-
Verfahren zur Verbesserung einer verchromten Reibungsfläche in Zylindern
eines Verbrennungsmotors.
-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren, um
verchromte Oberflächen mit guten Reibungseigenschaften zu erhalten. Dabei handelt
es sich konkret um ein Verfahren zur Verbesserung der Chromgleitfläche eines Zylinders
oder Hohlkbrpers beim Verbrennungsmotor, über die der~Kolben 5 Rotor oder dgl. gleitet.
Eine solche Verbesserung bedeutet schnelleres Ankuppeln der erwähnten Teile beim
Anlaufen und langere Dauer beim Betrieb.
-
Verchromte Motorenzylinder sind seit langem bekannt, da sie dem Verschleiss
und der Korrossion besser widerstehen.
-
Man weiss, dass die einfache, glatte Hartverchromung für diesen Zweck
nicht die beste Gleitfläche darstellt, da hier Schmiermittel nur schwer haften.
Aus diesem Grund wurden verschiedene Arten von Verchromung entwickelt, um
Oberflächen
mit Rillen, Rinnen, Vertiefungen und Poren zu erhalten, in denen das Schmiermittel
haften kann.
-
Solche verchromte Oberflächen kann man durch verschiedene, schon bekannte
Verfahren erhalten, wobei die Chromschicht selbst durch chemische oder elektrochemische
Methoden angegriffen, oder auch, indem die Eisen- oder Stahlgrundschicht vor der
Verchromung durch mechanische Methoden geritzt oder graviert wird.
-
Beide Verfahren erweisen sich als ungünstig für die Serienproduktion.
Wenn die Chromschicht selbst durch chemische oder elektro chemische Prozesse behandelt
wird, ist dieser Vorgang schwer zu kontrollieren, da die Intensität der Bearbeitung
nicht nur von den Bedingungen dieses Arbeitsganges abhängt, sondern auch von der
Verchromung selbst.
-
Bei den Methoden, die eine Veränderung des Grundmaterials vor der
Verchromung vorsehen, wobei auf mechanischem Wege durch Drehen Rillen gebildet werden1
Vertiefungen durch Rändeln oder Behandlung mit Sand, Ritzen durch Schmitrgeln usw.
erhält man auf dem Grundmaterial eine Oberfläche, die nach der Verchromnng die beabsichtigten
Verformungen in Form von Rillen, Vertiefungen oder Ritzen wiedergibt.
-
Der Zylinder muss nach der Verchroiung geometrisch genau die Endmasse
des Fertigstückes haben, da nachher Jede zusat«liche mechanische Behandlung der
Chromfläche ganz oder teilweise die von der Chromschicht wiedergegebene Gravierung
entfernen würde, die vorher auf der Grundschicht aufgebracht wurde.
-
Es ist ein weiterer Nachteil dieser Verfahren, dass die oberflächenmässige
Veränderung und Unebenheiten der Chromschicht sellr von den Bedingungen des Verchromungsvorganges
abhängen und diese Oberfläche im allgemeinen für den direkten Gebrauch nicht sehr
geeignet ist, da sie nicht die notwendigen optimalen Bedingungen für den Anlauf
und die schnelle Kupplung zwischen Kolben und Mantel in sich vereinigt.
-
Es kann nun scheinen, dass man bei Anwendung eines entsprechenden
Schliffes auf dem Untergrund aus Eisen oder Stahl eine Chroroberfläche mit dem entsprechenden
Grad an Aufrauhung erhalten würde und man so die im vorherigen Absatz erwähnten
Probleme verhindern könnte. In der Praxis ist das jedoch nicht der Fall.
-
Wenn man z.B. die Oberfläche des Grundmaterials Eisen oder Stahl mit
einem Schleifmittel auf der Basis von Siliiumkarbidpulver, Korngrösse 220, in Mineralölsuspension
schmirgelt und dabei einen dehnbaren Bohrkopf benutzt, dessen angreifende Teile
aus Gusseisen sind und das Schleifmittel gegen die Wände des Zylinders pressen,
erhält man eine gerillte Oberfläche mit gekreuzten Pillen, wobei diese Oberflächenaufrauhung
nach arithmetiscllem Mass CIJ 45 bis 75 Mikrozoll beträgt. Die so vorbereitete Schicht
kann nach der Verchromung Veränderungen von etwa 45 bis 85 Mikrozoll CI£A aufweisen.
Es ist klar, dass Maximum und Minimum hier zu weit ausinanderliegen, in der Serienproduktion
ist es jedoch ein Problem,die Differenz der Unebenheiten in engsten Grenzen zu halten,
wenn man die Ungleichmässigkeit
einger Hilfsmittel bedenkt, so zum
Beispiel die Korngrösse des Schleifmittels, das beim Gebrauch bröckelt. Ein fertig
verchromter Mantel mit Unebenheiten so grosser Differenz weist nicht die bestehen
Gebrauchseigenschaften auf.
-
Andererseits darf man bei Reibungs- und Gleitflächen nicht nur die
mittleren Werte der U@@bszheiten @eachten, sondern muss auch die tragende Oberfläche
in Bat@@@@@@@@@ehen d.h.
-
der Teil der Oberfläche d@@@@@@@n Form vo@ @uhebungen herausragt,
im Verhältnis zur @@@@@@onerfläche, die aus E@@ebungen und Vertiefungen bezieht.
@@@ @@@@@@@@@@ aufgeführten Sp@t@@ erweist @@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@praktisch@@möglich,
diesen neuen Parameter zwisch@@@@@@@@@@@@@@@@@@@, den die Motorsindustrie fördert,
@@@@@@@@@@@@allier@@ Zur @ @@@@ dieser Prob@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@@thode
gefunden, @@@@@@@@@@@@@lich @@@@@@@@@ebt, dass @@ die @@@@@@erechromte @@@@@@@@@@@@@selbst
s@@@@@@@@@@@@@@@ nach dem d@@ @@@@auf die gl@@@@@@ Oberfläche d@s @@@@@@@@@undes
aus @izen oder Stahl aufgebracht wurde. Das Verfahren kann auch bei Zylindern od.dgl.
aus anderem Material als Eisen oder Stahl angewandt werden, z.B. aus Aluminium.
Kupfer usw.
-
Eine verchromte oder eine nicht verchromte Oberfläche zu schmirgeln,
kann an sich noch nicht als Erfindung betrachtet werden, denn das ist ein allgemein
bekanntes Verfahren.
-
Was aber als Erfindung betrachtet wird, ist in diesem Fall ein Ferfahren,
das darin besteht, dass man eine verchromte Oberfläche schmirgelt, die vorher dahingehend
behandelt
wurde, dass die Schleifwirkung sich vorgegebenen Bedingungen
anpasst und so am Ende ein ganz bestimmter Schleifgrad erreicht wird. Abschliessend
erfolgt eine mechanische Behandlung, die darin besteht, dass die Unebenheiten des
Schliffs geglättet werden, damit die fertige Chromschicht die entsprechende tragende
Oberfläche aufweist, die von Poren durchsetzt ist, sowie von unregelmässigen, in
den Aussenbezirken geschlossenen Taschen zur Schmierung.
-
Beim Schmirgeln einer Eisen- oder Stahloberfläche einen Zylinders
od. dgl. mit Schleifpulver-Mineralöl-Suapenßion erzielt man die Bildung eines Netzes
von Taueenden winziger Pillen, die sich kreuzen, mit einer Breite und Tiefe entspreehend
dem Schleifkorn. Diese winzigen gekreuzten Rillen bilden Tausende von kleinen Inseln.
Wenn man dagegen einen bereits verchromten Mantel oder Zylinder unter ähnlichen
Bedingungen schmirgelt, bildet sich nicht ein Netz von Tausenden von Rillen, sondern
eine unregelmässig gerissene Oberfläche, ohne dass Rillen zu beobehten sind. In
diesem Fall beeinflusst die Grosse des Schleifkorns nicht so direkt die Intensität
der Risse, und man kann diese Intensität auch nicht kontrollieren, d.h. die endgültige
Oberflächenbeschaffenheit nicht einfach durch die Wahl der Korngrösse festsetzen.
-
Diese Tatsache erkärt eich dadurch, dass es sich bei der Wirkung des
Schleifmittels auf Chrom nicht um ein Schneiden handelt, sondern dass dabei von
dem spröden Chrom
winzige Teilchen abgerissen und abgebrochen werden,
mehr oder weniger leicht, je nach der Beschaffenheit der Chrom schicht.
-
Es ist bekannt, dass die Oberfläche einer Chromauflage mit Mikrorissen
überzogen ist. Das Schmirgeln wirkt reissend und zerkleinernd auf die frischen Ränder
der Mikrorisse.
-
Der fortlaufende Vorgang des ständigen Abbröckelns erzeugt am Ende
eine rauhe und unregelmässige Oberfläche.
-
Wenn das Netz der Mikrorisse offen ist, wirkt das Schleifmittel heftiger,
als wenn es geschlossen ist. Daher hängt die endgültige Veränderung der Chromoberfläche,
die so behandelt wurde, von der Grösse des Netzes ab. Demnach ist es notwendig,
über ein festgesetztes Netz von Mikrorissen zu verfügen, um eine festgesetzte Oberflächenaufrauhung
zu erhalten.
-
Die Beschaffenheit des Netzes hängt grundlegend von den Bedingungen
des Verchromungsvorganges ab, sie kann aber auch jederzeit durch eine thermische
Behandlung verändert werde, was bereits im B.P. 601.065 beschrieben wurde.
kann auch eine nachherige mechanische
Behandlung Veränderungen hervorrufen, und dies ist der Gegenstand vorliegenden Patentes.
-
Eine nach herkcsxlichem Verfahren verchromte Oberfläche kann ein Netz
von Hikrorißsen aufweisen, wie es Fig. 1
zeigt bei 270-facher Vergrösserung,
nach leichter Bearbeitung für die mikroskopische Beobachtung. Fig. 5 zeigt einen
Ausschnitt derselben Oberfläche, siehe AA', und Fig.7 zeigt das gleiche wie Fig.
5 in gestrichelter Linie, und in ausgezogener Linie nach dem Schleifvorgang.
-
Fig. 3 zeigt die gleiche Chromoberfläche wie in Fig. 1, aber nach
Umwandlung des Netzes von Mikrorissen, die nun feiner und in grösserer Anzahl erscheinen.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt der gleichen Schicht, siehe BBt, und Fig.8 zeigt das
gleiche wie in Fig. 6s aber nach dem Schleifen.
-
Der Unterschied ist bei den erwähnten Bildern gut ersicht lich und
man kann klar erkennenm dass die Chromoberflääche in Fig. 7 sehr viel rauher ist
als die in Fig. 8 .
-
ie Chromschicht in Fig. 1 ist genau die gleiche, wie 1 Fig. 5, mit
dem einzigen Unterschled. cass letztere nachträglich einer Behandlung unterzogen
wurde, wobei eine Änderung des Netzes von Mikrorissen erfolgte.
-
Fig. 2 und 4 sind Varianten der gleichen Chromschicht wie in Fig.
1, wobei das Netz von Mikrorissen nach der Verchromung gezielt durch thermische
Behandlung verändert wurde.
-
Um das Netz von Fig. 2 zu erhalten, wurde das Chrommuster von Fig.
1 während mehrerer Stunden einer Erhitzung von a80 bis 2000 C ausgesetzt. Bei Fig.
3 wurde das gleiche Ausgangsmuster einer Temperatur von 200 bis 3000 G unterworfen,
und
bei Fig. 4 wurde in ähnlicher Weise bei 200°C erhitzt.
-
Eine gleichartige Wirkung wie in den Darstellungen der Fig. 1 und
3 erreicht man durch eine andere Methode, die von dem erwähnten thermischen Verfahren
verschieden ißt und darin besteht, dass die verchromte Oberfläche durch mechanische
Behandlung geglättet wird, wobei man herkömmliche Schleifscheiben zum Schleifen
des Chroms verwendet, oder auch durch eine dem Schleifen gleichwertige mechanische
Behandlung. Während der Chromüberzug, wie er bei der Verohromung entsteht, grosse
innere Spannungen aufweist, was zu Nikrorissen wie in Fig ^ führt, vergrdssern sich
diese Spannungen erheblich beim mechanischen Vorgang des Schleifens und aufgrund
der hitze, die eei dem Kontakt durch den Schleifvorgang entsteht. Dies wiederum
bewirkt ein stärkeres Abbröckeln und Bildung einer grösseren Anzahl von Nikrorissen,
die, weil in grösserer Zahl vorhanden, weniger breit und tief sind.
-
Eine so behandelte Chromoberfläche, ob thermisch, mechanisch, Oder,wie
beschrieben, durch beide Methoden verändert, macht ein. Kontrolle der Nikrorisse
möglich, und damit auch des nachfolgenden Schmirgwlvorganges, d.h. der endgültige
Grad an Aufrauhung kann gesteuert werden.
-
Der zweite Teil dieser Erfindung bezieht sich auf Veränderungen der
aufgerauhten Chromschicht nach dem Schmirgelvorgang.
-
Eine fertig bearbeitete Chromschicht, wie vorher beschrieben, kann
eine entsprechende Oberflächenaufrauhung aufweisen, ohne dass die tragende Oberfläche
günstig erscheint, denndas Profil der Oberfläche kann zu aggressiv wirken und unerwünschten
vorzeitigen Verschliss verursachen. Zur Lösung dieser Schwierigkeiten dient am Schluss
eine mechanische Behandlung, um die Unebenheiten zu glätten unter Benutzung eines
dehnbaren Bohrkopfes, bei dem sehr feine Schleifleisten, auf einem elastischen Körper
angebracht, gegen die Oberfläche pressen. Dabei erfolgen Drehbewegungen über die
Achse und dann, in einem Längswechsel, über die gleiche Achse in Wechselbewegungen,
über eine Distanz, die der Länge des Zylinders entsprechen kann, der bearbeitet
werden soll, oder auch einem Teil desselben, wobei als Schmiermittel ein Erdöldestillationsprodukt
verwendet wird. Dieser Vorgang des Glättens bedeutet, dass die Erhebungen nur um
Tausendstel von Millimetern verringert werden, was keine merkliche Veränderung des
Zylinderkalibers darstellt, jedoch eine Verbesserung der tragenden oder reihenden
Oberfläche ergibt, ohne dass die Struktur dz6 vorher erzielten porösen Chroms merklich
verändert wird.
-
Auf diese Weise kann die Oberfläche eines Zylinders oder Hohlkörpers
eines Verbrennungsmotors , die der Reibung des Kolbens oder dgl. standhalten muss,
die entsprechenden Eigenschaften erhalten, um dem Verßchleiss grössten Widerstand
zu leisten und gleichzeitig optimal das nötige
Schmiermittel auf
der porösen Schicht festzuhalten. Dabei ist die Oberflächenaufrauhung variabel und
kontrollierbar, wie auch die Proportion der Poren (Vertiefungen) und der glatten
Oberfläche (Erhebungen), je nach Bedarf für den Gebrauch bei Verbrennungsmotoren,
unabhängig von dem Grundmaterial des Mantels oder Zylinders, vorausgesetzt dass
dieses verchromt werden kann.
-
In bestimmten Fällen der Verchromung von Zylinderns oder dgl. kommt
es vor, dass eine grössere Aufrauhung oder Porosität an ganz bestimmten Zonen gefordert
wird, um so in diesem Bereich eine intensivere Schmierung zu erreichen.
-
So z.B. im Fall von übersättigten Viertaktmotoren, bei denen es als
Folge der härteren Funktionsbedingungen, höherer Drücke, Temperaturen usw. schwierig
ist, eine richtige Schmierung des obersten Zylinderteiles zu erreichen. Ahnlich
ist es bei den Zweitaktmotoren in den Zonen oberhalb und unterhalb der Einlasschlitze.
In diesen Fällen ist es notwendig, über Mittel zu verfügen, um eine richtige Schmierung
der genannten Zonen zu erzielen.
-
Wenn man eine Erhöhung der Porosität für die gesamte Fläche des Zylinders
oder dgl. erreicht, würde das eine Erhöhung der Schmierfähigkeiten bedeuten, aber
gleichzeitig den Verbrauch an Schmiermittel vergrössern und andere Probleme oder
ernstzunehmende Nachteile schaffen. Wirklich notwendig
ist die
Erhöhung der Schmierung nur in der Zone, die dies erfordert, d.h. vermehrte Porosität
ausschliesslich in besagten Zonen, wobei der restliche Bereich weniger porös sein
soll.
-
Auf der Gleitfläche mit Zonen verschiedenen Grades von Porosität darf
der Ubergang von einer Zone in die andere nicht plötzlich sein, sondern muss allmählich
übergehen, d.h. die Zunahme an Porosität soll stufenweise sein.
-
Wennman bedenkt, dass die Aufrauhung oder Porosität eine Folge des
Schmirgelvorganges ist, welcher bevorzugt auf die Ränder der Mikrorisse des Chroms
wirkt, dann hängt jede beabsichtigte Anderung der Aufrauhung und Porosität demzufolge
vom Zustand besagten Netzes ab. Es ist also notwendig, auf das Netz einzuwirken
und in entsprechender Form zu verändern, um auf ein und demselben Werkstück zwei
Zonen verschiedener Porosität zu erhalten.
-
Es ist nicht möglich, zu diesem Zweck die Bedingungen beider Verchromung
zu variieren. Die thermißche Behandlung ist nicht leicht auf Zonen zu kontrollieren,
und was die Möglichkeit betrifft, den mechanischen Vorgang des Glättens auf Zonen
zu beschränken, so würde dies zu Problemen bei der geometrischen Formgebung führen.
Keine dieser drei Varianten erscheint positiv.
-
Es hat sich aber herausgeßtellt, dass man durch eine chemische oder
elektrochemische Einwirkung auf die Zone, die eine grössere
Porosität
erhalten soll, zu einem praktischen Ergebnis kommen kann. Wenn man diese Einwirkung
vor dem Schmirgelvorgang durchführt, erreicht man eine Vertiefung der Kanäle des
Netzes von Mikroritzen. Diese Einwirkung kann vollkommen kontrolliert werden und
auf die ausgewählte Zone beschränkt sein, ihre Wirkung verschwindet allmählich,
wenn die Grenzen besagter Zone erreicht werden, ohne dass der Ubergang von einer
zur anderen Zone abrupt wäre. Auf diese Weise erhält man nach dem Schmirgelvorgang
zwei ganz bestimmte Zonen mit verschiedener Aufrauhung und Porosität.
-
Die verwendeten Angriffsmethoden können verschiedene sein, von den
rein chemischen mit Hilfe von Säuren wie SaIzaaure, oder den elektrochemischen,
die kathodisch oder anodisch angreifen können, bis zu beiden unter Verwendung von
sauren oder alkalischen Lösungen wie Oxalsäure, Schwefelsäure, Chromsäure usw. oder
alkalischen Hxdroxyden.
-
Man kann z.B. die Möglichkeit anführen, das gleiche Chrombad und die
gleiche Vorrichtung zu benutzen, die zur Verchromung des Mantels oder Zylinders
benutzt werden Zu diesem Zweck wird eine Plastikröhre benötigt, deren innerer Durchmesser
etwas grösser als der äussere Durchmesser der Anode sein soll, und von entsprechender
Länge. Die Anode wird in diese rohre eingeführt und innen in den Mantel oder Zylinder
eingesetzt. Von dieser Anode wirkt aktiv nur der Teil, der nicht von Plastik bedeckt
wenn die gesamte Vorrichtung dem anodischen Angriff ausgesetzt wird, in diesem Fall
bei einer StromitEhte von 10 bis 50 Amp/cm2 für die Dauer von einigen Minuten.