DE102006059045A1 - Treatment of running surface of IC engine cylinder made from alloy containing magnesium silicide comprises selectively dissolving out magnesium silicide using acid, so that pores are formed in surface - Google Patents

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Abstract

Treatment of the running surface of an IC engine cylinder made from an alloy containing magnesium silicide comprises selectively dissolving out the magnesium silicide using an acid, so that pores are formed in the surface. An independent claim is included for cylinders with a running surface treated using the process.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche eines Zylinders aus einer Magnesiumsilizid enthaltenden Legierung, für einen Verbrennungsmotor sowie einen derartigen Zylinder.The The present invention relates to a method for processing a Cylinder surface a cylinder of a magnesium silicide-containing alloy, for one Internal combustion engine and such a cylinder.

Bei der Bearbeitung von Zylinderlaufflächen werden zwei einander entgegengesetzte Ziele angestrebt. Zum einen ist es wünschenswert, dass die Zylinderlaufflächen möglichst glatt sind, um möglichst niedrige Reibwerte zu erzielen und den Schmierölverbrauch gering zu halten. Dies führt jedoch in der Regel dazu, dass insbesondere im Zwickelbereich eines Zylinders, d. h. auf der Höhe des oberen Umkehrpunktes des ersten Kolbenringes infolge Schmierölmangels verstärkt Verschleißschäden auftreten. Üblicherweise wird daher durch entsprechendes Honen oder durch Laserbehandlung (vgl. EP 0 889 366 A1 ) gezielt eine Kreuzriefenstruktur in die Zylinderlauffläche eingebracht. Dadurch wird zwar die Schmierölversorgung verbessert, jedoch wird die Abdichtwirkung des ersten Kolbenringes zum Brennraum des Verbrennungsmotors hin verschlechtert.When machining cylinder treads, two opposing goals are sought. On the one hand, it is desirable that the cylinder running surfaces are as smooth as possible in order to achieve the lowest possible coefficients of friction and to keep the consumption of lubricating oil low. However, this usually leads to the fact that especially in the gusset region of a cylinder, ie at the height of the upper reversal point of the first piston ring due to lubricating oil deficiency increased wear damage. Usually, therefore, by appropriate honing or by laser treatment (see. EP 0 889 366 A1 ) selectively introduced a Kreuzriefenstruktur in the cylinder surface. As a result, although the lubricating oil supply is improved, however, the sealing effect of the first piston ring is deteriorated toward the combustion chamber of the internal combustion engine.

Aus der DE 195 23 484 C2 sind Zylinder aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen bekannt. Diese Legierungen enthalten Silizium-Primärkristalle, die u. a. in der Zylinderlauffläche zu liegen kommen. Diese Silizium-Primärkristalle werden durch Behandlung der Zylinderlauffläche durch Ätzen mit einer Lauge derart freigelegt, dass ihre Plateau-Flächen gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung hervorstehen. Dadurch entstehen in der Zylinderlauffläche Kanäle, die das Schmieröl aufnehmen und wie die erwähnten Kreuzriefen wirken. Das Problem der Abdichtung zum Brennraum hin wird dadurch nicht gelöst.From the DE 195 23 484 C2 are known cylinders of hypereutectic aluminum-silicon alloys. These alloys contain silicon primary crystals, which come to lie, inter alia, in the cylinder surface. These silicon primary crystals are exposed by treatment of the cylinder surface by etching with an alkali such that their plateau surfaces protrude from the other surface of the basic structure of the alloy. This creates in the cylinder surface channels that absorb the lubricating oil and act as the mentioned Kreuzriefen. The problem of sealing towards the combustion chamber is not solved.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. einen Zylinder der o. g. Art bereit zu stellen, bei welchen die Abdichtung des Zylinders zum Brennraum des Verbrennungsmotors bei ausreichender Schmierölversorgung verbessert ist.Of the The present invention is therefore based on the object, a method or a cylinder of o. g. Kind of providing, in which the sealing of the cylinder to the combustion chamber of the internal combustion engine with sufficient lubricating oil supply is improved.

Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass durch Behandeln der Zylinderlauffläche mit mindestens einer Säure selektiv Magnesiumsilizid heraus gelöst wird, so dass in der Zylinderlauffläche Poren gebildet werden.The solution consists in a method having the features of claim 1. According to the invention, that by treating the cylinder surface with at least one acid selectively Magnesium silicide solved out is, so that in the cylinder surface pores are formed.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht eine Porenstruktur in der glatten Zylinderlauffläche. Statt langer mit Schmieröl gefüllter Riefen oder Kanäle liegen nun in sich abgeschlossene Schmierölreservoirs vor. Dadurch bleibt die Abdichtwirkung des oberen Kolbenrings zum Brennraum des Verbrennungsmotors erhalten, während die mit Schmieröl gefüllten Poren die Aufgabe der Schmierölversorgung übernehmen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann zudem einfach und kostengünstig in den üblichen Herstellungsprozess von Zylindern und Zylinderlaufflächen integriert werden. Darüber hinaus sind die Reaktionsprodukte flüchtig bzw. wasserlöslich, so dass eine Verunreinigung der Zylinderlauffläche nicht zu befürchten ist. Ein weiterer wesentlicher Vorteil besteht darin, dass die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende Porenstruktur abhängig vom jeweils gewählten Magnesium- und Siliziumgehalt des verwendeten Werkstoffs ist. Sie kann daher vom Fachmann je nach den Anforderungen des Einzelfalls gezielt eingestellt werden.By the inventive method creates a pore structure in the smooth cylinder surface. Instead of longer with lubricating oil filled Grooves or channels are now in self-contained lubricating oil reservoirs before. This remains the sealing effect of the upper piston ring to the combustion chamber of the internal combustion engine get while those with lubricating oil filled Pores take over the task of lubricating oil supply. The inventive method It can also be simple and inexpensive in the usual Integrated manufacturing process of cylinders and cylinder surfaces become. About that In addition, the reaction products are volatile or water-soluble, so that contamination of the cylinder surface is not to be feared. Another significant advantage is that the from the process of the invention resulting pore structure dependent from the selected one Magnesium and silicon content of the material used is. she can therefore be determined by the skilled person according to the requirements of the case be targeted.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Zylinder mit einer Zylinderlauffläche, welche nach selektivem Herauslösen von Magnesiumsilizid durch Behandlung mit mindestens einer Säure Poren aufweist.object The present invention is further a cylinder with a cylinder surface, which after selective dissolution of magnesium silicide by treatment with at least one acid pores having.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.advantageous Further developments emerge from the subclaims.

Magnesiumsilizid ist generell gegenüber Säuren instabil. Als geeignet haben sich Mineralsäuren, vorzugsweise wasserfreie Mineralsäuren, erwiesen. Beispielsweise können konzentrierte Schwefelsäure oder konzentrierte Phosphorsäure zum Einsatz kommen, die mit Magnesiumsilizid wie folgt reagieren:

  • a) mit Schwefelsäure 2 H2SO4 + Mg2Si → SiH4 +2 MgSO4
  • b) mit Phosphorsäure 4 H3PO4 + 3 Mg2Si → 3 SiH4 + 2 Mg3(PO4)2
Magnesium silicide is generally unstable to acids. Mineral acids, preferably anhydrous mineral acids, have proven to be suitable. For example, concentrated sulfuric acid or concentrated phosphoric acid may be used which react with magnesium silicide as follows:
  • a) with sulfuric acid 2H 2 SO 4 + Mg 2 Si → SiH 4 + 2 MgSO 4
  • b) with phosphoric acid 4 H 3 PO 4 + 3 Mg 2 Si → 3 SiH 4 + 2 Mg 3 (PO 4 ) 2

Es ist von Vorteil, die Zylinderlauffläche vor der Säurebehandlung feinzudrehen und/oder zu honen, um eine möglichst glatte Oberfläche zu erzielen, wodurch die Abdichtwirkung des ersten Kolbenrings zum Brennraum hin optimiert wird. Optional kann vorher eine an sich bekannte Wärmebehandlung durchgeführt werden.It is an advantage, the cylinder surface before the acid treatment to spin and / or honing to achieve the smoothest possible surface, thereby optimizes the sealing effect of the first piston ring to the combustion chamber becomes. Optionally, a previously known heat treatment carried out become.

Als Werkstoff kann bspw. eine Silizium-Primärkristalle enthaltende Legierung verwendet werden. Vor der Säurebehandlung können dann die in der Zylinderlauffläche liegenden Siliziumprimärkristalle in an sich bekannter Weise durch mechanische Bearbeitung (bspw. durch Honen mit speziell hierfür optimierten Werkzeugen) oder Ätzen mit Laugen freigelegt werden.When Material may, for example, a silicon primary crystals containing alloy be used. Before the acid treatment can then in the cylinder surface lying silicon primary crystals in a conventional manner by mechanical processing (eg. by honing with specially optimized for this Tools) or etching be exposed with alkalis.

Ein bevorzugter Werkstoff ist eine Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung, die bspw. 18 bis 21 Gew.-% Silizium und 5 bis 7 Gew.-% Magnesium (Rest Aluminium) enthält. Zur Kornfeinung der primären Siliziumkristalle und des Magnesiumsilizids, welches ebenfalls in Form von Primärkristallen ausfallen kann, können bis zu 200 ppm Phosphor zulegiert werden. Ferner können zur Verbesserung der Ausscheidungshärtbarkeit bis zu 5 Gew.-% Kupfer zulegiert werden.A preferred material is an aluminum-silicon-magnesium alloy containing, for example, 18 to 21% by weight of silicon and 5 to 7% by weight of magnesium (remainder aluminum). For grain refining of the primary silicon crystals and magnesium silicide, wel can also be precipitated in the form of primary crystals, up to 200 ppm of phosphorus can be added. Further, to improve the precipitation hardenability, up to 5% by weight of copper may be added.

Die aus dem erfindungsgemäßen Verfahren resultierende Porenstruktur ist abhängig vom jeweils gewählten Magnesium- und Siliziumgehalt des verwendeten Werkstoffs und kann daher vom Fachmann je nach den Anforderungen des Einzelfalls gezielt eingestellt werden. Bspw. kann der Flächenanteil der Poren an der Zylinderlauffläche 1 bis 10% betragen. Die Poren können beispielhaft einen Durchmesser von 30 μm bis 50 μm aufweisen. Ebenso kann in an sich bekannter Weise der Flächenanteil an primären Siliziumkristallen an der Zylinderlauffläche abhängig vom gewählten Silizium-Anteil eingestellt werden.The resulting from the process of the invention Pore structure is dependent from the selected one Magnesium and silicon content of the material used and can therefore targeted by the skilled person depending on the requirements of the case be set. For example. the area fraction of the pores on the Cylinder surface 1 to 10%. The pores can for example, have a diameter of 30 microns to 50 microns. Likewise, in known per se, the area fraction at primary Silicon crystals on the cylinder surface depending on the selected silicon content be set.

Der Werkstoff kann beispielsweise im Niederdruckgießverfahren zu ganzen Motorblöcken oder zu Zylindereinheiten mit mehreren Zylinderbohrungen verarbeitet werden. Anschließend werden die Laufflächen der Zylinderbohrungen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet. Ebenso möglich ist die Herstellung einzelner Zylinderlaufbüchsen im Stranggussverfahren mit nachfolgendem Rohrstrangpressen. Diese Zylinderlaufbüchsen werden dann in den Motorblock eingegossen und ihre Laufflächen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet.Of the Material can, for example, in low-pressure casting to whole engine blocks or to Cylinder units are processed with multiple cylinder bores. Subsequently become the treads the cylinder bores according to the inventive method processed. Likewise possible is the production of individual cylinder liners in the continuous casting process with subsequent tube extrusion. These cylinder liners become then poured into the engine block and their treads according to the method of the invention processed.

Claims (13)

Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlauffläche eines Zylinders aus einer Magnesiumsilizid enthaltenden Legierung, für einen Verbrennungsmotor, dadurch gekennzeichnet, dass durch Behandeln der Zylinderlauffläche mit mindestens einer Säure selektiv Magnesiumsilizid heraus gelöst wird, so dass in der Zylinderlauffläche Poren gebildet werden.A method for machining a cylinder surface of a cylinder of a magnesium silicide-containing alloy, for an internal combustion engine, characterized in that by treating the cylinder surface with at least one acid selectively magnesium silicide is dissolved out, so that in the cylinder surface pores are formed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mineralsäure, vorzugsweise eine wasserfreie Mineralsäure, verwendet wird.Method according to claim 1, characterized in that that a mineral acid, preferably anhydrous mineral acid is used. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass konzentrierte Schwefelsäure oder konzentrierte Phosphorsäure verwendet wird.Method according to claim 2, characterized in that that concentrated sulfuric acid or concentrated phosphoric acid is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlauffläche vor der Säurebehandlung feingedreht und/oder gehont wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the cylinder surface before the acid treatment finely turned and / or honed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Silizium-Primärkristalle enthaltende Legierung verwendet wird und vor der Säurebehandlung Siliziumprimärkristalle auf der Zylinderlauffläche freigelegt werden.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that an alloy containing silicon primary crystals is used and before the acid treatment Silicon primary crystals on the cylinder surface be exposed. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Legierung eine Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierung verwendet wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that the alloy used is an aluminum-silicon-magnesium alloy becomes. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung mit 18 bis 21 Gew.-% Silizium und 5 bis 7 Gew.-% Magnesium (Rest Aluminium) verwendet wird.Method according to Claim 6, characterized that an alloy with 18 to 21 wt .-% silicon and 5 to 7 wt .-% Magnesium (balance aluminum) is used. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung verwendet wird, die bis 200 ppm Phosphor und/oder bis 5 Gew.-% Kupfer enthält.Method according to claim 6 or 7, characterized that an alloy is used which contains up to 200 ppm phosphorus and / or contains up to 5 wt .-% copper. Zylinder aus einer Magnesiumsilizid enthaltenden Legierung, für einen Verbrennungsmotor, mit einer Zylinderlauffläche, welche nach selektivem Herauslösen von Magnesiumsilizid durch Behandlung mit mindestens einer Säure Poren aufweist.Cylinder containing a magnesium silicide Alloy, for an internal combustion engine, with a cylinder surface, which after selective dissolution of magnesium silicide by treatment with at least one acid pores having. Zylinder nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Flächenanteil der Poren an der Zylinderlauffläche 1 bis 10% beträgt.Cylinder according to claim 9, characterized that the area fraction the pores on the cylinder surface 1 to 10%. Zylinder nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren einen Durchmesser von 30 bis 50 μm aufweisen.Cylinder according to claim 9 or 10, characterized the pores have a diameter of 30 to 50 μm. Zylinder nach einem der Ansprüche 9 bis 11, nämlich in Form einer einstückigen Zylindereinheit mit mehreren Zylinderbohrungen, bspw. in einem Motorblock.Cylinder according to one of claims 9 to 11, namely in Shape of a one-piece Cylinder unit with several cylinder bores, for example in an engine block. Zylinder nach einem der Ansprüche 9 bis 11, nämlich in Form einer einzelnen Zylinderlaufbüchse.Cylinder according to one of claims 9 to 11, namely in Shape of a single cylinder liner.
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