DE3601319A1

DE3601319A1 - Verfahren zum ausbilden einer abriebfesten gleitflaeche

Info

Publication number: DE3601319A1
Application number: DE19863601319
Authority: DE
Inventors: Satoshi Hiroshima Nanba; Tsutomo Higashi-Hiroshima Hiroshima Shimizu; Kouji Tarumoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1986-01-17
Publication date: 1986-07-24
Also published as: US4678738A; DE3601319C2

Description

80581

MAZDA MOTOR CORPORATION Aki-gun, Hiroshima-ken (Japan)

Verfahren zum Ausbilden einer abriebfesten Gleitfläche

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gliedes mit einer abriebfesten Gleitfläche, beispielsweise einer Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren.

ίή /übliche Verbrennungsmotoren besitzen Zylinderblöcke mit Zylinf derbohrungen, in denen hin- und herbewegbare Kolben gleitend gelagert sind. Jede Zylinderbohrung enthält eine Laufbuchse, deren zylindrische Innenwandung mit dem Kolben in Gleitberührung steht. Es sind schon große Anstrengungen gemacht worden, die Abriebfestigkeit der Gleitfläche der Zylinderlaufbuchse zu verbessern. Dabei wurde erkannt, daß die Abriebfestigkeit der Gleitfläche verbessert werden kann, wenn sie mit Grübchen zur Halten von Schmieröl ausgebildet wird. Ferner ist erkannt worden, daß durch eine Vergrößerung des Flächenanteils der Grübchen, d.h., des Verhältnisses der Gesamtfläche der Grübchen zu dem Flächeninhalt der Gleitfläche, die in den Grübchen gehaltene Schmierölmenge vergrößert werden kann. Dabei muß aber beachtet werden, daß die Abriebfestigkeit nicht einfach dadurch erhöht werden kann, daß der Flächenanteil der Grübchen vergrößert wird, weil dadurch die Fläche der stehengebliebenen Teile entsprechend verkleinert und daher der spezifische Berührungsdruck erhöht wird.

- y-

Man kann die Menge des in den Grübchen gehaltenen Schmieröls vergrößern, ohne den Flächenanteil der Grübchen zu vergrößern, wenn man nicht die Fläche, sondern die Tiefe der Grübchen vergrößert. Da übliche Verfahren zum Ausbilden einer porösen Metallüberzuges durch Gegenstromelektrolyse eignet sich jedoch nicht zum Vergrößern der Tiefe der Grübchen, weil eine zu starke Gegenstromelektrolyse zu einer Ausbildung von rauhen Flächen auf den stehengebliebenen Teilen führt. Relativ tiefe Grübchen kann man in der Gleitfläche durch Photoätzen ausbilden. In der am 17. Januar 1961 ausgegebenen US-PS 2 968 555 (H. M. Bendler et al.) ist ein Verfahren angegeben, in dem die Metalflachen durch Photoätzen mit Ölhaltegrübchen ausgebildet werden.

In den auf diese Weise in der Gleitfläche ausgebildeten Grübchen wird das Schmieröl jedoch nur aufgenommen, so daß ein auf der Gleitfläche gleitendes Glied trachtet, das Schmieröl aus den Grübchen mitzureißen. Da mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit auch die aus den Grübchen mitgerissene Schmierölmenge zunimmt, besteht eine mit der Gleitgeschwindigkeit zunehmende Gefahr eines Schmiermittelmangels.

Eine verbesserte Schmierung kann man durch die Verwendung eines selbstschmierenden Werkstoffes erzielen. Dazu wird ein mit einer Gleitfläche ausgebildetes Glied gewöhnlich aus Gußeisen hergestellt, das Graphit beispielsweise in Form von Flocken enthält. In bekannten Hochleistungsmotoren, die mit hohen Drehzahlen laufen, wird die Gleitfläche der Zylinderlaufbuchse jedoch einer hohen Temperatur und einem hohen Berührungsdruck unterworfen, so daß der Graphit keine genügende Schmierung gewährleisten kann. Daher ist vorgeschlagen worden, zur Ausbildung einer abriebfesten porösen Schicht ein schmelzflüssiges keramisches Material auf die Gleitfläche zu sprühen. Die auf diese Weise gebildete Keramikschicht ist jedoch nicht genügend dauerhaft, weil sie nicht genügend haftfest mit dem Substrat verbunden werden kann.

Es ist auch schon vorgeschlagen worden, die Gleitfläche elektrolytisch mit einer Verbundschicht zu überziehen, auf deren Oberfläche selbstschmierende Teilchen verteilt sind. Die elektrolytische Herstellung einer derartigen Verbundschicht ist jedoch nur in einem komplizierten Verfahren möglich. Ferner ist schon vorgeschlagen worden, eine Gleitfläche herzustellen, die Siliciumcarbidteilchen enthält, die in einem mechanischen Verfahren in die Fläche eingebettet worden sind. Dieser Vorschlag hat den Nachteil, daß das Verfahren zum Verteilen der Siliciumcarbidteilchen kompliziert und unzweckmäßig ist.

S Daher hat cie Erfindung die Aufgabe, ein einfaches Verfahren If zum Ausbilaen einer Gleitfläche zu schaffen, die auch bei hoher Gleitgeschwindigkeit ein genügendes Ölhaltevermö'gen besitzt.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines einfachen, wirksamen Verfahrens zur Ausbildung einer dauerhaften Gleitfläche mit großem Ölhalteverrnögen.

Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Schaffung eines zweckmäßigen Verfahrens zum Ausbilden einer Gleitfläche, die auch bei hohen Gleitgeschwindigkeiten zum Halten von Schmieröl geeignet ist.

Gemäß der Erfindung können die vorstehenden und weiteren Aufgaben durch ein Verfahren gelöst werden, in dem ein metallisches Substrat verwendet wird, das eine photolacküberzogene Fläche besitzt, der Photolacküberzug entsprechend einem Muster mit mindestens einem harten Teil und einer Mehrzahl von weichen Teilen ausgebildet wird, die weichen Teile des Photolacküberzuges entfernt und dadurch die darunterliegenden Bereiche des Metallsubstrats freigelegt werden, bei auf dem Metallsubstrat vorhandenem, hartem Teil des Phtolacküberzuges das Metallsubstrat geätzt und dadurch in den genannten Bereichen mit Grub-

chen ausgebildet wird, bei auf dem Metallsubstrat vorhandenem, hartem Teil des Photolacküberzuges auf die Oberfläche des Metallsubstrats ein schmelzflüssiger Füllstoff gesprüht wird, so daß die Grübchen mit einem porösen, ölhaltefähigen Füllstoff gefüllt werden, und danach der harte Teil des Photolacküberzuges von dem Metallsubstrat entfernt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Füllstoff mindestens teilweise aus Molybdän oder Chrom. Das Substrat kann aus Gußeisen bestehen. Gegebenenfalls kann das Substrat auf der genannten Oberfläche verchromt sein.

Der Photolacküberzug ist im gehärteten Zustand vorzugsweise befähigt, den aufgesprühten Füllstoff einzufangen, so daß der auf dem photolacküberzug auftreffende Füllstoff nicht abprallt. Vorzugsweise werden die Grübchen mit dem Füllstoff im wesentlichen bis zu der Oberfläche des Substrats ausgefüllt, so daß auf dem Substrat eine im wesentlichen ebene Fläche ausgebildet wird.

Das Verfahren gemäß der Erfindung hat den Vorteil, daß die von dem gehärteten Teil des Photolacküberzuges bedeckte Fläche vor dem versprühten Füllstoff geschützt ist. Da der Photolacküberzug die auf ihn auf treffenden Teilchen des versprühten Füllstoffes emfängt, werden die Bewegungen der zu den Grübchen hinfliegenden Teilchen nicht durch Teilchen beeinflußt, die von den stehengebliebenen Teilen in zufälligen Richtungen abprallen. Ferner kann man eine Ablagerung des Füllstoffes auf den stehengebliebenen Teilen verhindern.

Die vorstehend angegebenen und weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung werden beim Lesen der nachstehenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnungen besser verständlich. In diesen zeigt

Figur 1 im Schnitt einen Teil eines Gliedes, das nach einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Gleitfläche ausgebildet worden ist.

Figur 2 zeigt in Seitenansicht eine Abriebprüfmaschine.

Figur 3 zeigt aufeinanderfolgende Schritte eines Verfahrens um Ausbilden einer Gleitfläche nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Figur 4 zeigt aufeinanderfolgende Schritte eines Photoätzverfahrens .

In den Zeichnungen, insbesondere in Figur 1, ist ein Metallsubstrat 1 gezeigt, das beispielsweise eine Zylinderlaufbuchse eines Verbrennungsmotors sein und bespielsweise aus einer Gußeisenlegoerung bestehen kann. Das Substrat 1 ist auf einer Fläche mit einer harten Metallschicht 2, beispielsweise aus Chrom, überzogen, die eine Gleitfläche 2a bildet. Die Schicht 2 ist auf der Gleitfläche mit zahlreichen Grübchen 2b ausgebildet, die zum Halten von Schmieröl dienen und nach einem Photoätzverfahren ausgebildet worden sind. Die Grübchen 2b sind über die ganze Gleitfläche 2a verteilt und im Längsschnitt im wesentlichen U-förmig. Der nicht mit den Grübchen 2b ausgebildete,stehengebliebene Teil der Gleitfläche 2a steht mit einem anderen Glied, beispielsweise einem Kolben, in Gleitberührung.

Die Grübchen 2b sind mit einem porösen Füllstoff 3 gefüllt, der Schmieröl festhalten kann. Der in den Grübchen 2b vorhandene Füllstoff 3 kann auch bei hohen Gleitgeschwindigkeiten Schmieröl festhalten, so daß lange Zeit hindurch eine einwandfreie Schmierung aufrechterhalten werden kann.

In der Figur 3 ist ein Verfahren zum Ausbilden der in Figur 1 gezeigten Gleitfläche erläutert. Das mit der Metallschicht 2 überzogene Substrat 1 wird zunächst an der Oberfläche der Me-

- 4Γ-

tallschicht 2 derart geschliffen oder gehont, daß die Gleitfläche 2a gebildet wird. Danach wird die Gleitfläche 2a ent ölt und mit einem Photolacküberzug 4 überzogen, der von jeder bekannten Art sein kann. Beispielsweise kann der Photolacküberzug für Ultraviolettstrahlung empfindlich sein. Der Überzug kann auch für Elektronenstrahlen oder Röntgenstrahlen empfindlich sein. Danach wird über dem Photolacküberzug 4 ein gewünschtes Muster in Form einer Maske angeordnet, die in Figur 3 (a) bei 6 strichpunktiert angedeutet ist. Wenn ein Photolack verwendet wird, der unter der Einwirkung der Strah len, für die er empfindlich ist, erhärtet, muß die Maske in den Grübchen 2b entsprechenden Bereichen für die Strahlen undurchlässig sein. Wenn dagegen ein Photolack verwendet wird, der unter der Einwirkung von Strahlen, für die der Photolack empfindlich ist, erweicht, muß die Maske in den den Grübchen 2b entsprechenden Bereichen für diese Strahlen durchlässig sein. Die Maske braucht nicht direkt auf die Oberfläche 2a der Metallschicht 2 aufgelegt zu werden, sondern sie kann auch in einem gewissen Abstand von der Fläche 2a angeordnet werden. In diesem Fall kann das Muster der Maske mit Hilfe eines geeigneten optischen Systems auf der Fläche 2a abgebildet werden

Dann werden die Strahlen durch die Maske hindurch auf den Photolacküberzug 4 gerichtet, so daß in den den Grübchen 2b entsprechenden Bereichen der Photolack erweicht wird oder weich bleibt, während in den übrigen Bereichen der Photolack im harten Zustand verbleibt oder gehärtet wird. Dann wird der Photolacküberzug 4 mit einem geeigneten Entwickler, beispielsweise Trichlorethan, entwickelt, so daß der Photolack in den Bereichen entfernt wird, in denen er erweicht oder nicht gehärtet worden ist. Dadurch werden die den Grübchen 2a entsprechenden Bereiche der Metallschicht 2 durch Ausnehmungen Aa hindurch freigelegt, die durch Entfernen des Photolackes gebildet worden sind.

Danach wird die Metallschicht 2 einer Ätzbehandlung unterwor-

fen, durch die in der Metallschicht 2 die in Figur 3(a) gezeigten Ölhaltegrübchen 2b ausgebildet werden. Dann werden mit einer Plasmaspritzpistole Teilchen aus schmelzflüssigem Füllstoff durch die Ausnehmungen in dem Photolacküberzug 4 hindurch in die Grübchen 2b gesprüht, wie dies in der Figur 3(b) gezeigt ist. Dabei kann ein Teil der schmelzflüssigen Füllstoffteilchen auf dem Photolacküberzug 4 auftreffen, der weicher ist als die Metallschicht 2, so daß er die Füllstoffteilchen einfängt und ein Abprallen derselben verhindert. Die auf die Grübchen gerichteten Teilchen gelangen daher zuverlässig in die Grübchen, weil keine abgeprallten Teilchen vorhanden sind. Infolgedessen werden die Grübchen 2b mit dem Füllstoff gefüllt, wie das in der Figur 3(c) gezeigt ist. Der Füllstoff bildet in den Grübchen 2b poröse Ablagerungen 3. Zum Entfernen des Photolacküberzuges 4 wird dieser gemäß der Figur 3(d) in eine geeignete Lösung, bespielsweise von Methylenchlorid, getaucht .

In der Figur 4 sind Schritte eines Photoätzverfahrens erläutert, in dem zunächst auf dem Substrat ein Photolacküberzug 4 gebildet wird (Figur 4(a)) und dann auf den Überzug 4 eine Maske 6 gelegt wird, die strahlungsundurchlässige Bereiche 6a besitzt (Figur 4 (b)). Danach wird der Photolacküberzug 4 durch die Maske hindurch bestrahlt (Figur 4 (c)). Dann wird die Maske 6 abgenommen. Nun werden durch einen Entwicklungsvorgang die unbestrahlten Bereiche 4b entfernt, so daß nur die bestrahlten Bereiche 4a zurückbleiben (Figur 4 (d)). Danach wird das Substrat 1 dem vorgenannten Ätzverfahren unterworfen (Figur 4 (e)).

Beispiel I

Es wurde ein Prüfkörper in Form einer Scheibe aus einer Gußeisenlegierung hergestellt. Die Scheibe wurde auf einer Fläche mit einer Hartchromschicht von 50 μ/η Dicke überzogen, die eine Vickers-Härte von 900 bis 1000 hatte und mit einem

- sr -

Honwerkzeug Nr. 1000 oberflächenoearbeitet wurde. Mit dem vorgenannten Photoätzverfahren wurden in der Chromschicht Dl- haltegrübchen von 20 μ/η Tiefe ausgebildet, die dann mit porösem Molybdän gefüllt wurden, das im schmelzflüssigen Zustand in die Grübchen gesprüht wurde. Danach wurde der Photolacküberzug entfernt.

Beispiel II

Es wurde ein zweiter Prüfkörper in Fc rm einer Scheibe aus einer Gußeisenlegierung hergestellt und wie im Beispiel I durch eine Photoätzbehandlung mit über eine Fläche verteilten Grübchen ausgebildet. Diese wurden dann mit porösen Chromcarbid gefüllt, das im schmelzflüssigen Zustand in die Grübchen gesprüht wurde. Danach wurde der Photolacküberzug entfernt.

Prüfkörper für den Kontrollversuch I

Die Scheibe nach Anspruch I wurde nach der Phctoätzbehandlung verwendet.

Prüfkörper II für den Kontrollversuch II

Die Scheibe nach Beispiel I wurde ohne die Photoätzbehandlung verwendet.

Kontrollversuche

Die Prüfkörper wurden Abriebprüfung in einer Abriebprüfmaschine unterworden, die gemäß Figur 2 einen zum Drehen der Scheibe dienenden Teil 11 besitzt, der eine Spindel 12 aufweist, die von einem nicht gezeigten Motor angetrieben werden kann. Der Prüfkörper 13 wird auf der Spindel 12 befestigt und erhält von ihr einen Drehantrieb. Die Maschine besitzt ferner einen Andrückteil 14 mit einem Schleifkörper 16, der am einen Ende eines Hebels 15a angeordnet ist, der auf cer Tragsäule 15

schwenkbar gelagert ist. Der Hebel 15a ist an seinem anderen Ende mit einem Ende eines Seils 17 verbunden, das um eine Seilscheibe 18 herumgeführt und am anderen Ende mit einem Gewichtsstück 19 verbunden ist. Daher wird unter dem Einfluß des Gewichtsstückes 19 der Schleifkörper 16 gegen die Gleitfläche oes Prüfkörpers 13 gedruckt. Der Schleifkörper ist ein Vierkant aus einer Schalenhartgußlegierung nach Tabelle I und ist an seiner Schleiffäche mit einer Schleifmaschine GC Nr. 60 auf eine Rauhtiefe von 1,6a geschliffen und durch Strahlputzen mit Carborundurnsanc Nr. 20 auf eine Rauhtiefe von 10 bis 40 μ/η bearbeitet worden.

Tabelle I

Si Mn P S Cr Cu Mo Ni Mg V Fr

3,5 2,3 0,4 3,2 ϋ,02 0,5 1,0 1,5 1,0 0,01 0,2 Rest

Abriebprüfunger.

Die Prüfung wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Andrückkraft P 4,5 kg

Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe 5 m/s Prüfdauer 10 min

Schmierung keine

Die Ergebnisse sind in der Tabelle II gezeugt.

Tabelle II

	I	Abrieb des	Kratzer auf
	II	Eindrlngkcrpers	der Scheibe
	Festfreßprufungen	μ®
Beispiel I	30 bis 50	klein
Beispiel II	40 bis 50	klein
Kontrollversuch	60 bis 70	mittel
Kontrollversuch	90 bis 120	groß

Die Prüfungen wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Andrückkraft P 4,5 kg

Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe 5 m/s Schmierung Mit einem Gemisch von Öl (IC W 4C) und

Kerosin im Volumenverhältnis von 1:9. Das Schmiermittel wird in Form von aufeinanderfolgenden Tröpfchen in einer Menge von 1 cm³/min aufgetragen.

Die Maschine wird solange laufen gelassen, bis ein Festfressen festgestellt wird. Die Dauer der Prüfung wird aufgezeichnet. Die Ergebnisse sind in der Tabelle III angegeben.

Tabelle III

Zeit (h) bis zum trkennen eines Fastfressens

Beispiel I 2,5

Beispiel II 3,5

Kcntrollversuch I 2,0

Aus den obigen Angaben erkennt man, daß die gemäß der Erfindung ausgebildeten Gleitflächen eine höhere Abriebfestigkeit uno eine geringere Festfreßneigung haben als nach üblichen Verfahren ausgebildete Gleitflächen. Dabei kann das Substrat mit einen beliebiger, Metalischicht überzogen werden, doch werden bevorzugt Metalischichtsn mit einer Vickers-Härte über verwendet.

Vorsteheno /juroen Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, die ir. den Zeichnungen dargestellt sind. Die Erfindung ist aber nicht auf Einzelheiten dieser Ausführungsbeispiele eingeschränkt, die im Rahmen des Erfindungsgedankens abgeändert werden können.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Herstellen eines Gliedes mit einer Gleitfläche, dadurch gekennzeichnet, daß ein metallisches Substrat verwendet wird, das eine photolackuberzogene Fläche besitzt, der Photolacküberzug entsprechend einem Muster mit mindestens einem harten Teil und einer Mehrzahl von weichen Teilen ausgebildet wird, die weichen Teile des Photolacküberzuges entfernt und dadurch die darunterliegenden Bereiche des Metallsubstrats freigelegt werden, bei auf dem Metallsubstrat vorhanderem, hartem Teil des Photolacküberzuges das Metallsubstrat geätzt und dadurch in den genannten Bereichen mit Grübchen ausgebildet wird, bei auf dem Metallsubstrat vorhandenem, hartem Teil des Photolacküberzuges auf die Oberfläche des Metallsubstrats ein schmelzflüssiger Füllstoff gesprüht / wird, so daß die Grübchen mit einem porösen, ölhaltefähi- _n gen Füllstoff gefüllt werden, und danach der harte Teil des Photolacküberzuges von dem Metallsubstrat entfernt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Molybdän als Füllstoff verwendet wird.

J. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Füllstoff Chrom oder ein chromhaltiges Material verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat aus Gußeisen verwendet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat verwendet wird, das mit einen harten Metallschicht überzogen ist, der die genannte Fläche bildet.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Muster photographisch mit Hilfe einer Maske erzeugt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der harte Teil des Photolacküberzuges zum Einfangen von auf dem harten Teil auf treffenden Teilchen des versprüh ten Füllstoffes geeignet ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grübchen mit dem Füllstoff im wesentlichen vollstän dig ausgefüllt werden.