DE102012002765A1

DE102012002765A1 - Reibungsoptimierte Oberflächenausführung von Graugussbauteilen

Info

Publication number: DE102012002765A1
Application number: DE102012002765A
Authority: DE
Inventors: Jens Böhm; Hans-Jürgen Füsser; Matthias Hartweg; Tobias Hercke; Axel Heuberger; Stefan Schweickert; Günter Rau
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-02-11
Filing date: 2012-02-11
Publication date: 2013-08-14
Also published as: WO2013117210A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung stellt ein Graugussbauteil, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist, bereit. Das Graugussbauteil hat eine reibungsoptimierte Oberfläche mit einer – reduzierten Spitzenhöhe im Bereich von 0.05 bis 0.4 μm, einer – Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μm, und – reduzierten Riefentiefe im Bereich von 0.1 bis 0.8 μm.

Description

Die Erfindung betrifft Graugussbauteile, deren Oberfläche zur Zusammenwirkung mit einem Reibungspartner reibungsoptimiert ist.
Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, die Oberflächeneigenschaften wie die Reibung von Bauteilen, die mit einem Reibungspartner zusammenwirken, zu optimieren. Bauteile dieser Art sind etwa die Paarung Zylinder und Kolben, deren Zusammenwirkung von höchster Relevanz im Hinblick auf die Gesamtleistung eines Verbrennungsmotors insbesondere auch aus ökologischer und ökonomischer Sicht ist. Der Ölverbrauch eines Verbrennungsmotors bestimmt sich wesentlich durch die Reibung, die durch mechanische Oberflächenbearbeitung zur Einbringung Öl-rückhaltender Strukturen verringert werden kann. Als Verfahren zur Behandlung kommen spanende Methoden wie die Honbearbeitung in Frage. Hierdurch werden Mikrostrukturen als „Taschen” eingebracht, in denen sich das Öl sammelt und einen Fluidfilm bildet, der den Reibungspartner quasi aufschwimmen lässt und damit die Reibung ideal verringert.
Die Oberflächen solcher oberflächenbearbeiteter Bauteile, die mit einem Reibungspartner zusammenwirken, weisen werkstoffspezifische Strukturen neben den gewollten bearbeitungsspezifischen und ungewollten Strukturen auf, auf denen zusammenwirkend die tatsächlichen Reibeigenschaften basieren. Gröbere Oberflächen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, sind daher mit dem Nachteil der erhöhten Reibleistung verbunden.
Aus dem Stand der Technik sind daher Verfahren zur Bewertung von Strukturen auf Oberflächen – wie Honstrukturen auf Zylinderlaufbahnen – bekannt.
So wird in der DE 10 2007 008 604 A1 ein Verfahren beschrieben, das eine umfassende seriennahe, zerstörungsfreie Qualitätssicherung von Oberflächen, insbesondere von gehonten Zylinderlaufbahnen, ermöglichen soll. Dabei werden durch eine Strukturtrennung Soll- und Fehlermerkmale, insbesondere Soll- und Fehlerstrukturen, getrennt, indem ein Originalbild zerlegt wird. Bei der Strukturtrennung werden gemessene 3D-Daten oder 3D-Bilder weiterverarbeitet. Aus dem Originalbild werden relevante Parameter extrahiert und durch objektive Bewertung funktionsrelevanter Strukturelemente mit Kenngrößen soll die Qualitätssicherung der gehonten Zylinderlaufbahnen aller Typen ermöglicht werden. Ferner wird die Möglichkeit der Toleranzvorgabe und der Zeichnungseintragung für die Kenngrößen angeboten, um so auf einfache Art und Weise eine Identifizierung von Soll- und Fehlerstrukturen und die Bewertung deren Ausprägung zu ermöglichen und gezieltes Eingreifen in einen Produktionsprozess zu erlauben.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Graugussbauteile mit reibungsoptimierter Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner zu schaffen, die reproduzierbare und vorbestimmte Oberflächenstrukturen aufweisen, um die gewünschten Laufeigenschaften der Reibungspartner zu leisten.
Diese Aufgabe wird durch ein Graugussbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist.
Weiterbildungen des Bauteils sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
Das erfindungsgemäße Graugussbauteil hat eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner, wobei sich die erwünschten Oberflächeneigenschaften durch eine vorbestimmte reduzierte Spitzenhöhe ergeben, die im Bereich von 0.05 bis 0.4 μm liegt, und weiter durch eine Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μm, und eine reduzierte Riefentiefe von 0.1 bis 0.8 μm.
An Hand vorangegangener Oberflächenstrukturanalysen, die eben die Oberflächenstruktur des Werkstoffs Grauguss berücksichtigen, und an Hand experimenteller und/oder Simulationsergebnisse der Oberflächenbearbeitung können diese Charakteristika bzw. Parameter gezielt vorgegeben werden, um durch die entsprechende Nutzung der Werkzeuge und die angepasste Prozessabfolgen bei der Oberflächenbearbeitung diese so aufzuarbeiten, dass die angestrebte Reibleistungsreduzierung der zusammenwirkenden Reibpartner erreicht wird.
Hieraus ergibt sich eine angestrebte Verbesserung des Verbrennungsmotors und in Folge wird eine Reduktion der CO₂-Emission erzielt.
Es lässt sich weiter vorteilhaft ein Riefenvolumen bestimmen, das im Bereich von 10000 bis 35000 μm³/mm² liegt, und ein Blechmantelvolumen von 500 bis 5000 μm³/mm².
Diese Oberflächeneigenschaften der explizit angegebenen Spitzenhöhe, Kernrauhtiefe und reduzierte Riefentiefe, in Verbindung mit Riefenvolumen und Blechmantelvolumen, die auch als Kenngrößen zur Bewertung der Oberflächengüte herangezogen werden können, können durch eine Oberflächenbehandlung der reibungsoptimierten Oberfläche durch eine mechanische, insbesondere spanende Bearbeitung erhalten werden, wobei insbesondere Honbearbeitungsverfahren in Frage kommen, die dem Fachmann an sich bekannt sind und die sich vorteilhaft so hochpräzise ausführen lassen, dass der Erhalt der genannten Oberflächeneigenschaften bzw. Kenngrößen gesichert werden kann.
Das erfindungsgemäße Bauteil ist aus Grauguss beschaffen, es kann ein Zylinderkurbelgehäuse oder ein Kolben sein; ein Pleuel oder eine Buchse wie eine Zylinderlaufbuchse, nur um einige Bauteile zu nennen; es kann grundsätzlich jede Form haben, die in einem oder in der ein Reibungspartner unter Ölschmierung reibungsarm laufen soll.
Die Kenngrößen Spitzenhöhe, Kernrauhtiefe und Riefentiefe lassen sich, ungeachtet des Verfahrens, mit dem Vertiefungen in die Graugussoberfläche eingebracht worden sind, mit Hilfe des Tastschnittverfahrens bestimmen, das dem Fachmann bekannt ist.
Die Auswertung dieses Verfahren ist in der EN ISO 13565-2 genormt. Die ISO 13565 an sich beschreibt den Auswertevorgang für die Spitzenhöhe, Kernrauhtiefe, Riefentiefe und weitere Kenngrößen aus der linearen Darstellung der Materialanteilkurve, die die Zunahme des Materialanteils der Oberfläche mit zunehmender Tiefe des Rauheitsprofils beschreiben.
Die Anwendung der EN ISI 13565-2 ergibt sich in Kombination mit der ISO 13565-1 die die Berechnung des Rauheitsprofils zur Bestimmung dieser Kenngrößen näher angibt.
Durch diese Kenngrößen wird das Funktionsverhalten von mechanisch hochbeanspruchten Oberflächen gekennzeichnet. Die Kenngrößen werden wie folgt definiert:
Unter der Kernrauhtiefe wird die Tiefe des Rauheitskernprofils verstanden.
Als reduzierte Spitzenhöhe wird die mittlere Hohe der herausragenden Spitzen über dem Rauheitskernprofil bezeichnet.
Als reduzierte Riefentiefe wird die mittlere Tiefe der Profiltäler unterhalb des Rauheitskernprofils verstanden.
Die Berechnung der Kenngrößen ist in der ISO 13565-2 ISO-Norm genau ausgeführt. Durch die ISO 13565 schließlich ergibt sich die Vorschrift für eine Filtermethode für Oberflächen mit tiefen Tälern, die sich etwa durch Honbearbeitung ergeben, unter einem viel feiner bearbeiteten Plateau mit einem relativ geringen Welligkeitsanteil, wie es etwa durch die Graugussmaterialoberfläche repräsentiert wird. Weiter legt diese ISO-Norm auch die Führung des Tastsystems fest.
Das Riefenvolumen, das im Bereich von 10000 bis 35000 μm³/mm² liegt, und ein Blechmantelvolumen von 500 bis 5000 μm³/mm², ergeben sich durch die Untersuchung mittels der Weisslichtinterferometrie, mit der Oberflächentopografien mit interferometrischer Genauigkeit und einer hohen vertikalen Auflösung bestimmt werden können. Das Verfahren ist dem Fachmann an sich bekannt und es eignet sich eben gerade zur Vermessung von Oberflächen, die einer Honbearbeitung unterzogen wurden, da die Weisslichtinterferometrie es wegen der Verwendung von Licht einer spektral breitbandigen Quelle erlaubt, die Objekthöhen absolut zu vermessen und das Resultat als Interferogramm darzustellen.
Ergänzend sei ausgeführt, dass als „Blechmantel” erhabene Strukturen im Riefenbereich bezeichnet werden. Es gibt dabei Blechmäntel zweier Typen, wobei ein erster die über oder nah an der benachbarten Kontaktflächenebene liegenden Blechmäntel bezeichnet, und in ein positives Blechmantelvolumen resultiert, während der zweite Typ Blechmäntel betrifft, die unter der benachbarten Kontaktflächenebene liegen und die zu einem negativen Blechmantelvolumen führen. Die Unterscheidung beider Typen erfolgt durch Kombination einer robusten Referenzfläche mit dem Original- und dem binarisierten Riefenbild
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007008604 A1 [0005]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN ISO 13565-2 [0016]
ISO 13565 [0016]
EN ISI 13565-2 [0017]
ISO 13565-1 [0017]
ISO 13565-2 [0021]
ISO 13565 [0021]

Claims

Graugussbauteil, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsoptimierte Oberfläche eine – reduzierte Spitzenhöhe im Bereich von 0.05 bis 0.4 μm – Kernrauhtiefe im Bereich von 0.1 bis 0.7 μm – eine reduzierte Riefentiefe im Bereich von 0.1 bis 0.8 μm hat.
Graugussbauteil, das eine reibungsoptimierte Oberfläche einer Laufbahn für einen Reibungspartner aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsoptimierte Oberfläche ein Riefenvolumen von 10000 bis 35000 μm³/mm² und ein Blechmantelvolumen von 500 bis 5000 μm³/mm² aufweist.
Graugussbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die reibungsoptimierte Oberfläche mechanisch bearbeitet, bevorzugt spanend bearbeitet, besonders bevorzugt honbearbeitet ist.
Graugussbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Graugussbauteil ein Zylinderkurbelgehäuse oder eine Buchse, insbesondere eine Zylinderlaufbuchse ist.