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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Freilegen
von in einer Aluminium-Matrix eingebetteten Silizium-Kristallen
an einer Oberfläche
eines Werkstücks,
insbesondere einer Zylinderlaufbuchse.
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Eine
derartige Vorrichtung sowie ein derartiges Verfahren sind dabei
beispielsweise bereits aus der
EP 348 608 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Vorrichtung
umfasst dabei eine Bürsteinrichtung
mit einer Mehrzahl an vorgespannten Borsten, mittels welcher in
einer Aluminium-Matrix eines Werkstücks eingebettete Silizium-Kristalle
freigelegt werden. Bei den zu bearbeitenden Werkstücken handelt
es sich üblicherweise
um Zylinderlaufbahnen aus an sich bekannten Aluminium/Silizium-Legierungen. Die
Vorrichtung macht sich dabei die örtlich sehr unterschiedlichen
Härten
zwischen den Silizium-Kristallen und
der Aluminium-Matrix zunutze und legt die weichere Aluminium-Matrix
durch Honen zurück.
Die dadurch gegenüber
der Aluminium-Matrix abragenden Silizium-Kristalle bilden aufgrund
ihrer Härte
eine Oberfläche
mit verbesserten Reibungs- und Verschleißeigenschaften. Zudem kann
das durch das Honverfahren freigegebene Volumen zur Aufnahme von
Schmieröl
genutzt werden, wodurch eine zusätzliche Verbesserung
der Reibungseigenschaften des Werkstücks gegeben ist.
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Als
nachteilig an der bekannten Vorrichtung bzw. dem bekannten Verfahren
ist dabei der Umstand anzusehen, dass beispielsweise auf diese Weise
bearbeitete Zylinderlaufbahnen im späteren Betrieb häufig Funktionsmängel aufweisen.
So bilden sich im Motorbetrieb des Öfteren Fressriefen und -streifen
sowie Druckstellen, die sich negativ auf Reibung, Verschleiß und Ölverbrauch
des Motors auswirken. Dafür
verantwortlich sind insbesondere beim Bürsten entstehende Aluminium-Überschmierungen auf
den Silizium-Kristallen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung sowie
ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die
Herstellung von Werkstücken
mit verbesserten Reibungs- und Verschleißeigenschaften ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch
ein Verfahren gemäß Patentanspruch
4 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen sind
in den jeweiligen Unteransprüchen
angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung – soweit
anwendbar – als
vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und umgekehrt anzusehen
sind.
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Eine
Vorrichtung, welche die Herstellung von Werkstücken mit verbesserten Reibungs-
und Verschleißeigenschaften
ermöglicht,
ist erfindungsgemäß dadurch
geschaffen, dass eine Dosierungseinrichtung vorgesehen ist, mittels
welcher eine vorgebbare Menge einer die Aluminium-Matrix ätzenden Ätzflüssigkeit
auf die Oberfläche
aufzubringen ist. Mit anderen Worten erlaubt die erfindungsgemäße Vorrichtung
sowohl ein Spanen als auch ein chemisches Ätzen der Oberfläche des
Werkstücks.
Auf diese Weise können
mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung
die ansonsten beim bloßen
Spanen bzw. Bürsten
entstehenden Aluminium-Überschmierungen
auf den Silizium-Kristallen zuverlässig vermieden werden. Dies
erhöht
nicht nur die Qualität
des Werkstücks,
sondern senkt auch die durch Nacharbeitungen während der Montage sowie im
Rahmen späterer
Gewährleistungs-
bzw. Kulanzleistungen entstehenden Kosten erheblich. Durch das zusätzliche Ätzen werden
zudem gegebenenfalls durch das Spanen entstehende Oberflächenunregelmäßigkeiten
der Aluminium-Matrix geglättet.
Im Gegensatz zu bekannten, rein chemisch oder elektro-chemisch arbeitenden
Vorrichtungen ermöglicht
die erfindungsgemäße Vorrichtung
umgekehrt eine signifikante Reduzierung der erforderlichen Mengen
an Ätzflüssigkeit,
wodurch neben den bereits erwähnten ökonomischen
auch entsprechende ökologische
Vorteile erzielt werden.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass der Dosierungseinrichtung
eine Steuereinrichtung zugeordnet ist, mittels welcher die Menge
der Ätzlösung vorzugeben
und/oder das Aufbringen der Menge der Ätzlösung zeitlich zu steuern ist.
Eine derartige Steuereinrichtung ermöglicht somit ein prozesssicheres,
reproduzierbares und automatisierbares Freilegen der Silizium-Kristalle.
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Dabei
ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
vorgesehen, dass die Dosierungseinrichtung ein vorzugsweise steuerbares Ventil
umfasst. Mit Hilfe eines solchen Ventils ist ein besonders einfaches
und präzises
Einstellen der vorgegebenen Menge bzw. der zeitlichen Abgabe der Ätzlösung sowie
der räumlichen
Verteilung der Ätzlösung auf
der Oberfläche
des Werkstücks
ermöglicht.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Freilegen
von in einer Aluminium-Matrix eingebetteten Silizium-Kristallen
an einer Oberfläche
eines Werkstücks,
insbesondere einer Zylinderlaufbüchse,
welches aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung
gefertigt ist, mit den Schritten a) Spanen, insbesondere Honen,
der Oberfläche
mittels einer Bürsteinrichtung
zum Zurücklegen
der Aluminium-Matrix und b) Aufbringen einer vorgebbaren Menge einer
die Aluminium-Matrix ätzenden Ätzflüssigkeit
auf die Oberfläche
mittels einer Dosierungseinrichtung. Das erfindungsgemäße Verfahren
ermöglicht
dabei die Herstellung von Werkstücken
mit verbesserten Reibungs- und Verschleißeigenschaften, da eventuell
während
Schritt a) entstehende Überschmierungen
der Silizium-Kristalle mit Aluminium-Matrix zuverlässig in
Schritt b) entfernt werden. Weitere sich ergebende Vorteile sind
bereits den vorhergehenden Vorteilsbeschreibungen zu entnehmen.
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Dabei
hat es sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Schritte a) und b)
gleichzeitig und/oder nacheinander und/oder mehrmals durchgeführt werden,
um in Abhängigkeit
der Beschaffenheit der jeweils vorliegenden Oberfläche bzw.
Leichtmetalllegierung eine optimale Freilegung der Silizium-Kristalle unter Zurücklegung
der weichen Aluminium-Matrix zu gewährleisten.
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Von
besonderer Bedeutung ist dabei die Entfernung von Aluminium, welches
bei der mechanischen Bearbeitung nur teilweise abgetragen oder verschmiert
wird. Insbesondere das schädliche
Bedecken der Si-Kristalle mit Aluminium während der mechanischen Behandlung
kann durch das erfindungsgemäße Verfahren
wieder rückgängig gemacht werden.
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Die
gleichzeitige Anwendung von mechanischer Bearbeitung und Ätzen ist
dabei besonders effektiv.
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Das
Verfahren kann dabei besonders effizient und kostengünstig durchgeführt werden,
indem als Ätzflüssigkeit
eine Natriumhydroxid-Lösung,
vorzugsweise in einer Konzentration zwischen 2% und 5% (w/v), verwendet
wird.
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Dabei
ist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
nach Schritt b) ein weiterer Schritt c) vorgesehen, in welchem die
Oberfläche
mittels einer Waschflüssigkeit
gewaschen wird. Auf diese Weise können eventuell verbliebene
Reste an Ätzlösung oder
eventuell aus der Matrix gelöste
Silizium-Kristalle zuverlässig
entfernt werden, um eine spätere
Beeinträchtigung
der Montage oder des Betriebs des Werkstücks zu vermeiden. Als Waschflüssigkeit
kann im einfachsten Fall Wasser verwendet werden.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen, in welchen gleiche oder funktionsgleiche
Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
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1 eine
schematische seitliche Schnittansicht von freigelegten, in einer
Aluminium-Matrix eingebetteten Silizium-Kristallen an einer Oberfläche eines
Werkstücks;
und
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2 eine
schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer zum Freilegen
der in der Aluminium-Matrix eingebetteten Silizium-Kristalle an der
Oberfläche
des Werkstücks
gemäß 1 geeigneten
Vorrichtung.
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1 zeigt
eine schematische seitliche Schnittansicht von freigelegten, in
einer Aluminium-Matrix 10 eingebetteten Silizium-Kristallen 12 an einer
Oberfläche 14 eines
im vorliegenden Beispiel als Zylinderlaufbuchse ausgebildeten Werkstücks 16.
Die Aluminium-Matrix 10 ist dabei mit Hilfe einer in 2 gezeigten
Vorrichtung, welche im Folgenden näher erläutert werden wird, soweit zurückgesetzt, dass
die Silizium-Kristalle 12 im vorliegenden Beispiel um etwa
0,1-0,2 μm von der
Oberfläche 14 abragen,
beziehungsweise ohne Freilegung keine Aufschmierung von Aluminium
vorweisen. Kann dies umgesetzt werden ist eine Freilegung unter
Umständen
nicht erforderlich.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer zum Freilegen
der in der Aluminium-Matrix 10 eingebetteten Silizium-Kristalle 12 an
der Oberfläche 14 des
Werkstücks 16 gemäß 1 geeigneten
Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst dabei eine Bürsteinrichtung 18,
mittels welcher die Oberfläche 14 des
Werkstücks 16 zu spanen
ist. Das Spanen wird dabei vorzugsweise mit einer geometrisch unbestimmten
Schneide honend durchgeführt.
Alternativ können
jedoch auch geometrisch bestimmte Schneiden vorgesehen sein. Weiterhin
umfasst die Vorrichtung eine Dosierungseinrichtung 20,
mittels welcher eine vorgebbare Menge einer die Aluminium-Matrix 10 ätzenden Ätzflüssigkeit 22 über ein
schaltbares Ventil 24 auf die Oberfläche 14 aufzubringen
ist. Die Ätzflüssigkeit 22,
welche im vorliegenden Beispiel 2-5%ige Natronlauge umfasst, ist
in einem Vorratsbehälter 26 aufgenommen und
wird über
eine Versorgungsleitung 28 zur Dosierungseinrichtung 20 bzw.
zum Ventil 24 transportiert. Die Dosierungseinrichtung 20 ist
schließlich
mit einer Steuereinrichtung 30 gekoppelt, mittels welcher
insbesondere die Prozessparameter Menge und zeitliche Dosierung
der Ätzflüssigkeit 22 gesteuert
werden können. Über das
steuerbare Ventil 24 kann zudem eine Druckregulierung vorgenommen
und damit Einfluss auf die Benetzung der Oberfläche 14 mit der Ätzflüssigkeit 22 genommen
werden. Im Anschluss an das Freilegen der Silizium-Kristalle 12 kann
die Oberfläche 14 des
Werkstücks 16 beispielsweise
mit Wasser gereinigt werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die
Vorrichtung selbst zur Durchführung des
Waschschritts ausgelegt ist und einen entsprechenden Vorratsbehälter (nicht
abgebildet) usw. umfasst. Dabei kann ebenfalls vorgesehen sein,
dass die Waschflüssigkeit
mittels der Dosierungseinrichtung 20 bzw. dem Ventil 24 auf
das Werkstück 16 aufgebracht
werden kann.
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- 10
- Aluminium-Matrix
- 12
- Silizium-Kristalle
- 14
- Oberfläche
- 16
- Werkstück
- 18
- Bürsteinrichtung
- 20
- Dosierungseinrichtung
- 22
- Ätzflüssigkeit
- 24
- Ventil
- 26
- Vorratsbehälter
- 28
- Versorgungsleitung
- 30
- Steuereinrichtung