DE2749227A1

DE2749227A1 - Kolben aus einer aluminiumlegierung mit einer zur erzielung des nichtfestfressens im kontakt mit einem zylinder mit innenwand aus einer aluminniumlegierung behandelten oberflaeche und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2749227A1
Application number: DE19772749227
Authority: DE
Inventors: Jacques Lefebvre; Jean-Louis Mazodier
Original assignee: Aluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1976-11-05
Filing date: 1977-11-03
Publication date: 1978-05-11
Also published as: BE860475A; US4166776A; FR2370204A1; JPS5547118B2; JPS5358443A; ES463816A1; GB1566764A; DE2749227C3; FR2370204B1; IT1088160B; DE2749227B2

Description

SOCIETK DE VENTE DE L'ALUIUNIUM PECHTNEY, Parir, Frankreich

Kolben aus einer Aluminiumlegierung mit einer zur Erzielung des Nichtfestfressens im Kontakt mit einem Zylinder mit Innenwand ais einer Aluminiumlegierung behandelten Oberfläche und Verfahren zu dessen Herstellung

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung, dessen Oberfläche im Kontakt mit dem Zylinder mit Innenwand aus einer Aluminiumlegierung, in dem er arbeitet, vorab anodisiert ist, bevor sie durch Elektrolyse einen metallischen Überzug erhält, der ihr einen geringen Reibungskoeffizient und eine erheblich verringerte Neigung zum Festfressen verleiht.

In der Autoindustrie gibt es unter den im Sinn einer Verringerung des Treibstoffverbrauche angestrebten Verbesserungen solche einer Verringerung der Masse der zur Herstellung der Fahrzeuge verwendeten Werkstoffe. Dies wird entweder durch Änderung der Struktur der letzteren zur Erzielung gleicher oder besserer mechanischer Eigenschaften bei verringertem Gewicht oder durch Verwendung von Werkstoffen geringerer Dichte erreicht.

1953)-TF

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Insbesondere besteht, was den Motor betrifft, eine Tendenz der Verbreitung der Herstellung von Zylinderblöcken oder Kolben aus Aluminiumlegierungen zu Lasten der herkömmlichen Gußeisen.

Jedoch führte dieser Ersatz zu Schwierigkeiten bei der Reibung zwischen den im gegenseitigen Eingriff arbeitenden Teilen. Man bemerkte nämlich rasch, daß die Oberflächen aus Aluminium das Schmiermittel nicht wie die Oberflächen aus Gußeisen festhalten und daß die Bestandteile der die Kolben oder die Innenwände der Zylinder bildenden Legierungen unter der Wirkung der im Inneren der Zylinder herrschenden Temperaturen und Drücke dazu neigten, sich physikalisch oder chemisch zu verbinden, wodurch eine dem guten Laufverhalten und der Materialerhaltung nachteilige Festfreßerscheinung hervorgerufen wurde. Dah^er versuchten einige Konstrukteure, die den unbestreitbaren Vorteil, den die Verwendung dieser durch die Aluminiumlegierungen dargestellten sehr leichten Werkstoffe lieferte, nicht preisgeben wollten, diese Schwierigkeit durch Anwendung verschiedener Lösungen zu überwinden: Die einen betrafen den Zylinderblock selbst und bestanden darin, entweder in ihn LaufbUchsen aus Gußeisen einzusetzen oder Ubersilizierte Aluminiumlegierungen zu verwenden, die man speziellen Oberflächenbehandlungen, wie z. B. der in der US-PS 3 333 579 angegebenen unterwarf, die darin besteht, die Siliziumkristalle reliefartig auszubilden, um den Reibungskoeffizient zu verringern, und die anderen bezogen sich auf den Kolben selbst und führten zur Abscheidung einer Metallschicht, die zur Schaffung von Bindungen mit der Laufbuchse, unter deren Berührung sie arbeitete, nicht anfällig war, wie · es beim in der FR-PS 1 470 25O beschriebenen Vereisenungsverfahren der Fall ist.

Nichtsdestoweniger gibt es gegenwärtig erst wenige Konstrukteure, die sich auf den Ganzaluminiumweg für die Gesamtheit

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von Motorblock, Laufbuchse und Kolben begeben haben, da diese Lösung teuer ist: Sie erfordert nämlich erhebliche Investitionen, und ihre Anwendung stellt ganz besondere technische Probleme. Daher entwickelte die Anmelderin mit dem Bemühen, ihren Beitrag zur Lösung dieses Problems zu leisten, einen Kolben auf Aluminiumbasis, der nach einem merklich einfacheren und vorteilhafteren Verfahren als dem nach der PR-PS 1 470 250 angewendeten mit einem Überzug versehen ist und dessen Betriebseigenschaften in Gegenwart einer Laufbuchse aus einer nach der in der US-PS 3 333 579 beschriebenen Technik behandelten Aluminiumlegierung äußerst bemerkenswert sind.

Nach der PR-PS 1 470 250 muß der Aluminiumkolben, bevor er die elektrolytische Eisenabscheidung erhält, vorab mittels eines Salpetersäure-Flußsäure-Gemisches gebeizt, dann gespült, durch Eintauchen mit Zink bedeckt, erneut gespült, elektrolytisch zum Verkupfern behandelt, mit Salzsäure gespült und schließlich in ein Bad zur elektrolytischen Vereisenung getaucht werden, wobei alle diese Vorgänge notwendig sind, um ein gutes Haften der Eisenschicht zu erzielen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde«feinen Kolben aus einer Aluminiumlegierung zum Betrieb in einem Zylinder mit Innenwand aus einer Aluminiumlegierung zu entwickeln, der sich einfacher als nach dem bekannten Verfahren mit einem gut haftenden, nicht zum Festfressen neigenden Metallüberzug versehen läßt.^v

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Kolben an seiner Arbeitsoberfläche eine Anodisierschicht

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und darauf eine elektrolytisch abgeschiedene Schicht aus einem reibungsverminderten Metall trägt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprilchen gekennzeichnet.

Der erste Schritt zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens ist also eine Behandlung des Kolbens durch anodische Oxydation. Diese in Fachkreisen gut bekannte Technik besteht hier nach der Bearbeitung des Kolbens und der Beseitigung der Bearbeitungsöle durch übliche Lösungsmittel oder Entfettungsbäder darin, den Kolben in eine elektrolytische Lösung auf Basis von Phosphorsäure zu tauchen und ihn der Wirkung eines Wechselstroms während einer sehr kurzen Zeit auszusetzen. Man verwendet allgemein 50 bis 300 g/l, vorzugsweise 100 g/l Η enthaltende Lösungen; die Temperatur der Lösung liegt im Bereich von 20 bis 70 ⁰C und wird vorzugsweise auf etwa 50 ⁰C festgelegt. Die Behandlungsdauer ist eine Funktion der verwendeten Stromdichte, doch sind die bevorzugten Bedingungen 30 see
trägt.

30 sec bei 10 A/dm , wenn die Temperatur des Bades 50 C be-

Der zweite Schritt zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens besteht darin, den so behandelten Kolben direkt in einem galvanischen Bad derart zu behandeln, daß er eine elektrolytische Abscheidung aus einem gegenüber Aluminiumlegierungen, die die Innenwände der Zylinder bilden, reibungsvermindernden Metall erhält.

Die Anmelderin hat nämlich im Unterschied zum Verfahren nach der FR-PS 1 470 250 festgestellt, daß es nicht erforderlich ist, eine ZwischenfUgung von Zwischenmetallschichten, wie z. B. Zink und Kupfer, vor der Abscheidung des reibungsvermindernden Metalls vorzusehen; die Behandlung durch anodische

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Oxydation erlaubt tatsächlich die Bildung einer ausreichend wirksamen Verankerungsschicht zur Erzielung einer geeigneten Haftung der Metallschicht.

Das verwendete galvanische Bad ist von bekannter Zusammensetzung und ermöglicht vorzugsweise die Abscheidung von Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, doch ist es klar, daß das Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens auch auf andere Metall- oder Legierungsabscheidungen anwendbar ist, die gute Härte- und Festfreß- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften aufweisen.

Die Aluminiumlegierung, die zur Herstellung des Kolbens dient, ist eine von bekannter Zusammensetzung: A-S 12 UN mit

11,5 bis 13, % Si, 0,5 bis 1,5 # Cu, 0,5 bis 1,5 % Ni, 0,8 bis 1,52 % Mg,

doch auch Jede andere mit den für diesen Werkstofftyp erforderlichen Eigenschaften kompatible Zusammensetzung ist zur Anwendung der Behandlung gemäß der Erfindung geeignet, beispielsweise:

A-S 10 UG mit

9,4 bis 10,6 % Si,

1,9 bis 2,6 % Cu,

0,8 bis 1,5 £ Mb;

A-S 18 UNG mit

17 bis 19 % Si, 0,8 bis 1,5 Ji Cu, 0,8 bis 1,3 # Mg, < 1,3 % Nij und

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A-S 22 UNK mit

20 bis 22 % Si,

1 bis 2,2 % Cu, 0,8 bis 1,3 Si Mg, 0,8 bis 1,6 % Ni, 0,8 bis 1,6 Jg Co.

Rs werden im folgenden beispielsweise zwei Behandlungsarten gemäß der Erfindung erläutert, denen die Kolben mit der obigen Zusammensetzung unterworfen wurden.

Beispiel 1

Man unterwirft den Kolben den folgenden Verfahrensschritten: Entfettung: 5 min bei 60 ⁰C + Beizen in alkalischem Bad: 5 min bei 50 ⁰C,

Eintauchen in ein Bad mit 50 % HNO, und 5 % HF,

elektrolytische Behandlung während 30 s in einem Bad mit g/l Phosphorsäure bei 50 ⁰C unter der Einwirkung von Wechselstrom mit der Stromdichte von 10 A/dm ,

galvanische Abscheidung von Eisen in einem 465 ß/1 Ferrochlorid und 38 g/l Borsäure enthaltenden Bad bei einem pH-Wert von 0,4 und einer Temperatur von 70 ⁰C während 15 min bei A/dm².

Nach dem Spülen der Teile überzieht man sie zur Vermeidung der Luftoxydation der Eisenabscheidung mit Triäthanolamin.

Beispiel 2

Mit einem identischen Kolben arbeitet man in folgender Weise:

Entfettung: 5 miu,
alkalisches Beizen: 5 min,

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Neutralisierung in einem Bad mit 50 # HNO, und 5 % HF, elektrolytische Behandlung unter den gleichen Bedingungen wie im vorangehenden Beispiel: 30 s bei 10 A/dm mit Wechselstrom im Bad mit 100 g/l H-, PO^ bei 50 ⁰C,

galvanische Nicke!abscheidung in einem l80 g/l Nickelsulfat, 25 g/l Ammoniumchlorid und 30 g/l Borsäure enthaltenden Bad mit einem pH-Wert von 5,7
während 30 min bei 4 A/dm².

Bad mit einem pH-Wert von 5»7 bei einer Temperatur von 50 ⁰C

Die mit den erfindungsgemäß Überzogenen Teilen durchgeführten Reibungsversuche zeigen die gute Wirksamkeit des angewandten Verfahrens.

Diese Versuche werden mit einer Maschine durchgeführt, in der man zwei Scheiben mit einer Dicke von 10 mm hat, deren eine die Laufbuchse des Zylinders simuliert und einen Durchmesser von 35 m hat, während die andere, deren zu ihrer Achse parallele Wand mit dem reibungsvermindernden Metall überzogen ist, einen Durchmesser von 65 mm hat und den Kolben simuliert.

Die beiden in ein und derselben Vertikalebene angeordneten Scheiben, wobei die die Bahn ihrer Achsen verbindende Gerade eine vertikale Richtung dieser Ebene ist, drehen sich um ihre Achse die eine gegen die andere derart, daß ein reines Gleiten zwischen ihnen erzeugt wird. Man führt öl mit konstanter Temperatur auf Höhe des Kontakts der beiden Scheiben ein und kann im Lauf des Versuchs unter Aufbringen einer bekannten Last auf den oberen Teil der oberen Scheibe die Kontakttemperatur und das Reibungsmoment messen.

Der Pestfreßversuch besteht nach einer EinlaufPeriode, während deren die beiden Scheiben unter gegenseitigem Kontakt mit einer verhältnismäßig geringen Last angeordnet sind und mit

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konstanter Drehzahl rotieren, darin, periodisch die Last bis zum Auftreten des Festfressens zu steigern, das sich im wesentlichen im Lauf des Versuchs durch eine schroffe Erhöhung der Kontakttemperatur und durch eine Destabilisierung des Reibungskoeffizienten bemerkbar macht.

Die in dem Augenblick, wo das Pestfressen auftritt, aufgebrachte Last ist die Festfreßlast.

Die Versuche wurden für die die Laufbuchse simulierende Scheibe aus der Legierung A-S 17U4 mit der Zusammensetzung durchgeführt:

16 bis 18 % Silizium,

4,2 bis 4,9 % Kupfer,

bis zu 1 ^ Eisen,

0,45 bis 0,05 % Magnesium,

0,08 bis 0,2 % Titan,

maximal 0,1 % Mangan,

Rest Aluminium,

wobei der seitliche Teil der in der US-PS 3 333 579 beschriebenen Behandlung unterworfen war.

Für die den Kolben simulierende Scheibe verwendete man nacheinander eine nach der Technik gemäß der FR-PS 1 470 vereisente Scheibe, eine nach der Technik gemäß Beispiel 1 der Erfindung vereisente Scheibe und eine nach der Technik gemäß Beispiel 2 der Erfindung vernickelte Scheibe.

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Die erhaltenen Ergebnisse sind folgende:

Die Laufbuchse simulierende Scheibe	Den Kolben simu lierende Scheibe	Last beim Festfressen	Reibungs koeffizient
AS 17U4 durch Pulvermetallur gie nach der US-PS 3 333 579	AS 12 UN vereiaent nach der FR-PS 1 470 250	80	Stabil 0,040 unter 70 daN
Il	AS 12 UN vereisent nach AG.« Bsp. 1	180	Stabil 0,031 unter 70 daN 0,024 unter 130 daN
Il	AS 12 UN vernickelt nach AG., Bsp. 2	170	Stabil 0,026 unter 70 daN 0,023 unter I30 daN

Diese Ergebnisse zeigen den deutlichen Vorteil hinsichtlich der Reibungseigenschaften aufgrund der Behandlung gemäß der Erfindung gegenüber der nach dem Stand der Technik.

Man bemerkt nämlich eine sehr deutliche Erhöhung der Festfreßlast, die gegenüber dem Stand der Technik verdoppelt werden kann, sowie eine sehr merkliche Verringerung des Reibungskoeffizienten und folglich eine bessere Verschleißbeständigkeit.

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Diese technischen Vorteile kommen zu dem sehr erheblichen wirtschaftlichen Vorteil hinzu, der sich aus der Vereinfachung der Herstellungsverfahrensschritte ergibt.

Die Abscheidungsvorgänge von Zink, dann von Kupfer und schließlich von Eisen mit den ZwischenspUlbehandlungen werden nämlich durch zwei Hauptverfahrensschritte, d.h. " Vorbehandlung durch anodische Oxydation und anschließende Abscheidung des gewählten Metalls ersetzt.

Dieser doppelte durch die Erfindung ermöglichte Vorteil ltßt für das so hergestellte Material eine erweiterte Anwendung auf alle Arten von Zylinderblöcken aus Aluminiumlegierungen mit oder ohne Aluminiumlaufbüchse zu, die nach der US-PS 3 333 behandelt oder nicht behandelt sein können oder irgendeine andere Behandlungstechnik durchgemacht haben.

Die Erfindung wird schließlich anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig.l einen Schnitt durch einen Kolben mit dem erfindungsgemäßen überzug; und

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt aus Fig. 1.

Man erkennt in den Figuren einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben, der an seiner Arbeiteoberfläche mit einer elektrolytisch erzeugten Anodisiersohicht 1 und darauf mit einem elektrolytisch erzeugten überzug 2 aus einem reibungsvermindernden Metal^ z.B. BiBen. Nickel, Kobalt oder Chrom versehen ist.

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Claims

. V-IiVrMaS-S*-

Ansprüche

Kolben aus einer Aluminiumlegierung zum Betrieb in einem Zylinder mit Innenwand aus einer Aluminiumlegierung, dadurch ge kenn ze lehnet, daß er an seiner Arbeitsoberfläche eine Anodisierschicht (1) und darauf eine elektrolytisch abgeschiedene Schicht (2) aus einem reibungsvermindernden Metall trägt.
2. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die reibungsvermindernde Metallschicht (2) aus Eisen, Nickel, Kobalt oder Chrom besteht.
3. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 11,3 bis 13 % Silizium, 0,5 bis 1,5 % Kupfer, 0,5 bis 1,5 % Nickel, 0,8 bis 1,5 % Magnesium, Rest Aluminium hat.
4. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 9,4 bis 10,6 % Silizium, 1,9 bis 2,6 % Kupfer, 0,8 bis 1,5Ji Magnesium, Rest Aluminium hat.
5. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekenn zeichnet,daß die ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 17 bis 19 % Silizium, 0,8 bis 1,5 % Kupfer, 0,8 bis 1,3 # Magnesium, ^ 1,3 % Nickel, Rest Aluminium hat.
6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 20 bis 22 % Silizium, 1 bis 2,2 % Kupfer, 0,8 bis 1,3 % Magnesium, 0_fi8 bis 1,6 % Nickel, 0,8 bis 1,6 % Kobalt, Rest Aluminium hat.

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ORIGINAL INSPECTED

-yi-
7. Verfahren zum Herstellen eines Kolbens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet,daß man die Anodisierschicht mit Wechselstrom in einem Phosphorsäurebad während einer sehr kurzen Zeit erzeugt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,daß man die Anodisierschicht in einem 50 bis 300 g/l Phosphorsäure enthaltenden Bad bei einer Temperatur von 20 bis 70 C mit einer Stromdichte von 10 A/dm während 30 see erzeugt.

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