,5 % Kupfer, maximal 2,0 % Zink, 0 bis 1,5 % Nickel und maximal 0,25 % Titan umfassen. Eine bevorzugte Zusammensetzung umfasst gewichtsbezogen 11,25 bis 11,75 % Silizium, 0,35 bis 0,65 % Eisen (kann für einen druckgegossenen Block höher sein), 1,75 bis 2,75 % Kupfer, 0,4 bis 3 % Mangan (mindestens 1,2- bis 1,5-mal dem Eisengehalt), 0,15 bis 0,3 % Magnesium, maximal 0,5 % Zink, eine Spur von Nickel, 0,01 bis 0,03 % Strontium, bis zu, aber weniger als 0,5 % insgesamt an anderen Elementen, und den Rest Aluminium. Diese eutektische Al-Si-Legierung wird nachfolgend als die "verschleißbeständige Legierung" bezeichnet.
Bei einer speziellen Ausführungsform weist die verschleißbeständige Legierung die folgende Zusammensetzung auf: 11,6 % Silizium, 0,41 % Eisen, 2,00 % Kupfer, 0,56 % Mangan, 0,25 % Magnesium, 0,02 % Strontium, 0,01 % Chrom, 0,01 % Nickel, 0,01 % Zink und 0,123 % Titan.
Die verschleißbeständige Legierung bietet die Fließeigenschaften einer eutektischen Aluminium-Silizium-Legierung. Die Legierung kann durch ein beliebiges der üblichen Gießverfahren, wie zum Beispiel Druckguss (das einen höheren Eisengehalt erfordern kann), Guss in Dauerform, Guss in Semi-Dauerform, Guss in gebundener Sandform, Guss in verlorener Schaumform und Präzisionssandguss, zu einem Motorblock 18 gegossen werden. Wenn der Mangan/Eisen-Gehalt wie angegeben gesteuert wird, beträgt die Zugfestigkeit des Gießmaterials bis zu 320 MPa, was mehr als 20 % mehr ist als die Zugfestigkeit von ähnlichen Legierungen, bei denen der Mangan-zu-Eisen-Gehalt nicht auf derartige Werte gesteuert wird.
Beim Gießen weist die Mikrostruktur der verschleißbeständigen Legierung ein netzartiges Muster von intermetallischen Phasen auf. Die intermetallischen Phasen umfassen zum Beispiel eine CuAl₂-Phase, eine Al₁₂(Fe,Mn)₃Si₂-Phase und eine Al₅Mg₈Cu₂Si₆-Phase. Die netzartige Mikrostruktur der verschleißbeständigen Legierung weist einen bedeutenden Betrag an Festigkeit im Vergleich zu anderen Aluminiumlegierungen auf. Wenn die verschleißbeständige Legierung in einem Motorzylinderblock 18 verwendet wird, ist die netzartige Struktur ferner im ganzen Zylinderblock vorhanden, sogar an der Zylinderbohrungsoberfläche 16. Dies bewirkt, dass die Zylinderbohrungsoberfläche 16 eine hohe Verschleißbeständigkeit aus intermetallischen Phasen aufweist, wodurch der Bedarf für eine separate Zylinderbohrungslaufbuchse beseitigt wird.
Motorblockgüsse der verschleißbeständigen Legierungszusammensetzung sind für die Motorblockfertigung und das Finishen geeignet bearbeitbar. Die Güsse weisen niedrige Porositätsgrade auf, typischerweise unter einem Volumenprozent. Ferner ist das Material beständig gegenüber Kolben/Ringabrieb und anderen Quellen von Zylinderblockverschleiß. Wie oben erwähnt, zeigt die verschleißbeständige Legierung außerdem eine geeignete Verschleißbeständigkeit und Haltbarkeit während eines Motorbetriebs, so dass separate Zylinderlaufbuchsen, wie z.B. Eisenlaufbuchsen und hypereutektische Al-Si-Laufbuchsen, in Zylinderbohrungen von aus dieser Legierung hergestellten Blöcken nicht erforderlich sind.
Die Zylinderbohrungsoberfläche 16 der vorliegenden Erfindung ist so gefinisht, dass sie einen Mittenrauwert (Ra) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer, vorzugsweise 0,09 bis 0,12 Mikrometer aufweist. Dies ist viel glatter als andere Zylinderbohrungsoberflächen, welche typischerweise einen Mittenrauwert (Ra) mindestens zwischen 0,34 und 0,52 und manchmal von größer als 0,52 aufweisen. Die Zylinderbohrungsoberfläche 16 sollte auch eine verringerte Erhöhungshöhe (Rpk) in dem Bereich von etwa 0,05 bis 0,25 Mikrometer und eine verringerte Vertiefungstiefe (Rvk) in dem Bereich von etwa 0,15 bis 0,40 Mikrometer aufweisen.
Die Zylinderbohrungsoberfläche 16 kann durch Honen und anschließendes Bürsten auf die gewünschte Glätte angefertigt werden. Computernumerisch gesteuerte Honmaschinen werden verwendet, um die Honwerkzeuge zu betreiben, um Bohrungsfinishe von hoher Qualität zu erreichen. Die Zylinderbohrungsoberfläche 16 kann zuerst mit einem Diamantschleifmittel, wie zum Beispiel in Stein gebetteten Diamantpartikeln, auf etwa 0,125 mm der endgültigen Bohrungsgröße grobgehont werden. Diamant neigt dazu, abgerissenes und abgekantetes Metall an der Bohrungsoberfläche 16 zurück zu lassen, was ein verschmiertes Aussehen bewirkt, das kein gutes Bohrungsfinish ergibt. Folglich kann die Zylinderbohrungsoberfläche 16 mit einem Feinkornschleifmittel, wie zum Beispiel einem Feinkornsiliziumcarbidstein, fertiggehont werden. Das Feinkornschleifmittel wird verwendet, um die Erhöhungen abzuschaben oder um über die Oberfläche 16 zu streichen, um schroffe Erhöhungen ebenso wie abgekantetes und abgerissenes Material zu entfernen und um die endgültige Bohrungsgröße zu honen. Die Zylinderbohrungsoberfläche 16 kann dann durch Bürsten der Oberfläche gefinisht werden. Das Bürsten kann zum Beispiel mit einer flexiblen Bürste oder einem Nylonborsten-Honwerkzeug durchgeführt werden. Die Bürsten können Monofilament-Fasern aufweisen, welche mit einem in den Fasern eingebetteten Feinschleifmate rial stranggepresst sind. Das Bürsten hilft, abgerissene und abgekantete Rückstände weiter zu entfernen, während es ebenfalls das Gesamtoberflächenfinish verbessert. Nach dem Finishprozess können harte intermetallische Phasen der Aluminiumlegierung zwischen etwa 1 und 3 Mikrometer aus der Bohrungsoberfläche 16 herausragen.
Unter Bezugnahme auf 3 und 4 wurden ein Ni-P-BN-beschichteter rauer Kolbenmantel und ein Ni-P-BN-beschichteter glatter Kolbenmantel gegen drei verschiedene Aluminiumzylinderbohrungen getestet, um die Last (in N) gegen Abrieb (d.h. Abriebbeständigkeit) zu ermitteln. Ein rauer Kolbenmantel (bezeichnet als "NR") wies die äußeren Oberflächeneigenschaften von herkömmlichen Kolbenmänteln auf, wie oben beschrieben, und ein glatter Kolbenmantel (bezeichnet als "NS"), wies die äußeren Oberflächeneigenschaften der vorliegenden Erfindung auf, wie oben beschrieben. Die drei Aluminiumzylinderbohrungen waren eine PEAK-Legierungs-Zylinderbohrung (bezeichnet als "PEAK"), eine 390 Al-Zylinderbohrung (bezeichnet als "390") und eine aus der verschleißbeständigen Legierung hergestellte Zylinderbohrung. Die Tests wurden auf einer Kolben/Zylinderbohrungs-Abriebtestvorrichtung durchgeführt.
Die Testergebnisse zeigen, dass eine Aluminiumzylinderbohrung in Kombination mit einem glatten, NCC-beschichteten Kolbenmantel eines Aluminiumkolbens eine verbesserte Abriebbeständigkeit gegenüber glatten Aluminiumzylinderbohrungen in Kombination mit rauen, NCC-beschichteten Kolben bietet. Dies kann gesehen werden, indem die Ergebnisse für die NR-PEAK-Gruppe mit der NS-PEAK-Gruppe, die NR-390-Gruppe mit der NS-390-Gruppe und die NR-verschleißbeständige Legierung-Gruppe mit der NS-verschleißbeständige Legierung-Gruppe verglichen werden. Die NS-PEAK-Gruppe wies eine durchschnittliche Abrieblast von 825 N verglichen mit einer durchschnittlichen Abrieblast von 700 N für die NR-PEAK- Gruppe auf. Die NS-390-Gruppe wies eine durchschnittliche Abrieblast von 800 N verglichen mit einer durchschnittlichen Abrieblast von 650 N für die NR-390-Gruppe auf. Die NS-verschleißbeständige Legierung-Gruppe wies eine durchschnittliche Abrieblast von 1300 N für die erste Gruppe von Testläufen und 1593 N für die zweite Gruppe von Testläufen verglichen mit einer durchschnittlichen Abrieblast von 1150 N für die NR-verschleißbeständige Legierung-Gruppe auf. Wegen der großen Variation der Ergebnisse, die in der ersten Gruppe von Testläufen erhalten wurde, wurden für die NS-verschleißbeständige Legierung-Gruppe zwei Gruppen von Testläufen durchgeführt. Die große Variation der Ergebnisse für die erste Gruppe von Läufen kann durch eine Gießporosität in der Zylinderbohrung aus der verschleißbeständigen Legierung verursacht worden sein.
Die Testergebnisse zeigen ferner, dass eine Zylinderbohrung aus der verschleißbeständigen Legierung, die gemäß der vorliegenden Erfindung gefinisht ist, in Kombination mit einem glatten, Ni-P-BN-beschichteten Kolbenmantel bedeutend mehr Abriebbeständigkeit bietet als andere Aluminiumzylinderbohrungen. Dies wird aus der Differenz der Abrieblast für die NS-verschleißbeständige Legierung-Gruppe verglichen mit der NS-PEAK-Gruppe und der NS-390-Gruppe deutlich. Die NS-PEAK-Gruppe und die NS-390-Gruppe wiesen durchschnittliche Abrieblasten von 825 N bzw. 800 N auf, während die NS-verschleißbeständige Legierung-Gruppe eine durchschnittliche Abrieblast von 1300 N für die erste Gruppe von Testläufen und 1593 N für die zweite Gruppe von Testläufen aufwies.
Während die Erfindung durch Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte verstanden sein, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und des Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte vorgenommen werden könnten. Dementsprechend ist beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die offen barten Ausführungsformen beschränkt ist, sondern dass sie den vollen Umfang aufweist, der durch den Wortlaut der folgenden Ansprüche zugelassen ist.

10: Anordnung aus Kolben und Zylinder
12: Kolben
14: Zylinderbohrung
16: ringförmige Bohrungsoberfläche
18: Motorblock
20: Kopf
22: Mantel
24: äußere Oberfläche des Mantels
26: Ringnut
28: Ringnut
30: Ringnut
32: Erhöhungen
34: Vertiefungen

Claims

Anordnung aus Kolben und Zylinder für einen Motor, welche umfasst: einen Kolben, der einen Aluminiumkolbenkörper mit einem Kopf und einem Mantel aufweist, der sich von dem Kopf erstreckt, wobei der Mantel eine äußere Oberfläche aufweist; dass die äußere Oberfläche ein Oberflächenfinish in einer Wellenform mit Erhöhungen und Vertiefungen aufweist und eine Gesamtrauigkeit zwischen etwa 6 und 12 Mikrometer aufweist, wobei die Gesamtrauigkeit (Rt) als die Differenz zwischen der höchsten Erhöhung und der tiefsten Vertiefung innerhalb einer Beurteilungslänge definiert ist; dass das Oberflächenfinish einen ungefähren Abstand von Erhöhung zu Erhöhung zwischen 0,17 und 0,25 Millimeter innerhalb der Beurteilungslänge aufweist; eine Verbundbeschichtung auf der äußeren Oberfläche; und eine Aluminiumzylinderbohrung, die in einem Motorblock angeordnet und ausgebildet ist, um den Kolbenkörper aufzunehmen, wobei die Zylinderbohrung eine Bohrungsoberfläche aufweist; dass die Bohrungsoberfläche einen Mittenrauwert (Ra) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer aufweist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 1, wobei die Bohrungsoberfläche einen Mittenrauwert zwischen etwa 0,09 und 0,12 Mikrometer aufweist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 1, wobei die Zylinderbohrung aus einer eutektischen Al-Si-Legierung einschließlich anderer Legierungselemente gebildet ist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 3, wobei die Aluminiumlegierung gewichtsbezogen 9,5 bis 12,5 % Silizium, 0,1 bis 1,5 % Eisen, 0,2 bis 3 % Mangan, 0,1 bis 0,6 % Magnesium, bis zu 0,05 % Strontium und Aluminium umfasst, wobei das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen mindestens 1,2 beträgt, wenn der Eisengehalt gleich oder größer als 0,4 % ist, und das Gewichtsverhältnis von Mangan zu Eisen mindestens 0,6 beträgt, wenn der Eisengehalt geringer als 0,4 % der Legierung ist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 4, wobei die Aluminiumlegierung ferner gewichtsbezogen 1,5 bis 4,5 % Kupfer, maximal 2,0 % Zink, 0 bis 1,5 % Nickel und maximal 0,25 % Titan umfasst.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 3, wobei harte intermetallische Phasen der Aluminiumlegierung zwischen etwa 1 und 3 Mikrometer aus der Bohrungsoberfläche herausragen.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 1, wobei die Bohrungsoberfläche eine relative Erhöhungshöhe (RPK) zwischen etwa 0,05 und 0,25 Mikrometer aufweist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 1, wobei die Bohrungsoberfläche eine relative Vertiefungstiefe (RVK) zwischen etwa 0,15 und 0,40 Mikrometer aufweist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 1, wobei das Oberflächenfinish eine Gesamtrauigkeit von etwa 10 Mikrometer und einen ungefähren Abstand von Erhöhung zu Erhöhung von 0,20 Millimeter innerhalb der Beurteilungslänge aufweist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 1, wobei die Verbundbeschichtung eine Nickelkeramikverbundbeschichtung ist.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 10, wobei die Nickelkeramikverbundbeschichtung eine plattierte Ni-P-BN-Beschichtung umfasst, welche etwa 3–7 Volumen-% Bornitrid (BN) und etwa 3 Gewichts-% Phosphor (P) umfasst.
Anordnung aus Kolben und Zylinder nach Anspruch 11, wobei die Beschichtung galvanisiert ist und suspendierte Keramikpartikel in der Galvanisierlösung aufweist, die während des Galvanisierens gleichzeitig aufgebracht werden, die Beschichtung eine Dicke zwischen etwa 10 und 18 Mikrometer und eine ungefähre Härte zwischen 47 und 55 HRC aufweist, und die Bornitrid-Partikel (BN-Partikel) einen Durchmesser von 4 Mikrometer und eine Dicke von weniger als 1 Mikrometer aufweisen.
Verfahren zum Anfertigen eines nicht beschichteten, nicht mit einer Laufbuchse versehenen Aluminiumlegierungs-Zylinders zur Verwendung in einem Motor, wobei der Zylinder eine Zylinderbohrung ist, die eine Bohrungsoberfläche aufweist und ausgebildet ist, um einen Kolben aufzunehmen, wobei das Verfahren umfasst, dass: eine aus einer eutektischen Al-Si-Legierung einschließlich anderer Legierungselemente hergestellte Zylinderbohrung bereitgestellt wird; die Bohrungsoberfläche mit einem Diamantschleifmittel grobgehont wird; die Bohrungsoberfläche mit einem Feinkornschleifmittel fertiggehont wird; und die Bohrungsoberfläche gefinisht wird, wobei die gefinishte Bohrungsoberfläche einen Mittenrauwert (Ra) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Mittenrauwert der gefinishten Bohrungsoberfläche zwischen etwa 0,09 und 0,12 Mikrometer beträgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Diamantschleifmittel ein Stein mit eingebetteten Diamantpartikeln ist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Feinkornschleifmittel ein Siliziumcarbidstein ist.
Verfahren nach Anspruch 13, das ein Bürsten der Bohrungsoberfläche umfasst, um die Bohrungsoberfläche zu finishen.
Verfahren nach Anspruch 17, das ein Bürsten der Bohrungsoberfläche mit einer flexiblen Bürste oder einem Nylonborstenhonwerkzeug umfasst.
Verfahren zum Anfertigen einer Anordnung aus Aluminiumkolben und Aluminiumzylinder zur Verwendung in einem Motor, wobei der Kolben einen Kolbenkörper mit einem Kopf und einem Mantel aufweist, wobei sich der Mantel von dem Kopf erstreckt und eine äußere Oberfläche aufweist, und der Zylinder eine Zylinderbohrung ist, die ausgebildet ist, um den Kolbenkörper aufzunehmen, und die eine Bohrungsoberfläche aufweist, wobei das Verfahren umfasst, dass: die äußere Oberfläche des Kolbenmantels derart bearbeitet wird, dass das Finish der äußeren Oberfläche eine Wellenform mit Erhöhungen und Vertiefungen, eine Gesamtrauigkeit (Rt) zwischen etwa 6 und 12 Mikrometer, wobei die Gesamtrauigkeit als die Differenz zwischen der höchsten Erhöhung und der tiefsten Vertiefung innerhalb einer Beurteilungslänge definiert ist, und einen ungefähren Abstand von Erhöhung zu Erhöhung zwischen 0,17 und 0,25 Millimeter innerhalb der Beurteilungslänge aufweist; die bearbeitete äußere Oberfläche des Kolbenmantels mit einer Nickelkeramikverbundplattierung beschichtet wird; eine aus einer eutektischen Al-Si-Legierung einschließlich anderer Legierungselemente gebildete Zylinderbohrung bereitgestellt wird; die Bohrungsoberfläche mit einem Diamantschleifmittel grobgehont wird; die Bohrungsoberfläche mit einem Feinkornschleifmittel fertiggehont wird; und die Bohrungsoberfläche gefinisht wird, wobei die gefinishte Bohrungsoberfläche einen Mittenrauwert (Ra) zwischen etwa 0,09 und 0,25 Mikrometer aufweist.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei der Mittenrauwert der gefinishten Bohrungsoberfläche zwischen etwa 0,09 und 0,12 Mikrometer liegt.