DE19523484A1

DE19523484A1 - Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung zum Eingießen in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine und Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbüchse

Info

Publication number: DE19523484A1
Application number: DE19523484A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Rueckert; Peter Dipl Ing Stocker; Roland Rieger
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 1997-01-02
Anticipated expiration: 2015-06-29
Also published as: GB2302695A; IT1284146B1; GB2302695B; ITRM960401A0; JP2860537B2; CN1149630A; KR100210696B1; FR2736067B1; JPH0919757A; KR970000394A; DE19523484C2; FR2736067A1; CN1055135C; US5891273A; ITRM960401A1; GB9613220D0

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung zum Eingießen in eine Hubkolbenmaschine (Oberbegriff von Anspruch 1) und von einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlauf büchse nach dem Oberbegriff von Anspruch 4.

Aus der EP 367 229 A1 geht eine Zylinderlaufbüchse als bekannt hervor, die aus Metallpulver und eingemischten Graphitparti keln (0,5 bis 3%; Körnungsdurchmesser maximal 10 µm oder we niger, gemessen in einer quer zur Zylinderachse gemessenen Ebene) und Hartstoffpartikeln ohne scharfe Kanten (3 bis 5%; Körnungsdurchmesser maximal 30 µm, durchschnittlich 10 µm oder weniger), insbesondere Aluminiumoxid hergestellt wird. Das Me tallpulver ist zunächst für sich, d. h. ohne zugemischte außer metallische Partikel durch Luftzerstäubung einer übereutekti schen Aluminium/Silizium-Legierung mit folgender Zusammenset zung - mit dem Rest an Aluminium - hergestellt (Angaben in Ge wichtsprozent bezogen auf den Gesamtmetallgehalt der Legie rung, d. h. ohne die schmelzenfremden Hartstoffpartikel und Graphitanteile):

Silizium: 16 bis 18%,
Eisen: 4 bis 6%,
Kupfer: 2 bis 4%,
Magnesium: 0,5 bis 2% und
Mangan: 0,1 bis 0,8%.

Das Metallpulver wird mit nichtmetallischen Partikeln gemischt und dieses Pulvergemisch wird bei etwa 2000 bar zu einem vor zugsweise rohrförmigen Körper gepreßt. Dieser pulvermetallur gisch hergestellte Rohling wird in ein formentsprechendes Rohrstück aus Weichaluminium gesteckt und das solcherart ge wonnene doppellagige Rohr gemeinsam in einem Extrusionsverfah ren, bevorzugt bei angehobenen Temperaturen zu einem rohrför migen Rohling versintert und geformt, aus dem die einzelnen Zylinderlaufbüchsen hergestellt werden können. Die eingelager ten Hartstoffpartikel sollen der Zylinderlaufbüchse eine gute Verschleißbeständigkeit verleihen, wogegen die Graphitpartikel als Trockenschmierstoff dienen. Zur Vermeidung einer Oxidation der Graphitpartikel sollte die Heißextrusion unter Sauerstoff abschluß stattfinden. Auch besteht die Gefahr, daß bei hohen Verarbeitungstemperaturen der Graphit mit dem Silizium rea giert und oberflächlich hartes SiC entsteht, wodurch die Trockenschmiereigenschaft der eingelagerten Graphitpartikel beeinträchtigt wird. Nachdem die Pulvermischung stets mehr oder weniger vollkommen ist, läßt es sich nie ganz ausschlie ßen, daß örtlich mehr oder weniger große Konzentrationsschwan kungen an Hartstoffpartikel und/oder an Graphitpartikeln an der Oberfläche des Werkstückes vorkommen. Aufgrund der einge lagerten Hartstoffpartikel verschleißt das Heißpreßwerkzeug relativ rasch, weil die Hartstoffpartikel trotz ihrer verrun deten Kanten immer noch stark abrasiv wirken; es läßt sich mit vertretbarem Aufwand ohnehin nur ein teilweises Verrunden der Kanten an den durch Bruchzerkleinerung entstandenen Partikel erreichen. Auch die anschließende mechanische Bearbeitung der Lauffläche der Zylinderlaufbüchse ist mit einem hohen Werk zeugverschleiß und somit mit hohen Werkzeugkosten verbunden. Die in der Lauffläche freiliegenden Hartstoffpartikel sind nach der Oberflächenbearbeitung scharfkantig begrenzt und üben einen relativ hohen Verschleiß auf den Kolbenschaft und die Kolbenringe aus, so daß diese aus einem verschleißfesten Werk stoff hergestellt bzw. mit einer entsprechend verschleißfesten Beschichtung versehen sein müssen. Die bekannte Zylinderlauf büchse ist insgesamt nicht nur von den Ausgangsstoffen mit mehreren separaten Komponenten her relativ teuer, sondern auch die hohen Werkzeugkosten im Zusammenhang mit der plastischen und mit der zerspanenden Bearbeitung treiben die Stück-Kosten in die Höhe. Abgesehen davon birgt die Art der Herstellung der bekannten Zylinderlaufbüchse aus einem heterogenen Pulverge misch die Gefahr von Inhomogenitäten, die u. U. eine Funktions beeinträchtigung, also Ausschuß, in jedem Fall aber eine auf wendige Qualitätsüberwachung erfordern. Darüber hinaus setzt sie im Motorbetrieb aufwendige Kolbenkonstruktionen voraus, die die Hubkolbenmaschine insgesamt verteuern.

Erwähnt sei auch noch die US-PS 4 938 810, aus der ebenfalls eine pulvermetallurgisch hergestellte Zylinderlaufbüchse als bekannt hervorgeht. Es werden hier Legierungsbeispiele in gro ßer Zahl angeführt und auch Meß- und Betriebsdaten der damit hergestellten Zylinderlaufbüchsen genannt. Die Siliziumgehalte der angegebenen Beispiele liegen im Bereich von 17,2 bis 23,6%, obwohl im Schutzanspruch dieser Schrift diesbezüglich ein umfassenderer Bereich von 10 bis 30% empfohlen wird, der bis in den untereutektischen Bereich hineinreicht. Wenigstens ei nes der Metalle, nämlich Nickel, Eisen oder Mangan, soll eben falls in der Legierung enthalten sein, und zwar mindestens zu 5% oder (Eisen) zu wenigstens 3%. Stellvertretend sei hier lediglich eine Legierungszusammensetzung in Gew.-% genannt, der Rest ist Aluminium; Zink- und Mangangehalte sind nicht ge nannt, was daraufschließen läßt, daß diese Metalle, von Spu ren abgesehen, nicht enthalten sein sollen:

Silizium: 22,8%,
Kupfer: 3,1%,
Magnesium: 1,3%,
Eisen: 0,5% und
Nickel: 8,0%.

Der Nickelgehalt in dem genannt Legierungsbeispiel ist sehr hoch. Aus dem Pulvergemisch wird ein Rohling für eine Zylin derlaufbüchse heißextrudiert.

Schließlich sei noch die US-PS 4 155 756 genannt, die sich mit dem gleichen Thema befaßt; dort wird u. a. die folgende Zusam mensetzung einer pulvermetallurgisch hergestellten Zylinder laufbüchse als ein Beispiel von mehreren - Rest Aluminium - genannt:

Silizium: 25%,
Kupfer: 4,3%,
Magnesium: 0,65% und
Eisen: 0,8%.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegeleg te Zylinderlaufbüchse im Hinblick auf Verschleißbeständigkeit und Schmierölverbrauch zu verbessern, wobei gleichwohl die Verschleißgefahr für den Kolben und die Kolbenringe verringert wird; bei der Verringerung des Schmierölverbrauches steht we niger das Schmieröl selber im Vordergrund des Interesses, son dern vielmehr dessen Verbrennungsrückstände - im wesentlichen Kohlenwasserstoffe, die das von der Brennkraftmaschine emit tierte Abgas ungünstig belasten.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung der gattungsgemäßen Hub kolbenmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male von Anspruch 1 und bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 4 gelöst. Aufgrund der speziellen Legierungszusammensetzung des Werkstoffes für die Zylinderlaufbüchse bilden sich unmittelbar aus der Schmelze Silizium-Primärkristalle und intermetallische Phasen; auf ein Zumischen gesonderter Hartpartikel kann daher verzichtet wer den. Außerdem wird das verfahrenstechnisch gut beherrschbare und vergleichsweise preiswerte Sprühkompaktieren der Legierung mit anschließendem Strangpressen des Rohlings eingesetzt. Mög lich sind auch Rundkneten und das sog. Thixoforming. Diese Verfahren, insbesondere das Strangpressen erbringt eine beson ders geringe Oxidation der Tröpfchenoberflächen und eine be sonders geringe Porosität der Büchse. Die erwähnten Legie rungszusammensetzungen A bzw. B sind im Hinblick auf einen Einsatzfall mit eisenbeschichtetem Kolben (Legierung A) bzw. mit unbeschichtetem Aluminiumkolben (Legierung B) optimiert. Die schmelzegeborenen Hartpartikel besitzen einerseits eine hohe Härte und verleihen der Lauffläche eine gute Verschleiß beständigkeit, andererseits beeinträchtigen diese schmelzege borenen Hartpartikel die Bearbeitung des Werkstoffes nicht allzu sehr, so daß die Lauffläche hinreichend gut mechanisch bearbeitbar ist. Aufgrund der Entstehung der Primärkristalle und intermetallischen Phasen in jedem einzelnen versprühten und anschließend auf dem aufwachsenden Rohling erstarrenden Schmelzentröpfchen ergibt sich prozeßbedingt eine sehr gleich mäßige Verteilung der harten Partikel im Werkstück. Die schmelzegeborenen Partikel sind außerdem weniger kantig und tribologisch nicht so aggressiv wie Bruchpartikel. Im übrigen sind die schmelzegeborenen, metallischen Hartpartikel inniger in das Legierungsgrundgefüge eingebettet im Vergleich zu ein gemischten, nichtmetallischen Bruchpartikeln, so daß die Ge fahr einer Rißbildung an den Hartstoffgrenzen weniger groß ist. Außerdem zeigen die schmelzegeborenen Hartpartikel ein besseres Einlaufverhalten und eine geringere abrasive Aggres sivität gegenüber dem Kolben und seinen Ringen, so daß sich höhere Standzeiten ergeben oder - bei Inkaufnahme konventio neller Standzeiten - weniger aufwendige Ausführungen auf Sei ten der Kolben und/oder der Kolbenringe zugelassen werden kön nen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie les nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine partielle Schnitt-Ansicht einer Hubkolbenmaschine mit eingegossener Zylinderlaufbüchse,

Fig. 2 einen stark vergrößerten Ausschnitt von einen parallel zu einer Zylindermantellinie genommenen Querschnitt durch einen oberflächennahen Bereich der Zylinderlauf büchse,

Fig. 2a eine weitere Detailvergrößerung einer Einzelheit aus Fig. 2,

Fig. 3 ein Balkendiagramm, die Korngrößen der verschiedenen schmelzengeborenen Hartpartikel veranschaulichend und

Fig. 4 eine Einrichtung zum Fluidfreilegen der Hartpartikel aus der Oberfläche der Zylinderlaufbüchse.

Die in Fig. 1 partiell dargestellte Hubkolbenmaschine enthält ein Kurbelgehäuse 2 aus Druckguß, in der Zylindermäntel 4 zur Aufnahme einer Zylinderlaufbüchse 6 angeordnet sind, in denen ein Kolben 3 auf und ab beweglich geführt ist. Oben auf dem Kurbelgehäuse 2 ist ein Zylinderkopf 1 mit den Einrichtungen für einen Ladungswechsel und die Ladungszündung angebracht. Innerhalb des Kurbelgehäuses ist um den Zylindermantel 4 herum ein Hohlraum zur Bildung eines Wassermantels 5 für die Zylin derkühlung vorgesehen.

Die Zylinderlaufbüchse 6 wird als Einzelteil nach einem weiter unten näher beschriebenen Verfahren in einer übereutektischen Zusammensetzung, worauf ebenfalls weiter unten noch näher ein gegangen wird, hergestellt, dann als Rohteil in das Kurbelge häuse 2 eingegossen und gemeinsam mit dem Kurbelgehäuse bear beitet. Dazu wird unter anderem die Lauffläche der Zylinder laufbüchse zunächst grob vorbearbeitet und anschließend spa nabhebend im Sinne eines Bohrens oder Drehens fein bearbeitet. Anschließend wird die Lauffläche 7 zumindest einstufig gehont. Nach dem Honen werden die in der Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung aus fallenden Partikel wie Siliziumkristalle und intermetallische Phasen derart aus der Lauffläche freigelegt daß Plateau-Flächen der Partikel gegen über der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung hervorstehen.

Um die Zylinderlaufbüchsen im Hinblick auf die Verschleißbe ständigkeit sowie den Schmierölverbrauch und somit die Emissi on von Kohlenwasserstoffen durch die Brennkraftmaschine zu verbessern, ist erfindungsgemäß ein Bündel von Maßnahmen vor gesehen, die in diesem Sinne gemeinsam zusammenwirken.

Zunächst ist hier eine Optimierung der Zusammensetzung der Le gierung zu erwähnen, wobei hier alternativ zwei Legierungsty pen als optimal herausgefunden wurden, wobei der eine Legie rungstyp A für ein Zusammengehen mit eisen-beschichteten Kol ben empfohlen wird. Aufgrund der feinen Oberflächentopographie der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchsen können bei dem Le gierungstyp A alternativ zu Kolben mit Eisenbeschichtungen auch kostengünstigere Kolbenbeschichtungen eingesetzt werden. Z.B. sind auch kostengünstige Graphitbeschichtungen einsetz bar. Ein anderer Legierungstyp B ist im Zusammenhang mit unbe schichteten Aluminiumkolben optimiert worden. Bei den nachfol genden Prozentangaben handelt es sich um Gewichts-Prozente. Und zwar ist die Legierung A folgendermaßen zusammengesetzt:

Silizium: 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen: max. 0,25%
Mangan, Nickel und Zink max. 0,01% und Rest Aluminium.

Die Legierung B für das Zusammenarbeiten mit unbeschichteten Aluminiumkolben ist im Hinblick auf die Anteile von Silizium, Kupfer, Mangan und Zink ebenso zusammengesetzt wie die Legie rung A; lediglich die Gehalte an Eisen und Nickel sind etwas höher, und zwar

Eisen: 1,0 bis 1,4% und
Nickel: 1,0 bis 5,0%.

Aus der Aluminium/Silizium-Legierung wird durch feines Ver sprühen der Schmelze in einer sauerstofffreien Atmosphäre und Niederschlagen des Schmelze-Nebels zu einem aufwachsenden Kör per zunächst eine Luppe mit feinkörniger Ausbildung der Sili zium-Primärkristalle 8 und intermetallischer Phasen 9 und 10 darin erzeugt, und zwar bilden sich intermetallische Phasen zwischen Magnesium und Silizium (Mg₂Si) und zwischen Aluminium und Kupfer (Al₂Cu). Der überwiegende Teil - ca. 80% - der ver düsten Schmelze wird in einem Stickstoffstrahl sehr rasch ab gekühlt, wobei Abkühlungsgeschwindigkeiten im Bereich von etwa 10³ K/sek. erreicht werden. Der Rest der Schmelzetröpfchen bleibt bis zum Auftreffen auf den Luppenträger flüssig oder erstarrt zumindest nur zum Teil. Durch dieses sog. Sprühkom paktieren ist ein von der Korngröße her sehr schmalbandiges Gefüge mit etwa ± 5 . . . 10 µm um einen Mittelwert herum her stellbar, wobei typische Werte im Bereich zwischen 30 und 50 µm liegen. Vorliegend wird mit einer sehr feinen Körnungsein stellung gearbeitet, so daß sich ein entsprechend feines Ge füge mit feiner und gleichmäßiger Siliziumverteilung ergibt. Jedes Pulverteilchen hat die vollen Legierungsbestandteile. Die Pulverteilchen bzw. Tröpfchen werden auf einen rotierenden Teller gesprüht, auf welchem die erwähnte Luppe mit einem Durchmesser von bspw. 250 oder 400 mm Durchmesser aufwächst. Dies hängt von der Anlagenauslegung ab. Anschließend müssen die Luppen auf einer Strangpresse zu Rohren verpreßt werden. Es ist auch denkbar, daß man die Luppe nicht axial auf einem rotierenden Teller aufwachsen läßt, sondern die verdüste Schmelze auf einem umlaufenden Zylinder radial aufwachsen läßt, so daß ein im wesentlichen rohrförmiges Vorprodukt ent steht.

Die Schmelze wird beim Versprühen so fein zerstäubt, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bildenden Silizium-Primärkri stalle 8 und die intermetallischen Phasen 9 bzw. 10 bei sehr geringen Korngrößen mit folgenden Maßen anfallen:

Si-Primärkristalle: 2 bis 15, vorzugsweise 4 bis 10 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phase: 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 µm.

Durch diese Feinkörnigkeit wird zum einen eine feindisperse Verteilung der harten Partikel innerhalb des Legierungsgrund gefüges und ein homogener Werkstoff erreicht. Da aus einer Schmelze heraus verdüst wird, können sich keine Mischungs-In homogenitäten bilden. Aufgrund der Kompaktierung der verdüsten Schmelzetröpfchen kommt es auch zu einem sehr innigen Verbund der Tröpfen untereinander und zu einer weitgehenden Vermeidung von Porositäten. Restporositäten werden durch den Umformvor gang von der Luppe zum Rohr eliminiert.

Das Verfahren des Sprühkompaktierens von Aluminiumlegierungen ist an sich bekannt und soll hier nur in vorteilhafter Weise zum Einsatz gelangen. Auch das Strangpressen von derartig her gestellten Luppen zu Rohren, aus denen dann einzelne Büchsen abgelängt werden können, ist ebenfalls an sich bekannt. Aus diesem Grunde soll hier nicht mehr darauf eingegangen werden. Eine Besonderheit im Zusammenhang mit der vorliegenden Anwen dung dieser Verfahren besteht jedoch darin, daß eine Haltestu fe auf höherem Temperaturniveau vorgeschaltet wird, um die Korngrößenverteilung der Si-Primärkristalle zu stabilisieren.

Die solcher Art hergestellten und eventuell durch eine spanab hebende Bearbeitung auf ein gewisses Weiterverarbeitungsmaß gebrachten Rohteile der Zylinderlaufbüchse werden in ein Kur belgehäuse aus einer gut gießbaren Aluminiumlegierung einge gossen, wobei hier bevorzugt ein Druckgußverfahren empfohlen wird. Dazu werden die einzugießenden und vorgefertigten Zylin derlaufbüchsen auf einen Führungsbolzen bei geöffnetem Druck gußwerkzeug aufgeschoben, die Form geschlossen und der Druck gußwerkstoff eingeschossen. Aufgrund der raschen Abkühlzeit und der Möglichkeit, die einzugießende Zylinderlaufbüchse über den Führungsbolzen kühlen zu können, besteht keine Gefahr, daß durch die Schmelze des Druckgußwerkstückes der Werkstoff der Zylinderlaufbüchse in unkontrollierter Weise thermisch beein flußt wird. Eine partielle metallische Bindung wird im Bereich thermischer Konzentration erzielt, ohne daß das Gefüge der Zy linderlaufbuchse beeinflußt wird. Die für den Druckguß einge setzte Legierung ist untereutektisch und deswegen gießtechni sch gut verarbeitbar. Der Werkstoff des Druckgußwerkstückes weist einen deutlich höheren Ausdehnungskoeffizienten als der der Zylinderlaufbüchse auf, wodurch ein guter Preßsitz zwi schen beiden gewährleistet ist.

Nach dem Eingießen der Zylinderlaufbüchse in das Kurbelgehäuse wird dieses spanabhebend an den erforderlichen Flächen bear beitet, insbesondere an den Laufflächen 7 der Zylinderlauf büchse 6. Auch diese Bearbeitungsvorgänge - es seien hier le diglich Bohren und Honen erwähnt - sind an sich bekannt, wes halb hier nicht mehr darauf eingegangen werden soll. Im An schluß an das Honen müssen die oberflächlich eingelagerten Si lizium-Primärkristalle 8 und die Partikel aus intermetalli schen Phasen 9 bzw. 10 freigelegt werden.

Das Freilegen erfolgt auf chemischem Wege durch Atzen mit um weltgerechten, leicht zu neutralisierenden Fluidmitteln, näm lich beispielsweise wäßriger Natronlauge. Die nachfolgend be schriebene Anlagetechnik und die Prozeßparameter sind speziell auf die hier zum Einsatz gelangende Legierung sowie die Tech nik der Sprühkompaktirung und die Gefügeausabildung der Lauf buchse ausgerichtet.

Es werden folgende Prozeßparameter empfohlen:

Fluidmittel: wäßrige, 4,5- bis 5,5-%-ige Natronlauge (NaOH),
Behandlungstemperatur: 50 ± 3°C,
Einwirkzeit: 15 bis 50 s, vorzugsweise etwa 30 s,
Durchflußmenge: 3 bis 4 Liter je Zylinder während der Behand lungszeit.

Im Zusammenhang mit dem chemischen Freilegen sei auf die in Fig. 4 schematisch dargestellte Anlage näher eingegangen, die hier zum Einsatz kommen soll. Die dort dargestellte Einrich tung weist einen Tisch mit einer Dichtung 18 auf, auf die das zu bearbeitende Kurbelgehäuse 2 mit seiner dem Zylinderkopf zugekehrten Flachseite dichtend aufgespannt ist. In das Innere einer jeden Zylinderlaufbuchse 6 ragt von unten konzentrisch ein Abflußrohr 13 hinein, wobei das Abflußrohr dichtend durch die Dichtung 18 hindurchgeführt ist. Entsprechend der Anzahl und Lage der Zylinder eines zu behandelnden Kurbelgehäuses sind entsprechend auch Abflußrohre in dem Behandlungstisch vorgesehen. Zwischen der zu behandelnden Lauffläche 7 der Zy linderlaufbuchse und dem Abflußrohr verbleibt jeweils ein äqui distanter Ringspalt 26, der im Betrieb mit Fluid gefüllt ist. Mit seinem oberen, freien, als Überlauffungierenden Rand en digt das Abflußrohr etwas unterhalb des in der Bearbeitungs stellung nach oben weisenden, kurbelwellenseitigen Endes der Zylinderlaufbüchse. Mehrere Endstücke 23 einer Zulaufleitung 24 sind ebenfalls durch die Dichtung 18 dichtend hindurchge führt und münden in den erwähnten Ringspalt hinein. In einem ersten Sammelbehälter 14 ist ein als Ätzflüssigkeit dienendes Fluidmittel, z. B. wäßrige, etwa 5-%-ige Natronlauge bevorra tet, die mittels einer ersten Pumpe 21 über eine erste Förder leitung 25 und ein erstes Dreiwegeventil 15 in die Zulauflei tung und somit in den Ringspalt 26 gefördert werden kann. Das in das Abflußrohr 13 oben überlaufende Fluidmittel gelangt über ein zweites Dreiwegeventil 17 und eine erste Rücklauflei tung 27 in den Sammelbehälter 14 zurück. Die Rücklaufleitung 27 ist so gelegt daß bei entsprechend geschaltetem zweiten Dreiwegeventil 17 sich der Inhalt des Abflußrohres durch Schwerkrafteinfluß vollständig in den Sammelbehälter 14 ent leeren kann. Damit sich nach dem Abstellen der Fluidmittelpum pe auch der Ringspalt 26 durch freies Gefälle in den Sammelbe hälter 14 entleeren kann, ist an der Zulaufleitung 24 über ein Zweiwegeventil 16 eine Entleerungsleitung 30 angeschlossen, die in den Sammelbehälter 14 für Fluidmittel mündet. Mit einer nicht näher dargestellten Heizung wird das Fluidmittel bei spielsweise auf etwa 50°C temperiert. Der Inhalt des Sammelbe hälters wird mittels eines Rührwerkes 19 ständig durchmischt und auf gleichmäßiger Konzentration gehalten; außerdem werden dadurch örtliche Temperaturunterschiede ausgeglichen. Zu dem geschilderten Kreislauf für das Fluidmittel ist fluidisch funktionell parallel dazu ein ganz analog aufgebauter Kreis lauf für Spülflüssigkeit, z. B. Wasser mit folgenden Komponen ten vorgesehen: Sammelbehälter 20, zweite Pumpe 22, zweite Förderleitung 28, erstes Dreiwegeventil 15, Zulaufleitung 24, Endstücke 23, Ringspalt 26, Abflußrohr 13, zweites Dreiwege ventil 17, zweite Rücklaufleitung 29 und wieder der Sammelbe hälter 20. Durch gemeinsame Betätigung der beiden Dreiwegeven tile kann wahlweise der Kreislauf für Fluidmittel oder der für Spülmittel wirksam gemacht und mit der Behandlungsstrecke, insbesondere mit den Ringspalten 26 verbunden werden. Vor dem Umschalten von Fluidmittel auf Spülmittel muß zunächst die Be handlungsstrecke, also der werkstückseitige Teil der Kreisläu fe jenseits der beiden Dreiwegeventile 15 und 17 von Fluidmit tel entleert werden, damit das Spülmittel sich nicht mit Fluidmittel anreichert.

Zum Freilegen der in der Lauffläche 7 liegenden Si-Primärkri stalle und Partikel aus intermetallischer Phase wird, nachdem ein Kurbelgehäuse 2 auf die Dichtung 18 lagerichtig festge spannt ist, zunächst mittels der beiden Dreiwegeventile 15 und 17 der Fluidkreislauf mit der Behandlungsstrecke, insbesondere dem Ringspalt 26 verbunden und dann mit der Fluidmittelpumpe 21 der Ringspalt 26 mit Fluidmittel aus dem Sammelbehälter 14 geflutet. Zweckmäßigerweise sind die Kurbelgehäuse auf Behand lungstemperatur, also z. B. etwa 50°C vortemperiert, damit dem temperierten Fluidmittel nicht Wärme entzogen wird und an der zu behandelnden Lauffläche 7 auch tatsächlich sofort die ge wünschte Behandlungstemperatur ansteht. Während einer bestimm ten Behandlungszeit von vorzugsweise etwa 30 s wird der Förder vorgang bei mäßiger Umwälzgeschwindigkeit - etwa 0,1 l/s und je Zylinder - aufrechterhalten. Die Behandlungszeit ist empi risch in Abhängigkeit von der Art des Fluidmittels, der Kon zentration und der Temperatur so gewählt, daß in dieser Zeit die gewünschte Freilegungstiefe t erreicht wird.

Nach der Behandlungszeit wird die Fluidmittelpumpe 21 stillge setzt und über das jetzt geöffnete Zweiwegeventil 16 der Ring spalt von Fluidmittel in den Sammelbehälter 14 entleert; zu gleich entleert sich über das zum Behälter 14 hin noch offene Dreiwegeventil 15 auch das Abflußrohr 13 in den Sammelbehälter 14. Nachdem das Zweiwegeventil 16 wieder geschlossen ist, kann durch Umschalten der beiden Dreiwegeventile 15 und 17 der Spülmittelkreislauf mit dem Ringspalt 26 verbunden und die Spülmittelpumpe 22 eingeschaltet werden. Die Ringspalte 26 und insbesondere die Laufflächen 7 des Kurbelgehäuses werden nun von Fluidmittel freigespült, wofür der Spülmittelkreislauf ei ne gewisse, empirisch optimierte Zeit lang eingeschaltet bleibt. Anschließend wird der Spülkreislauf wieder stillge setzt und der Inhalt des Abflußrohres durch freies Gefälle in den Spülmittelbehälter 20 entlehrt. Auch der Ringspalt 26 muß entleert werden, der sich aber beim dargestellten Ausführungs beispiel durch Öffnen des Zweiwegeventiles 16 über die Entlee rungsleitung 30 nur in den Sammelbehälter entleeren kann. Da nach kann das fertig bearbeitet Kurbelgehäuse losgespannt und aus der Anlage entnommen werden. Die Anlage ist nun bereit zur Aufnahme eines neuen Werkstückes.

Durch diese Art der Bearbeitung wird das zwischen den einzel nen, oberflächlich anstehenden, härteren Partikeln befindliche Matrixmaterial geringfügig abgetragen, so daß die härteren Partikel mit einer Plateaufläche 11 gegenüber dem Grundwerk stoff 12 um das Maß der Freilegungstiefe t hervorragen. Im Grenzbereich der Partikel entsteht ein kleiner Graben 31, des sen Tiefe allerdings so gering ist, daß dennoch eine gute me chanische Einbindung der Partikel in den Grundwerkstoff gege ben ist. Die Freilegungstiefe t wird durch die angegebenen Prozeßparameter beeinflußt und dementsprechend gesteuert.

Die Gefügeausbildung ist so eingestellt, daß schon bei sehr geringen Freilegungstiefen t von 0,5 µm oder weniger funktions sichere Laufflächen gegeben sind. Deshalb wird eine Freile gungstiefe von 0,3 bis 1,2 µm, vorzugsweise von etwa 0,7 µm an gestrebt. Die Lauffläche 7 der Zylinderlaufbüchse 6 weist nach dem Freilegen der Primärkristalle bzw. Partikel eine Rauheit mit den folgenden Werten auf:

gemittelte Rautiefe: R_z = 2,0 bis 5,0 µm,
maximale Einzelrautiefe: R_max = 5 µm,
Kernrautiefe: R_k = 0,5 bis 2,5 µm
reduzierte Spitzenhöhe: R_pk = 0,1 bis 0,5 µm und
reduzierte Riefentiefe: R_vk = 0,3 bis 0,8 µm.

Hierbei sind die Begriffe und Werte R_z und R_max nach DIN 4768, Blatt 1 und die Begriffe und Werte R_k, R_pk und R_vk nach DIN 4776 zu verstehen und zu ermitteln.

Die geringe Freilegungstiefe, die der durch den Buchsenwerk stoff gegebene Feinkörnigkeit der in der Lauffläche liegenden, tragenden Partikel sowie deren ebenfalls durch den Buchsen werkstoff gegebene stoffliche Beschaffenheit führen insgesamt zu sehr geringen Ölverbräuchen, zu einer hohen Verschleißbe ständigkeit und zu guten Gleiteigenschaften. Weiterhin können dank der erfindungsgemäß zusammengesetzten und bearbeiteten Zylinderlaufbüchse die Kolben mit einer kostengünstigen Be schichtung versehen und mit kostengünstigen Kolbenringen be stückt sein.

Claims

1. In eine Hubkolbenmaschine eingegossene Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung, gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit folgender Merkmale:

- die von schmelzenunabhängigen Hartstoffpartikeln freie Alu minium/Silizium-Legierung der Zylinderlaufbüchse (6) ist in den beiden alternativ einsetzbaren Legierungstypen A bzw. B folgendermaßen zusammengesetzt, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozenten bedeuten:
Legierung A:
Silizium: 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen: maximal 0,25%,
Mangan, Nickel und Zink: maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium oder
Legierung B:
Silizium: 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen: 1,0 bis 1,4%,
Nickel: 1,0 bis 5,0%
Mangan und Zink: maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium,
- in der Zylinderlaufbüchse (6) sind Silizium-Primärkristalle (8) und intermetallische Phasen (9, 10) mit folgenden Korn größen enthalten, wobei die Zahlenangaben den mittleren Korndurchmesser in µm bedeuten:
Si-Primärkristalle: 2 bis 15, vorzugsweise 4,0 bis 10,0 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0, Vorzugsweise 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phasen: 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 µm,
- aus der feinbearbeiteten Lauffläche (7) der Zylinderlauf büchse (6) heraus sind oberflächlich eingelagerte Silizium-Pri märkristalle (8) und Partikel aus intermetallischer Pha sen (9, 10) freigelegt.

2. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilegungstiefe (t) der Plateau-Flächen (11) der Pri märkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) gegenüber dem umgeben den Legierungsgrundwerkstoff (12) etwa 0,3 bis 1,2 µm, vor zugsweise etwa 0,7 µm beträgt.

3. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lauffläche (7) der Zylinderlaufbüchse (6) nach dem Freilegen der Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) eine Rauheit mit den folgenden Werten aufweist: gemittelte Rautiefe R_z = 2,0 bis 5,0 µm,
maximale Einzelrautiefe R_max = 5 µm,
Kernrautiefe R_k = 0,5 bis 2,5 µm
reduzierte Spitzenhöhe R_pk = 0,1 bis 0,5 µm und
reduzierte Riefentiefe R_vk = 0,3 bis 0,8 µm,wobei die Begriffe und Werte R_z und R_max nach DIN 4768, Blatt 1 und die Begriffe und Werte R_k, R_pk und R_vk nach DIN 4776 zu verstehen und zu ermitteln sind.

4. Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufbüchse aus ei ner übereutektischen, Aluminium/Silizium-Legierung, bei dem diese zunächst als rohrförmiges Rohteil für sich hergestellt und danach in ein sie tragendes Kurbelgehäuse einer Hubkolben maschine eingegossen wird, bei dem ferner im eingegossenen Zu stand der Zylinderlaufbüchse deren Lauffläche grob spanabhe bend vorbearbeitet und danach im Sinne eines Bohrens oder Dre hens feinbearbeitet und anschließend wenigstens einstufig ge hont wird und bei dem danach die in der Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung aus fallenden Partikel wie Siliziumkristalle und intermetallischen Phasen derart freigelegt werden, daß Plateauflächen der Partikel gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung her vorstehen, insbesondere zur Herstellung einer Zylinderlauf büchse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit mit folgenden Merkmalen:

- als Werkstoff für die Zylinderlaufbüchse (6) wird alterna tiv eine der beiden folgenden, von schmelzenunabhängigen Hartstoffpartikel freien Aluminium/Silizium-Legierungen A bzw. B verwendet, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Ge wichtsprozenten bedeuten:
Legierung A:
Silizium: 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen: maximal 0,25%,
Mangan, Nickel und Zink: maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium oder
Legierung B:
Silizium: 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen: 1,0 bis 1,4%,
Nickel: 1,0 bis 5,0%
Mangan und Zink: maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium,
- aus der Aluminium/Silizium-Legierung wird durch feines Ver sprühen der Schmelze und Niederschlagen des Schmelze-Nebels zu einem aufwachsenden Körper zunächst eine Luppe mit fein körniger Ausbildung der Silizium-Primärkristalle (8) und intermetallischer Phasen (9, 10) darin erzeugt und diese durch Strangpressen zu einem rohrförmigen Halbzeug umge formt wird, aus der die Zylinderlaufbüchse hergestellt wird,
- die Schmelze wird beim Versprühen so fein zerstäubt, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bildenden Silizium-Pri märkristalle (8) und intermetallische Phasen (9, 10) in Korngrößen mit folgenden Maßen anfallen, wobei die Zahlen angaben den mittleren Korndurchmesser in µm bedeuten:
Si-Primärkristalle: 2 bis 15, vorzugsweise 4,0 bis 10,0 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phase: 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 µm,
- das Freilegen der oberflächlich eingelagerten Primärkri stalle (8) bzw. Partikel (9, 10) aus der Lauffläche (7) der in das Kurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbüchse (6), die an ihrer Lauffläche (7) bereits feinbearbeitet ist, er folgt auf chemische Weise durch Ätzen mittels einer wäßri gen Lauge.