DE10355685A1 - Workpiece used as a cylinder of a combustion engine comprises a tribological surface formed as a wear-resistant layer in an non-worked cylinder lining in a region - Google Patents

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Abstract

Workpiece comprises a tribological surface (2) formed as a wear- resistant layer (7, 8) in an non-worked cylinder lining in a region (4). An independent claim is also included for a process for the production of a tribological surface of a cylinder. Preferred Features: The wear-resistant layer is a nitrite layer hardened by induction or by laser treatment. The workpiece is made from cast iron or an aluminum-silicon alloy. An aluminum matrix is formed in the wear-resistant layer.

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück mit einer als Zylinder ausgebildeten tribologisch beanspruchbaren Oberfläche der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung sowie Verfahren zur Herstellung einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche, insbesondere der Kolbenlauffläche in dem Zylinder.The Invention relates to a workpiece with a designed as a cylinder tribologically claimable surface the type specified in the preamble of claim 1 and method for producing a tribologically stressable surface, in particular the piston tread in the cylinder.

Aus der EP 1 275 864 A1 ist ein Werkstück mit einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Die Oberfläche des Werkstücks weist eine Taschenstruktur auf. Die Taschen besitzen nicht unterbrochene Umfangsränder und bilden Mikrodruckkammern. Die Taschenstruktur ist auf der gesamten Werkstückoberfläche vorgesehen. In Bereichen, in denen die Relativgeschwindigkeit zwischen der Oberfläche und einem Gegenkörper gering ist, kann eine größere Anzahl von Taschen vorgesehen sein. Durch die Taschenstruktur ist die Reibung zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper vermindert. Die Taschen werden nach einer Vorbearbeitung der Oberfläche durch Laserstrukturierung in die Oberfläche eingebracht. Nach der Laserstrukturierung werden die Strukturkanten entgratet und zwischen den Taschen wird eine Funktionsrauhigkeit erzeugt.From the EP 1 275 864 A1 is a workpiece with a tribologically demanding surface and a method for its preparation known. The surface of the workpiece has a pocket structure. The pockets have uninterrupted peripheral edges and form micro-pressure chambers. The pocket structure is provided on the entire workpiece surface. In areas where the relative velocity between the surface and a mating body is low, a larger number of pockets may be provided. Due to the pocket structure, the friction between the workpiece and the counter body is reduced. The pockets are introduced into the surface after pre-machining the surface by laser structuring. After laser structuring, the structural edges are deburred and a functional roughness is created between the pockets.

Die Reibleistung zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper ist das Produkt aus der Reibkraft und der Relativgeschwindigkeit. Demgemäß läßt sich die Reibleistung in Bereichen mit geringer Relativgeschwindigkeit durch die Einbringung einer Taschenstruktur nur wenig beeinflußen.The Friction loss between the workpiece and the opposite body is the product of the frictional force and the relative speed. Accordingly, can be the friction in areas with low relative speed Affect little by the introduction of a pocket structure.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem die Reibung zu einem Gegenkörper gering ist. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung der Oberfläche anzugeben, das einfach und mit wenigen Prozeßschritten durchgeführt werden kann.Of the Invention is based on the object, a workpiece of the generic type to create, in which the friction is low to a counter body. Farther the invention has the object, a method for producing the surface which can be performed easily and with few process steps can.

Diese Aufgabe wird durch ein Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 20 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.These Task is performed by a workpiece with the features of claim 1, by a method with the features of claim 20 and by a method having the features of the claim 21 solved.

Um sowohl in Bereichen mit hoher als auch in Bereichen mit geringer Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper eine geringe Reibung zu erreichen, ist vorgesehen, daß in einem zweiten Bereich mit geringer Relativgeschwindigkeit die Oberfläche als verschleißfeste Schicht in einer ungebauten Zylinderlaufbahn ausgebildet ist. Ungebaut bedeutet in diesem Zusammenhang, daß dieser zweite Bereich einstückig mit einem ersten Bereich ausgeführt ist und nicht aus verschiedenen Bauteilen zusammengesetzt ist. Vorzugsweise weist die Oberfläche in einem ersten Bereich mit hoher Relativbewegung eine aus einer Vielzahl von Taschen gebildete Struktur auf. Im Bereich der Taschen kann sich zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper aufgrund der hohen Relativgeschwindigkeit ein hydrodynamischer Druck aufbauen, so daß die Reibung zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper in diesem Bereich gering ist. In den Taschen sammelt sich der Zwischenstoff an. In einem Bereich geringer Relativgeschwindigkeit kann sich nicht immer ein ausreichender hydrodynamischer Druck aufbauen, so daß eine Mischreibung entsteht. In diesen Mischreibungsbereichen verändern sich die Material- und Oberflächeneigenschaften, es erfolgt die sogenannte Tribomutation. Tribomutation bedeutet, daß durch die Reibung und die damit verbundene Einbringung von mechanischer Energie und deren Umsetzung in Wärme die Werkstoffoberfläche und in großem Maße auch das oberflächennahe Volumen verändert wird. Dadurch können sich die Werkstoffzusammensetzung, chemische Bindungen und Gitterstrukturen in dünnen, nur wenige Nanometer in die Tiefe reichenden Bereichen verändern. Durch die Tribomutation werden die Kontaktpartner verschleißresistenter. Durch die gezielte Materialumwandlung bei der Endbearbeitung und die dadurch veränderte Werkstoffpaarung kann die Tribomutation positiv beeinflußt werden. Diese kann dadurch beispielsweise schneller oder mit geringerem Energieeintrag ablaufen. Des weiteren kann sich dadurch die Oberfläche noch verschleißresistenter ausbilden. Der Verschleiß in diesem Bereich wird somit durch die verschleißfeste Schicht vermindert.Around in both high and low ranges Relative movement between the workpiece and the counter body a To achieve low friction, it is provided that in a second area with low relative speed, the surface as a wear-resistant layer is formed in a non-built cylinder bore. Unbuild means in this context, that this second Area in one piece executed with a first area is and is not composed of different components. Preferably points the surface in a first region of high relative motion one of a plurality formed by pockets structure. In the field of bags can between the workpiece and the opposing body due to the high relative velocity a hydrodynamic pressure build up so that the Friction between the workpiece and the opposing body in this area is low. In the pockets, the intermediate substance collects at. In a range of low relative speed can not always build up a sufficient hydrodynamic pressure, so that a mixed friction arises. In these mixed friction ranges, the material and surface properties change, there is the so-called Tribomutation. Tribomutation means that by the friction and the associated introduction of mechanical Energy and its conversion into heat the material surface and in big Dimensions too the near-surface Volume changed becomes. Thereby can the material composition, chemical bonds and lattice structures in thin, change only a few nanometers into the depth-reaching areas. By the tribo mutation will make the contact partners more resistant to wear. By the targeted material conversion during finishing and the resulting changed Material pairing, the tribo mutation can be positively influenced. This can, for example, faster or with less Energy input expire. Furthermore, this can still surface wear-resistant form. The wear in This area is thus reduced by the wear-resistant layer.

Es kann vorgesehen sein, daß die Oberfläche auch in dem zweiten Bereich eine aus einer Vielzahl von Taschen gebildete Struktur besitzt. Dadurch kann die Reibung in diesem Bereich weiter vermindert werden. Vorteilhaft ist die verschleißfeste Schicht durch Materialumwandlung gebildet. Insbesondere ist die verschleißfeste Schicht durch eine Laserbehandlung erzeugt. Die verschleißfeste Schicht kann vorteilhaft eine Nitritschicht sein. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, als verschleißfeste Schicht eine gehärtete Schicht vorzusehen. Die gehärtete Schicht kann durch eine Laserbehandlung hergestellt sein. Die verschleißfeste Schicht kann jedoch auch durch Induktion gehärtet sein.It can be provided that the surface also in the second area one of a variety of bags has formed structure. This can reduce the friction in this area be further reduced. The wear-resistant layer is advantageous formed by material conversion. In particular, the wear-resistant layer generated by a laser treatment. The wear-resistant layer can advantageously be a nitrite layer. However, it may also be appropriate as a wear-resistant layer a hardened Provide layer. The hardened Layer can be made by a laser treatment. The wear-resistant layer however, it can also be hardened by induction.

Vorteilhaft ist das Werkstück eine Zylinderlaufbahn aus Gußeisen oder aus einer thermisch gespritzten oder galvanisch aufgetragenen Schicht. Um ein geringeres Gewicht des Werkstücks zu erreichen, ist vorgesehen, daß das Werkstück aus einer Aluminium-Silizium-Legierung ist. Dabei sind Siliziumkristalle in eine Aluminium-Matrix eingebettet. Für die verschleißfeste Schicht in der Aluminium-Silizium-Legierung ist vorgesehen, daß die Aluminiummatrix um 0,5 μm bis 1,0 μm in der verschleißfesten Schicht zurückgesetzt ist. Hierdurch wird zwischen den Siliziumkristallen ein Ölhaltevolumen geschaffen. Gleichzeitig wird vermieden, daß das Silizium vom Aluminium zugeschmiert wird. Vorteilhaft ist die Aluminiummatrix mechanisch, beispielsweise durch Honen, zurückgesetzt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die Aluminiummatrix thermisch oder chemisch zurückgesetzt ist.Advantageously, the workpiece is a cylinder bore of cast iron or of a thermally sprayed or galvanically applied layer. In order to achieve a lower weight of the workpiece, it is provided that the workpiece is made of an aluminum-silicon alloy. These are Siliciumkris embedded in an aluminum matrix. For the wear-resistant layer in the aluminum-silicon alloy is provided that the aluminum matrix is reset by 0.5 microns to 1.0 microns in the wear-resistant layer. As a result, an oil retention volume is created between the silicon crystals. At the same time it is avoided that the silicon is smeared by the aluminum. Advantageously, the aluminum matrix is mechanically reset, for example by honing. However, it may also be expedient that the aluminum matrix is thermally or chemically reset.

Das Werkstück ist insbesondere ein Zylinder eines Verbrennungsmotors. Der erste Bereich ist dabei ein Bereich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt eines im Zylinder auf- und abbewegten Kolbens. Der zweite Bereich umfasst den Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens. Der Kolben besitzt im Bereich zwischen den Totpunkten eine hohe Relativgeschwindigkeit zum Zylinder während die Relativgeschwindigkeit im Bereich der Totpunkte gering und in den Totpunkten des Kolbens null ist. Dabei ist der Kolben insbesondere im oberen Totpunkt durch den Verbrennungsprozeß hohen Belastungen ausgesetzt, so daß die verschleißfeste Schicht vorteilhaft im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens vorgesehen ist. Zweckmäßig umfasst der zweite Bereich auch den Bereich des unteren Totpunkts des Zylinders, so daß auch in diesem Bereich eine verschleißfeste Schicht angeordnet ist. Der Kolben besitzt mindestens einen Kolbenring, wobei der Kolbenring im oberen Totpunkt des Kolbens vorteilhaft vollständig im zweiten Bereich angeordnet ist. Die Erstreckung des zweiten Bereichs in Richtung der Zylinderlängsachse ist damit größer als die Breite des Kolbenrings. Dadurch kann erreicht werden, daß die Reibung zwischen dem Kolbenring und dem Zylinder im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens gering ist.The workpiece is in particular a cylinder of an internal combustion engine. The first Range is a range between the top dead center and the bottom dead center of a piston moved up and down in the cylinder. The second area includes the area of top dead center of the Piston. The piston has a high in the area between the dead centers Relative speed to the cylinder during the relative speed low in the area of the dead center and in the dead centers of the piston is zero. In this case, the piston is in particular at the top dead center the combustion process high Exposed loads, so that the wear-resistant layer advantageously provided in the region of top dead center of the piston is. Suitably includes the second area also the area of bottom dead center of the cylinder, so that too a wear-resistant layer is arranged in this area. The piston has at least one piston ring, wherein the piston ring in the top dead center of the piston advantageously completely in second area is arranged. The extent of the second area in the direction of the cylinder longitudinal axis is bigger than that the width of the piston ring. This can be achieved that the friction between the piston ring and the cylinder in the region of top dead center of the piston is low.

Ein Verfahren zur Herstellung einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche, insbesondere der Kolbenlauffläche eines Zylinders, umfasst die Vorbearbeitung der Oberfläche und die Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung. Durch die Verwendung einer Ultrakurzpulsstrahlquelle, also einer Strahlquelle, deren Pulsdauer im Bereich von Piko- und Femtosekunden liegt, können die beim Einsatz von Nanosekunden-Pulsen zu beobachtenden Schmelzgrate an den Strukturkanten vermieden werden. Dadurch kann der Prozeßschritt des Entgratens der Strukturkanten entfallen. Durch die Taschenstruktur und der damit erreichten hydrodynamischen Effekte ergibt sich eine verbesserte Schmierung. Dadurch ist ein Einfahren der Oberfläche auch ohne ein vorheriges Zurücksetzen der Aluminiummatrix möglich. In Bereichen geringer Relativgeschwindigkeit, insbesondere im oberen und im unteren Totpunkt des Kolbens, ergibt sich eine Mischreibung. Eine Mangelschmierung und damit ein Fressen des Kolbens wird durch die Taschenstruktur vermieden. Durch den Kontakt des Werkstücks mit dem Gegenkörper erfolgt ein gewisser Grad an Freilegung der Siliziumkristalle. Dadurch kann der Arbeitsschritt des Freilegens der Siliziumkristalle ebenfalls entfallen.One Process for producing a tribologically stressable surface, in particular the Piston tread a cylinder, includes the pre-processing of the surface and the formation of a pocket structure by laser structuring. By the use of an ultrashort pulse beam source, ie a beam source, whose pulse duration is in the range of picoseconds and femtoseconds, the Use of nanosecond pulses to observable melt burrs the structural edges are avoided. This allows the process step the deburring of the structure edges omitted. Through the bag structure and the hydrodynamic effects achieved with it results in a improved lubrication. This is a retraction of the surface without a previous reset the aluminum matrix possible. In areas of low relative velocity, especially in the upper and at the bottom dead center of the piston, there is a mixed friction. A Lack lubrication and thus seizure of the piston is caused by the Pocket structure avoided. By the contact of the workpiece with the opposite body There is some degree of exposure of the silicon crystals. Thereby The step of exposing the silicon crystals may also be omitted.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche umfasst die Prozeßschritte der Vorbearbeitung der Oberfläche, der Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung eines Bereichs der Oberfläche und die Ausbildung einer verschleißfesten Schicht in mindestens einem Bereich der Oberfläche. Die Ausbildung der verschleißfesten Schicht kann dabei vor oder nach der Ausbildung der Taschenstruktur erfolgen.One Another method for producing a tribologically claimable surface includes the process steps the pre-processing of the surface, the formation of a pocket structure by laser structuring a Area of the surface and the formation of a wear-resistant layer in at least an area of the surface. The training of wear-resistant Layer can be before or after the formation of the pocket structure respectively.

Die Laserstrukturierung kann mit einer Ultrakurzpulsstrahlquelle erfolgen. Dadurch kann ein anschließendes Entgraten der Strukturkanten entfallen. Die Vorbearbeitung erfolgt vorteilhaft durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln. Durch die Vorbearbeitung erhält die tribologische Oberfläche ihre geometrische Genauigkeit. Die Rauheit der Oberfläche nach der Vorbearbeitung muß dabei geringer sein als die vorgesehene Tiefe der Taschenstruktur, damit die Taschen geschlossene Druckkammern bilden können.The Laser structuring can be done with an ultrashort pulse beam source. This can be a subsequent Deburring of the structure edges omitted. The pre-processing takes place advantageous by honing, roughing or fine spindles. By the Pre-processing receives the tribological surface their geometric accuracy. The roughness of the surface after the pre-processing must be there less than the intended depth of the pocket structure, thus the pockets can form closed pressure chambers.

Es ist vorgesehen, daß die verschleißfeste Schicht durch Nitrieren oder Härten erzeugt wird. Das Nitrieren kann mittels Laser durchgeführt werden. Das Härten kann dabei mittels Laser oder durch Induktion erfolgen. Bei einem Werkstück aus einer Aluminium-Silizium-Legierung ist vorgesehen, daß in die nicht freigelegte Zylinderlaufbahn Schmiertaschen eingebracht werden. Durch die verbesserte Schmierung und die hydrodynamischen Effekte ist die Oberfläche auch beim Einfahren lauffähig.It is provided that the wear-resistant layer by nitriding or hardening is produced. The nitriding can be carried out by means of laser. The hardening can be done by laser or induction. At a workpiece from an aluminum-silicon alloy is provided that in the not uncovered cylinder liner lubrication pockets are introduced. Due to the improved lubrication and the hydrodynamic effects is the surface also executable when retracting.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:embodiments The invention will be explained below with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische Schnittdarstellung des Zylinders eines Verbrennungsmotors mit einer Darstellung des Verlaufs der Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben und Zylinder, 1 FIG. 2 a schematic sectional view of the cylinder of an internal combustion engine with a representation of the course of the relative speed between piston and cylinder, FIG.

2 eine Tasche in Draufsicht, 2 a bag in plan view,

3 einen Schnitt durch die Tasche aus 2 entlang der Linie III-III in 2, 3 a cut through the bag 2 along the line III-III in 2 .

4 eine schematische Schnittdarstellung eines Zylinders mit darin angeordnetem Kolben. 4 a schematic sectional view of a cylinder with arranged therein piston.

Der in 1 gezeigte Zylinder 1 ist der Zylinder eines Verbrennungsmotors, in dem ein in 1 nicht gezeigter Kolben auf- und abbewegt ist. Der Zylinder besitzt eine Oberfläche 2, die die Kolbenlauffläche darstellt, an der der Kolben geführt ist. Der Kolben bewegt sich im Zylinder 1 zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT. Der Verlauf der Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Kolben und der Oberfläche 2 des Zylinders ist in 1 schematisch durch die Kurve 17 dargestellt. Die Geschwindigkeit des Kolbens ist im oberen Totpunkt OT null und nimmt bei einer Bewegung des Kolbens entlang der Zylinderlängsachse 10 in Richtung auf den unteren Totpunkt UT bis zu einer maximalen Relativgeschwindigkeit 20 zu. Die maximale Relativgeschwindigkeit 20 erreicht der Kolben nach der Hälfte des Wegs zwischen oberem Totpunkt OT und unterem Totpunkt UT. Bei weiterer Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt UT nimmt die Relativgeschwindigkeit v ab, bis sie im unteren Totpunkt UT null ist und sich die Richtung des Kolbens umkehrt. Bei der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT ergibt sich ein entsprechendes Geschwindigkeitsprofil.The in 1 shown cylinder 1 is the cylinder of an internal combustion engine in which an in 1 not shown piston is moved up and down. The cylinder has a surface 2 , which represents the piston running surface on which the piston is guided. The piston moves in the cylinder 1 between top dead center OT and bottom dead center UT. The course of the relative velocity v between the piston and the surface 2 the cylinder is in 1 schematically through the curve 17 shown. The velocity of the piston is zero at top dead center TDC and increases with the piston moving along the cylinder longitudinal axis 10 in the direction of bottom dead center UT up to a maximum relative speed 20 to. The maximum relative speed 20 reaches the piston after halfway between top dead center OT and bottom dead center UT. Upon further movement of the piston in the direction of the bottom dead center UT, the relative velocity v decreases until it is zero at bottom dead center UT and the direction of the piston reverses. During the movement of the piston from bottom dead center UT to top dead center OT, a corresponding velocity profile results.

Der Zylinder 1 besitzt einen ersten Bereich 3, der sich in einem Zylinderabschnitt zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt OT erstreckt, in dem die Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Kolben und der Oberfläche 2 des Zylinders 1 relativ groß ist. In dem ersten Bereich 3 besitzt die Oberfläche 2 des Zylinders 1 eine Struktur aus einer Vielzahl von Taschen 9, die sich in Umfangsrichtung des Zylinders 1 erstrecken und die gegenüber der Horizontalen geneigt sein können. Der Neigungswinkel beträgt dabei vorteilhaft weniger als 1°. Es ist jedoch auch möglich, diesen Bereich unstrukturiert zu lassen und lediglich durch Feinbearbeitung herzustellen. Die Abstände zwischen den Taschen 9 sind dabei vorteilhaft gleichmäßig, so daß sich eine regelmäßige Struktur ergibt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, daß die Anzahl der Taschen 9 in unterschiedlichen Bereichen variiert. Insbesondere können in Bereichen geringerer Relativgeschwindigkeit mehr Taschen 9 vorgesehen sein. Die Taschen 9 können auch rund ausgebildet sein. Auch andere Formen können vorteilhaft sein.The cylinder 1 owns a first area 3 which extends in a cylinder portion between the bottom dead center UT and the top dead center OT, in which the relative velocity v between the piston and the surface 2 of the cylinder 1 is relatively large. In the first area 3 owns the surface 2 of the cylinder 1 a structure of a variety of bags 9 extending in the circumferential direction of the cylinder 1 extend and which may be inclined relative to the horizontal. The angle of inclination is advantageously less than 1 °. However, it is also possible to leave this area unstructured and produce only by fine machining. The distances between the pockets 9 are advantageous evenly, so that there is a regular structure. However, it may also be appropriate that the number of pockets 9 varies in different areas. In particular, in pockets of lower relative speed more pockets 9 be provided. The bags 9 can also be designed around. Other shapes may be advantageous.

Der Zylinder 1 besitzt einen zweiten Bereich 4, in dem der Kolben zur Oberfläche 2 des Zylinders 1 eine geringe Relativgeschwindigkeit v besitzt. Der zweite Bereich 4 umfasst einen Abschnitt 5, der den Bereich des oberen Totpunkts OT bezeichnet und einen Abschnitt 6, der den unteren Totpunkt UT umfasst. Die Abschnitte 5 und 6 schließen an den ersten Bereich 3 an und erstrecken sich auch auf die dem ersten Bereich 3 abgewandte Seite des oberen bzw. unteren Totpunkts OT, UT. Dadurch ist sichergestellt, daß der Kolben im oberen bzw. unteren Totpunkt OT bzw. UT mit seinen Kolbenringen nur im zweiten Bereich 4 anliegt. Im zweiten Bereich 4 ist die Oberfläche 2 als verschleißfeste Schicht 7, 8 ausgebildet. Dabei ist im Abschnitt 5 eine verschleißfeste Schicht 7 und im Abschnitt 6 eine verschleißfeste Schicht 8 ausgebildet.The cylinder 1 owns a second area 4 in which the piston to the surface 2 of the cylinder 1 has a low relative velocity v. The second area 4 includes a section 5 , which denotes the area of top dead center OT and a section 6 which includes the bottom dead center UT. The sections 5 and 6 close to the first area 3 and extend to the first area 3 opposite side of the top and bottom dead center OT, UT. This ensures that the piston in the top or bottom dead center OT or UT with its piston rings only in the second area 4 is applied. In the second area 4 is the surface 2 as a wear-resistant layer 7 . 8th educated. It is in the section 5 a wear-resistant layer 7 and in the section 6 a wear-resistant layer 8th educated.

Die verschleißfeste Schicht 7, 8 ist durch Materialumwandlung erzeugt und bei einem Zylinder 1 aus Gußeisen eine nitrierte Schicht, die insbesondere mittels Laser hergestellt ist, oder eine gehärtete Schicht, die mittels Laser oder durch Induktion hergestellt ist. Bei einem Zylinder 1 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung ist die verschleißfeste Schicht 7, 8 durch nitrieren, insbesondere mittels Laser, hergestellt. Die verschleißfeste Schicht 7, 8 kann auch durch chemisches, thermisches oder mechanisches Zurücksetzen der Aluminiummatrix und Freilegen der Siliziumkristalle hergestellt sein. Das mechanische Freilegen ist dabei vorteilhaft durch Honen erfolgt.The wear-resistant layer 7 . 8th is produced by material conversion and in a cylinder 1 Cast iron, a nitrided layer, which is made in particular by means of laser, or a hardened layer, which is made by laser or by induction. With a cylinder 1 made of an aluminum-silicon alloy is the wear-resistant layer 7 . 8th by nitriding, in particular by means of lasers. The wear-resistant layer 7 . 8th may also be prepared by chemical, thermal or mechanical resetting of the aluminum matrix and exposure of the silicon crystals. The mechanical exposure is advantageously carried out by honing.

Es kann vorteilhaft sein, daß nur im Abschnitt 5 im Bereich des oberen Totpunkts OT eine verschleißfeste Schicht 7 ausgebildet ist, während im Abschnitt 6 nur eine Taschenstruktur vorgesehen ist. Die Taschenstruktur kann die verschleißfeste Schicht 7 bzw. die verschleißfesten Schichten 7 und 8 in den Abschnitten 5 und 6 auch überlagern.It may be advantageous that only in the section 5 in the area of top dead center OT, a wear-resistant layer 7 is formed while in the section 6 only one pocket structure is provided. The bag structure can be the wear-resistant layer 7 or the wear-resistant layers 7 and 8th in the sections 5 and 6 also superimpose.

In den 2 und 3 ist eine Tasche 9 vergrößert dargestellt. Wie 2 zeigt, besitzt die Tasche 9 eine längliche Form mit einem geschlossenen Umfangsrand 15. Durch den geschlossenen Umfangsrand 15 wirkt die Tasche 9 als Mikrodruckkammer und vermindert die Reibung zwischen der Oberfläche 2 und den Kolbenringen bzw. dem Kolbenhemd des Kolbens. Wie 3 zeigt, geht die Tasche 9 mit einem verrundeten Übergang 16 in die Oberfläche 2 über.In the 2 and 3 is a bag 9 shown enlarged. As 2 shows owns the bag 9 an elongated shape with a closed peripheral edge 15 , Through the closed peripheral edge 15 the bag works 9 as a micro-pressure chamber and reduces the friction between the surface 2 and the piston rings and the piston skirt of the piston. As 3 shows, the bag goes 9 with a rounded transition 16 in the surface 2 above.

In 4 ist in dem Zylinder 1 ein Kolben 11 im oberen Totpunkt OT dargestellt. Die Bezeichnung oberer Totpunkt OT bezieht sich dabei auf die Position der dem Brennraum 22 zugewandten Oberkante 18 des ersten, dem Brennraum 22 zugewandten Kolbenrings 12. Der Kolben 11 besitzt insgesamt drei Kolbenringe 12, 13, 14. Die Bezeichnung unterer Totpunkt UT bezieht sich auf die Position der unteren, dem Brennraum 22 abgewandten Unterkante 19 des dritten, dem Brennraum 22 abgewandten Kolbenrings 14. Die in Richtung der Zylinderlängsachse 10 gemessene Breite b der verschleißfesten Schicht 7 im ersten Abschnitt 5 ist größer als der Abstand a der Oberkante 18 des ersten Kolbenrings 12 zur Unterkante 19 des dritten Kolbenrings 14. Dadurch sind im oberen Totpunkt OT des Kolbens 11 alle Kolbenringe 12, 13, 14 im Abschnitt 5 angeordnet und können nur in Kontakt mit der verschleißfesten Schicht 7 kommen. Vorteilhaft entspricht die Breite einer verschleißfesten Schicht 8 in einem Abschnitt 6 im Bereich des unteren Totpunkts UT der Breite b der verschleißfesten Schicht 7. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Breite b einer verschleißfesten Schicht 7, 8 geringer auszubilden. Die Breite b sollte jedoch mindestens der Breite eines Kolbenrings 12, 13, 14 entsprechen. In dem an den Abschnitt 5 angrenzenden ersten Bereich 3 sind in 4 nicht dargestellte Taschen 9 in der Oberfläche 2 angeordnet. Die Taschen 9 vermindern sowohl die Reibung der Oberfläche 2 zu den Kolbenringen 12, 13, 14 als auch die Reibung zum Kolbenhemd 21 des Kolbens 11.In 4 is in the cylinder 1 a piston 11 shown in top dead center OT. The term top dead center OT refers to the position of the combustion chamber 22 facing upper edge 18 the first, the combustion chamber 22 facing piston ring 12 , The piston 11 has a total of three piston rings 12 . 13 . 14 , The term bottom dead center UT refers to the position of the lower, the combustion chamber 22 opposite lower edge 19 the third, the combustion chamber 22 remote piston ring 14 , The in the direction of the cylinder axis 10 measured width b of the wear-resistant layer 7 in the first part 5 is greater than the distance a of the top edge 18 of the first piston ring 12 to the lower edge 19 of the third piston ring 14 , As a result, at top dead center OT of the piston 11 all piston rings 12 . 13 . 14 in the section 5 arranged and can only be in contact with the wear-resistant layer 7 come. Advantageously, the width corresponds to a wear-resistant layer 8th in a section 6 in the area of the bottom dead center UT of the width b of the ver wear resistant layer 7 , However, it may also be advantageous, the width b of a wear-resistant layer 7 . 8th to train less. However, the width b should be at least the width of a piston ring 12 . 13 . 14 correspond. In the to the section 5 adjacent first area 3 are in 4 not shown bags 9 in the surface 2 arranged. The bags 9 reduce both the friction of the surface 2 to the piston rings 12 . 13 . 14 as well as the friction to the piston skirt 21 of the piston 11 ,

Bei der Herstellung der Oberfläche 2 des Zylinders 1 wird zunächst eine Vorbearbeitung der Oberfläche 2 durchgeführt. Die Vorbearbeitung kann durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln erfolgen. Anschließend wird mindestens im ersten Bereich 3 und insbesondere auch im zweiten Bereich 4 eine Taschenstruktur ausgebildet. Dabei wird eine Vielzahl von Taschen 9 durch Laserstrukturierung in die Oberfläche 2 eingebracht. Ist der Zylinder 1 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, so werden die Siliziumkristalle beim Einfahren des Kolbens 11 freigelegt, so daß auch die Erzeugung einer verschleißfesten Schicht als separater Bearbeitungsschritt entfallen kann.In the production of the surface 2 of the cylinder 1 First, a pre-processing of the surface 2 carried out. The pre-machining can be done by honing, roughing or fine spindles. Subsequently, at least in the first area 3 and especially in the second area 4 a bag structure formed. There will be a variety of bags 9 by laser structuring in the surface 2 brought in. Is the cylinder 1 made of an aluminum-silicon alloy, so are the silicon crystals when retracting the piston 11 exposed, so that the generation of a wear-resistant layer can be omitted as a separate processing step.

Ein weiteres Verfahren zur Herstellung der Oberfläche 2 des Zylinders 1 sieht nach der Vorbearbeitung der Oberfläche 2, die durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln erfolgen kann, die Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung oder auf mechanischem oder chemischem Wege und die Ausbildung einer verschleißfesten Schicht 7, 8 in jeweils mindestens einem Bereich 3, 4 der Oberfläche 2 vor. Die Laserstrukturierung kann dabei vor oder nach der Erzeugung der verschleißfesten Schicht 7, 8 erfolgen.Another method of producing the surface 2 of the cylinder 1 looks after the pre-processing of the surface 2 which can be done by honing, roughing or fine spindles, the formation of a pocket structure by laser structuring or by mechanical or chemical means and the formation of a wear-resistant layer 7 . 8th in at least one area 3 . 4 the surface 2 in front. The laser structuring can be done before or after the generation of the wear-resistant layer 7 . 8th respectively.

Claims (32)

Werkstück mit einer als Zylinder ausgebildeten tribologisch beanspruchbaren Oberfläche (2), die als mittels eines Zwischenstoffs geschmierte Gleitfläche für einen sich relativ dazu bewegenden Gegenkörper ausgebildet ist, wobei die Oberfläche (2) einen ersten Bereich (3) und einen zweiten Bereich (4) besitzt, und der Gegenkörper in dem ersten Bereich (3) eine hohe Relativgeschwindigkeit (v) zu der Oberfläche (2) besitzt und in dem zweiten Bereich (4) eine geringe Relativgeschwindigkeit (v), dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2) im zweiten Bereich (4) als eine verschleißfeste Schicht (7, 8) in einer ungebauten Zylinderlaufbahn ausgebildet ist.Workpiece with a tribologically stressable surface designed as a cylinder ( 2 ), which is designed as a lubricated by an intermediate material sliding surface for a relatively moving counter-body, wherein the surface ( 2 ) a first area ( 3 ) and a second area ( 4 ), and the counter body in the first area ( 3 ) a high relative velocity (v) to the surface ( 2 ) and in the second area ( 4 ) a low relative velocity (v), characterized in that the surface ( 2 ) in the second area ( 4 ) as a wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is formed in a non-built cylinder bore. Werkstück nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (2) im ersten Bereich (3) eine aus einer Vielzahl von Taschen (9) gebildete Struktur besitzt.Workpiece according to claim 1, characterized in that the surface ( 2 ) in the first area ( 3 ) one of a variety of bags ( 9 ) has formed structure. Werkstück nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Oberfläche (2) im zwei ten Bereich (4) eine aus einer Vielzahl von Taschen (9) gebildete Struktur besitzt.Workpiece according to claim 2, characterized in that also the surface ( 2 ) in the second range ( 4 ) one of a variety of bags ( 9 ) has formed structure. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) durch Materialumwandlung gebildet ist.Workpiece according to one of claims 1 to 3, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is formed by material conversion. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) eine Nitritschicht ist.Workpiece according to claim 4, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is a nitrite layer. Werkstück nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) eine gehärtete Schicht ist.Workpiece according to claim 4, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is a hardened layer. Werkstück nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (7, 8) durch Induktion gehärtet ist.Workpiece according to claim 6, characterized in that the layer ( 7 . 8th ) is cured by induction. Werkstück nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) durch eine Laserbehandlung erzeugt ist.Workpiece according to one of claims 4 to 6, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is generated by a laser treatment. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus Gußeisen ist.workpiece according to one of the claims 1 to 8, characterized in that the workpiece is made of cast iron. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) eine thermisch gespritzte Schicht ist.Workpiece according to one of claims 1 to 9, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is a thermally sprayed layer. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) durch galvanische Beschichtung gebildet ist.Workpiece according to one of claims 1 to 9, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is formed by electroplating. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht.workpiece according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the workpiece consists of a Aluminum-silicon alloy exists. Werkstück nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in der verschleißfesten Schicht (7, 8) die Aluminiummatrix zurückgesetzt ist.Workpiece according to claim 12, characterized in that in the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) the aluminum matrix is reset. Werkstück nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix mechanisch zurückgesetzt ist.workpiece according to claim 13, characterized in that the aluminum matrix mechanically reset is. Werkstück nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix thermisch zurückgesetzt ist.workpiece according to claim 13, characterized in that the aluminum matrix is thermally reset is. Werkstück nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix chemisch zurückgesetzt ist.workpiece according to claim 13, characterized in that the aluminum matrix is chemically reset is. Werkstück nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (1) in einem Motorblock eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist, wobei der erste Bereich (3) ein Bereich zwischen dem oberen Totpunkt (OT) und dem unteren Totpunkt (UT) eines im Zylinder (1) auf- und abbewegten Kolbens (11) ist und der zweite Bereich (4) den Bereich des oberen Totpunkts (OT) des Kolbens (11) umfaßt.Workpiece according to one of claims 1 to 16, characterized in that the cylinder ( 1 ) in an engine block of an internal combustion engine is formed, wherein the first area ( 3 ) a range between top dead center (TDC) and bottom dead center (TDC) in cylinder ( 1 ) reciprocating piston ( 11 ) and the second area ( 4 ) the area of top dead center (TDC) of the piston (OT) 11 ). Werkstück nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Bereich (4) auch den Bereich des unteren Totpunkts (UT) des Kolbens (11) umfaßt.Workpiece according to claim 17, characterized in that the second region ( 4 ) also the area of the bottom dead center (UT) of the piston (UT) ( 11 ). Werkstück nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (11) mindestens einen Kolbenring (12, 13, 14) besitzt und der Kolbenring (12, 13, 14) im oberen Totpunkt (OT) des Kolbens (11) vollständig im zweiten Bereich (4) angeordnet ist.Workpiece according to claim 17 or 18, characterized in that the piston ( 11 ) at least one piston ring ( 12 . 13 . 14 ) and the piston ring ( 12 . 13 . 14 ) at top dead center (TDC) of the piston (OT) 11 ) completely in the second area ( 4 ) is arranged. Verfahren zur Herstellung einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche (2), insbesondere der Kolbenlauffläche eines Zylinders (1), das folgende Prozeßschritte umfaßt: – Vorbearbeitung der Oberfläche (2), – Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung mindestens eines Bereichs (3, 4) der Oberfläche (2).Process for producing a tribologically stressable surface ( 2 ), in particular the piston running surface of a cylinder ( 1 ), comprising the following process steps: - pre-processing of the surface ( 2 ), - formation of a pocket structure by laser structuring of at least one area ( 3 . 4 ) of the surface ( 2 ). Verfahren zur Herstellung einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche (2), insbesondere der Kolbenlauffläche eines Zylinders (1), das folgende Prozeßschritte umfaßt: – Vorbearbeitung der Oberfläche (2), – Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung mindestens eines Bereichs (3, 4) der Oberfläche (2), – Ausbildung einer verschleißfesten Schicht (7, 8) in mindestens einem Bereich (4) der Oberfläche (2).Process for producing a tribologically stressable surface ( 2 ), in particular the piston running surface of a cylinder ( 1 ), comprising the following process steps: - pre-processing of the surface ( 2 ), - formation of a pocket structure by laser structuring of at least one area ( 3 . 4 ) of the surface ( 2 ), - formation of a wear-resistant layer ( 7 . 8th ) in at least one area ( 4 ) of the surface ( 2 ). Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrukturierung mit einer Ultrakurzpulsstrahlquelle erfolgt.Method according to claim 20 or 21, characterized that the Laser structuring with an ultrashort pulse beam source takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorbearbeitung durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln erfolgt.Method according to one of claims 20 to 22, characterized that the Pre-processing by honing, roughing or fine spindles takes place. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) durch Nitrieren mittels Laser erzeugt wird.Method according to one of Claims 20 to 21, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is produced by nitriding by means of laser. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus Gußeisen ist und die verschleißfeste Schicht (7, 8) durch Härten hergestellt wird.Method according to one of claims 21 to 23, characterized in that the workpiece is made of cast iron and the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is prepared by curing. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) mittels Laser gehärtet wird.Process according to Claim 25, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is cured by laser. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die verschleißfeste Schicht (7, 8) durch Induktion gehärtet wird.Process according to Claim 25, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is cured by induction. Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht und in der verschleißfesten Schicht (7, 8) die Aluminiummatrix zurückgesetzt wird.Method according to one of claims 21 to 24, characterized in that the workpiece consists of an aluminum-silicon alloy and in the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) the aluminum matrix is reset. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix thermisch zurückgesetzt wird.Method according to Claim 28, characterized that the Aluminum matrix thermally reset becomes. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix chemisch zurückgesetzt wird.Method according to Claim 28, characterized that the Aluminum matrix chemically reset becomes. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix mechanisch zurückgesetzt wird.Method according to Claim 28, characterized that the Aluminum matrix mechanically reset becomes. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiummatrix durch Honen zurückgesetzt wird.Method according to claim 31, characterized in that that the Aluminum matrix reset by honing becomes.
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