DE19523484C2

DE19523484C2 - Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung zum Eingießen in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine und danach hergestellte Zylinderlaufbüchse

Info

Publication number: DE19523484C2
Application number: DE19523484A
Authority: DE
Inventors: Franz Rueckert; Peter Stocker; Roland Rieger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-06-28
Filing date: 1995-06-28
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2015-06-29
Also published as: KR100210696B1; JP2860537B2; FR2736067B1; DE19523484A1; GB2302695A; GB9613220D0; FR2736067A1; CN1055135C; IT1284146B1; KR970000394A; US5891273A; JPH0919757A; ITRM960401A1; CN1149630A; GB2302695B; ITRM960401A0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Zy linderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium- Legierung zum Eingießen in eine Hubkolbenmaschine.

Aus der EP 367 229 A1 geht eine Zylinderlaufbüchse als bekannt hervor, die aus Metallpulver und eingemischten Graphitpartikeln (0,5 bis 3%; Körnungsdurchmesser maximal 10 µm oder weniger, gemessen in einer quer zur Zylinderachse gemessenen Ebene) und Hartstoffpartikeln ohne scharfe Kanten (3 bis 5%; Körnungs durchmesser maximal 30 µm, durchschnittlich 10 µm oder weni ger), insbesondere Aluminiumoxid hergestellt wird. Das Metall pulver ist zunächst für sich, d. h. ohne zugemischte außermetal lische Partikel durch Luftzerstäubung einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung mit folgender Zusammensetzung - mit dem Rest an Aluminium - hergestellt (Angaben in Gewichts prozent bezogen auf den Gesamtmetallgehalt der Legierung, d. h. ohne die schmelzenfremden Hartstoffpartikel und Graphitantei le):
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 pulvermetallurgisch hergestellte Rohling wird in ein formentsprechendes Rohr stück aus Weichaluminium gesteckt und das solcherart gewonnene doppellagige Rohr gemeinsam in einem Extrusionsverfahren, be vorzugt bei angehobenen Temperaturen zu einem rohrförmigen Rohling versintert und geformt, aus dem die einzelnen Zylinder laufbüchsen hergestellt werden können. Die eingelagerten Hart stoffpartikel sollen der Zylinderlaufbüchse eine gute Ver schleißbeständigkeit verleihen, wogegen die Graphitpartilel als Trockenschmierstoff dienen. Zur Vermeidung einer Oxidation der Graphitpartikel sollte die Heißextrusion unter Sauerstoffab schluss stattfinden. Auch besteht die Gefahr, dass bei hohen Verarbeitungstemperaturen der Graphit mit dem Silizium reagiert und oberflächlich hartes SiC entsteht, wodurch die Trocken schmiereigenschaft der eingelagerten Graphitpartikel beein trächtigt wird. Nachdem die Pulvermischung stets mehr oder we niger vollkommen ist, lässt es sich nie ganz ausschließen, dass örtlich mehr oder weniger große Konzentrationsschwankungen an Hartstoffpartikel und/oder an Graphitpartikeln an der Oberflä che des Werkstückes vorkommen. Aufgrund der eingelagerten Hart stoffpartikel verschleißt das Heißpresswerkzeug relativ rasch, weil die Hartstoffpartikel trotz ihrer verrundeten Kanten immer noch stark abrasiv wirken; es lässt sich mit vertretbarem Auf wand 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 Werkzeugverschleiß und somit mit hohen Werkzeugkosten verbunden. Die in der Lauffläche frei liegenden Hartstoffpartikel sind nach der Oberflächenbear beitung scharfkantig begrenzt und üben einen relativ hohen Ver schleiß auf den Kolbenschaft und die Kolbenringe aus, so dass diese aus einem verschleißfesten Werkstoff hergestellt bzw. mit einer entsprechend verschleißfesten Beschichtung versehen sein müssen. Die bekannte Zylinderlaufbüchse ist insgesamt nicht nur von den Ausgangsstoffen mit mehreren separaten Komponenten her relativ teuer, sondern auch die hohen Werkzeugkosten im Zusam menhang mit der plastischen und mit der zerspanenden Bearbei tung treiben die Stück-Kosten in die Höhe. Abgesehen davon birgt die Art der Herstellung der bekannten Zylinderlaufbüchse aus einem heterogenen Pulvergemisch die Gefahr von Inhomogeni täten, die u. U. eine Funktionsbeeinträchtigung, also Ausschuss, in jedem Fall aber eine aufwendige Qualitätsüberwachung erfor dern. Darüber hinaus setzt sie im Motorbetrieb aufwendige Kol benkonstruktionen 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 eines der Metalle, nämlich Nickel, Eisen oder Mangan, soll ebenfalls in der Legierung enthalten sein, und zwar mindestens zu 5% oder (Eisen) zu wenigstens 3%. Stellvertretend sei hier ledig lich eine Legierungszusammensetzung in Gew.-% genannt, der Rest ist Aluminium; Zink- und Mangangehalte sind nicht genannt, was darauf schließen lässt, dass diese Metalle, von Spuren abgese hen, 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 Zylinder laufbüchse 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%.

Die DE 24 08 276 A1 zeigt einen aus Zylinder und Kolben beste henden Bausatz für Verbrennungskraftmaschinen. Die als separa tes Bauteil ausgebildete, als ganzes in eine Hubkolbenmaschine einzubauende Zylinderlaufbüchse besteht aus einer übereutekti schen Aluminium/Silizium-Legierung mit folgender Zusammenset zung:
Silizium: 16 bis 26%,
Kupfer: 0,5 bis 6%,
Fe, Ni, Mg,) einzeln oder zu mehreren
Mn, Zn, Ti:) 0,08 bis 2,5%
Rest Aluminium.

Aus der Zylinderlauffläche ragen mechanisch geglättete Sili zium-Primärkristalle heraus, was durch honen und durch chemi sche oder elektrochemische Oberflächenbearbeitung erreicht wird. Diese Laufflächenausbildung soll den Laufflächenver schleiß und den Schmiermittelverbrauch vermindern.

Die CH 665 223 A5 beschreibt eine übereutektische Aluminium/ Silizium-Legierung mit hoher Verschleißresistenz und Schneid barkeit, die sich im Strangpressverfahren verarbeiten lässt. Neben einem breiten Anwendungsspektrum der geoffenbarten Le gierung werden u. a. auch Zylinderbeläge für Maschinen genannt. Diese übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung ist folgen dermaßen zusammengesetzt:
Silizium: 12 bis 30%, vorzugsweise 16 bis 20%,
Kupfer: 0,3 bis 7%, vorzugsweise 3 bis 6%,
Magnesium: 0,3 bis 2%, vorzugsweise 0,45 bis 0,65%,
Rest Aluminium, wobei Nickel, Eisen und Mangan einzeln oder kombiniert in einer Gesamtmenge von 0,5 bis 3% zur Verbesse rung der Hitzebeständigkeit und/oder Zinn, Blei oder Wismut einzeln oder kombiniert in einer Gesamtmenge von 0,1 bis 1% zur Verbesserung der Schneidbarkeit zugelassen werden. Min destens 60% aller Si-Primärkristalle sollen eine Größe von 40 bis 80 µm haben, sind also relativ groß. Andererseits sollen die eutektischen Si-Kristalle relativ klein sein, nämlich min destens 60% aller eutektischen Si-Kristalle sollen unter 10 µm groß sein.

Ausgehend von dem geschilderten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein Herstellungsverfahren für eine in ein in ein Kurbelgehäuse einzugießende Zylinderlaufbüchse anzugeben, die im Hinblick auf Verschleißbeständigkeit und Schmierölverbrauch verbesserte Eigenschaften aufweist, wobei gleichwohl die Verschleißgefahr für den Kolben und die Kolben ringe verringert wird; bei der Verringerung des Schmierölver brauches steht weniger das Schmieröl selber im Vordergrund des Interesses, sondern vielmehr dessen Verbrennungsrückstände - im wesentlichen Kohlenwasserstoffe, die das von der Brennkraftma schine emittierte Abgas ungünstig belasten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gesamtheit der Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der speziellen Le gierungszusammensetzung des Werkstoffes für die Zylinderlauf büchse bilden sich unmittelbar aus der Schmelze Silizium-Pri märkristalle und intermetallische Phasen; auf ein Zumischen gesonderter Hartpartikel kann daher verzichtet werden. Außer dem wird das verfahrenstechnisch gut beherrschbare und ver gleichsweise preiswerte Sprühkompaktieren der Legierung mit anschließendem Strangpressen des Rohlings eingesetzt. Möglich sind auch Rundkneten und das sog. Thixoforming. Diese Verfah ren, insbesondere das Strangpressen erbringt eine besonders geringe Oxidation der Tröpfchenoberflächen und eine besonders geringe Porosität der Büchse. Die erwähnten Legierungszusam mensetzungen A bzw. B sind im Hinblick auf einen Einsatzfall mit eisenbeschichtetem Kolben (Legierung A) bzw. mit unbe schichtetem Aluminiumkolben (Legierung B) optimiert. Die schmelzegeborenen Hartpartikel besitzen einerseits eine hohe Härte und verleihen der Lauffläche eine gute Verschleißbestän digkeit, andererseits beeinträchtigen diese schmelzegeborenen Hart partikel besitzen einerseits eine hohe Härte und verlei hen der Lauffläche eine gute Verschleißbeständigkeit, andererseits beeinträchtigen diese schmelzegeborenen Hartpartikel die Bearbeitung des Werkstoffes nicht all zu sehr, so daß die Lauffläche hinreichend gut mecha nisch bearbeitbar ist. Aufgrund der Entstehung der Pri märkristalle und intermetallischen Phasen in jedem ein zelnen versprühten und anschließend auf dem aufwach senden Rohling erstarrenden Schmelzentröpfchen er gibt sich prozeßbedingt eine sehr gleichmäßige Vertei lung der harten Partikel im Werkstück. Die schmelzege borenen Partikel sind außerdem weniger kantig und tri bologisch nicht so aggressiv wie Bruchpartikel. Im übri gen sind die schmelzegeborenen, metallischen Hartpar tikel inniger in das Legierungsgrundgefüge eingebettet im Vergleich zu eingemischten, nichtmetallischen Bruchpartikeln, so daß die Gefahr einer Rißbildung an den Hartstoffgrenzen weniger groß ist. Außerdem zei gen die schmelzegeborenen Hartpartikel ein besseres Einlaufverhalten und eine geringere abrasive Aggressi vität gegenüber dem Kolben und seinen Ringen, so daß sich höhere Standzeiten ergeben oder - bei Inkaufnah me konventioneller Standzeiten - weniger aufwendige Ausführungen auf Seiten der Kolben und/oder der Kol benringe zugelassen werden können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung kön nen den Unteransprüchen entnommen werden; im übri gen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

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

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

Fig. 2a eine weitere Detailvergrößerung einer Einzel heit aus Fig. 2,

Fig. 3 ein Balkendiagramm, die Korngrößen der ver schiedenen schmelzengeborenen Hartpartikel veran schaulichend und

Fig. 4 eine Einrichtung zum Fluidfreilegen der Hart partikel aus der Oberfläche der Zylinderlaufbüchse.

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

Die Zylinderlaufbüchse 6 wird als Einzelteil nach ei nem weiter unten näher beschriebenen Verfahren in einer übereutektischen Zusammensetzung, worauf ebenfalls weiter unten noch näher eingegangen wird, hergestellt, dann als Rohteil in das Kurbelgehäuse 2 eingegossen und gemeinsam mit dem Kurbelgehäuse bearbeitet. Dazu wird unter anderem die Lauffläche der Zylinderlaufbüchse zunächst grob vorbearbeitet und anschließend spanabhebend im Sinne eines Bohrens oder Drehens fein bearbeitet. Anschließend wird die Lauffläche 7 zumindest einstufig gehont. Nach dem Ho nen 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 gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung hervorstehen.

Um die Zylinderlaufbüchsen im Hinblick auf die Ver schleißbeständigkeit sowie den Schmierölverbrauch und somit die Emission von Kohlenwasserstoffen durch die Brennkraftmaschine zu verbessern, ist erfindungsge mäß ein Bündel von Maßnahmen vorgesehen, die in diesem Sinne gemeinsam zusammenwirken.

Zunächst ist hier eine Optimierung der Zusammen setzung der Legierung zu erwähnen, wobei hier alterna tiv zwei Legierungstypen als optimal herausgefunden wurden, wobei der eine Legierungstyp A für ein Zusam mengehen mit eisen-beschichteten Kolben empfohlen wird. Aufgrund der feinen Oberflächentopographie der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchsen können bei dem Legierungstyp A alternativ zu Kolben mit Eisenbe schichtungen auch kostengünstigere Kolbenbeschich tungen eingesetzt werden. Z. B. sind auch kostengünsti ge Graphitbeschichtungen einsetzbar. Ein anderer Le gierungstyp B ist im Zusammenhang mit unbeschichte ten Aluminiumkolben optimiert worden. Bei den nach folgenden Prozentangaben handelt es sich um Ge wichts-Prozente. Und zwar ist die Legierung A folgen dermaßen 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 Alumini um.

Die Legierung B für das Zusammenarbeiten mit un beschichteten Aluminiumkolben ist im Hinblick auf die Anteile von Silizium, Kupfer, Mangan und Zink ebenso zusammengesetzt wie die Legierung A; lediglich die Ge halte 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 Versprühen der Schmelze in einer sauerstofffrei en Atmosphäre und Niederschlagen des Schmelze-Ne bels zu einem aufwachsenden Körper zunächst eine Luppe mit feinkörniger Ausbildung der Silizium-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 überwie gende Teil - ca. 80% - der verdüsten Schmelze wird in einem Stickstoffstrahl sehr rasch abgekühlt, wobei Abkühlungsgeschwindigkeiten im Bereich von etwa 10³K/sek. erreicht werden. Der Rest der Schmelzetröpf chen bleibt bis zum Auftreffen auf den Luppenträger flüssig oder erstarrt zumindest nur zum Teil. Durch die ses sog. Sprühkompaktieren ist ein von der Korngröße her sehr schmalbandiges Gefüge mit etwa ±5 . . . 10 µm um einen Mittelwert herum herstellbar, wobei typische Werte im Bereich zwischen 30 und 50 µm liegen. Vorlie gend wird mit einer sehr feinen Körnungseinstellung gearbeitet, so daß sich ein entsprechend feines Gefüge mit feiner und gleichmäßiger Siliziumverteilung ergibt. Jedes Pulverteilchen hat die vollen Legierungsbestand teile. Die Pulverteilchen bzw. Tröpfchen werden auf ei nen rotierenden Teller gesprüht, auf welchem die er wähnte 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, son dern die verdüste Schmelze auf einem umlaufenden Zy linder radial aufwachsen läßt, so daß ein im wesentlichen rohrförmiges Vorprodukt entsteht.

Die Schmelze wird beim Versprühen so fein zer stäubt, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bilden den Silizium-Primärkristalle 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 fein disperse Verteilung der harten Partikel innerhalb des Legierungsgrundgefüges und ein homogener Werkstoff erreicht. Da aus einer Schmelze heraus verdüst wird, können sich keine Mischungs-Inhomogenitäten bilden. Aufgrund der Kompaktierung der verdüsten Schmelze tröpfchen kommt es auch zu einem sehr innigen Ver bund der Tröpfen untereinander und zu einer weitge henden Vermeidung von Porositäten. Restporositäten werden durch den Umformvorgang von der Luppe zum Rohr eliminiert.

Das Verfahren des Sprühkompaktierens von Alumi niumlegierungen ist an sich bekannt und soll hier nur in vorteilhafter Weise zum Einsatz gelangen. Auch das Strangpressen von derartig hergestellten Luppen zu Rohren, aus denen dann einzelne Büchsen abgelängt werden können, ist ebenfalls an sich bekannt. Aus die sem Grunde soll hier nicht mehr darauf eingegangen werden. Eine Besonderheit im Zusammenhang mit der vorliegenden Anwendung dieser Verfahren besteht je doch darin, daß eine Haltestufe auf höherem Tempera turniveau vorgeschaltet wird, um die Korngrößenver teilung der Si-Primärkristalle zu stabilisieren.

Die solcher Art hergestellten und eventuell durch ei ne spanabhebende Bearbeitung auf ein gewisses Wei terverarbeitungsmaß gebrachten Rohteile der Zylinder laufbüchse werden in ein Kurbelgehäuse aus einer gut gießbaren Aluminiumlegierung eingegossen, wobei hier bevorzugt ein Druckgußverfahren empfohlen wird. Da zu werden die einzugießenden und vorgefertigten Zylin derlaufbüchsen auf einen Führungsbolzen bei geöffne tem Druckgußwerkzeug aufgeschoben, die Form ge schlossen und der Druckgußwerkstoff eingeschossen. Aufgrund der raschen Abkühlzeit und der Möglichkeit, die einzugießende Zylinderlaufbüchse über den Füh rungsbolzen kühlen zu können, besteht keine Gefahr, daß durch die Schmelze des Druckgußwerkstückes der Werkstoff der Zylinderlaufbüchse in unkontrollierter Weise thermisch beeinflußt wird. Eine partielle metalli sche Bindung wird im Bereich thermischer Konzentra tion erzielt, ohne daß das Gefüge der Zylinderlaufbuch se beeinflußt wird. Die für den Druckguß eingesetzte Legierung ist untereutektisch und deswegen gießtech nisch gut verarbeitbar. Der Werkstoff des Druckguß werkstückes weist einen deutlich höheren Ausdeh nungskoeffizienten als der der Zylinderlaufbüchse auf, wodurch ein guter Preßsitz zwischen beiden gewährlei stet ist.

Nach dem Eingießen der Zylinderlaufbüchse in das Kurbelgehäuse wird dieses spanabhebend an den erfor derlichen Flächen bearbeitet, insbesondere an den Lauf flächen 7 der Zylinderlaufbüchse 6. Auch diese Bearbei tungsvorgänge - es seien hier lediglich Bohren und Honen erwähnt - sind an sich bekannt, weshalb hier nicht mehr darauf eingegangen werden soll. Im An schluß an das Honen müssen die oberflächlich eingela gerten Silizium-Primärkristalle 8 und die Partikel aus intermetallischen Phasen 9 bzw. 10 freigelegt werden.

Das Freilegen erfolgt auf chemischem Wege durch Atzen mit umweltgerechten, leicht zu neutralisierenden Fluidmitteln, nämlich beispielsweise wäßriger Natron lauge. Die nachfolgend beschriebene Anlagetechnik und die Prozeßparameter sind speziell auf die hier zum Ein satz gelangende Legierung sowie die Technik der Sprühkompaktirung und die Gefügeausabildung der Laufbuchse 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 Behandlungszeit.

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 Einrichtung weist einen Tisch mit einer Dichtung 18 auf, auf die das zu bearbeitende Kurbelge häuse 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 dich tend durch die Dichtung 18 hindurchgeführt ist. Ent sprechend der Anzahl und Lage der Zylinder eines zu behandelnden Kurbelgehäuses sind entsprechend auch Abflußrohre in dem Behandlungstisch vorgesehen. Zwi schen der zu behandelnden Lauffläche 7 der Zylinder laufbuchse und dem Abflußrohr verbleibt jeweils ein äquidistanter Ringspalt 26, der im Betrieb mit Fluid ge füllt ist. Mit seinem oberen, freien, als Überlauffungie renden Rand endigt das Abflußrohr etwas unterhalb des in der Bearbeitungsstellung nach oben weisenden, kur belwellenseitigen Endes der Zylinderlaufbüchse. Meh rere Endstücke 23 einer Zulaufleitung 24 sind ebenfalls durch die Dichtung 18 dichtend hindurchgeführt und münden in den erwähnten Ringspalt hinein. In einem ersten Sammelbehälter 14 ist ein als Ätzflüssigkeit die nendes Fluidmittel, z. B. wäßrige, etwa 5-%-ige Natron lauge bevorratet, die mittels einer ersten Pumpe 21 über eine erste Förderleitung 25 und ein erstes Dreiwegeven til 15 in die Zulaufleitung und somit in den Ringspalt 26 gefördert werden kann. Das in das Abflußrohr 13 oben überlaufende Fluidmittel gelangt über ein zweites Drei wegeventil 17 und eine erste Rücklaufleitung 27 in den Sammelbehälter 14 zurück. Die Rücklaufleitung 27 ist so gelegt daß bei entsprechend geschaltetem zweiten Drei wegeventil 17 sich der Inhalt des Abflußrohres durch Schwerkrafteinfluß vollständig in den Sammelbehälter 14 entleeren kann. Damit sich nach dem Abstellen der Fluidmittelpumpe auch der Ringspalt 26 durch freies Gefälle in den Sammelbehälter 14 entleeren kann, ist an der Zulaufleitung 24 über ein Zweiwegeventil 16 eine Entleerungsleitung 30 angeschlossen, die in den Sam melbehälter 14 für Fluidmittel mündet. Mit einer nicht näher dargestellten Heizung wird das Fluidmittel bei spielsweise auf etwa 50°C temperiert. Der Inhalt des Sammelbehälters wird mittels eines Rührwerkes 19 ständig durchmischt und auf gleichmäßiger Konzentra tion gehalten; außerdem werden dadurch örtliche Tem peraturunterschiede ausgeglichen. Zu dem geschilder ten Kreislauf für das Fluidmittel ist fluidischfunktionell parallel dazu ein ganz analog aufgebauter Kreislauf für Spülflüssigkeit, z. B. Wasser mit folgenden Komponen ten vorgesehen: Sammelbehälter 20, zweite Pumpe 22, zweite Förderleitung 28, erstes Dreiwegeventil 15, Zu laufleitung 24, Endstücke 23, Ringspalt 26, Abflußrohr 13, zweites Dreiwegeventil 17, zweite Rücklaufleitung 29 und wieder der Sammelbehälter 20. Durch gemeinsa me Betätigung der beiden Dreiwegeventile kann wahl weise der Kreislauf für Fluidmittel oder der für Spülmit tel wirksam gemacht und mit der Behandlungsstrecke, insbesondere mit den Ringspalten 26 verbunden wer den. Vor dem Umschalten von Fluidmittel auf Spülmit tel muß zunächst die Behandlungsstrecke, also der werkstückseitige Teil der Kreisläufe jenseits der beiden Dreiwegeventile 15 und 17 von Fluidmittel entleert wer den, damit das Spülmittel sich nicht mit Fluidmittel an reichert.

Zum Freilegen der in der Lauffläche 7 liegenden Si- Primärkristalle und Partikel aus intermetallischer Phase wird, nachdem ein Kurbelgehäuse 2 auf die Dichtung 18 lagerichtig festgespannt 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 Kurbelgehäu se auf Behandlungstemperatur, also z. B. etwa 50°C vor temperiert, damit dem temperierten Fluidmittel nicht Wärme entzogen wird und an der zu behandelnden Lauffläche 7 auch tatsächlich sofort die gewünschte Be handlungstemperatur ansteht. Während einer bestimm ten Behandlungszeit von vorzugsweise etwa 30 s wird der Fördervorgang bei mäßiger Umwälzgeschwindig keit - etwa 0,1 l/s und je Zylinder - aufrechterhalten. Die Behandlungszeit ist empirisch in Abhängigkeit von der Art des Fluidmittels, der Konzentration und der Temperatur so gewählt, daß in dieser Zeit die ge wünschte Freilegungstiefe t erreicht wird.

Nach der Behandlungszeit wird die Fluidmittelpumpe 21 stillgesetzt und über das jetzt geöffnete Zweiwege ventil 16 der Ringspalt von Fluidmittel in den Sammel behälter 14 entleert; zugleich 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 eine gewisse, empirisch optimierte Zeit lang eingeschaltet bleibt. Anschließend wird der Spülkreislauf wieder stillgesetzt und der Inhalt des Abflußrohres durch freies Gefälle in den Spülmittel behälter 20 entlehrt. Auch der Ringspalt 26 muß entleert werden, der sich aber beim dargestellten Ausführungs beispiel durch Öffnen des Zweiwegeventiles 16 über die Entleerungsleitung 30 nur in den Sammelbehälter ent leeren kann. Danach kann das fertig bearbeitet Kurbel gehäuse 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 einzelnen, oberflächlich anstehenden, härteren Par tikeln befindliche Matrixmaterial geringfügig abgetra gen, so daß die härteren Partikel mit einer Plateaufläche 11 gegenüber dem Grundwerkstoff 12 um das Maß der Freilegungstiefe t hervorragen. Im Grenzbereich der Partikel entsteht ein kleiner Graben 31, dessen Tiefe allerdings so gering ist, daß dennoch eine gute mechani sche Einbindung der Partikel in den Grundwerkstoff gegeben ist. Die Freilegungstiefe t wird durch die ange gebenen Prozeßparameter beeinflußt und dementspre chend gesteuert.

Die Gefügeausbildung ist so eingestellt, daß schon bei sehr geringen Freilegungstiefen t von 0,5 µm oder weni ger funktionssichere Laufflächen gegeben sind. Deshalb wird eine Freilegungstiefe von 0,3 bis 1,2 µm, vorzugs weise von etwa 0,7 µm angestrebt. Die Lauffläche 7 der Zylinderlaufbüchse 6 weist nach dem Freilegen der Pri märkristalle bzw. Partikel eine Rauheit mit den folgen den 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 Buch senwerkstoff gegebene Feinkörnigkeit der in der Lauf fläche liegenden, tragenden Partikel sowie deren eben falls durch den Buchsenwerkstoff gegebene stoffliche Beschaffenheit führen insgesamt zu sehr geringen Öl verbräuchen, zu einer hohen Verschleißbeständigkeit und zu guten Gleiteigenschaften. Weiterhin können dank der erfindungsgemäß zusammengesetzten und be arbeiteten Zylinderlaufbüchse die Kolben mit einer ko stengünstigen Beschichtung versehen und mit kosten günstigen Kolbenringen bestückt sein.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufbüchse (6) aus einer übereutektischen, Aluminium/Silizium-Legierung, bei dem diese zunächst als rohrförmiges Rohteil für sich hergestellt und danach in ein sie tragendes Kurbelgehäuse (2) einer Hub kolbenmaschine eingegossen wird, bei dem ferner im eingegos senen Zustand der Zylinderlaufbüchse (6) deren Lauffläche (7) grob spanabhebend vorbearbeitet und danach im Sinne eines Boh rens oder Drehens feinbearbeitet und anschließend wenigstens einstufig gehont wird und bei dem danach die in der Lauffläche (7) liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung aus fallenden Partikel wie Siliziumkristalle (8) und intermetalli schen Phasen (9, 10) derart freigelegt werden, daß Plateau flächen (11) der Partikel (8, 9, 19) gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges (12) der Legierung hervorstehen, mitfolgenden Merkmalen bezüglich der Herstellung der Zylinder laufbüchse (6):
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%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%,
Eisen: maximal 0,25%,
Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium oder
Legierung B:
Silizium: 23,0 bis 28,0%,
Magnesium: 0,80 bis 2,0%,
Kupfer: 3,0 bis 4,5%,
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 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0 µm,
Mg₂Si-Phase: 2,0 bis 10,0 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,
das Freilegen der Plateau-Flächen (11) der oberflächlich in der Lauffläche (7) der Zylinderlaufbüchse (6) eingelagerte Silizium-Primärkristalle (8) und Partikel aus intermetalli scher Phasen (9, 10) gegenüber dem umgebenden Legierungs grundwerkstoff (12) erfolgt auf 0,3 bis 1,2 µm.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Freiätzen der Plateau-Flächen (11) der oberflächlich in der Lauffläche (7) der Zylinderlaufbüchse (6) eingelagerten Hartstoff-Partikel (8, 9, 10) gegenüber dem umgebenden Legie rungsgrundwerkstoff (12) auf etwa 0,7 µm erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Freiätzen der Plateau-Flächen (11) der oberflächlich in der Lauffläche (7) der Zylinderlaufbüchse (6) zutage tretenden Primärkristalle (8) und Partikel (9, 10) mittels 4,5 bis 5,5- %-iger Natronlauge bei 50 ± 3°C in einer Zeit von 15 bis 50 s erfolgt, wobei während der Behandlung 3 bis 4 Liter wässrige Natronlauge durch die Behandlungsstrecke gefördert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Freiätzen der Plateau-Flächen (11) der oberflächlich in der Lauffläche (7) der Zylinderlaufbüchse (6) zutage tretenden Hartstoff-Partikel (8, 9, 10) während einer Zeit von etwa 30 s erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Legierungen A und/oder B eine Zusammensetzung gewählt wird, bei denen die ersten drei genannten Legierungspartner in folgender Konzentration enthalten sind:
Silizium: 25%,
Magnesium: 1,2%,
Kupfer: 3,9%.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze beim Versprühen so fein zerstäubt wird, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bildenden Silizium-Primärkri stalle (8) und intermetallische Phasen (9, 10) in folgenden Korngrößen vorliegen:
Si-Primärkristalle: 4,0 bis 10,0 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phasen: 2,5 bis 4,5 µm.

7. Zylinderlaufbüchse für das Eingießen in eine Hubkolbenma schine, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprü che 1 bis 6.