DE3601319C2

DE3601319C2 -

Info

Publication number: DE3601319C2
Application number: DE3601319A
Authority: DE
Inventors: Tsutomo Higashi-Hiroshima Hiroshima Jp Shimizu; Kouji Tarumoto; Satoshi Hiroshima Jp Nanba
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1985-01-18
Filing date: 1986-01-17
Publication date: 1987-05-21
Also published as: US4678738A; DE3601319A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Gleitfläche, beispielsweise einer Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Übliche Verbrennungsmotoren besitzen Zylinderblöcke mit Zylinderbohrungen, 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 zum Halten von Schmieröl ausgebildet sind. 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.

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. Das übliche Verfahren zum Ausbilden eines 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 29 68 555 (H. M. Bendler et al.) ist ein Verfahren angegeben, in dem die Metallflächen 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 höheren 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.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches Verfahren zur Ausbildung einer Gleitfläche zu schaffen, die auch bei hoher Gleitgeschwindigkeit dauerhaft und verschleißfest ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Dadurch, daß die Grübchen auf der Oberfläche des Metallsubstrats in der angegebenen Weise mit einem porösen, ölhaltefähigen Füllstoff gefüllt werden, wird ein genügendes Ölhaltevermögen gerade auch bei hohen Gleitgeschwindigkeiten erreicht. Es ist also auch bei hohen Gleitgeschwindigkeiten genügend Schmiermittel vorhanden, um eine ausreichende Schmierung sicherzustellen, was im Endergebnis zu der erhöhten Verschleißfestigkeit führt.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht der Füllstoff 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 auftreffenden Teilchen des versprühten Füllstoffes empfängt, 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

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

Fig. 2 zeigt in Seitenansicht eine Abriebprüfmaschine.

Fig. 3 zeigt aufeinanderfolgende Schritte eines Verfahrens zum Ausbilden einer Gleitfläche nach einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 4 zeigt aufeinanderfolgende Schritte eines Photoätzverfahrens.

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

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

In der Fig. 3 ist ein Verfahren zum Ausbilden der in Fig. 1 gezeigten Gleitfläche erläutert. Das mit der Metallschicht 2 überzogene Substrat 1 wird zunächst an der Oberfläche der Metallschicht 2 derart geschliffen oder gehont, daß die Gleitfläche 2 a gebildet wird. Danach wird die Gleitfläche 2 a entölt 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 Fig. 3 (a) bei 6 strichpunktiert angedeutet ist. Wenn ein Photolack verwendet wird, der unter der Einwirkung der Strahlen, für die er empfindlich ist, erhärtet, muß die Maske in den Grübchen 2 b 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 2 b entsprechenden Bereichen für diese Strahlen durchlässig sein. Die Maske braucht nicht direkt auf die Oberfläche 2 a der Metallschicht 2 aufgelegt zu werden, sondern sie kann auch in einem gewissen Abstand von der Fläche 2 a angeordnet werden. In diesem Fall kann das Muster der Maske mit Hilfe eines geeigneten optischen Systems auf der Fläche 2 a abgebildet werden.

Dann werden die Strahlen durch die Maske hindurch auf den Photolacküberzug 4 gerichtet, so daß in den den Grübchen 2 b 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 2 b entsprechenden Bereiche der Metallschicht 2 durch Ausnehmungen 4 a hindurch freigelegt, die durch Entfernen des Photolackes gebildet worden sind.

Danach wird die Metallschicht 2 einer Ätzbehandlung unterworfen, durch die in der Metallschicht 2 die in Fig. 3 (a) gezeigten Ölhaltegrübchen 2 b ausgebildet werden. Dann werden mit einer Plasmaspritzpistole Teilchen aus schmelzflüssigem Füllstoff durch die Ausnehmungen in dem Photolacküberzug 4 hindurch in die Grübchen 2 b gesprüht, wie dies in der Fig. 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 2 b mit dem Füllstoff gefüllt, wie das in der Fig. 3 (c) gezeigt ist. Der Füllstoff bildet in den Grübchen 2 b poröse Ablagerungen 3. Zum Entfernen des Photolacküberzuges 4 wird dieser gemäß der Fig. 3 (d) in eine geeignete Lösung, beispielsweise von Methylenchlorid, getaucht.

In der Fig. 4 sind Schritte eines Photoätzverfahrens erläutert, in dem zunächst auf dem Substrat ein Photolacküberzug 4 gebildet wird (Fig. 4 (a)) und dann auf den Überzug 4 eine Maske 6 gelegt wird, die strahlungsundurchlässige Bereiche 6 a besitzt (Fig. 4 (b)). Danach wird der Photolacküberzug 4 durch die Maske hindurch bestrahlt (Fig. 4 (c)). Dann wird die Maske 6 abgenommen. Nun werden durch einen Entwicklungsvorgang die unbestrahlten Bereiche 4 b entfernt, so daß nur die bestrahlten Bereiche 4 a zurückbleiben (Fig. 4 (d)). Danach wird das Substrat 1 dem vorgenannten Ätzverfahren unterworfen (Fig. 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 µm Dicke überzogen, die eine Vickers-Härte von 900 bis 1000 hatte und mit einem Honwerkzeug Nr. 1000 oberflächenbearbeitet wurde. Mit dem vorgenannten Photoätzverfahren wurden in der Chromschicht Ölhaltegrübchen von 20 µm 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 Form 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 porösem 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 1 wurde nach der Photoätzbehandlung 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 unterworfen, die gemäß Fig. 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 15 a angeordnet ist, der auf der Tragsäule 15 schwenkbar gelagert ist. Der Hebel 15 a 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 des Prüfkörpers 13 gedrückt. Der Schleifkörper ist ein Vierkant aus einer Schalenhartgußlegierung nach Tabelle I und ist an seiner Schleiffläche mit einer Schleifmaschine GC Nr. 60 auf eine Rauhtiefe von 1,6 a geschliffen und durch Strahlputzen mit Carborundumsand Nr. 20 auf eine Rauhtiefe von 10 bis 40 µm bearbeitet worden.

Tabelle I

Abriebprüfungen

Die Prüfungen wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Andrückkraft P44,1 N Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe5 m/s Prüfdauer10 min Schmierungkeine

Die Ergebnisse sind in der Tabelle II gezeigt.

Tabelle II

Festfreßprüfungen

Die Prüfungen wurden unter folgenden Bedingungen durchgeführt:

Andrückkraft P: 44,1 N
Umfangsgeschwindigkeit der Scheibe: 5 m/s
Schmierung: Mit einem Gemisch von Öl (10 W 40) 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

Aus den obigen Angaben erkennt man, daß die gemäß der Erfindung ausgebildeten Gleitflächen eine höhere Abriebfestigkeit und eine geringere Festfreßneigung haben als nach üblichen Verfahren ausgebildete Gleitflächen. Dabei kann das Substrat mit einer beliebigen Metallschicht überzogen werden, doch werden bevorzugt Metallschichten mit einer Vickers-Härte über 700 verwendet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils mit einer Gleitfläche, wobei
ein metallisches Substrat, das eine photolacküberzogene Fläche besitzt, verwendet wird,
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 und
bei auf dem Metallsubstrat vorhandenem, hartem Teil des Photolacküberzuges das Metallsubstrat geätzt und dadurch in den genannten Bereichen mit Grübchen ausgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß bei auf dem Metallsubstrat (1) vorhandenem, hartem Teil (4 b) des Photolacküberzuges (4) auf die Oberfläche (2 a) des Metallsubstrats ein schmelzflüssiger Füllstoff gesprüht wird, so daß die Grübchen (2 b) mit einem porösen, ölhaltefähigen Füllstoff (3) 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.

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

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grübchen mit dem Füllstoff im wesentlichen vollständig ausgefüllt werden.

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

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Substrat, dessen Oberfläche mit einer harten Metallschicht überzogen ist, verwendet wird.