DE1521939C2

DE1521939C2 - Verfahren zur Herstellung feingeschlichteter Oberflächen, niedriger Reibung von Körpern aus Legierungen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt

Info

Publication number: DE1521939C2
Application number: DE1521939A
Authority: DE
Inventors: Erik Fredrik Barkman; Harold Jefferson Coates; Harold Hammond Chesterfield County Macklin; Gilbert Ralph Richmond Shockley
Original assignee: Reynolds Metals Co
Current assignee: Reynolds Metals Co
Priority date: 1964-06-29
Filing date: 1965-06-25
Publication date: 1973-10-04
Also published as: US3333579A; GB1109084A; DE1521939B1; ES314740A1; SE309896B

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung feingeschlichteter Oberflächen niedriger Reibung von Körpern aus Legierungen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt und ungelösten 5°, Siliziumteilchen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Behandlung der Arbeitsflächen von aus Legierungen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt hergestellten Motorzylindern, um Arbeitsflächen mit erhöhter Verschleiß-, Anfreß- und 1551 Korrosionsbeständigkeit zu erhalten.

Bei der Kraftfahrzeugindustrie werden die Verbrennungsmotore gewöhnlich in betriebsfähigen Zustand gebracht, indem sie eingefahren werden bzw. indem sie man einlaufen läßt. Das Einfahren dient zur Ermittlung der Bedingungen, unter welchen die Arbeitsflächen der Zylinder bzw. der Kolbenringe unter bestimmten Belastungen und Temperaturen so schnell wie möglich aufeinandergepaßt werden können. Durch die Endbearbeitung der Arbeitsflächen zum Erhalt 65' glatter Oberflächen, insbesondere jener der Zylinder, kann die zum Einlaufen erforderliche Zeit herabge- I setzt und zugleich die Lebens- bzw. Wirkdauer der', Motorkomponenten erhöht werden. Beim Einfahren ist es gewöhnlich schwierig, zwischen den Arbeitsflächen der Kolbenringe und jenen der Zylinder eine gute Verträglichkeit zu erzielen. Die Arbeitsflächen der Verdichtungsringe und der Zylinder sind daher vor allem beim Einlaufen Verschleiß- und Änfreßwirkungen ausgesetzt, wobei die Lebensdauer des Motors verkürzt und die Verschleißfestigkeit infolge der Korrosion herabgesetzt wird, was zu Verdichtungsverlusten führt. Nach den bisher bekannten Verfahren zur Verbesserung der Arbeitsflächen der Zylinder und Kolbenringe wurden die Arbeitsflächen der Zylinder mit Quefrillen versehen, die dann mit einem Schmiermittel wie Graphit ausgefüllt wurden, oder aber die Zylinderoberflächen wurden nacheinander mit Grob- und Feinschlichtmassen geschliffen bzw. geläppt. Diese Verfahren zeitigten jedoch bei der Bearbeitung von Motoren mit gußeisernen Zylindern und Kolbenringen nur kleine Erfolge.

Bei der Entwicklung von Kraftfahrzeugmotoren mit Aluminiumgußzylinderblöcken und Aluminiumauskleidung oder Aluminiumkolben und Aluminiumkolbenringen war die Erzielung der Verträglichkeit zwischen den Zylindern und den Kolbenringen weit schwieriger als bei den herkömmlichen eisernen Maschinenteilen. Dieses Problem wird erstmalig durch die vorliegende Erfindung gelöst, während es bisher noch erforderlich war, eine gußeiserne Zylinderauskleidung im Zylinderblock zu verwenden, sogar wenn bei den Motoren Zylinderblöcke, Kurbelgehäuse und Zylinderköpfe aus Aluminium verwendet wurden.

Wurden Motore verwendet, deren Kolben oder Kolbenringe nur aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung und die Wände nur aus Aluminium bestanden, dann führte dies nicht zu zufriedenstellenden Resultaten, da die betreffenden Teile bei niedrigen Temperaturen nicht aufeinander abgepaßt werden konnten, was zum Teil darauf zurückzuführen ist, daß die Aluminiumoberflächen im Gegensatz zu den Eisenoberflächen nicht öldicht sind. Die Aluminiumoberfläche ist infolge des abfließenden Öls einer Verschleiß- und Anfreßwirkung ausgesetzt, wenn die betreffenden Teile, wie z. B. der Kolbenring, in Gleitkontakt kommen.

Andererseits aber sind die Aluminiumgußlegierungen für die Herstellung von Motorblöcken, Zylinderköpfen und anderen Motorteilen sehr geeignet. Diese Legierungen weisen als Komponenten gewöhnlich Silizium, Magnesium oder Kupfer auf oder stellen eine Kombination dieser Komponenten dar. Das Silizium ist besonders geeignet, da es zur Erhöhung der Fließfähigkeit der Aluminiumschmelze beim Gießvorgang und gleichzeitig zur Verminderung undichter Stellen im Fertiggußstück und zur Verbesserung der Festigkeit und Schweißfähigkeit beiträgt.

Es ist bereits bekannt, die Gleitflächen von für Lagerzwecke verwendeten Metallegierungen, unter anderem auch Aluminiumlegieningen, mittels eines Ätzmittels zu behandeln, um Gleitflächen herzustellen, die von vornherein ein ölpolster aufweisen, da beim Ätzen durch die Entfernung der vom Ätzmittel angegriffenen Legierungsbestandteile kleine, beliebig orientierte Kanäle entstehen, die sich mit öl füllen können. Man möchte auf diese Weise bereits beim Einlaufen ein ölpolster erzielen, das sonst erst nach einer gewissen Laufzeit durch allmähliches Herausarbeiten der weicheren Legierungsbestandteile aus der Gleitfläche gebildet werden kann.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das es ermöglicht, die Verschleiß- und Anfreßfestigkeit von Maschinenteilen aus derartigen Lagerungen, insbesondere von Zylindern und Kolbenringen für Verbrennungsmotoren, zu erhöhen, und zwar vor dem Einlaufvorgang, bei welchem sie bisher noch ungeschützt waren. Es wurde erfindungsgemäß gefunden, daß Arbeitsflächen niedriger Reibung von Körpern aus Legierungen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt dadurch erhalten werden können, daß vornehmlich Aluminium von der jeweiligen Oberfläche derart entfernt wird, daß aus der Aluminiumlegierungsoberfläche Siliziumteilchen herausragen, die mechanisch geglättet werden. ¹S

Der hier verwendete Ausdruck »Legierungen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt« bezieht sich auf Gußlegierungen auf Aluminiumbasis mit etwa 6 bis 20 Gewichtsprozent Silizium, sowie auf Legierungen, die darüber hinaus noch etwa 3 bis 11 % Kupfer oder etwa 7 bis 9% Magnesium enthalten. Eine Legierung, die sich für die Herstellung von Motorblöcken und Kolben als besonders geeignet erwiesen hat und die ohne weiteres nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet werden kann, ist eine hypereutektische Legierung auf Aluminiumbasis mit etwa 16 bis 18% Silizium, etwa 4,2 bis 4,9% Kupfer und geringen Mengen Magnesium — etwa 0,45 bis 0,65%, bis etwa 1% Eisen und 0,08 bis 0,2% Titan. j Diese Legierung kann auch eine geringe Menge Mangan enthalten, und zwar bis etwa 0,1%. Diese ι . Legierung wird vorzugsweise in geschmolzenem Zustand einer Vorbehandlung unterworfen, indem etwa 0,01 Gewichtsprozent Natrium und ,etwa 0,75 Ge- I wichtsprozent eines Mittels zur Kornverfeinerung von 35! Al-Si-Gußlegierungen in herkömmlicher Weise beigegeben werden, so daß die typische Teilchengröße des Siliziumanteils im Gußstück 10 bis 40 μιη (im Vergleich zu etwa 50 bis 100 μιη ohiie diese Behandlung) beträgt/

Durch die erfindungsgemäße Behandlung sollen die von der Oberfläche der Legierung scharf hervortretenden und durch die bevorzugte Entfernung von Aluminium an der Oberfläche freigelegten Kanten der Siliziumteilchen bzw. -kristalle in verhältnismäßig 45 j flache Plateaus aus Silizium umgewandelt werden, wodurch eine bemerkenswert glatte und harte fertigpolierte Oberfläche niedriger Reibung erhalten wird. Dadurch ist das behandelte Aluminium besonders zur Verwendung bei Verschleißflächen, wie z. B. den Arbeitsflächen der Zylinder und Kolben, sowie den Kolbenringen der Motore und ferner bei Lauf- oder I Auflagerflächen jeder Art geeignet.

Die erfindungsgemäß nach dem vorliegenden Verfahren erhaltene Arbeitsfläche entsteht nicht durch Verwendung der herkömmlichen Hon-, Läpp- oder Ätzverfahren, bei welchen sowohl die Siliziumteilchen in der Legierung als auch das Aluminium angegriffen und beseitigt werden. ι

Jedenfalls kann die bevorzugte Beseitigung von ⁶°l Aluminium an der Legierungsoberfläche — um die über die Oberfläche hervorstehenden Siliziumteilchen freizulegen — und die damit verbundene Siliziumanreicherung der Oberfläche entweder mechanisch oder chemisch durchgeführt werden.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des neuen Verfahrens wird die Entfernung von Aluminium ! durchgeführt, indem zunächst die Legierungsoberfläche ι durch Läppen grobgeschlichtet wirdj wozu eine beliebige, geeignete Vorläppmasse verwendet wird, wie z. B. eine Zusammensetzung von Aluminiumoxid oder Siliziumkarbid und einem Mineralöl. Dann wird das Aluminium ' entfernt, indem als Läppmittel eine Suspension oder Dispersion aus feinverteiltem Elementarsilizium in einem Mineralöl verwendet und damit die Legierungsoberfläche gehont wird, wobei vornehmlich die Aluminiumkomponente der Legierung angegriffen und somit das Aluminium beseitigt wird, so daß eine Oberfläche entsteht, deren Siliziumkristalle sehr wenig angegriffen sind und sich über die Legierungsoberfläche erstrecken bzw. über sie hinausragen. Bei Fortsetzung des Honvorgangs mit dem Siliziumölläppmittel werden die scharfen Kanten des hervorragenden Siliziums der Legierung abgeflacht, während gleichzeitig Silizium aus der Läppzusammensetzung abgesetzt wird. Durch diese Behandlung erhält man eine feingeschliffene hoch polierte Legierungsoberfläche niedriger Reibung mit hoher Verschleiß-, Anfreß- und Korrosionsbeständigkeit.

Die vorzugsweise verwendete Suspension stellt eine Zusammensetzung bzw. eine Mischung aus Elementarsilizium und einem Mineralöl, welche eine Paste bilden, dar. Das Elementarsilizium weist vorzugsweise hohe Reinheit, z. B. 98 % Si, auf. Das Silizium ist fein verteilt, wobei die Teilchengröße im Durchschnitt zwischen 2 bis 200 μιη liegt und vorzugsweise etwa 150 μιη beträgt. Als Mineralöl wird vorzugsweise Motoröl für Kraftfahrzeuge verwendet, wie z. B. ein Motoröl der Güte 10-W, obwohl man auch irgendein geeignetes Läppöl oder ein zum Einfahren von Motoren gebräuchliches Öl nach Belieben verwenden kann. Silizium und Mineralöl sind in einem Verhältnis von etwa 40°/₀ Silizium und 60% öl bis etwa 85% Silizium und 15 % Öl (in Gewichtsprozenten) gemischt, wobei das Gemischverhältnis vorzugsweise 70 Gewichtsprozent Silizium und etwa 30 Gewichtsprozent Öl ist. . .

Der Hon- bzw. Läppvorgang, bei welchem das Läppgemisch eingesetzt wird, kann mit Hilfe einer beliebigen herkömmlichen Honvorrichtung durchgeführt werden, wie z. B. einer Maschine mit einem keramisch gebundenen Quarzglasschleifstein, auf welchem die Läppmasse aufgetragen ist. Ist z. B. das zu honende Werkstück ein Zylinderblock aus einer Aluminiumgußlegierung, können die Oberflächen der durch Bohren, Räumbohren oder Gießen hergestellten Zylinder mittels senkrechter Honmaschinen bearbeitet werden, bei welchen das Honwerkzeug mit Hilfe einer Betätigungsvorrichtung eine Dreh- und Hin- und Herbewegung ausführt, während das Werkstück ortsfest ist. Die Honsteine oder Schleifelemente erstrecken sich radial nach außen und üben somit einen beträchtlichen Druck auf die Zylinderoberflächen aus, während sie gleichzeitig eine Dreh- und Hin- und Herbewegung ausführen und diese Oberflächen abreiben.

. Ferner kann die Oberfläche des jeweiligen Körpers bzw. Werkstücks zwecks Entfernung des Aluminiums auch in einem Säure- oder alkalischen Bad geätzt werden. Das Säurebad kann dabei aus einer wäßrigen Mineralsäure der zum Ätzen und Blankabbeizen von Aluminiumlegierungen verwendeten Art bestehen. Zur Bearbeitung von Legierungen mit hohem Siliziumgehalt wird zweckmäßig eine Lösung aus Phosphorsäure und Salpetersäure oder aus Salpetersäure und Flußsäure verwendet. Ein bevorzugtes Behandlungsbad

besitzt eine Zusammensetzung aus etwa 60 bis 90 Volumprozent Phosphorsäure (85%ig)> etwa 5 bis 15 Volumprozent Salpetersäure (70%ig) und einem Rest Wasser bis 15 Volumprozent, wobei auch eine geringe Menge eines Benetzungsmittels dem Bad zugegeben werden kann. Die Oberfläche wird mit dieser Lösung 30 Sekunden bis 3 Minuten lang behandelt, wobei die Temperatur des Behandlungsbades zwischen 82,2 und 104,5⁰C liegt. Bei der Säurebehandlung wird vorzugsweise ein Bad verwendet, das aus 80 Volumprozent einer 80°/₀igen Phosphorsäure, 15 Volumprozent Salpetersäure (70°/_oig) und 5 °/o Wasser besteht, wobei die Behandlungszeit etw a 45 Sekunden beträgt.

Verwendet man zur Entfernung des Aluminiums statt des Säurebades ein alkalisches Bad, dann kann eine Lösung aus Natriumhydroxid oder Natriumkarbonat, die eine geringe Menge Natriumglukonat enthält, benutzt werden. Man kann beispielsweise eine Lösung aus Natriumhydroxid verwenden, die etwa 85 bis 255 g (2 bis 6°/o) festes Natriumhydroxid je 4,55 1 Lösung enthält, wobei die bevorzugte Konzentration etwa 5 °/o NaOH ist, während etwa 4,54 g Natriumglukonat auf 4,55 1 entfällt. Die Behandlungstemperatur liegt zwischen 32,2 und 71,1° C und ist vorzugsweise etwa 54,4° C, während die Behandlungszeit 1 bis 10 Minuten und vorzugsweise etwa 2,5 Minuten beträgt.

Die durch die chemische Behandlung der Legierung freigelegten und über die Legierungsoberfläche hervortretenden Siliziumteilchen und -kristalle werden in den erforderlichen Zustand gebracht, so daß sie nach ihrer mechanischen Verformung — wie z. B. durch Läppen oder Polieren — eine porenlose, glatte feingeschliffene Deckschicht auf der. Oberfläche der Legierung bilden. Diese mechanische Bearbeitung kann durch die vorher beschriebene Läppmasse aus Silizium und Mineralöl durchgeführt werden, oder aber dadurch, daß eine unter Drück stehende Metallfläche — wie es bei Zylindern und Kolben der Fall ist — oder ein Auflagerelement verwendet wird. -

Durch die erfindungsgemäß erzielte feingeschliffene Oberfläche von Motorzylindern aus einer Aluminiumlegierung wird die Verschleißbeständigkeit der Arbeitsflächen der Kolben erhöht, da diese Flächen jenen der; Zylinder angepaßt sind. Dazu kommt, daß auch die Korrosionsbeständigkeit erhöht und die Schmierung^; verbessert wird, da die mit der Feinschliffdeckschicht versehenen Arbeitsflächen der Zylinder und der Kolbenringe eine dem Schmieröl gegenüber bessere Benetzbarkeit besitzen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht in der Möglichkeit, das Einfahren oder Einlaufenlassen in viel kürzerer Zeit und bei niedrigen Temperaturen ohne wesentliche Abrieb- oder Verschleiß-, Anfreß- und Korrosionserscheinungen durch- : zuführen. . 55'

Die günstigste Wirkung der erfindungsgemäßen Glanzoberfläche der Arbeitsflächen der Zylinder und , anderen Bestandteilen von Motoren aus einer Le- I gierung auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt ist aus einem Versuch mit beschleunigtem Kaltabrieb ersichtlich, bei welchem der zum Erhalt einer solchen Glanzoberfläche behandelte Motor 12 Minuten bei Zimmertemperatur lief, worauf man den Motor nach Herabsetzung der Temperatur des Wassermantels durch ein durch diesen laufendes Kühlmittel auf eine Temperatur von — 1°C weitere 2¹I₂ Stunden laufen ließ. Nachdem der Motor zur Untersuchung und Messung demontiert wurde, wurde gefunden, daß eine übermäßige Abrieb- und Anfreßwirkung vermieden wurde.

Die praktische Durchführung der Erfindung wird nun an Hand folgender Beispiele veranschaulicht, die nicht als einschränkend zu betrachten sind.

Beispiel 1

Ein wassergekühlter Motor wurde mit Zylinderbuchsen aus einem Legierungsguß auf Aluminiumbasis, wobei die Legierung etwa 17% Silizium enthielt, und mit Normkolben versehen, die mit Chrom überzogene Eisenringe hatten. Die Motormerkmale waren wie folgt: 4 Zylinder, Bohrung 5,451 cm, Hub 8,001 cm, Verdrängung 746,9 cm², Verdichtungsverhältnis 7,25:1. j Die Zylinder Nr. 2 und 4 waren gleich grob gehont I und dann mit einer handelsüblichen Läppvorrichtung j zusammen mit der vorerwähnten Läppmasse aus j Silizium und Öl geläppt.

Der Motor wurde zusammengebaut, und dann ließ man ihn 12 Minuten lang einfahren, worauf, die Zündkerzen entfernt und das Innere der Zylinderbohrung mit einem Prüfgerät untersucht wurde, durch welches eine beleuchtete Sichtuntersuchung möglich ist. Die Untersuchung ergab, daß die Oberfläche glatt war. Das bei —1°C gekühlte Wasser ließ man durch den Kühlmantel des Motors laufen, wobei der Motor.2¹U Stunden lief, worauf er zur Untersuchung demontiert wurde. Die Sichtuntersuchung der Zylinderbohrungen ergab keine Abrieb- oder Anfreßerscheinungen; der Verschleiß schien bei den Zylinder- und Ringoberflächen gleich zu sein. Ungeachtet der kurzen Zeit, die der Motor in Betrieb war, hatten die Zylinderoberflächen eine harte Glanzschicht.

B e is ρ i el 2 .

Es wurde der gleiche Motor wie in Beispiel 1 verwendet. Seine Zylinderbuchsen hatten eine Wandstärke von etwa 0,64 cm. Nach erfolgtem Grobhonen mit einem Honstein wurden sie mit einem Säurebad behandelt, das aus 80 Volumprozent Phosphorsäure (85°/_oig), 15 Volumprozent Salpetersäure (70°/₀ig) und 5 Volumprozent Wasser bestand. Diese Behandlung wirkte auf die Zylinderbohrungen bis zu einer Tiefe von etwa 0,013 bis 0,025 mm, wobei die Siliziumteilchen und -kristalle freigelegt wurden. Der Motor wurde dann zusammengebaut und wie bei Beispiel 1 12 Minuten lang einem Einfahrversuch und 2¹I₂ Stunden einem Einlauf versuch bei — 1°C unterworfen. Nachdem der Motor wieder auseinandergenommen war, stellte man fest, daß weder die Oberflächen der Zylinderbohrungen noch die der Kolbenringe Spuren einer Abrieb- oder Anfreßwirkung aufwiesen und daß die Zylinderbohrungen eine glatte, glänzende Oberfläche hatten.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung feingeschlichteter Oberflächen niedriger Reibung von Körpern aus Legierungen auf Aluminiumbasis mit hohem Siliziumgehalt und ungelösten Siliziumteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß vornehmlich Aluminium von der jeweiligen Oberfläche derart entfernt wird, daß aus der Aluminium· legierungsoberfläche Siliziumteilchen herausragen, die mechanisch geglättet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Körpers zur Entfernung des Aluminiums und zur mechanischen *5 Glättung mit einer Suspension aus feinverteiltem Silizium einer Teilchengröße von 2 bis 200 πιμ in Mengen von 40 bis 85 Gewichtsprozent in einem Mineralöl gehont wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Körpers mit einem Säure- oder alkalischen Bad geätzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die geätzte Oberfläche mit einer

. Suspension aus feinverteiltem Silizium einer Teilchengröße von 2 bis 200 μπι in Mengen von 40 bis 85 Gewichtsprozent in einem Mineralöl geläppt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus der Oberfläche des Körpers herausragenden Siliziumteilchen durch die Bewegung einer Metallfläche unter Druck geglättet werden. · ■ .

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminiumlegierung eine solche verwendet wird, die, ausgenommen Verunreinigungen, aus 16 bis 18°/o Silizium, 4,2 bis 4,9% Kupfer, 1 bis 0°/₀ Eisen, 0,45 bis 0,65% Magnesium, 0,08 bis 0,2% Titan, bis zu 0,1 % Mangan und Rest Aluminium enthält.