DE19924494C2

DE19924494C2 - Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer tribologischen Schicht

Info

Publication number: DE19924494C2
Application number: DE19924494A
Authority: DE
Inventors: Markus Beck; Tilmann Haug; Patrick Izquierdo; Michael Lahres; Peter Linden; Matthias Merkel; Harald Pfeffinger
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2019-05-29
Also published as: US20010023859A1; DE59900919D1; US6515254B2; DE19924494A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächen bearbeitung einer tribologischen Schicht aus einer übereutekti schen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Aluminium-Silizium- Verbundwerkstoff mit einem Schichtgefüge, wobei die Oberfläche nach der Herstellung der Schicht nachbearbeitet wird.

Verfahren zur Bearbeitung von übereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind an sich bekannt. Diese Legierungen die nen insbesondere zur Herstellung von Werkstücken mit Oberflächen aus verschleißfesten, reibarmen tribologischen Schichten. Derar tige Werkstücke bzw. Schichten werden z. Bsp. im Automobilbau zur Herstellung von Zylinderlaufflächen in Kurbelgehäusen bzw. Zylin derlaufbuchsen verwendet.

Künftige Leichtbau-Kurbelgehäuse für Hubkolbenmaschinen bestehen aus Kostengründen aus untereutektischen Aluminium-Silizium-Legie rungen, die im Druckgußverfahren hergestellt werden. Dieses Mate rial zeigt jedoch ein unbefriedigendes Reibungs- und Verschleiß verhalten. Die Zylinderlaufbüchsen oder zumindest deren Zylinder laufflächen müssen daher aus einem verschleißfesten, reibarmen, tribologischen Material bestehen.

Aus der DE 44 38 550 A1 ist eine Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bekannt, die feine Silizium-Primärkristalle und intermetallische Phasen in Form har ter Partikel aufweist. Ein derartiges Material muß anschließend noch oberflächenbearbeitet werden. Dabei wird in einem ersten Schritt eine Feinbohrung vorgenommen. Anschließend wird die Ober fläche durch Honen geglättet. Dies erfolgt in der Serienfertigung in mindestens zwei Arbeitsschritten, die man als Vorhonen und Fertighonen bezeichnet. In einem letzten Schritt werden die in der Legierung enthaltenen Silizium-Partikel, welche die eigentli che Lauffläche bilden, freigelegt, indem Aluminium mit Hilfe ei ner wässrigen Lösung einer Säure herausgeätzt wird.

Aus der EP 0 565 742 A1 ist ein Honverfahren zur Feinbearbeitung von werkstückoberflächen mit mindestens zwei Verfahrensschritten bekannt. In einem der Verfahrensschritte wird die Oberfläche des Werkstücks auf das Endmaß fertiggehont. Dabei wird eine sehr fei ne Honstruktur in der Oberfläche erzeugt. In einem anderen Ver fahrensschritt, der vor oder nach dem Fertighonen ausgeführt wer den kann, werden mittels einer Strahlvorrichtung, insbesondere mittels eines Lasers, einander überschneidende Riefen erzeugt. Die Endoberfläche weist in diesem Fall sowohl Hon- als auch Strahlriefen auf.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Zylinderlaufflächen der Zylinderlaufbüchsen nach dem Gießen des Kurbelgehäuses zu be schichten. Dies geschieht zum Beispiel durch Plasmaspritzen wie es in der DE 195 08 687 C2 beschrieben ist. Mit diesem Verfahren kann eine Schicht aus einer Eisen- oder Stahl-Legierung aufge bracht werden, welche sich durch befriedigendes Reibungs- und Verschleißverhalten auszeichnet.

Aus den prioritätsälteren, nicht vorveröffentlichten deutschen Patentanmeldungen 197 33 204 A1 und 197 33 205 A1, eingereicht am 01. August 1997, ist eine thermisch gespritzte Be schichtung aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legie rung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff bekannt, die sich durch ein heterogenes Schichtgefüge aus Aluminium- Mischkristall, einem groben bis sehr feinem Netzwerk aus eutekti schem Silizium, Silizium-Ausscheidungen bzw. -Partikeln, interme tallischen Phasen und extrem fein verteilten Oxiden auszeichnet. Diese Beschichtung weist charakteristische primäre Aluminium- Mischkristall-Dendrite auf, bei denen die Dendritenarme von eu tektischem Silizium umhüllt sind. Die Schliffaufnahmen derartiger Beschichtungen zeigen ein charakteristisches schwammartiges Aus sehen. Silizium-Primärausscheidungen und Siliziumpartikel liegen nur in einem kleinen Anteil vor und weisen einen kleinen Durch messer auf. Bei der Oberflächenbearbeitung dieser Schichten wer den die an der Oberfläche liegenden Dendritenarme angeschliffen, so daß beim nachfolgenden Freilegen das Aluminium weggeätzt wird und aluminiumfreie Silizium-Gerüste zurückbleiben, welche die ei gentliche Lauffläche bilden.

Die Oberflächenbearbeitung von übereutektischen Aluminium- Silizium-Schichten, gleich welcher Zusammensetzung und Struktur ist jedoch recht aufwendig. Es müssen Schmierstoffe eingesetzt werden, die ggf. anschließend, vor dem Freilegen der harten Par tikel, erst wieder vollständig entfernt werden müssen.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfah ren der oben genannten Art bereitzustellen, welches weniger auf wendig und weniger kostspielig ist.

Die Lösung besteht darin, daß die Oberfläche zur Nachbearbeitung in einem einstufigen Verfahren ohne Schmierstoff trocken zerspant wird, wobei ein Schneidwerkzeug mit mindestens einem diamanthal tigen Schneidstoff verwendet wird.

Der Erfindungsgedanke besteht also darin, die üblichen aufwendi gen Naßbearbeitungsverfahren wie z. Bsp. Honen durch ein trocke nes Nachbearbeitungsverfahren zu ersetzen, bei dem ein Schneid werkzeug mit mindestens einem diamanthaltigen Schneidstoff einge setzt wird. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die Güte einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Oberflä che mit der Güte einer gehonten Oberfläche vergleichbar ist und sogar besser sein kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprü chen. Das Schneidwerkzeug kann ein- oder mehrschneidig sein. Ge eignete Schneidwerkzeuge sind z. Bsp. eine Wendeschneidplatte oder eine mit mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspin del. Insbesondere beschichtete Bohrungen, wie mit einer Zylinder lauffläche beschichtete Zylinderlaufbüchsen, werden vorzugsweise durch trockenes Ausspindeln nachbearbeitet. Dabei wird das ein- oder mehrschneidige Werkzeug, bspw. eine mit einer oder mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspindel in die stehende, in nen beschichtete Zylinderlaufbüchse eingeführt. Die Zerspanung erfolgt dabei ohne Kühlschmierstoff bzw. unter Minimalschmierbe dingungen. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, daß das Werk stück bewegt wird, während ein stehendes Werkzeug verwendet wird.

Geeignete Schneidstoffe sind bspw. polykristalliner Diamant, Ein kristalldiamant oder mit einer CVD-Diamantschicht beschichtetes Hartmetall.

Im Schichtgefüge der tribologischen Schicht können harte Schicht bestandteile enthalten sein. Dabei handelt es sich in der Regel um harte, primäre bzw. eutektische Siliziumpartikel. Die an der Oberfläche liegenden harten Schichtbestandteile können im An schluß an die Trockenbearbeitung sofort freigelegt werden.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß eine Kom bination aus dem Trockenzerspanen und einem weiteren Verfahren angewendet wird, wobei im Anschluß an das Trockenzerspanen die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren durch Strahlen struktu riert, insbesondere mit Strahlriefen versehen wird. Vorzugsweise wird eine Laserstrukturierung der Oberfläche vorgenommen. Diese Laserstrukturierung kann man bei Zylinderlaufbüchsen vorzugsweise auf den Bereich des oberen Totpunktes beschränken, das heißt des jenigen Punktes, an dem sich die Laufrichtung des Zylinderkolbens umkehrt und seine Geschwindigkeit gleich Null wird. Durch die La serstrukturierung werden Taschen in die Oberfläche eingebracht, in denen sich später beim Betrieb Schmiermittel sammeln kann. Diese Lösung verbindet in einer Verfahrenskombination die Verfah rensoperation Trockenzerspanung mit einer nachgeschalteten Ver fahrensoperation zur Strukturierung der Oberfläche mittels eines Strahles. Die Endoberfläche weist in diesem Fall sowohl eine trockenzerspante Rillenstruktur, hergestellt mit geometrisch be stimmter Schneide bzw. Schneiden, als auch überlagerte Strahlrie fen auf.

Die zu bearbeitende Schicht ist vorzugsweise eine Beschichtung, die mittels Plasmaspritzverfahren hergestellt wird. Eine bevor zugte Aluminium-Silizium-Legierung ist im wesentlichen kupfer frei, d. h. sie enthält weniger als 1 Gew.-% Kupfer.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung anhand der beigefügten Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 Eine Schliffaufnahme einer durch Plasmaspritzen aufge brachten Schicht aus einer im wesentlichen kupferfrei en, übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung vor der Oberflächenbearbeitung;

Fig. 2 diesselbe Schicht nach der Trockenbearbeitung mit einer Wendeschneidplatte aus polykristallinem Diamantmit ei nem bearbeiteten Bereich (rechts) und einem unbearbei teten Bereich (links;

Fig. 3 diesselbe Schicht wie Fig. 2, jedoch vollständig bear beitet.

Zur Herstellung einer Beschichtung aus übereutektischer Alumini um-Silizium-Legierung kann eine beliebige Aluminium-Silizium- Legierung verwendet werden, zum Beispiel AlSi25 Ni4 1,2Fe 1,2Mg 0,6Cu. In der Legierung können auch Festschmierstoffe wie hexago nales Bornitrid, Titandioxid, Molybdänsulfid und andere enthalten sein.

Besonders bevorzugt sind plasmagespritzte Schichten aus übereu tektischen Aluminium-Silizium-Legierungen bzw. übereutektischen Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoffen, wie sie im folgenden be schrieben werden.

Ausführungsbeispiel 1

Es wurde eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung mit der folgenden Zusammensetzung verwendet:

Legierung A

Silizium: 23,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 25 Gew.-%
Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%
Eisen: maximal 0,25 Gew.-%
Mangan, Nickel, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-% Rest Aluminium.

Aus dieser Legierung wurde ein Spritzpulver hergestellt, mit dem im Plasmaspritzverfahren eine Beschichtung auf die Zylinderlauf fläche einer Zylinderlaufbüchse aus untereutektischer Aluminium- Silizium-Legierung aufgetragen wurde. Die Zylinderlaufbüchse hat te einen Durchmesser von 88 cm, eine Länge von 150 mm und eine Wandstärke von 5 mm.

Die unbearbeitete Beschichtung ist in Fig. 1 dargestellt. Man erkennt deutlich die typische schwammartige Struktur. Sie ist auf die Bildung von Aluminium-Mischkristall-Dendriden zurückzuführen, deren Dendritenarme mit einer Schicht aus eutektischem Silizium umhüllt sind. Ferner sind kleine Silizium-Primärausscheidungen zu erkennen.

Der Oberflächenzustand der Beschichtung konnte wie folgt charak terisiert werden:

R_max = 21,5 µm; R_t = 24,2 µm; R_z = 17,7 µm; R_a = 3,5 µm.

Als Zerspanwerkzeug wurde eine Wendeschneidplatte mit einem Schneidstoff aus polykristallinem Diamant vom Typ TCMW 16 T3 08 F (CDIO) gewählt. Der Halter war vom Typ Tizit NVR 16-3. Zum troc kenen Feindrehen wurden die folgenden Parameter eingestellt: Vorschub = 0,021 m/min; V_C = 158,42 m/min; N = 575 min^-1; a_p = 0,05.

Die derart bearbeitete Oberfläche ist in Fig. 2 abgebildet. Die Oberflächengüte nach der Trockenfeinzerspanung konnte wie folgt charakterisiert werden:

R_max = 0,98 µm; R_t = 0,99 µm; R_z = 0,84 µm; R_a = 0,125 µm.

Diese Werte sind besser als die durch die üblichen Honbearbeitung erzielbaren Werte.

Es kann auch folgende Legierung verwendet werden, die wie oben beschrieben nachgearbeitet werden kann und zu vergleichbar guten Ergebnissen führt:

Legierung B

Silizium: 23,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 25 Gew.-%
Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%
Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%
Mangan, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-% Rest Aluminium.

Es können ferner gleichermaßen Verbundwerkstoffe verwendet wer den, die mittels Plasmspritzen unter Verwendung eines speziellen Spritzpulvers hergestellt werden. Bei diesem Spritzpulver handelt es sich um ein agglomeriertes Verbundpulver aus feinen Silizium- Partikeln und feinen metallischen Partikeln mindestens einer Alu minium-Silizium-Legierung, die miteinander anhand von anorgani schen oder organischen Bindern gebunden sind. Der Anteil an Sili zium-Partikeln beträgt 5 bis 95 Gew.-%, der Anteil an Legierungs partikeln beträgt 95 bis 50 Gew.-%. Die Silizium-Partikel haben eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10 µm, vorzugsweise etwa 5 µm.

Die Legierungspartikel haben eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 50 µm, vorzugsweise etwa 5 µm.

Die Legierungspartikel bestehen vorzugsweise aus einer Mischung aus untereutektischen Legierungspartikeln und übereutektischen Legierungspartikeln. Durch die Verwendung von übereutektischen Legierungspartikeln wird der Anteil an Aluminium-Mischkristall im Schichtgefüge beibehalten, während durch die Verwendung von unte reutektischen Legierungspartikeln die Bildung des Aluminium- Mischkristalls unterdrückt wird. Im folgenden sind je zwei Bei spiele für geeignete untereutektische bzw. übereutektische Legie rungen genannt.

Untereutektische Legierungen Legierung 1

Silizium: 0 bis 11,8 Gew.-%, vorzugsweise etwa 9 Gew.-%
Eisen: maximal 0,25 Gew.-%
Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%
Mangan, Nickel, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-% Rest Aluminium.

Legierung 2

Silizium: 0 bis 11,8 Gew.-%, vorzugsweise etwa 9 Gew.-%
Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%
Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%
Mangan, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-% Rest Aluminium.

Übereutektische Legierungen:

Legierung 3

Silizium: 11,8 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 17 Gew.-%
Eisen: maximal 0,25 Gew.-%
Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%
Mangan, Kupfer, Nickel und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-% Rest Aluminium.

Legierung 4

Silizium: 11,8 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 17 Gew.-%
Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%
Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%
Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%
Mangan, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-% Rest Aluminium.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer tribologischen Schicht aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff mit einem Schicht gefüge, wobei die Oberfläche im Anschluß an die Herstellung der Schicht nachbearbeitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren ohne Schmier stoff trocken zerspant wird, wobei ein Schneidwerkzeug mit minde stens einem Diamant enthaltenden Schneidstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schneidwerkzeug ein einschneidiges Werkzeug, vorzugsweise eine Wendeschneidplatte, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Schneidwerkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, vorzugswei se eine mit mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspin del, verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schneidwerkzeug mit einem Schneidstoff aus polykristalli nem Diamant und/oder Einkristalldiamant und/oder mit einer CVD- Diamantschicht beschichtetem Hartmetall verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Anschluß an die Trockenzerspanung sofort im Schichtgefüge enthaltene, an der nachbearbeiteten Oberfläche liegende harte Schichtbestandteile freigelegt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus dem Trockenzerspanen und einem weiteren Verfahren angewendet wird, wobei im Anschluß an das Trockenzer spanen die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren fertiggehont wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kombination aus dem Trockenzerspanen und einem weiteren Verfahren angewendet wird, wobei im Anschluß an das Trockenzer spanen die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren durch Strah len, bspw. durch Laser strukturiert, insbesondere mit Strahlrie fen versehen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. dem übereutektischen Aluminium-Silizium-Werkstoff beschich tete Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses für eine Hubkolben maschine nachbearbeitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlauffläche nur im Bereich des oberen Totpunkts nachbehandelt wird bzw. daß die in der Zylinderlauffläche liegen den harten Schichtbestandteile nur im Bereich des oberen Tot punkts freigelegt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bearbeitende Schicht mittels Plasmaspritzverfahren hergestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zu bearbeitende Schicht aus einer im wesentlichen kupfer freien übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem im wesentlichen kupferfreien übereutektischen Aluminium-Silizium- Verbundwerkstoff hergestellt wird, wobei der Kupferanteil jeweils kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0,1 Gew.-% und beson ders bevorzugt kleiner als 0,01 Gew.-% ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der zu bearbeitenden Schicht eine Legierung verwendet wird, die ein heterogenes Schichtgefüge aus einem pri mären Aluminium-Mischkristall, einem groben bis sehr feinen Netz werk aus eutektischem Silizium, primären Silizium-Ausscheidungen sowie intermetallischen Phasen wie Mg₂Si und Oxiden aufweist, wo bei die mittlere Größe der primären Silizium-Ausscheidungen klei ner als 10 µm und die mittlere Größe der Oxide kleiner als 5 µm ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der zu bearbeitenden Schicht ein Verbundwerk stoff verwendet wird, der ein heterogenes Schichtgefüge aus einem primären Aluminium-Mischkristall, einem groben bis sehr feinen Netzwerk aus eutektischem Silizium, primären Silizium- Ausscheidungen und/oder eingebetteten Siliziumpartikeln und in termetallischen Phasen wie Mg₂Si und Oxiden aufweist, wobei die mittlere Größe der primären Silizium-Ausscheidungen bzw. der ein gebetteten Silizium-Partikel kleiner als 10 µm und die mittlere Größe der Oxide kleiner als 5 µm ist.