DE2151069C3 - Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung

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Description

das Gewicht ausgedrückt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Al-Si-Mg-Gußlegierung, die 5 bis 30% Silicium und 3 bis 15% Magnesium enthält, verwendet weiden. Andere ähnliche Legierungen, die zusätzlich zu den oben erwähnten Elementen einige Prozente eines anderen Elements oder anderer Elemente, beispielsweise Kupfer, enthalten, können für den gleichen Zweck verwendet werden. Im Laufe der Herstellung dieser Legierungen werden bei ausreichendem Magnesiumgehalt feine Teilchen aus Magnesiumsilicid Mg2Si gebildet, und sie liegen einheitlich dispergiert in der Lösung vor, wie aus F i g. 1 (Bezugszeichen 3) ersichtlich ist. Der Durchmesser derartiger Teilchen liegt ungefähr zwischen 5 und 100 μιη. ι5
Wenn die Fläche eines geformten Gegenstands, wie eines Motorenzylinders bzw. Maschinenzylinders oder dessen Laufbuchsen, die durch Gießen der oben erwähnten Legierung hergestellt wurden, maschinell bearbeitet werden, so wird eine glatte Reibfläche 1, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, gebildet, und einige der feinen Teilchen 3 aus Magnesiumsilicid, die in der Oberflächenschicht 2 vorhanden sind, sind an der Oberfläche exponiert. Wenn die exponierten Teilchen durch chemische Behandlung entfernt werden, verbleiben zahlreiche feine Hohlräume 3a auf der Oberflächenschicht 2. Verwendet man diese Hohlräume als Öllager, so wird der Verschleißwiderstand der Reibfläche bemerkenswert verbessert.
Um die Oberfläche chemisch zu waschen, verwendet man eine wäßrige Lösung einer anorganischen Säure, wie Salpetersäure, Chromsäure, Schwefelsäure, Chlorwasserstoffsäure oder Phosphorsäure in geeigneten Konzentrationen. Verwendet man eine oxydierend wirkende Säure, so wird die Oberfläche der Aluminium- J5 legierung durch dieses Waschen passivicrt, und die Aluminiumlegierung löst sich selbst nicht in dem oben erwähnten Waschmittel. Verwendet man eine nicht oxydierend wirkende Säure, so löst sich die Fläche der Aluminiumlegierung geringfügig in der Waschlösung. Da jedoch die Auflösegeschwindigkeit von Magnesiumsilicid wesentlich größer ist als die der Aluminiumlegierung, treten dadurch keine Probleme auf. Es können andere Teilchen aus Siliciummctall oder anderen intermetallischen Verbindungen außer Magncsiumsili- 4^ cid, die an der Oberfläche exponiert sind, vorhanden sein. (Diese Metalle sind in der Zeichnung nicht dargestellt). Dieie Metalle lösen sich ebenfalls in dem Waschmittel nicht. Die Zeit, die für das Waschen nötig ist, hängt gemäß der Art und der Konzentration der verwendeten Säure ab.
Um zu bewirken, daß die feinen Hohlräume in der Reibfläche als Öllager bzw. Ölpool wirken, muß der Oberflächenbereich der exponierten Hohlräume 5 bis 50% des gesamten Bereichs der Reibfläche ausmachen.
Weiterhin müssen die feinen Hohlräume einen geeigneten Größenbereich besitzen. Man hat gefunden, daß man die beste Schmierung erreichen kann, wenn die Hohlräume eine Größe im Bereich von i0 bis 50 μm besitzen. Man hat ebenfalls gefunden, daß innerhalb des mi oben erwähnten Anteilbereichs von Silicium und Magnesium in der Aluminiumlegierung zufriedenstellende Ergebnisse erhalten werden.
Hei einer anderen erfiridungsgemäßcn Ausführungsfoim wird als Substanz für die feinen Teilchen, die in der " ' Metallmatrix dispergiert sind, anstelle von Magnesiumsilicid Bleidichlorid verwendet. In diesem Fall kann man jede Aluminiumgußlegierung verwenden.
Bei dieser Ausführungsform wird eine Aluminiumlegierung geschmolzen; zu der Schmelze fügt man bei einer Temperatur unter 800° C 2 bis 10% feine Teilchen aus Bleidichlorid (PbCl2) und rührt die Schmelze gut, um eine gleichmäßige Dispersion der zugefügten Teilchen zu erreichen. Da die Dichte von Bleidichlorid größer ist als die der Aluminiumlegierung muß die Schmelze gut gerührt werden, sonst setzen sich die Teilchen ab. Es muß beachtet werden, daß Bleidichlorid durch Zersetzung, wenn es auf eine Temperatur von 800°C oder höher erwärmt wird, zu metallischem Blei reduziert wird. Wenn die zugefügte Menge an Bleidichlorid geringer als 2% ist, wird der Verschleißwiderstand nicht bemerkenswert erhöht. Wenn andererseits die zugefügte Bleidichlorid-Menge mehr als 10% beträgt, setzt sich die Bleidichlorid-Menge über 10% auf dem Boden des Reaktionsgefäßes ab. Die Größe der dispergierten Teilchen beträgt ungefähr 30 μιτι.
Die geschmolzene Aluminiumlegierung, die dispergierte Bleidichloridteilchen enthält, wird vergossen, und die Reibflächen werden durch Bearbeiten geglättet, wobei man eine Reibfläche erhält, in der einige feine Bleidichloridteilchen freigelegt werden, genau wie im Falle der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform. In diesem Fall werden die Teilchen ebenlalls durch 3 in Fig. 1 dargestellt. Diese Oberfläche wird mit derselben wäßrigen Lösung einer anorganischen Säure, wie oben angegeben, oder mit heißem Wasser von ungefähr 600C gewaschen. Das Bleidichlorid, das die Teilchen bildet, wird von der Oberflächenschicht entfernt, da es sich in der Waschflüssigkeit löst. So werden auf gleiche Weise, wie bei der ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform Ölpools bzw. öllager gebildet.
Bei einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsforrn wird ein bekanntes Verfahren mit den erfindungsgemäßen Merkmalen verbunden. Verfahren, um die Zylinder und Ringoberflächen zu verbessern, sind bekannt. Ein Verfahren besteht darin, daß man die Kontaktflächen der Zylinder und Kolbenringe, die aus gegossenem Eisen bestehen, schleift und hont. Diese Verfahren wurden jedoch nicht wirksam für Gegenstände verwendet, die aus Aluminiumlegierung hergestellt sind. Verwende; man jedoch ein solches Verfahren zusammen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, so wird die Abnutzungsfestigkeit der Reibfläche aus Aluminiumlegierung wesentlich verbessert.
In Fig. 2 ist eine solche Kombination dargestellt. Zuerst wird die Reibfläche eines Gegenstands, der aus Aluminiumlegierung hergestellt ist, mit einem groben Schleifstein an den Enden gehont. Dadurch werden zahlreiche parallele Rillen 4 mittlerer Größe gebildet, die eine Tiefe von 10 bis 20 μηι besitzen. In einigen Fällen kann man auf der Reibfläche mit einer Drehbank oder anderen Werkzeugmaschinen schraffierte, schraubenförmige Nuten 5 als große Aussparungen, die ungefähr 20 μιτι tief sind, erzeugen. Gewünschtenfalls kann man Aussparungen kleinerer Größe 6, die eine Tiefe von 5 bis 7 μιη besitzen, in einer Richtung erzeugen, die sich von den zuvor hergestellten Aussparungen mittlerer Größe unterscheidet, indem man einen feinen Schleifstein verwendet. Der Winkel zwischen den <\ussparungen und dem Querschnitt des Zylinders beträgt beispielsweise 40" für die Aussparung mi'.Merer Größe unf 60" für die Aussparung klsiner Größe; die Wirkung ist stüiker, wenn der Winkel d'-i kleinen Aussparung größer ist als der der Aussparungen mit mittlerer Größe.
Diese Aussparungen stehen in Verbindung mit den
kleinen Räumen, die durch die dispergierten Teilchen 3 aus Magnesiuinsilicid oder Bleidichlorid gebildet werden und die erfindungsgeniäß hergestellt wurden. Eine so präparierte Oberflächenschicht wird mit irgendeinem der oben beschriebenen Mittel gewaschen, die exponierten Teilchen werden aus den Aussparungen und den Räumen entfernt, und so ölpools mit vergrößertem und verändertem Hohlraum, wie in F i g. 2 gezeigt ist, hergestellt. Wie in der US-PS 33 33 579 beschrieben ist, wirken diese Aussparungen nicht, wenn sie allein an der Reibfläche eines Motorzylinders, der aus Aluminiumlegierung hergestellt wurde, vorhanden sind, aber die Aussparungen, zusammen mit den feinen Löchern, wie oben beschrieben, liefern einen verbesserten Verschleißwiderstand der reibenden Oberfläche.
Die Erfindung kann ebenfalls auf folgende, modifizierte Weise durchgeführt werden. Wird eine bearbeitete Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung behandelt, die ein wasserlösliches Metallsalz enthält, dessen lonisationsneigung geringer ist als die von Aluminium, werden nicht nur die exponierten Magnesiumsilicid- oder Bleichloridteilchen entfernt, sondern das Metall des zugefügten Salzes scheidet sich auf der Oberfläche und auf der inneren Fläche von Nuten und Aussparungen aus. Salze, die für diesen Zweck geeignet sind, sind wasserlösliche Salze von Fe, Zn, Mn. Mo, Pb, Sn, B usw. Bevorzugte Konzentrationen solcher Salze in den Waschlösungen sind 10 bis 50%. Die Höhlungen und Aussparungen, die so gebildete poröse metallische Abscheidungen enthalten, ergeben einen verbesserten Verschleißwiderstand der reibenden Fläche.
Erfindungsgemäß kann der Verschleißwiderstand einer reibenden Fläche von Gegenständen aus Aluminiumlegierung durch ein sehr einfaches Verfahren verbessert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren besitzt besonders bei der Herstellung von Motorzylindern und Auskleidungen aus Aluminiumlegierung große Bedeutung.
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Beispiel 1
Zylinderbuchsen für Automobile wurden gegossen, wobei man eine Legierung aus 20% Si, 5% Mg, 4% Cu und Al als Rest verwendete. Die mikroskopische Untersuchung der inneren Oberfläche der Maschinenteile zeigte, daß der durchschnittliche Durchmesser der exponierten Teilchen aus Mg2Si 20 μπι und die gesamte Oberfläche der exponierten Teilchen ungefähr 30% betrug, bezogen auf die gesamte Oberfläche. Wurde die Innenfläche der Zylinder mit einer 25%igen wäßrigen Lösung von Salpetersäure während 20 Minuten gewascnen, so wirde fast das gesamte, exponierte Magnesiumsilicid entfernt.
Diese Laufbuchsen wurden in einen Automotor mit Luftdruckkühlung eingebaut. Die Daten der Maschine waren folgende: 2 Zylinder, 4 Takte, Bohrung 62,5 mm. Hub 57,8 mm, Gesamthubraum 354 cm3 und Kompressionsverhältnis 8,5. Mit diesem Motor wurde ein kontinuierlicher Versuch auf dem Versuchsstand durchgeführt, wobei man folgende Bedingungen wählte: 7500 Upm, Voll-Last und 200 Std.(10 Std/Tag).
Nach Beendigung des Versuchs betrug der durchschnittliche Abrieb des Zylinders 17μιη, und man beobachtete auf den Zylinderflächen weder Fressen noch Riefen. Diese Zylinder aus einer Aluminiumlegierung sind weder den bekannten gegossenen Eisenzylindern noch chromplattierten, porösen Zylindern unterleeen.
Beispiel 2
Zu der Schmelze einer Aluminiumlegierung mit hohem Siliciumgehalt aus 20% Si. 4% Cu, 1% Fc, 1% Mn und Al als Rest gab man 5% feines Pulver aus PbCb und rührte gut bei 800' C. dann goß man aus dieser Schmelze Zylinderbuchsen für Automobile. Die Gußstücke wurden in heißes Wasser von 80°C während 30 Minuten eingetaucht, wodurch die innere bearbeitete
ίο Fläche zahlreiche kleine Löcher erhielt. Die mikroskopische Untersuchung zeigte, daß der durchschnittliche Durchmesser dieser Löcher 25 μηι, die durchschnittliche Tiefe 20 μπι und die gesamte Fläche dieser Löcher etwa 20% bezogen auf die gesamte Oberfläche, betrug.
Diese Buchsen wurden im gleichen Versuch wie in Beispiel 1 getestet, wobei der durchschnittliche Abrieb der Zylinder 18 μπι betrug und man auf den Zylinderflächen weder Riefen noch Fressen beobachtete.
Beispiel 3
Zylinderauskleidungen für Automobile wurden aus einer Aluminiumlegierung aus 20% Si, 4% Cu, 6% Mg 2% Mn und Al als Rest gegossen und die inneren Flächen maschinell so bearbeitet, daß bestimmte Dimensionen erhalten wurden. Auf diesen Oberflächen war^n zahlreiche exponierte Teilchen aus MgaSi unter den gleichen Bedingungen, wie in Beispiel 1 beschrieben, vorhanden.
Auf der Innenfläche dieser Auskleidungen wurden eine Vielzahl von Aussparungen mittlerer Größe, die ungefähr 200 μπι tief waren, hergestellt, indem man mit einem 120 J-Schleifstein in einer Richtung von 40° zum Querschnitt der Auskleidung schliff. Weiterhin wurden eine Vielzahl kleiner Aussparungen hergestellt, die ungefähr 7 μηι tief waren, indem man mit einem 600 ]-Schleifstein in einer Richtung von 60° zum Querschnitt der Auskleidung schliff, wobei man die Aussparung mittlerer Größe überkreuzte. Danach wurden die innenflächen durch leichtes Läppen fertig bearbeitet.
Die so hergestellten Reibflächen mit Aussparungen an der Auskleidung wurden mit einer 25%igen wäßrigen Lösung aus Salpetersäure während 20 Minuten behandelt und dann mit Wasser gewaschen.
Diese Auskleidungen wurden im gleichen Versuch wie in Beispiel 1 getestet, wobei der durchschnittliche Abrieb der Zylinder 15μιη betrug und man auf den
so Zylinderflächen weder Riefen noch Fressen beobachtete.
Beispiel 4
Die innere Fläche einer gegossenen Zylinderbuchse hergestellt wie in Beispie! 2, wurde weiter mit einei Vielzahl von Aussparungen mittlerer Größe mit einei Tiefe von 10 bis 20 μιη in einer Richtung von 40° zurr Querschnitt der Buchse versehen, in dem man mit einerr
w 200 j-Schleifstein schliff; weiterhin wurden eine Vielzah kleiner Aussparungen mit einer Tiefe von 6 bis 7 μΐη ir einer Richtung von 60° zum Querschnitt der Buchse unc überkreuz zu den Aussparungen mittlerer Größe angebracht, indem man mit einem Schleifstein von 600
'■'- schliff; dann wurden die Flächen leicht gelappt.
Die so hergestellten Gleitflächen mit Aussparunger der Buchse wurden in heißem Wasser von 80° C eingetaucht und danach mit Wasser gewaschen.
Die Buchsen wurden in einen wassergekühlten Motor eingebaut. Der Motor hatte die folgenden Daten:
4 Zylinder, 4 Takte, Bohrung 70 mm, Hub 76 mm Gesamthubraum 1,169 cm3 und Kompressionsverhältnis 8,6. Dieser Motor wurde kontinuierlich auf dem Versuchsstand bei folgenden Bedingungen laufengelassen: 5500 Upm, Vollast und 200 Std. (8 StdTTag). Nach Beendigung des Versuches betrug der durchschnittliche Abrieb des Zylinders 13,5μπι und an den Reibflächen beobachtete man weder Fressen noch Riefen.
Beispiel 5
10
Motorauskieidungen wurden hergestellt, indem man das Verfahren von Beispiel 3 wiederholte mit der
Ausnahme, daß man eine 25°/oige wäßrige Lösung von Salpetersäure, die 20% Eisen-Ill enthielt, als Waschlösung verwendete. Man schliff und polierte auf gleiche Weise, wie in dem Beispiel beschrieben.
Diese Auskleidungen wurden in einen Automotor, wie in Beispiel 1 eingebaut, und der gleiche Versuch auf dem Prüfstand wurde durchgeführt. Nach Beendigung des Versuches betrug der durchschnittliche Abrieb der Auskleidung 11,5μπι und man beobachtete an den Reibflächen weder Riefen noch Fressen.
Für Vergleichszwecke wurden bekannte, gegossene Eisenauskleidungen, an deren Oberfläche abgeschliffene Aushöhlungen vorhanden waren, auf gleiche Weise untersucht. Man stellte fest, daß der durchschnittliche Abrieb 20,5 μιη betrug.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstandes aus einer Aluminiumlegierung durch Ätzen dieser Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierungsschmelze aus 5 bis 30% Silicium, 3 bis 15% Magnesium und Aluminium als Rest mit darin dispergierten Teilchen von Magnesiumsilicid mit einer Teilchengröße von 10 bis 50 μιη
zu Formkörpern vergossen und an diesen durch Bearbeiten eine Reibfläche hergestellt wird, an der ein Teil der dispergierten Teilchen exponiert ist, und daß die exponierten Magnesiumsilicidteilchen aus is der Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung herausgelöst werden, wodurch Hohlräume als ölpools an der Oberfläche der Reibfläche zurückbleiben, deren Oberfläche 5 bis 50% der gesamten Reiboberfläche a usmach L
2. Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung durch Ätzen dieser Fläche, dadurch gekennzeichnet,
daß Bleidichloridteilchen mit einer Teilchengröße von 10 bis 50 μιη in einer geschmolzenen Aluminiumlegierung in einer Menge von 2 bis 10%, bezogen auf das Gewicht der Legierung, dispergiert werden, daß diese Legierungsschmelze zu Formkörpern vergossen und an diesen durch Bearbeiten eine Reibungsfläche hergestellt wird, an der ein Teil der dispergierten Teilchen exponiert ist, und daß die exponierten Bleidichloridtcilcbcn aus der Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung oder mit Wasser, das auf eine Temperatur von 60 bis 80"C erhitzt ist, herausgelöst werden, wodurch Hohlräume als ölpools an der Oberfläche der Reibfläche zurückbleiben, deren Oberfläche 5 bis 50% der gesamten Reiboberfläche ausmacht.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die exponierten Teilchen mit Salpeter-, Chrom-, Schwefel-, Chlorwasserstoffoder Phosphorsäure herausgelöst werden.
4. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bleidichloridteilchen bei einer Schmelzetemperatur von weniger als 800"C in Aluminium dispergiert werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Reibfläche gehont wird, wobei eine Vielzahl von Aussparungen mit einer Tiefe von 5 bis 20 μιη gebildet wird, die mit einer Anzahl der dispergierten Teilchen in der Reibflächenschicht des Formkörpers verbunden sind.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dispergierten Teilchen mit einer anorganischen Säurelösung herausgelöst werden, die ein Metallsalz enthält, dessen Metallkomponente eine kleinere lonisationsneigung besitzt als das Aluminium, wodurch auf den Flächen der Hohlräume eine feine Metallabscheidung gebildet wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen mit einer Säurelösung herausgelöst werden, in der die Mctallkoniponente des Meiallsalzes Elisen, Zink, Mangan, Molybdän, '" Nickel, Blei, Zinn oder Bor ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Verbesserung des Verschleißwiderstandes von Reibflächen eines Gegenstands aus einer Aluminiumlegierung durch Ätzen dieser Fläche gemäß den Patentansprüchen. Das Verfahren ist besonders für die Innenseiten von Motorenzylindern oder deren Laufbuchsen, die aus einer Al-Si-Mg-Legierung bestehen, geeignet.
In den letzten Jahren wurden ausgedehnte Untersuchungen durchgeführt, um Aluminiumlegierungen als Materialien in Brennkraftmaschinen zu verwenden mit dem Ziel, Maschinen bzw. Motoren mit leichtem Gewicht zu erhalten. Solche Legierungen zeigen jedoch einen zu schlechten Verschleißwiderstand, um als innere Fläche eines Zylinders oder als Laufbuchsenfläche verwendet zu werden. Die innere Fläche einer Laufbuchse wird heute durch eine Laufbuchse aus gegossenem Eisen verstärkt, wodurch das Gewicht der Maschine bzw. des Motors unnötig erhöht wird. Man hat auch versucht, auf der Oberfläche von Aluminiumlegierungen poröses Chrom elektrisch abzuscheiden, aber' das Verfahren dafür ist zu kompliziert und daher praktisch nicht nützlich.
In der US-PS 33 33 579 wird ein Verfahren beschrieben, um den Verschleißwiderstand von Reibflächen aus einer hypereutektischen Silicium-Aluminium-Legierung zu verbessern. Dieses Verfahren besteht darin, daß man im wesentlichen Aluminiummetall aus der oberen Schicht eines Gegenstandes, der aus einer hypereutektischen Legierung aus Silicium und Aluminium besteht, durch mechanische oder chemische Verfahren entfernt, wobei Teilchen aus Silicium aus der Legierungsfläche herausragen und wobei man bei diesem Verfahren dann die überstehende Siliciumschicht poliert. Dieses Verfahren ist jedoch nur für hypereutektische Silicium-Aluminium-Legierungen anwendbar. Da die Menge an Silicium, die an der Oberfläche exponiert ist, in Abhängigkeit von dem Abnutzungsgrad des Aluminiums variiert, ist die Qualitätskontrolle der resultierenden Oberflächen-Beschaffenheit sehr schwierig. Weiterhin sind schwierige Verfahren erforderlich, um die exponierten Siliciumvorsprünge zu glätten.
Im Gegensatz dazu läßt sich das erfindungsgemäßc Verfahren leicht und wirkungsvoll ausführen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierungsschmelze aus 5 bis 30% Silicium, 3 bis 15% Magnesium und Aluminium als Rest mit darin dispergierten Teilchen von Magnesiumsilicid mit einer Teilchengröße von 10 bis -0 μηι zu Formkörpern vergossen und an diesen durch Bearbeiten eine Reibfläche hergestellt wird, an der ein Teil der dispergierten Teilchen exponiert ist und daß die exponierten Magnesiumsilicidteilchen aus der Reibfläche mit einer anorganischen Säurelösung herausgelöst werden, wodurch Hohlräume als ölpools an der Oberfläche der Reibfläche zurückbleiben, deren Oberfläche 5 bis 50% der gesamten Reiboberfläche ausmacht.
Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden an Hand der Zeichnung, in der eine spezifische Ausführungsform dargestellt ist, näher erläutert.
Fig. 1 ist ein vergrößerter, schematischer Querschnitt einer Reibfläche gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform;
I i g. 2 ist ein anderer, vergrößerter schematicher Querschnitt der Reibfläche einer modifizierten cfir,-dungsgcmäßcn Ausführungsform.
In der folgenden Beschreibung sind alle Teile und Prozentgehalte, wenn nicht anders angegeben, durch
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