DE19956306A1 - Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen - Google Patents
Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an BrennkraftmaschinenInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen mit einem, aus einer Leichtmetall-Legierung bestehenden Zylinderkurbelgehäuse, wobei in die Zylinderlaufflächen, die mittels Laser aufgeschmolzen werden, Partikel eines härteren Materials einlegiert werden und wobei die Leitmetall-Matrix mit den einlegierten Hartstoffpartikeln nachfolgend in mindestens einem Verfahrensschritt spanabhebend und/oder honend bearbeitet wird. Es wird die Aufgabe gelöst, ein Bearbeitungsverfahren zu schaffen, mit dem ein Freilegen der Partikel aus härterem Material ohne Ätzung möglich ist. Mit diesem Verfahren sollen insbesondere bei einer Serienfertigung von Brennkraftmaschinen Zylinderlaufflächen mit guten tribologischen Eigenschaften erzeugt werden. Hierfür wird vorgeschlagen, daß die Zylinderlaufflächen (1) zunächst gehont werden und daß anschließend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle erfolgt, durch die die Kristalle (3) des härteren Materials freigelegt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von
Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen mit einem, aus einer Leichtmetall-Legierung
bestehenden Zylinderkurbelgehäuse, wobei in die Zylinderlaufflächen, die mittels Laser
aufgeschmolzen werden, Partikel eines härteren Materials einlegiert werden und wobei
die Leichtmetall-Matrix mit den einlegierten Hartstoffpartikeln nachfolgend in mindestens
einem Verfahrensschritt spanabhebend und/oder honend bearbeitet wird.
Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch
begründete Forderungen zu beachten, von denen gegenwärtig die Reduzierung von
Kraftstoffverbrauch und Abgasemission primär ist. Neben konstruktiven Entwicklungen
werden hierbei auch die Vorteile neuer Werkstoffe genutzt, wobei zahlreiche konstruktive
Änderungen ohnehin erst durch den Einsatz neuer Werkstoffe möglich sind. Sofern das
Zylinderkurbelgehäuse beispielsweise aus Leichtmetall gefertigt wird, sind gegenüber
konventionellem Grauguß eine erhebliche Gewichtseinsparung und eine höhere
Belastbarkeit im Motorbetrieb möglich. Diese Vorteile können jedoch durch andere Para
meter beeinträchtigt werden, insbesondere durch das Reib- und Verschleißverhalten an
Oberflächenpaarungen, die relativ zueinander bewegt werden. Eine solche Problemstelle
sind die Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen mit der Bauteilpaarung von Kolben
und Zylinder. Für diese Laufflächen sind zusätzliche Bearbeitungen notwendig, um
sogenannte "tribologische" Laufbahnen zu schaffen, die ein weitgehend optimales
Reibungsverhalten bewirken.
In EP 176 803 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks aus
Leichtmetall beschrieben. Zunächst wird der aus einer Aluminium-Legierung bestehende
Zylinderblock gegossen. Anschließend
wird auf die Zylinderlaufflächen Silizium aufgetragen, das nachfolgend mittels Laserstrahl
aufgeschmolzen wird, so daß sich eine mit Silizium übersättigte Randschicht bildet.
Das Verfahren zur Beschichtung von Werkstückoberflächen gemäß DE 197 11 756 A1
schlägt vor, auf die Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen eine pulverförmige
Legierung mit einer Silizium aufweisenden Leichtmetall-Matrix thermisch aufzuspritzen.
Im Ergebnis der Verfahren nach EP 176 803 A1 und DE 197 11 756 A1 weisen die
einer Reibung ausgesetzten Bereiche, im vorliegenden Anwendungsfall also die
Zylinderlaufflächen, eine Beschichtung auf. Diese Beschichtung wird mit einem
spanabhebenden Verfahren nochmals bearbeitet, um die erforderliche Maßgenauigkeit
zu erreichen. Damit auch die notwendige Oberflächenbeschaffenheit erreicht wird, folgt
der spanabhebenden Bearbeitung überwiegend noch ein Honvorgang. Mit diesen
Verfahren können grundsätzlich verschleißfeste, tribologisch günstige Zylinderlaufflächen
geschaffen werden. Die Gewährleistung einer, über die gesamte Zylinderlauffläche
homogenen Oberfläche ist allerdings fragwürdig. Ferner sind zahlreiche
fertigungstechnische Voraussetzungen erforderlich. Diese können zwar für Prototypen
und Kleinserien geschaffen werden, eine Realisierung in der Serienfertigung mit hohen
Stückzahlen ist jedoch nur bedingt möglich.
Unabhängig vom gewählten Bearbeitungsverfahren ist für die Funktionalität der
Zylinderlaufflächen ein teilweises Herausragen der härteren Partikel aus der
Leichtmetall-Matrix zweckmäßig. Hierfür werden nach dem Honvorgang die in der
Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung ausfallenden Partikel
derart freigelegt, daß Plateauflächen der Partikel gegenüber der sonstigen Oberfläche
des Grundgefüges hervorstehen. Das Freilegen der härteren Partikel erfolgt bisher
überwiegend durch Ätzung, wobei durch das Rücksetzen der Leichtmetall-Matrix die
scharfkantigen Ränder der Kristalle freigelegt werden. Diese scharfen Kanten sind nach
teilig und können zumindest in der Einlaufphase des Motors zum Beispiel
Beschädigungen am Kolbenring ergeben. Das Ätzverfahren ist außerdem kostenintensiv
und unter Berücksichtigung von Umweltaspekten problematisch. Deshalb wird ein Ersatz
dieser Bearbeitung durch andere Verfahrensschritte angestrebt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bearbeitungsverfahren für Oberflächen aus
Leichtmetall-Legierungen zu schaffen, mit dem ein Freilegen der Partikel aus härterem
Material ohne Ätzung möglich ist. Mit diesem Verfahren sollen insbesondere bei einer
Serienfertigung von Brennkraftmaschinen Zylinderlaufflächen mit guten tribologischen
Eigenschaften erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Zylinderlaufflächen zunächst gehont werden und
indem anschließend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten
Honahle erfolgt, durch die die Kristalle des härteren Materials freigelegt werden.
Nachfolgend kann eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer Honahle er
folgen, wobei die Zylinderlaufflächen feinstrukturiert werden. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben.
Durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens können die tribologischen
Eigenschaften der Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen auch unter den
Bedingungen einer Serienfertigung wesentlich verbessert werden. In vorteilhafter Weise
erfolgt das Freilegen der härteren Partikel ohne Anwendung ätzender Mittel. Durch die
sanften Konturen der Partikel aus dem härteren Material werden Beschädigungen von
Kolbenring und Kolben weitgehend ausgeschlossen. Die Kombination von Erhebungen
(Kristallpartikel) und Vertiefungen (Feinstruktur) ergibt funktionelle Vorteile in der
Einlaufphase, insbesondere ein gutes Haften des Ölfilms sowie die Vermeidung
mechanischer Störungen durch die wirkenden Kolbendruckkräfte. Die Erhebungen und
Vertiefungen werden durch wechselseitigen Abtrag und Auftrag im Motorbetrieb
zunehmend ausgeglichen. Durch das erreichbare gute Reibungsverhalten der
Bauteilpaarung von Kolben und Zylinder werden die Reibungsverluste reduziert. In deren
Folge vermindern sich zunächst der Kraftstoff und Ölverbrauch und schließlich auch die
Abgasemissionen der Brennkraftmaschine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum
Bearbeiten von Oberflächen beschrieben. Hierbei wird Bezug auf die Zeichnung
genommen, die in schematischer Darstellung eine Zylinderlauffläche zeigt, die mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet worden ist.
Das Verfahren wird vorzugsweise zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen 1 an
Brennkraftmaschinen angewendet. Das Zylinderkurbelgehäuse 2 dieser
Brennkraftmaschine besteht aus einer Leichtmetall-Legierung. Es wird eine Legierung
gewählt, die relativ einfach im Gußprozeß zu handhaben ist, zum Beispiel eine
Aluminium-Legierung. Durch das Einschmelzen von härteren Komponenten werden
nachträglich jene Bereiche des Zylinderkurbelgehäuses 2 veredelt, die bei der späteren
bestimmungsgemäßen Nutzung einer Reibung ausgesetzt sein werden. Dies betrifft die
Zylinderlaufflächen 1, deren Eigenschaften das Reibungs- und Verschleißverhalten der
Bauteilpaarung von Kolben und Zylinder bestimmen. Der Kolben ist in der Zeichnung
nicht näher dargestellt, lediglich seine Bewegung ist durch einen Pfeil stilisiert.
Die Zylinderlaufflächen 1 werden mittels Laser aufgeschmolzen. In das Schmelzbad
werden Partikel eines härteren Materials eingebracht, um somit eine verschleißfeste,
tribologisch günstige Lauffläche 1 zu erhalten. Bedingt durch die Prozeßführung entsteht
bei der Erstarrung infolge der Selbstabschreckung und einer, gegebenenfalls
zusätzlichen Kühlung eine feinkristalline Struktur. Durch das Einlegieren liegen im
Idealfall Kristalle 3 mit einer annähernd kugelförmigen Kontur vor, zumindest jedoch mit
einer gerundeten Kontur ohne scharfe Kanten. Die Größe dieser Kristalle 3 sollte maxi
mal 50,0 µm betragen und wird überwiegend in einem Bereich zwischen 5,0 µm und
20,0 µm liegen. Als härteres Material kann vollaufgeschmolzenes nickelhaltiges oder
wolframhaltiges Material in die Zylinderlauffläche 1 einlegiert werden. Vorzugsweise wird
jedoch ein siliziumhaltiges Material verwendet. Dabei weist die mittels Laser erstellte
Schicht der Zylinderlauffläche 1 nach Abschluß der Einlegierung einen Anteil von 15 bis
53 Vol.% Silizium auf.
Nachfolgend wird eine spanabhebende und/oder honende Bearbeitung durchgeführt.
Hierbei ist vorgesehen, daß die Zylinderlaufflächen 1 gehont werden. Die feinkristalline
Schicht bedarf zur Freilegung keiner Ätzung. Vielmehr erfolgt nunmehr eine weitere
mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle. In diesem Ver
fahrensschritt wird die Leichtmetall-Matrix zurückgestellt, d. h., die Kristalle 3 des härteren
Materials werden mechanisch freigelegt und stehen als Plateauflächen gegenüber der
sonstigen Oberfläche hervor. Durch die gerundete Kontur der Kristalle 3 brechen diese
beim Honen nicht aus. Außerdem wirken die Kristalle 3 aufgrund dieser Kontur kaum
abrasiv, so daß auch der Verschleiß gering ist. Die Höhe "H" der Freilegung der Kristalle
3 des härteren Materials beträgt maximal 1,0 µm. Vorzugsweise wird ein Bereich
zwischen 0,1 µm und 0,3 µm genutzt.
Danach erfolgt eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer Honahle. In diesem
Verfahrensschritt werden die Zylinderlaufflächen 1 feinstrukturiert, indem zusätzliche
Vertiefungen 4 in die Oberfläche 1 eingebracht werden. Während dieser Bearbeitung
können unmittelbar neben den Vertiefungen 4 auch Erhebungen 5 ausgestaltet werden.
Die Feinstrukturierung der Zylinderlauffläche 1 weist eine Tiefe "T" von maximal 2,0 µm
auf. Vorzugsweise wird ein Bereich zwischen 0,1 µm und 0,5 µm genutzt. Diese
Ausgestaltung ergibt Vorteile für den Betrieb der Brennkraftmaschine in der
Einlaufphase, indem die Ölversorgung begünstigt wird. Das Öl kann sich dabei in den
Vertiefungen 4 sammeln. Gleichzeitig werden durch die Kombination von Vertiefungen 4
und Erhebungen 5 in der Einlaufphase Schäden (Verquetschung, Riefenbildung usw.)
ausgeschlossen, die ansonsten durch die Kolbendruckkräfte und eine eventuell
unzureichende Schmierung entstehen könnten. Die Erhebungen 5 und Vertiefungen 4
unterliegen mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine einer Selbstglättung
durch wechselseitigen Abtrag und Auftrag von Material. Demzufolge entsteht eine
Zylinderlauffläche 1 mit sehr guten tribologischen Eigenschaften.
Claims (11)
1. Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von
Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen mit einem, aus einer Leichtmetall-
Legierung bestehenden Zylinderkurbelgehäuse, wobei in die Zylinderlaufflächen,
die mittels Laser aufgeschmolzen werden, Partikel eines härteren Materials
einlegiert werden und wobei die Leichtmetall-Matrix mit den einlegierten
Hartstoffpartikeln nachfolgend in mindestens einem Verfahrensschritt
spanabhebend und/ oder honend bearbeitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zylinderlaufflächen zunächst gehont werden und daß anschließend eine
weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle erfolgt,
durch die die Kristalle des härteren Materials freigelegt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß nachfolgend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer Honahle
erfolgt, wobei die Zylinderlaufflächen feinstrukturiert werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Höhe der Freilegung der Kristalle des härteren Materials maximal 1,0 µm
beträgt und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 0,3 µm liegt.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Tiefe der Feinstrukturierung der Zylinderlauffläche maximal 2,0 µm
beträgt und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 0,5 µm liegt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß für das Zylinderkurbelgehäuse eine Aluminium-Legierung verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als härteres Material vollaufgeschmolzenes siliziumhaltiges Material in die
Zylinderlauffläche einlegiert wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Siliziumkristalle eine annähernd kugelförmige, gerundete Kontur
aufweisen.
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die Größe der Siliziumkristalle maximal 50,0 µm beträgt und vorzugsweise in
einem Bereich zwischen 5,0 µm und 20,0 µm liegt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet,
daß die mittels Laser erstellte Schicht der Zylinderlauffläche einen Anteil von 15
bis 53 Vol.% Silizium aufweist.
10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als härteres Material vollaufgeschmolzenes nickelhaltiges Material in die
Zylinderlauffläche einlegiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß als härteres Material vollaufgeschmolzenes wolframhaltiges Material in die
Zylinderlauffläche einlegiert wird.
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