-
Aluminium-Zylinder für Brennkraftmaschinen
-
Die Erfindung betrifft einen aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
des Typs AlSi17Cu4Mg bestehenden Zylinder für Brennkraftmaschinen, wobei die mechanisch
geglätteten Primärsiliziumkristalle über die von der Aluminiummatrix gebildete Zylinderwand
hinausragen.
-
Aluminiumzylinder für Verbrennungsmotoren haben sich überall dort
durchgesetzt, wo Wert auf geringes Gewicht, eine sehr gute Wärmeabfuhr und die Möglichkeit
zur wirtschaftlichen Großserienfertigung mit Hilfe des Kokillen- und Druckgießverfahrens
gelegt wird. Hauptanwendungsgebiete sind bis jetzt tragbare Motoraggregate, vor
allem Baumsägen sowie Mopeds und Motorräder, Bootsmotoren und Hochleistungs-Motoren
für Personenkraftwagen.
-
Aluminiumzylinder und -zylinderblöcke ohne einen besonderen Schutz
der Zylinderbohrung haben den Nachteil eines sehr hohen Verschleißes und großer
Freßanfälligkeit.
-
Die mechanische Festigkeit der im Motorenbau bekannten eutekti schen
Aluminium- Silizium-Legierungen läßt überdies bei höheren Temperaturen zu wünschen
übrig, so daß sich bis jetzt derartige unbewehrte Aluminiumzylinder nicht durchsetzen
konnten.
-
Die Nachteile hoher Verschleiß- und Freßanfälligkeit der unbewehrten
Aluminiumzylinder werden durch galvanisch abgeschiedene Chrom- und Nickelschichten
mit Feststoffeinlagerungen sowie durch eingegossene oder eingepreßte Graugußbüchsen
oder durch Stahlspritzschichten ausgeglichen. Diese Bewehrung der Aluminiumlauffläche
erhöht jedoch die Herstellkosten der Aluminiumzylinder durch höhere Material-, Fertigungs-und
Bearbeitungskosten, die gegenüber dem unbewehrten Aluminiumzylinder 20 96 und mehr
betragen können.
-
Eingegossene oder eingepreßte Graugußbüchsen verschlechtern zusätzlich
die Wärmeabfuhr über die Zylinderwand ganz erheblich, bei eingepreßten Büchsen wird
der Wärmedurchgang durch die Zylinderwand bei den für luftgekühlte Motoren üblichen
Betriebstemperaturen von 200°C und mehr gleich groß, teilweise sogar schlechter
als bei einfachen Graugußzylindern (Technisches Handbuch 1967, Karl Schmidt GmbH,
Neckarsulm).
-
Der Verschleißwiderstand von galvanisch aufgebrachten Chromschichten
ist im oberen Ringumkehrpunkt des Zylinders für verschiedene Anwendungsfälle zu
gering.
-
Deswegen werden oft anstelle der Chromschicht die bereits erwähnten
galvanisch aufgebrachten Nickelschichten mit Silizium- und Borkarbideinlagerungen
verwendet. Diese sehr harten, in die Nickelschicht eingelagerten Karbide dienen
dabei als tragendes und verschleißminderndes Gerüst. Die Herstellkosten derartiger
Nickelschichten sind jedoch höher als die der üblichen Chromschichten (7th international
die casting exposition and congress, Chicago 1972, paper 7472).
-
Seit über 10 Jahren werden hauptsächlich aus Kostengründen große Anstrengungen
unternommen, Aluminiumzylinder ohne eine Bewehrung der Laufbahn zu entwickeln.
-
1970 gelang es erstmalig einen Leichtmetallmotor aus einer übereutektischen
Aluminium-Silizium-Legierung mit 17 C/o Silizium auf den Markt zu bringen. Dieser
Motor leistet 90 DIN PS bei 4.600 Ulmin und hat ein Hubvolumen von 2.300 cm3 (Vega
2300 SAE paper 710 150).
-
Der Zylinderblock ist in einem besonderen Druckgießverfahren hergestellt
und die Zylinderbohrungen sind nach dem Verfahren gemäß DT-PS 15 21 931 bearbeitete
In dem Motor laufen Leichtmetallkolben mit einem dünnen Eisenüberzug am Schaft.
Mit dieser Entwicklung war es möglich, die Herstellkosten für den Zylinderblock
gegenüber einer Graugußausführung zu senken.
-
Die für die Fertigung von unbewehrten Zylindern verwendete übereutektische
Aluminium- Silizium-Legi erung AlSi17Cu4Mg weist folgende Zusammensetzung auf: Si
16 bis 18 Fe 0,1 bis 1,1 Cu 4 bis 5 Mn 0,1 max.
-
Mg 0,45 bis 0,65 Zn 0,1 max.
-
Ti 0,2 max.
-
Al Rest Bemerkenswert ist dabei der Siliziumgehalt von 16 bis 18
.
-
Dieser Siliziumgehalt führt zur Ausscheidung von Primärsiliziumkristallen
bei der Erstarrung der Legierung.
-
Diese werden dann entsprechend geglättet, danach freigelegt und dienen
als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft.
-
Von Bedeutung ist weiterhin der Kupfergehalt von 4 bis 5 %, der einmal
für optimale Festigkeit des Guß stücks sorgt und zum anderen auch einen sehr großen
Einfluß auf das Verschleißverhalten der Legierung hat.
-
Die Zylinderbohrung wird bei der Bearbeitung mit den für die weitverbreiteten
eutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen üblichen konventionellen Bearbeitungsmaschinen
und Werkzeugen sowie annähernd den gleichen Bearbeitungsdaten vor- und feingebohrt
und die relativ weiche Zylinderlaufbahn vor- und fertiggehont bis auf eine Rauhtiefe
von 1 ym in einem Teil der für die Honoperation von herkömmlichen verchromten Zylindern
notwendigen Zeit.
-
Bei der mechanischen Bearbeitung der Zylinderbohrung muß durch Wahl
der geeigneten Schnittbedingungen Wert darauf gelegt werden, möglichst wenige der
Primärsiliziumkristalle zu zerstören und aus der Oberfläche herauszubrechen. Die
dennoch zerstörten Kristalle werden durch die anschließenden Honoperationen soweit
abgearbeitet, bis unzerstörte Kristalle direkt unter der Oberfläche liegen. Die
Primärsiliziumkristalle an der Zylinderoberfläche sind dabei durch die Honoperation
geglättet, alle hervorstehenden Kanten sind abgearbeitet.
-
Der letzte wichtige Arbeitsgang besteht in der Serienfertigung aus
einer elektrochemischen Behandlung der
Zylinderbohrung. Hierbei
wird durch eine in der Zylinderbohrung stehende Zentralelektrode und eine Stromdichte
von ca. 14 A/dm mit Hilfe eines Elektrolyten die Aluminiummatrix um die Primärsiliziumkristalle
herum abgearbeitet, so daß diese größer 1 bis 2Fi gegenüber der Aluminiummatrix
hervorstehen und allein mit den Kolbenringen und dem Kolbenschaft in Beruhrung kommen.
-
Neben der Tragfunktion der Primärsiliziumkristalle gegenüber dem Kolbenschaft
und den Kolbenringen sind die neben den Siliziumkristallen derart erzeugten Zwischenräume
zur Aufnahme von Verschleißprodukten und als Ölreservoir für die Funktion von unbewehrten
Zylinderlaufbahnen von entscheidender Bedeutung.
-
Zusammen mit den beschriebenen übereutektischen Zylinderlaufbahnen
können die im allgemeinen bei verchromten Aluminiumzylindern und Graugußzylindern
verwendeten Ringbestückungen weiter verwendet werden. Bei Zylindern fürJeitaktmotoren
genügen normale Graugußringe mit einer Anfasung an den Ringkanten. Bei Viertaktmotoren
haben sich ballig verchromte Ringe in der ersten Ringnute, flashverchromte oder
Standardringe in der zweiten und ein dreiteiliger verchromter Stahl- Ölab streifring
in der dritten Ringnute am besten bewährt.
-
Der Schaft des Kolbens wird jedoch je nach geforderter Laufzeit mit
einer etwa 10 bis 20 pm starken, galvanisch aufgebrachten Eisenschicht überzogen,
auf die zusätzlich ein dünner Zinnflash gegen Korrosion und als Einlaufhilfsmittel
aufgebracht wird. Diese Eisenschicht am Kolbenschaft ist notwendig, eine einwandfreie
Funktion der Kombination Kolben, Kolbenringe und unbewehrte
Zylinderlaufbahn
zu ermöglichen. Der galvanische Eisenüberzug auf dem Kolbenschaft ist die wirtschaftlichste
Methode aus einer Vielzahl von Möglichkeiten, die Freßneigung des Kolbenschaftes
gegenüber unbewehrten Aluminiumzylindern entscheidend zu verringern.
-
Nun gibt es jedoch Brennkraftmaschinen, die entweder ihrer Auslegung
nach oder des Arbeitsortes wegen einen besonders hohen Verschleiß der unbewehrten
Zylinderlaufbahn befürchten lassen. Anfälligkeit hierfür besteht, wie z.B. extreme
Rückstände bildender Kraftstoff gefahren wird oder die Luftfilterung, besonders
in staubreicher Umgebung, unzulänglich ist und nicht wesentlich verbessert werden
kann.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Aluminium-Zylinder
der eingangs genannten Art so zu gestalten, daß der befürchtete hohe Verschleiß,
insbesondere der Aluminiummatrix, unter rauhen Arbeitsbedingungen nicht eintritt.
-
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Aluminiummatrix zwischen
den darüber hinausragenden Primärsiliziumkristallen mit einer elektrolytisch aufgebrachten
vergleichsweise dünnen metallischen Schutzschicht überzogen ist.
-
Die vorzugsweise aus Nickel, Chrom, Kupfer oder Eisen bestehende Schutzschidcht
hat eine Dicke von größer 0 bis zu 1 Fun, so daß/geglätteten Oberflächen der Siliziumkristalle
gegenüber der Aluminiummatrix hervorstehen und allein mit den Kolbenringen und mit
Kolbenschaft in Berührung kommen.
-
Die Zylinderbohrung wird mit den herkömmlichen Bearbeitungsmaschinen
und Werkzeugen vor- sowie feingebohrt und anschließend gehont bis auf eine Rauhtiefe
von etwa 1 jim, wobei die Primärsiliziumkristalle an der Zylinderoberfläche geglättet
und alle hervor stehenden Kanten abgearbeitet werden. Beim nächsten Verfahrensschritt
der elektrochemischen Behandlung der Zylinderbohrung wird die Aluminiummatrix um
die Primärsiliziumkristalle herum abgetragen, so daß diese um mehr als 1 bis 2/um
über die Aluminiummatrix herausragen. Der letzte Arbeitsgang besteht darin, daß
die Aluminiummatrix in vergleichsweise sehr kurzer Zeit vorzugsweise 80 bis 150
sek mit einer Schutzschicht von größer 0 bis zu 1 }:im überzogen wird. Da die Primärsiliziumkristalle
keinen Strom leiten, wird nur die Aluminiummatrix mit der Schutzschicht abgedeckt,
während die Tragfunktion der Primärsiliziumkristalle gegenüber Kolbenschaft und
Kolbenringen erhalten bleibt.
-
Der in dem Zylinder laufende Leichtmetallkolben, z.B.
-
des Legierungstyps AlSi12CuNiMg kann in vorteilhafter Weise unbewehrt
oder, falls erforderlich, in bekannter Weise auf dem Schaft mit einer 10 bis 20
tun dicken, galvanisch aufgebrachten Eisenschicht überzogen sein. Es ist auch möglich,
einen aus der gleichen Legierung wie der Zylinder bestehenden Kolben, der die gleiche
Laufflächengestaltung aufweist, einzusetzen.
-
Die Zylinder aus der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung
des Typs AlSi17Cu4Mg, bei denen die Aluminiummatrix zwischen den hervorstehenden
Primärsiliziumkristallen mit einer Schutzschicht versehen ist, bieten gegenüber
Zylindern ohne Schutzschicht ganz eindeutig
technische Vorteile.
Verglichen mit Aluminiumzylindern der eingangs zum Stand der Technik beschriebenen
Art beträgt der Verschleiß unter extremen Betriebsbedingungen, insbesondere hinsichtlich
schlechten Kraftstoffes und unzureichender Luftfilterung, nur einen Bruchteil.
-
Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt, die im
folgenden erläutert wird: Die Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch den Zylinder
1 und den unbewehrten Kolben 2 entlang der Druck-Gegendruck-Ebene.
-
In Fig. 2 ist eine ausschnittsweise Vergrößerung der Lauffläche des
Zylinders 1 aus Fig. 1 gezeigt, wobei fflxrxh die Aluminiummatrix 5 Fm die Primärsiliziumkristalle
3 herum mit einer aus Chrom bestehenden Schutzschicht 4 versehen ist.
-
Patentansprüche
Leerseite