DE19851711A1

DE19851711A1 - Verfahren zur Oberflächenbehandlung, hin- und hergehendes Teil und Kolben

Info

Publication number: DE19851711A1
Application number: DE19851711A
Authority: DE
Inventors: Makoto Mihoya; Masaya Nomura; Shigehi Mitsuoka
Original assignee: Suzuki Motor Corp
Current assignee: Suzuki Motor Corp
Priority date: 1997-10-31
Filing date: 1998-10-30
Publication date: 1999-07-01
Anticipated expiration: 2018-10-31
Also published as: CN1239743C; CN1389594A; US6303232B1; CN1219606A; JPH11193478A; US6171706B1; DE19851711B4; JP3491811B2; CN1188547C

Description

Gebiet der Erfindung und Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sowie Kolben, die mit diesem Verfahren behandelt wurden, als auch einen Oberflächenbehandlungsfilm für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung sowie hin und hergehende Teile, deren Gleitoberfläche damit beschichtet ist.

Genauer ausgedrückt, betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung, das mit einer einfachen Apparatur auskommt, zur Verringerung der Behandlungskosten beiträgt und die Erzeugung einer ausgezeichneten Abrieb beständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und weiterer Eigenschaften bei Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ermöglicht, sowie Kolben, die einer Oberflächenbehandlung nach diesem Verfahren unterzogen wurden. Die Erfindung betrifft auch einen Oberflächen behandlungsfilm, der sich für die Beschichtung von Gleitflächen (oder Laufbuchsenflächen) in Verbrennungsmotoren eignet und über ausgezeichnete Abriebbeständigkeit, Anfangsgüte, Ölhaltung und weitere Eigenschaften verfügt, sowie hin- und hergehende Teile, die mit einem solchen Film beschichtet sind.

Bei der herkömmlicherweise eingesetzten Alumit-Behandlung handelt es sich um ein Verfahren zum Anodisieren von Aluminium in einem Säurebad, mit dem ein harter Aluminiumoxidfilm auf der Aluminiumoberfläche gebildet wird. Allerdings ist dieses Verfahren mit dem Nachteil behaftet, daß es eine Apparatur für die Stromversorgung benötigt und mit beträchtlichen Kosten verbunden ist, weil der Film mit geringer Geschwindigkeit gebildet wird.

Andererseits ist der Schaft eines Aluminiumkolbens als Motor-/Generatorbauteil mit Zinn überzogen. Obwohl der aufgebrachte Zinnfilm weich ist und daher für eine hohe Anfangsgüte sorgt, kann von ihm nicht erwartet werden, daß er sich günstig auf die Verbesserung der Abriebbeständigkeit auswirkt.

Gegenstand und Zusammenfassung der Erfindung

Angesichts der beschriebenen Probleme herkömmlicher Methoden der Oberflächen behandlung haben die Erfinder intensive Untersuchungen durchgeführt, um ein Ober flächenbehandlungsverfahren zu entwickeln, das mit einer einfachen Apparatur auskommt, zur Verringerung der Behandlungskosten beiträgt und die Bildung eines gleichmäßigen Films ermöglicht, der über ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Abriebbeständigkeit und weitere Eigenschaften verfügt, sowie hin- und hergehende Teile, deren Oberflächen nach diesem Verfahren behandelt sind.

Schließlich haben die Erfinder herausgefunden, daß sich die genannten Probleme durch ein Oberflächenbehandlungsverfahren lösen lassen, das die Schritte des Eintauchens von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine Behandlungslösung, die eine Fluorverbindung und Ammoniumhexafluorosilicat enthält, und der Behandlung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in der Behandlungslösung bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C umfaßt. Weiterhin hat sich herausgestellt, daß die oben genannten Probleme auch gelöst werden können, indem die gesamte Oberfläche eines hin- und hergehenden Teils oder dessen Gleitfläche mit einem spezifischen Film beschichtet werden, der beispielsweise eine Verbindung aus Aluminium, Fluor und der Hydroxylgruppe enthält, oder indem ein spezifischer Film genutzt wird, der sich auf der Oberfläche von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bildet und aus einer Aluminiumfluoridhydroxid verbindung sowie darin dispergierten Siliciumpartikeln besteht.

Die vorliegende Erfindung wurde von diesem Standpunkt ausgehend zum Abschluß gebracht.

Das bedeutet, daß entsprechend einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt ein Oberflächenbehandlungsverfahren bereitgestellt wird, das die Schritte des Eintauchens von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine Behandlungslösung (oder eine erwärmte wäßrige Lösung), die eine Fluorverbindung und Ammoniumhexafluorosilicat enthält, und der Behandlung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in der Behandlungslösung bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C umfaßt. Bei diesem Oberflächen behandlungsverfahren enthält die genannte Behandlungslösung (oder erwärmte wäßrige Lösung) vorzugsweise 0,1 bis 20 Masseteile der Fluorverbindung und 0,05 bis 15 Masseteile des Ammoniumhexafluorosilicats je 100 Masseteile Wasser. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Terminus "Fluorverbindung" solche Fluorverbindungen, die nicht mit Ammoniumhexafluorosilicat [(NH₄)₂SiF₆] identisch sind. Unter diesen Verbindungen werden Hexafluorosilicate und insbesondere Magnesiumhexafluorosilicat (MgSiF₆.6H₂O) bevorzugt.

Die vorliegende Erfindung sieht außerdem einen Kolben vor, der einer Oberflächen behandlung nach dem oben beschriebenen Oberflächenbehandlungsverfahren unterzogen worden ist.

Entsprechend einem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt wird ein Kolben zur Verfügung gestellt, bei dem eine Fläche mit einem Film beschichtet ist, der aus einer Al-OH-F-Verbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht, wobei vorzugs weise seine gesamte Oberfläche einschließlich Kolbenringnuten, Kolbenbolzenauge, Kolbenschaft, Kolbenboden und Kolbeninnenfläche mit dem besagten Film beschichtet ist. Bei diesem Kolben bewegt sich die Dicke des aus einer AL-OH-F-Verbindung usw. bestehenden Films vorzugsweise in einem Bereich zwischen 1 und 10 µm.

Entsprechend einem dritten erfindungsgemäßen Aspekt ist ein hin- und hergehendes Teile vorgesehen, das aus einem Kernmetall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, wobei die gesamte Oberfläche des hin- und hergehenden Teiles oder seine Gleitfläche mit einem Gleitfilm beschichtet ist, bei dem es sich um einen Film, der aus einer Verbindung aus Aluminium, Fluor und der Hydroxylgruppe besteht, um einen aus dem Hydrat der Verbindung bestehenden Film, um einen aus einer NH₄MgAlF₆-Verbindung bestehenden Film oder um einen aus einem Gemisch dieser Verbindungen bestehenden Film handelt, der über eine kubische Kristallstruktur verfügt und keine Kristallorientierung aufweist. Außerdem wird ein hin- und hergehendes Teil zur Verfügung gestellt, wobei die gesamte Oberfläche des hin- und hergehenden Teils oder dessen Gleitfläche mit einem Gleitfilm beschichtet ist, dessen Dicke 1 bis 100 µm beträgt und der aus einer Vielzahl von Aggregaten mit einer Größe von 1 bis 100 µm besteht, wobei jedes Aggregat aus Mikro kristallen mit einer Größe von 1 µm oder weniger gebildet wird.

Entsprechend einem vierten erfindungsgemäßen Aspekt ist ein Oberflächen behandlungsfilm für eine Aluminiumlegierung vorgesehen, wobei es sich bei dem Ober flächenbehandlungsfilm um einen Film handelt, der auf der Oberfläche von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet wird, der aus einer Aluminiumfluoridhydroxidverbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht und in dem Siliciumpartikeln dispergiert sind, wobei sich der Gehalt der in dem Film dispergierten Siliciumpartikeln in einem Bereich von 1 bis 24 Masse% und vorzugsweise zwischen 6 und 24 Masse% bewegt, der Gehalt des Siliciums in der Aluminiumlegierung in einem Bereich von 4 bis 24 Masse% und vorzugsweise zwischen 7 und 24 Masse%.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist die schematische Darstellung eines Kolbens entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2 stellt schematisch Mikrokristalle und ein Aggregat auf der Kernmetall oberfläche (Gleitfläche) dar, die entsprechend der vorliegenden Erfindung behandelt wurde;

Fig. 3 stellt schematisch einen erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsfilm für Aluminiumlegierungen dar;

Fig. 4 zeigt als Diagramm die Querschnittsform von Riefen, die zu verzeichnen waren, als ein erfindungsgemäßes Prüfstück (behandeltes Prüfstück) sowie ein Prüfstück ohne darauf gebildeten Film (unbehandeltes Prüfstück) dem Kugel-auf-Scheibe-Ab riebversuch von Beispiel 1 unterzogen wurden;

Fig. 5 zeigt als Diagramm die typische Struktur einer Oberfläche, die mit dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren erzielt wurde;

Fig. 6 ist das Röntgenbeugungsdiagramm eines Gleitfilms, der gemäß der vorliegenden Erfindung ein hin- und hergehendes Teil bedeckt;

Fig. 7 ist die elektronenmikroskopische Aufnahme (20.000fache Vergrößerung) eines Gleitfilms, der gemäß der vorliegenden Erfindung ein hin- und hergehendes Teil bedeckt;

Fig. 8 ist die elektronenmikroskopische Aufnahme (1.000fache Vergrößerung) des in Fig. 7 gezeigten Gleitfilms;

Fig. 9 ist die mikrofotografische Aufnahme (400fache Vergrößerung) eines Abschnitts des in Fig. 7 gezeigten Gleitfilms, und

Fig. 10 veranschaulicht die Ergebnisse des in Beispiel 6 durchgeführten Abriebbeständigkeitsversuchs.

Die in den Abbildungen verwendeten Referenznummern sind folgendermaßen definiert: 1 = Kolben; 2 = Kernmetall; 3 = Gleitfilm; 4 = Ringnut; 5 = Kolbenschaft; 6 = Kolbenbolzenbohrung; 7 = Mikrokristall; 8 = Aggregat von Mikrokristallen; 9 = Silicium; 10 = Aluminiumlegierung; 11 = Oberflächenbehandlungsfilm.

Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungen

Zunächst soll das Oberflächenbehandlungsverfahren entsprechend dem ersten erfindungsgemäßen Aspekt beschrieben werden.

Das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren umfaßt die Schritte des Eintauchens von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine Behandlungslösung (z. B. in eine erwärmte wäßrige Lösung), die eine Fluorverbindung und Ammoniumhexa fluorosilicat enthält, sowie der Behandlung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in der Behandlungslösung bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Behandlungslösung enthält eine Fluorverbindung sowie Ammoniumhexafluorosilicat [(NH₄)₂SiF₆]. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Terminus "Fluorverbindung" solche Fluorverbindungen, die nicht mit Ammoniumhexa fluorosilicat identisch sind.

Bei den in der erfindungsgemäßen Behandlungslösung eingesetzten Fluor verbindungen kann es sich also um unterschiedliche fluorhaltige Verbindungen handeln, außer Ammoniumhexafluorosilicat. Spezifische Beispiele dafür sind Hexafluorosilicate wie Magnesiumhexafluorosilicat (MgSiF₆.6H₂O), Zinkhexafluorosilicat (ZnSiF₆.6H₂O), Kaliumhexafluorosilicat (K₂SiF₆); Natriumhexafluorosilicat (Na₂SiF₆) und Manganhexa fluorosilicat (MnSiF₆.6H₂O); Fluoroborate sowie Fluoride wie Zirconiumfluorid und Titaniumfluorid. Unter diesen fluorhaltigen Verbindungen sind Hexafluorosilicate sowie insbesondere Magnesiumhexafluorosilicat, Manganhexafluorosilicat usw. zu bevorzugen.

Die erfindungsgemäß eingesetzte Behandlungslösung enthält vorzugsweise 0,1 bis 20 Masseteile, besser noch 0,2 bis 15 Masseteile, der Fluorverbindung sowie 0,05 bis 15 Masseteile, besser noch 0,1 bis 10 Masseteile, des Ammoniumhexafluorosilicats [(NH₄)₂SiF₆] je 100 Masseteile Wasser. Diese Behandlungslösung ermöglicht auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung die Bildung eines Films mit größerer Gleichförmigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Betragen in der erfindungsgemäßen Behandlungslösung die Menge der Fluor verbindung weniger als 0,1 Masseteile oder die Menge des Ammoniumhexafluorosilicats weniger als 0,05 Masseteile, wird die Reaktion verzögert, so daß sich die Behandlungs dauer auf eine übermäßige Länge erstreckt.

Betragen andererseits die Menge der Fluorverbindung mehr als 20 Masseteile oder die Menge des Ammoniumhexafluorosilicats mehr als 15 Masseteile, kann sich das Auflösen der Verbindung(en) als schwierig erweisen.

Das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren wird bei Aluminium oder einer Aluminiumlegierung eingesetzt. Spezifische Beispiele dafür sind reines Aluminium sowie Werkstoffe aus gestrecktem Aluminium, Aluminiumguß sowie Aluminiumdruckguß. Das Oberflächenbehandlungsverfahren läßt sich bei einer großen Vielfalt von Aluminiumwerkstoffen anwenden und bewirkt eine Verbesserung der Abriebbeständigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und weiterer Eigenschaften als Ergebnis der Oberflächenbehandlung.

Die Vorbehandlung eines Werkstücks, das oberflächenbehandelt werden soll, erfolgt in unkomplizierter Weise durch das Entfernen von daran haftenden Verunreinigungen (z. B. Öl). Die Oberflächenbehandlung wird jedoch vorzugsweise vorgenommen, nachdem das Werkstück einer Laugenbeizung mit Natriumhydroxid oder ähnlichem sowie einer Reinigung mit Säure unterzogen wurde.

In Übereinstimmung mit dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungs verfahren wird das Aluminium oder die Aluminiumlegierung, die oberflächenbehandelt werden sollen, in die obengenannte Behandlungslösung (oder erwärmte wäßrige Lösung) eingetaucht.

Dabei bewegt sich die Temperatur der Behandlungslösung, in der das Aluminium oder die Aluminiumlegierung behandelt werden, üblicherweise zwischen 70 und 100°C, vorzugsweise zwischen 75 und 99°C und noch besser zwischen 80 und 98°C. Liegt die Temperatur der Behandlungslösung unter 70°C, wird die Reaktion verzögert, so daß sich die Behandlungsdauer auf eine übermäßige Länge erstreckt. Liegt die Temperatur der Behandlungslösung andererseits über 100°C, wird das Verdampfen der Behandlungs lösung auf ein unzulässiges Maß gesteigert.

Was die Behandlungsdauer anbetrifft, reicht es für die Oberflächenbehandlung aus, das Werkstück für eine Zeitspanne von etwa 2 Minuten in die Behandlungslösung einzutauchen, da die Reaktion der Filmbildung in etwa 1 Minute abgeschlossen ist. Es ist davon auszugehen, daß nach abgeschlossener Filmbildung das Werkstück problemlos 30 Minuten und länger in der Behandlungslösung belassen werden kann, da der Film eine schützende Wirkung besitzt.

Der Oberflächenbehandlungsfilm, der sich entsprechend dem oben beschriebenen, erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren auf Aluminium usw. bildet, verfügt über eine schützende Wirkung und kann somit die Korrosionsbeständigkeit des Aluminiumkernwerkstoffs verbessern. Außerdem weist der auf diese Weise gebildete Oberflächenbehandlungsfilm eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit auf.

Da andererseits für das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren keine Stromversorgungsausrüstung benötigt wird, kann die Apparatur vereinfacht werden, was sich besonders vorteilhaft auf die Kosten auswirkt. Außerdem ermöglicht das erfindungs gemäße Oberflächenbehandlungsverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Methoden der Oberflächenbehandlung eine raschere Filmbildung auf der Oberfläche von Aluminium oder ähnlichem und somit eine höhere Produktivität.

Im folgenden wird der dem zweiten erfindungsgemäßen Aspekt entsprechende Kolben erläutert.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolben handelt es sich um einen Kolben, der einer Oberflächenbehandlung nach einem Oberflächenbehandlungsverfahren unterzogen wurde, das die Schritte des Bereitstellens einer Behandlungslösung (oder einer erwärmten wäßrigen Lösung), die eine Fluorverbindung (z. B. ein Hexafluorosilicat) sowie Ammo niumhexafluorosilicat enthält, und des Eintauchens von Aluminium oder einer Aluminium legierung in die Behandlungslösung bei einer Temperatur zwischen 70 und 100°C umfaßt. Bei diesem Verfahren sollte die genannte Behandlungslösung vorzugsweise 0,1 bis 20 Masseteile der Fluorverbindung sowie 0,05 bis 15 Masseteile des Ammoniumhexa fluorosilicats je 100 Masseteile Wasser enthalten.

Vor der Bildung des Films nach dem oben beschriebenen Oberflächenbehandlungs verfahren wird der erfindungsgemäße Kolben mit einem organischen Lösungsmittel, einem Entfettungsmittel usw. gereinigt. Die vorliegende Erfindung läßt sich bei einer großen Vielfalt herkömmlicher, aus einer Aluminiumlegierung hergestellter Motorkolben anwenden.

Der gereinigte Motorkolben wird in die dem oben beschriebenen Oberflächen behandlungsverfahren entsprechende Behandlungslösung eingetaucht. Dadurch bildet sich auf der Kolbenoberfläche ein Film, der eine Al-OH-F-Verbindung oder eine NH₄MgAlF₆-Ver bindung oder beide enthält.

Handelt es sich beispielsweise um eine Al-OH-F-Verbindung, wird während dieser Behandlung eine geringfügige Menge Aluminium von der Oberfläche des aus Aluminium hergestellten Kolbens gelöst. Dieses Aluminium reagiert mit den in der Lösung vorhandenen Fluorradikalen und Hydroxylgruppen, so daß eine Al-OH-F-Verbindung entsteht, die sich auf der Kolbenoberfläche absetzt. Im Alternativfall läßt sich der erfindungsgemäße Kolben herstellen durch die Anlagerung einer NH₄MgAlF₆-Verbindung auf der Kolbenoberfläche in Anwesenheit von Magnesium oder durch die Anlagerung sowohl einer Al-OH-F-Verbindung als auch einer NH₄MgAlF₆-Verbindung auf der Kolbenoberfläche.

Was die Behandlungsdauer anbetrifft, reicht es für die Oberflächenbehandlung aus, den Kolben für eine Zeitspanne von etwa 2 Minuten und vorzugsweise 3 bis 10 Minuten in die Behandlungslösung einzutauchen, da die Reaktion der Filmbildung in etwa 1 Minute abgeschlossen ist, ähnlich wie bei dem oben beschriebenen Oberflächenbehandlungs verfahren. Es ist davon auszugehen, daß nach abgeschlossener Filmbildung der Kolben problemlos 30 Minuten und länger in der Behandlungslösung belassen werden kann, da der Film eine schützende Wirkung besitzt.

Bei dem auf diese Weise erhaltenen erfindungsgemäßen Kolben ist dessen Oberfläche mit einem Film beschichtet, der aus einer Al-OH-F-Verbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht und somit ausgezeichnete Oberflächen eigenschaften aufweist. Dieser aus einer Al-OH-F-Verbindung usw. bestehende Film kann sich auch vorteilhaft auswirken, wenn er nur auf einem der unterschiedlichen Bereiche wie Kolbenringnuten, Kolbenbolzenauge, Kolbenschaftoberfläche, Kolbenboden und Kolbeninnenfläche aufgebracht wird. Vorzugsweise wird jedoch die gesamte Oberfläche einschließlich dieser Bereiche mit dem Film beschichtet.

Die Dicke des auf der Kolbenoberfläche gebildeten und aus einer Al-OH-F-Ver bindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden bestehenden Films beträgt vorzugsweise 1 bis 10 µm.

Der oben beschriebene erfindungsgemäße Kolben ist nicht so weich wie herkömmliche, beispielsweise mit Zinn überzogene Kolben, sondern verfügt über eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit und eine sehr lange Lebensdauer.

Als nächstes wird der dem dritten erfindungsgemäßen Aspekt entsprechende hin- und hergehende Teile beschrieben.

Das erfindungsgemäße hin- und hergehende Teil ist aus einem Kernmetall wie Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt, und die gesamte Oberfläche des hin- und hergehenden Teils oder dessen Gleitfläche sind mit einem Gleitfilm beschichtet, bei dem es sich um einen aus einer Verbindung aus Aluminium, Fluor und der Hydroxylgruppe bestehenden Film, einen Film aus einem Hydrat der Verbindung, einen Film aus einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder einen Film handelt, der aus einem Gemisch dieser Verbindungen besteht, der über eine kubische Kristallstruktur verfügt und keine Kristallorientierung aufweist. Im Alternativfall ist die gesamte Oberfläche des hin- und hergehenden Teils oder dessen Gleitfläche mit einem Gleitfilm beschichtet, dessen Dicke 1 bis 100 µm beträgt und der aus einer Vielzahl von Aggregaten mit einer Größe von 1 bis 100 µm besteht, wobei jedes Aggregat aus Mikrokristallen mit einer Größe von 1 µm oder weniger gebildet wird. Spezifische Beispiele für das Hydrat der besagten Al-OH-F-Ver bindung sind Al₂(OH)₂₇₅F₃₂₄.H₂O und AlF_1,65(OH)_1,35.x H₂O. Dieses hin- und hergehende Teil wird im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 1 ausführlicher beschrieben.

In Fig. 1 stellt der Kolben 1, der in Verbrennungsmotoren eingesetzt wird, ein hin- und hergehendes Teil dar, das aus einem eine Aluminiumlegierung enthaltenden Kernmetall hergestellt ist. Die Oberfläche des Kernmetalls ist zur Verbesserung seiner Gleiteigen schaften mit dem Gleitfilm 3 beschichtet. Der Kolbenschaft 5 gleitet an der Innenwand der Zylinderbohrung entlang, die das Gegenstück darstellt, seine Ringnuten 4 gleiten an den Kolbenringen und die Kolbenbolzenbohrung 6 gleitet an den Kolbenbolzen.

Als Kernmetall 2 wird beispielsweise eine Al-Si-Cu-Ni-Mg-Legierung oder ähnliches eingesetzt. Zu den spezifischen Beispielen für die Legierung gehören AC8A, AC8B, AC9A und AC9B.

Der Gleitfilm 3 wird auf der Oberfläche von Kolben 1 gebildet, indem der Kolben 1 einer chemischen Umwandlungsbehandlung unterzogen wird. Bei diesem Film 3 kann es sich um einen Film handeln, der aus einer Verbindung aus Aluminium, Fluor (F) und der Hydroxylgruppe (OH) besteht, oder um einen Film aus einem Hydrat der Verbindung wie Al₂(OH)_2,75F_3,24.H₂O oder AlF_1,65(OH)_1,35.x H₂O. Weiterhin kann es sich bei dem Film 3 um einen aus einer NH₄MgAlF₆-Verbindung bestehenden Film oder um einen Film handeln, der aus einem Gemisch aus der obengenannten Al-OH-F-Verbindung oder eines ihrer Hydrate und der NH₄MgAlF₆-Verbindung besteht. Bei jeder dieser Zusammensetzungen verfügt der Film 3 über eine kubische Kristallstruktur und weist keine Kristallorientierung auf.

Dieser Gleitfilm 3 besteht aus den Mikrokristallen 7, deren Größe 1 µm oder weniger beträgt. Die Mikrokristalle 7 schließen sich zusammen und bilden eine Vielzahl der Aggregate 8 mit einer Größe von 1 bis 100 µm, und diese Aggregate 8 überziehen die Oberfläche des Kernmetalls in einer Dicke von 1 bis 100 µm (Fig. 2). Dieser Gleitfilm stellt die neuartige Gleitfläche dar.

Die den Gleitfilm 3 bildenden Mikrokristalle 7 und Aggregate 8 bewirken eine Vergrößerung des Flächeninhalts der Gleitfläche und somit eine Verbesserung bei der Ölhaltung. Außerdem weist die Gleitfläche eine hohe Anfangsgüte auf, da vorzugsweise die Aggregate 8 abgetragen werden. Diese Verbesserungen hinsichtlich der Verschleiß erscheinungen bewirken eine längere Lebensdauer, eine geringere Reibung sowie einen günstigeren Kraftstoffverbrauch.

Abschließend soll der dem vierten erfindungsgemäßen Aspekt entsprechende Oberflächenbehandlungsfilm erläutert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsfilm für eine Aluminium legierung handelt es sich um einen Film, der sich auf einer Oberfläche von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bildet und aus einer Aluminiumfluoridhydroxidverbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden sowie aus darin dispergierten Silicium partikeln besteht. Der Gehalt der im Film dispergierten Siliciumpartikeln liegt im Bereich von 1 bis 24 Masse% und vorzugsweise zwischen 6 und 24 Masse%, und der Siliciumgehalt in der genannten Aluminiumlegierung liegt im Bereich von 4 bis 24 Masse% und vorzugsweise zwischen 7 und 24 Masse%.

Die Struktur des erfindungsgemäß gewonnenen Films ist in Fig. 3 dargestellt. Die Aluminiumlegierung, die das Kernmetall bildet, enthält 4 bis 24% Silicium (Si), und eutektisches Si oder eutektisches Si/anfänglich kristallisiertes Si ist in der Aluminiummatrix dispergiert. Die Oberfläche der Aluminiumlegierung ist mit einem Film beschichtet, der aus einer Aluminiumfluoridhydroxidverbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht, und Si-Partikeln, ähnlich dem im Aluminiumlegierungskernmetall dispergierten eutektischen Si oder eutektischen Si/anfänglich kristallisierten Si, sind in diesem Film dispergiert.

Die oben beschriebene Struktur des erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsfilm läßt sich auf folgende Weise erzielen.

Ein Werkstück aus einer Aluminiumlegierung mit einem Siliciumgehalt von 4 bis 24% wird mit einer organischen Säure oder einem handelsüblichen Reinigungsmittel entfettet und dann einer Laugenbeizung und Säurereinigung unterzogen. Anschließend wird das Werkstück für eine Dauer von etwa 30 Sekunden bis etwa 5 Minuten in eine auf 70 bis 100°C erwärmte wäßrige Hexafluorosilicatlösung (beispielsweise eine erwärmte wäßrige Lösung mit Magnesiumhexafluorosilicat als Komponente und mit einer Konzentration von 0,1 bis 20%) getaucht.

Aufgrund der beschriebenen Verfahrensweise wird bevorzugt das Aluminium an der Oberfläche des Aluminiumlegierungswerkstücks umgesetzt und entfernt. Gleichzeitig reagiert das aufgelöste Aluminium beispielsweise mit den in der Lösung vorhandenen Fluorradikalen und Hydroxylgruppen, so daß eine Aluminiumfluoridhydroxidverbindung entsteht. Diese Aluminiumfluoridhydroxidverbindung setzt sich auf der Oberfläche der Aluminiumlegierung ab und lagert dabei die schwer umsetzbaren und schwer zu entfernenden Siliciumpartikeln ein, wodurch sie darauf einen Film bildet. In ähnlicher Weise kann bei Anwesenheit von Magnesium usw. im Legierungsmetall auf der Aluminium legierungsoberfläche ein Film aus einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder ein Film aus beiden Verbindungen erzeugt werden.

Klarheit sollte jedoch darüber herrschen, daß das oben beschriebene Entfetten, Laugenbeizen und Säurereinigen zur Säuberung des Werkstücks dienen und nicht unmittelbar erforderlich sind, um die erfindungsgemäße Filmstruktur zu erzielen.

Das erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsverfahren für Aluminium oder eine Aluminiumlegierung umfaßt auch ein Oberflächenbeschichtungsverfahren, das nur eine einfache Apparatur erfordert, zur Verringerung der Behandlungskosten beiträgt und die Erzeugung einer ausgezeichneten Abriebbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit und weiterer Eigenschaften bei Aluminium oder einer Aluminiumlegierung ermöglicht.

Das bedeutet, daß entsprechend der vorliegenden Erfindung die Ausrüstung vereinfacht werden kann, da die Behandlungsbedingungen unkompliziert sind, und das gewonnene oberflächenbehandelte Aluminium usw. über eine ausgezeichnete Abrieb beständigkeit verfügt und Reibungsverluste vermindern kann. Außerdem besitzt der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gewonnene Film schützende Eigenschaften sowie eine gleichmäßige Filmdicke über die gesamte Oberfläche von Aluminium usw., ungeachtet der Behandlungsbedingungen, und die Filmdicke zeigt wenige Unregelmäßigkeiten. Weiterhin verfügt der auf diese Weise erzeugte Film über eine ausgezeichnete Korrosions beständigkeit und weist somit auch in einer korrosiven Umgebung Abriebbeständigkeit auf.

Außerdem besitzen die Kolben, die einer Oberflächenbehandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren unterzogen wurden, eine ausgezeichnete Korrosions beständigkeit und Abriebbeständigkeit sowie weitere Eigenschaften. Demzufolge haben sie eine lange Lebensdauer und ermöglichen einen effektiven Einsatz in unterschiedlichen Motoren.

Darüber hinaus können die Gleiteigenschaften (z. B. die Abriebbeständigkeit) und die Lebensdauer von Motoren, Kompressoren usw. verbessert werden, wenn die Gleitflächen (oder Laufbuchsenflächen) ihrer aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellten gleitenden Bauteile erfindungsgemäß beschichtet werden. So lassen sich beispielsweise durch die Beschichtung von Motorkolben Verbesserungen der Abrieb beständigkeit, Anfangsgüte, Ölhaltung und weiterer Eigenschaften erzielen. Das führt zu einer verlängerten Lebensdauer, einer verminderten Reibung sowie einem günstigeren Kraftstoffverbrauch und ist somit aus der Sicht der Industrie von größter Bedeutung.

Arbeitsbeispiele

Die vorliegende Erfindung wird anhand der folgenden Beispiele ausführlicher erklärt. Diese Beispiele sollen jedoch keinesfalls den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken.

Beispiel 1

0,67 Masseteile Magnesiumhexafluorosilicat (MgSiF₆.6H₂O) und 0,33 Masseteile Ammoniumhexafluorosilicat [(NH₄)₂SiF₆] wurden in 100 Masseteilen Wasser gelöst. Die Lösung wurde auf 90°C erwärmt und als Behandlungslösung verwendet.

Ein Gußaluminiumprüfstück aus AC8A-T6 mit einem Durchmesser von 50 mm und einer Dicke von 5 mm wurde mit einem organischen Lösungsmittel und einem Entfettungsmittel gereinigt und anschließend in der obigen Behandlungslösung oberflächenbehandelt. Bei dem oberflächenbehandelten Gußaluminiumprüfstück hatte sich auf dessen Oberfläche ein Film gebildet, der aus einer Al-OH-F-Verbindung bestand.

An dem Prüfstück, das der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Oberflächen behandlung unterzogen worden war, wurde ein Kugel-auf-Scheibe-Abriebversuch durchgeführt, wobei wärmebehandelter SCM435-Werkstoff als Gegenstück eingesetzt wurde. Die Querschnittsform (oder das Profil) der dabei erzeugten Riefen ist in Fig. 4 dargestellt. In ähnlicher Weise wurde ein Prüfstück (aus AC8A-T6) ohne darauf gebildeten Film dem Kugel-auf-Scheibe-Abriebversuch unterzogen. Die Querschnittsform der dabei erzeugten Riefen ist ebenfalls in Fig. 4 dargestellt.

Im Ergebnis zeigte sich, daß der volumetrische Verschleiß des Prüfstücks, auf dem sich nach dem oben beschriebenen Oberflächenbehandlungsverfahren ein Film gebildet hatte, ein Zwanzigstel des Verschleißes an dem Prüfstück ohne Film betrug.

Darüber hinaus ergab sich, daß der Reibungskoeffizient des Prüfstücks mit dem darauf gebildeten Film 0,09 betrug, wobei dieser Wert mehr als 20% niedriger lag als der des Prüfstücks ohne Film.

Beispiel 2

Ein Motorkolben (aus AC8A-T6) wurde mit organischem Lösungsmittel, Entfettungsmittel usw. gereinigt und anschließend oberflächenbehandelt, indem er 5 Minuten lang in dieselbe Behandlungslösung wie in Beispiel 1 getaucht wurde. Dadurch bildete sich auf der Oberfläche des Kolbens ein Film, der aus einer Al-OH-F-Verbindung bestand Sowohl dieser Kolben, an dem die oben beschriebene erfindungsgemäße Oberflächenbehandlung vorgenommen worden war (d. h. der Kolben von Beispiel 2), als auch ein Kolben, der keiner Oberflächenbehandlung unterzogen worden war (d. h. ein unbehandelter Kolben), wurden in einen Motor eingebaut, worauf dieser Motor bei Vollast lief.

Anschließend wurden beide Kolben ausgebaut und auf ihre Oberflächen beschaffenheit hin untersucht. Die untersuchten Punkte waren Haftung von Aluminium an den Kolbenringen, Riefenbildung an der Oberfläche des Kolbenbolzenauges und des Kolbenschafts.

Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

Tabelle 1

Daraus geht hervor, daß der Kolben mit der erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlung in allen Punkten eine Verbesserung gegenüber dem unbehan delten Kolben aufwies, und zwar in bezug auf die Ringnuten sowie auf die Oberflächen des Kolbenbolzenauges und des Kolbenschaftes.

Beispiel 3

Werkstücke aus AC8A und ADC12 wurden auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise oberflächenbehandelt. Danach wurde ihre Korrosionsbeständigkeit durch Salzwassersprühversuche geprüft.

Aus den erzielten Ergebnissen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Oberflächenbehandlungsfilm eine schützende Wirkung aufweist und daß sich mit dem erfindungsgemäßen Oberflächenbehandlungsverfahren die Korrosionsbeständigkeit des Aluminiumkernmetalls verbessern läßt.

Beispiel 4

In bezug auf AC8A-Werkstoff, der auf dieselbe Weise wie in Beispiel 1 oberflächen behandelt worden war (Beispiel 4), auf AC8A-Werkstoff, der mit hartem Alumit ober flächenbehandelt worden war (Alumit-behandelter Werkstoff), und auf unbehandelten AC8A-Werkstoff (unbehandelter Werkstoff) wurden die jeweiligen Reibungskoeffizienten bei Ölschmierung gemessen, wobei SCM als Gegenwerkstoff eingesetzt wurde.

Die erzielten Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2

Aus den Ergebnissen ist ersichtlich, daß der erfindungsgemäße Kolben einen verminderten Reibungskoeffizienten aufweist.

Beispiel 5

Der Kolben 1 mit einem Kernmetall aus einer Aluminiumlegierung (Werkstoff AC8A) wurde einer Vorbehandlung unterzogen (siehe Fig. 1). Bei dieser Vorbehandlung handelte es sich um ein Verfahren, das üblicherweise bei der Beschichtung einer Aluminiumlegierung vorgenommen wird und die aus folgenden Schritten bestand:

Entfettung → Laugenbeizung → Säurereinigung.

Im Anschluß an diese Vorbehandlung wurde der Kolben 1 einer chemischen Umwandlungsbehandlung unterzogen. Die bei dieser chemischen Umwandlungs behandlung gegebenen Bedingungen werden im folgenden aufgeführt.

Eine Behandlungslösung, die ein 2 : 1-Gemisch aus MgSiF₆6.H₂O und (NH₄)₂SiF₆in einer Menge von 20 bis 50 g je Liter enthielt, wurde auf 90°C erwärmt. Nach einsetzender Trübung der Behandlungslösung wurde der Kolben 1 fünf Minuten lang in diese eingetaucht.

Im Ergebnis dieser chemischen Umwandlungsbehandlung hatte sich der Gleitfilm 3 auf der Oberfläche von Kolben 1 gebildet.

Fig. 5 ist ein Diagramm, das als Bezugsmuster bei der Beurteilung des erfindungsgemäßen Films lediglich anhand der Röntgenbeugungsspektren herangezogen wurde. Bei diesem Diagramm sind die Peaks für das im Kernmetall vorhandene Aluminium und Silicium aus den gewonnenen Daten entfernt worden.

Fig. 6 stellt ein Röntgenbeugungsdiagramm dar, das am Kolben 1 mit dem Gleitfilm 3 aufgenommen wurde. Aus Fig. 6 ist ersichtlich, daß sich der Gleitfilm 3 aus Al₂(OH)_2,75F_3,24.H₂O, AlF_1,65(OH)_1,35.x H₂O und NH₄MgAlF₆ zusammensetzt. Allerdings umfaßt dieses Röntgenbeugungsdiagramm sowohl das Röntgenbeugungsspektrum von Gleitfilm 3 als auch das Röntgenbeugungsspektrum des das Kernmetall 2 bildenden Aluminiums (Al) sowie des darin enthaltenen Siliciums (Si). Außerdem macht dieses Röntgenbeugungsdiagramm deutlich, daß der Gleitfilm 3 keine Kristallorientierung aufweist.

Die den in Fig. 6 gezeigten Peaks a bis j entsprechenden Millerschen Indizes waren folgende:

a (1,1,1), b (3,1,1), c (2,2,2), d (4,0,0), e (3,3,1), f (4,4,0), g (5,3,1), h (6,2,0), i (5,3,3), und j (6,2,2).

Fig. 7 und 8 sind elektronenmikroskopische Aufnahmen der Gleitfläche 10 des Gleitfilms 3, und Fig. 2 ist eine schematische Darstellung zu Fig. 7. Aus Fig. 2 und 7 ist ersichtlich, daß der Gleitfilm 3 aus Mikrokristallen 7. besteht und daß diese Mikrokristalle das Aggregat 8 bilden. Darüber hinaus ist aus Fig. 8 ersichtlich, daß eine Vielzahl von Aggregaten 8 die Oberfläche des Kernmetalls 2 bedecken und den Gleitfilm 3 bilden.

Fig. 9 zeigt eine mikrofotografische Aufnahme eines Querschnitts von Gleitfilm 3, der sich auf dem eine Aluminiumlegierung (Werkstoff AC8A) enthaltenden Kernmetall 2 gebildet hat. Fig. 9 verdeutlicht die Art und Weise, in der der Gleitfilm 3 die Kernmetalloberfläche bedeckt. Diese mikrofotografische Aufnahme zeigt, daß einige der im Kernmetall 2 (Werkstoff AC8A) enthaltenen Siliciumpartikeln (Si) in den Gleitfilm 3 eingelagert sind. Das ist darauf zurückzuführen, daß im Kernmetall 2 (Werkstoff AC8A) enthaltene Siliciumpartikeln auf der Kernmetalloberfläche verblieben und in den Gleitfilm 3 aufge nommen wurden, der sich während der chemischen Umwandlungsbehandlung bildete.

Beispiel 6

Sechs Aluminiumlegierungen mit unterschiedlichem Siliciumgehalt (Si) wurden entfettet und anschließend einer Laugenbeizung und Säurereinigung unterzogen. Anschließend wurden alle Aluminiumlegierungen in eine erwärmte wäßrige Hexafluoro silicatlösung getaucht, die Magnesiumhexafluorosilicat enthielt. Die Aluminiumlegierungen durchliefen in der Lösung eine Reaktion und bildeten auf der Aluminiumlegierungs oberfläche einen Film aus, wobei Siliciumpartikeln in diesen eingelagert wurden. Auf diese Weise wurden mehrere Prüfstücke gewonnen, deren Filmbeschichtung unterschiedliche Si-Gehalte aufwies.

Unter Verwendung der so gewonnenen Prüfstücke wurde mit einem Nadel-auf- Scheibe-Prüfgerät die Abriebbeständigkeit der Filme bewertet. Die Ergebnisse der Untersuchung der die Filme kennzeichnenden Abriebbeständigkeit sind in Fig. 10 dargestellt.

Bei den in Fig. 10 gezeigten Versuchen wurden die Prüfstücke bei Ölschmierung geprüft, wobei jedes Prüfstück auf der Scheibe plaziert und eine einsatzgehärtete und angelassene SCM420-Nadel als Gegenstück eingesetzt wurde. Die Versuchsergebnisse wurden verglichen, wobei sie volumetrischer Verschleiß angegeben wurden.

Der Vergleich mit dem Prüfstück, dessen Film kein Silicium (Si) enthielt, ergab, daß sogar das Prüfstück mit einem Si-Gehalt von 1% eine Verbesserung der Abriebbeständigkeit aufwies. Bei den Prüfstücken mit einem Si-Gehalt von 6% oder mehr wurde eine deutliche Verbesserung der Abriebbeständigkeit festgestellt.

Claims

1. Oberflächenbehandlungsverfahren, das die Schritte des Eintauchens von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in eine Behandlungslösung, die eine Fluorverbindung und Ammoniumhexafluorosilicat enthält, sowie der Behandlung des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung in der Behandlungslösung bei einer Temperatur im Bereich von 70 bis 100°C umfaßt.

2. Oberflächenbehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem die Behandlungslösung 0,1 bis 20 Masseteile der Fluorverbindung und 0,05 bis 15 Masseteile des Ammoniumhexafluorosilicats je 100 Masseteile Wasser enthält.

3. Oberflächenbehandlungsverfahren nach Anspruch 1, bei dem es sich bei der Fluorverbindung um Magnesiumhexafluorosilicat (MgSiF₆.6H₂O) handelt.

4. Oberflächenbehandlungsverfahren nach Anspruch 2, bei dem es sich bei der Fluorverbindung um Magnesiumhexafluorosilicat (MgSiF₆.6H₂O) handelt.

5. Kolben, der einer Oberflächenbehandlung in Übereinstimmung mit einem Oberflächenbehandlungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 unterzogen wurde.

6. Kolben mit einer Oberfläche, die mit einem Film beschichtet ist, der aus einer Al-OH-F-Verbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht.

7. Kolben nach Anspruch 6, dessen gesamte Oberfläche einschließlich der Kolbenringnuten, des Kolbenbolzenauges, des Kolbenschaftes, des Kolbenbodens und der Kolbeninnenfläche mit dem Film beschichtet ist, der aus einer Al-OH-F-Verbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht.

8. Kolben nach Anspruch 6 oder 7, bei dem die Dicke des Films, der aus einer Al-OH-F-Verbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht, im Bereich von 1 bis 10 µm liegt.

9. Hin- und hergehendes Teil, das aus einem Kernmetall hergestellt ist, das Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthält, wobei die gesamte Oberfläche dieses hin- und hergehenden Teils oder dessen Gleitfläche mit einem Gleitfilm beschichtet ist, bei dem es sich um einen Film, der aus einer Verbindung aus Aluminium, Fluor und der Hydroxyl gruppe besteht, um einen Film, der aus einem Hydrat der Verbindung besteht, um einen Film, der aus einer NH₄MgAlF₆-Verbindung besteht, oder um einen Film, der aus einem Gemisch dieser Verbindungen besteht, handelt und der eine kubische Kristallstruktur besitzt und keine Kristallstruktur aufweist.

10. Hin- und hergehendes Teil, das aus einem Kernmetall hergestellt ist, das Aluminium oder eine Aluminiumlegierung enthält, wobei die gesamte Oberfläche dieses hin- und hergehenden Teils oder dessen Gleitfläche mit einem Gleitfilm beschichtet ist, der eine Dicke von 1 bis 100 µm besitzt und aus einer Vielzahl von Aggregaten mit einer Größe von 1 bis 100 µm besteht, wobei jedes Aggregat aus Mikrokristallen mit einer Größe von 1 µm oder weniger gebildet wird.

11. Oberflächenbehandlungsfilm für eine Aluminiumlegierung, wobei es sich bei diesem Oberflächenbehandlungsfilm um einen Film handelt, der sich auf der Oberfläche einer Aluminiumlegierung bildet, der aus einer Aluminiumfluoridhydroxidverbindung oder einer NH₄MgAlF₆-Verbindung oder aus beiden besteht und in dem Siliciumpartikeln dispergiert sind, wobei der Gehalt der im Film dispergierten Siliciumpartikeln im Bereich von 1 bis 24 Masse% und der Siliciumgehalt der Aluminiumlegierung im Bereich von 4 bis 24 Masse% liegt.