DE3922377C2

DE3922377C2 - Method for treating the mechanically or electrochemically honed cylinder running surfaces of internal combustion engines

Info

Publication number: DE3922377C2
Application number: DE3922377A
Authority: DE
Inventors: Hans-Wilhelm Prof Dr Bergmann; Horst Dipl Ing Lindner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1989-07-07
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1997-02-13
Anticipated expiration: 2009-07-08
Also published as: DE3922377A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln der mechanisch oder elektrochemisch gehonten Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen aus Metall mittels einer Laserstrahlung, deren Energiedichte zur Bildung eines Plasmas über der behandelten Zylinderlauffläche ausreicht.The invention relates to a method for treating the mechanically or Electrochemically honed cylinder treads of internal combustion engines Metal by means of a laser radiation whose energy density to form a Plasmas sufficient over the treated cylinder surface.

In neuerer Zeit werden Laser vermehrt zur Behandlung der Funktions-Ober flächen von metallischen Bauteilen eingesetzt. Neben den bereits häufige ren Anwendungen wie Schneiden und Schweißen wurden auch bereits das Umschmelzhärten und das Aufschmelzlegieren vorgeschlagen. Ferner hat man erkannt, daß mit Lasersystemen Oberflächenveredelungen, wie Glät ten, Ausheilen von Fehlstellen etc. möglich sind.In recent times, lasers are increasingly used to treat the functional upper surfaces of metallic components used. In addition to the already common Renewable applications such as cutting and welding have already been introduced Remelting and smelting proposed. Further has it is recognized that with laser systems surface refinements, such as Glät th, healing of defects etc. are possible.

Für die Elektronikfertigung zeichnet sich als besonders geeignet der Einsatz von UV-Licht ermittierenden Excimerlasern ab, die zum einen eine Bearbei tung im Submikrometerbereich und zum anderen photoinduzierte Prozesse ermöglichen, bei denen die Quantenenergie des Laserlichtes direkt in den Prozeß eingebracht wird und nicht zunächst in Wärme umgewandelt werden muß (vgl. z. B. die Bibliothek der Technik 1987, Band 5, "Industrielaser" 87/00916).For electronics production is particularly suitable for use from UV light emitting excimer lasers, on the one hand a Bearbei Submicron and on the other photoinduced processes allow the quantum energy of the laser light directly into the Process is introduced and not first be converted into heat must (see eg the library of the technology 1987, volume 5, "industrial laser" 87/00916).

In "Elektrowärme International" 47 (1989) B3/Juni, Seite B 161, ist ein gattungsbildendes Verfahren zum Randschichtumschmelzen eines GGG60-Zylinders einmal ohne laserindu ziertem Plasma und einmal mit laserinduziertem Plasma beschrieben. Inter essant ist dabei, daß bei einer Anwendung ohne laserinduziertem Plasma eine geringere Rauhtiefe der umgeschmolzenen Zone als umgekehrt auftritt. In beiden Versuchen liegt jedoch ein eindeutiges Härten mit sich ausbilden dem Ledeburit vor.In "Elektrowärme International" 47 (1989) B3 / June, page B 161, is a generic method for Surface layer remelting of a GGG60 cylinder once without laserindu decorated plasma and once with laser-induced plasma. Inter It is interesting that in an application without laser-induced plasma a lower roughness depth of the remelted zone than vice versa occurs. In both experiments, however, is a clear hardening with training the Ledeburit ago.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines gattungsgemäßen Verfah rens, mit dem die Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen aus Metall bei relativ geringem Bearbeitungsaufwand hinsichtlich der tribologischen Eigenschaften und/oder Festigkeitseigenschaften und/oder ihrer Ferti gungsgüte verbessert werden.The object of the invention is to provide a generic method rens, with which the cylinder surfaces of internal combustion engines made of metal at a relatively low processing cost in terms of tribological Properties and / or strength properties and / or their Ferti be improved gungsgüte.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst. Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildun gen des Verfahrens sind in den Patentansprüchen 2-4 angeführt.This object is achieved according to the invention with the characterizing features of claim 1. Appropriate and advantageous further education gene of the method are given in the claims 2-4.

Technische Metalloberflächen, die an der Atmosphäre verarbeitet oder auf bewahrt werden, weisen häufig die im folgenden beschriebene Schichtstruktur auf:
Das reine Metall ist mit einer oder mehreren Lagen von nichtmetallisch, an organischen Verbindungen bedeckt (vorzugsweise Oberflächenoxyde). Es folgen organische Schichten (z. B. Schmiermittelrückstände, Staub, Fett, usw.), die an der Oberfläche nur schwach gebunden sind. Werden die Bau teile während der Weiterverarbeitung verformt, so kompliziert sich die Ober flächenstruktur noch weiter. Es kann zu Überwalzungen kommen, Teile der Oberflächenverunreinigungen werden eingewalzt und abgesplitterte Teil chen können in das Material hineingelangen (Trümmerschicht).Industrial metal surfaces that are processed or stored in the atmosphere often have the layer structure described below:
The pure metal is covered with one or more layers of non-metallic organic compounds (preferably surface oxides). This is followed by organic layers (eg lubricant residues, dust, grease, etc.), which are only weakly bound to the surface. If the construction parts are deformed during further processing, the surface structure becomes even more complicated. It can come to Überwalzungen, parts of the surface impurities are rolled and chipped Part Chen can get into the material (debris layer).

Bei mehrphasigen Werkstoffen werden weichere, leichter verformbare Gefü gebestandteile sich über die härteren, verschließbeständigeren Gefügebe standteile legen, so daß an der Oberfläche häufig ein völlig unerwünschtes Eigenschaftsprofil vorliegt. Wird der mechanischen Bearbeitung eine Ober flächenbehandlung nachgeschaltet (thermisch, chemisch, thermochemisch), so kann der Zustand der mechanisch behandelten Oberfläche aufgrund der hohen Defektdichte oder wegen eingeprägter Trümmer sich negativ auf die Oberflächenbehandlung auswirken. Beispiele sind Risse aufgrund eines zu hohen Verformungsgrades, Bindungsfehler aufgrund von Verunreinigungen sowie Entstehung unerwünschter Phasen aufgrund von Fremdkeimwirkung.In multiphase materials softer, easily deformable Gefü The ingredients are the harder, more resistant to clogging lay constituents, so that on the surface often a completely undesirable Property profile exists. Is the mechanical processing an upper surface treatment downstream (thermal, chemical, thermochemical), Thus, the state of the mechanically treated surface due to high defect density or due to embossed debris negatively on the Surface treatment impact. Examples are cracks due to a too high degree of deformation, binding errors due to impurities as well as emergence of unwanted phases due to foreign germ effects.

Belichtet man mechanisch und/oder elektrochemisch gehonte Zylinderlauf flächen von Brennkraftmaschinen erfindungsgemäß mit der UV-Strahlung eines Excimerlasers ein- oder mehrmals, so können innerhalb der angege benen Verfahrensparameter und der gewählten Beaufschlagung die Laufflä chen geglättet, poliert, trocken geätzt oder nur von Rückständen gereinigt werden.Is illuminated mechanically and / or electrochemically honed cylinder barrel surfaces of internal combustion engines according to the invention with the UV radiation of an excimer laser one or more times, so can angege within the angege process parameters and the selected loading the Laufflä smoothed, polished, etched dry or cleaned only from residues become.

So kann bei einem Bauteil aus Gußeisen erreicht werden, daß die nach der mechanischen Bearbeitung ggf. durch Materialüberlappungen zugeschmier ten Graphitnester im Oberflächenbereich freigelegt werden, so daß eine tri bologisch besonders günstige Lauffläche geschaffen ist.So can be achieved in a component made of cast iron that after the mechanical machining possibly smeared by material overlaps Graphite nests are exposed in the surface region, so that a tri bologisch particularly favorable tread is created.

Bei einem Bauteil aus einer Aluminium-Silizium-Legierung kann gemäß Pa tentanspruch 3 mit den angegebenen Parametern das Aluminium gegenüber den ausgeschiedenen Primärsilicium-Kristallen zurückgesetzt werden, wo durch eine harte, verschleißfeste Gleitschicht geschaffen ist.In the case of an aluminum-silicon alloy component, according to Pa tentanspruch 3 with the specified parameters the aluminum compared the precipitated primary silicon crystals are reset, where is created by a hard, wear-resistant sliding layer.

Gemäß den Merkmalen der Patentansprüche 2 und 3 kann die definierte Leistungsdichte entsprechend der angewendeten Wellenlänge des UV- Lichtes modifiziert werden. Wird beispielsweise mit einem Excimerlaser mit einer Wellenlänge von 193 nm gearbeitet, so soll die Leistungsdichte insbe sondere 1/3 der für eine Wellenlänge von 308 nm angegebenen Leistungsdichte sein.According to the features of claims 2 and 3, the defined Power density according to the applied wavelength of the UV Light be modified. For example, with an excimer laser with worked a wavelength of 193 nm, so the power density esp In particular, be 1/3 of the specified for a wavelength of 308 nm power density.

Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden näher be schrieben. Die schematische Zeichnung zeigt inSeveral embodiments of the invention will be closer in the following wrote. The schematic drawing shows in

Fig. 1 in einer Kurve den Zusammenhang zwischen der Oberflächenrauhig keit eines Bauteiles über der aufgebrachten Energiedichte mit einem UV-Licht emittierenden Excimerlaser; Figure 1 is a graph showing the relationship between the surface roughness of a component over the applied energy density with a UV-emitting excimer laser.

Fig. 2 Linien gleicher Oberflächenbehandlung bei verschiedenen Laserwel lenlängen am Beispiel eines Bauteiles aus CuSn6. Fig. 2 lines of the same surface treatment at different Laserwel lenlängen the example of a component of CuSn6.

Die Fig. 1 zeigt den im Patentanspruch 1 definierten Bereich der Energie dichte (schraffiert) von -10 bis +10 mJ/mm² ausgehend von einer Leistungs dichte X, die bei einem spezifischen Werkstoff zur Entstehung des Metall plasmas (laserinduziertes Plasma) erforderlich ist. In der Kurve entspricht der niedrig liegende Ast dem Bereich hoher Reflexion, in dem die Lei stungseinkoppelung in das Werkstück relativ gering ist. Der steil anstei gende Ast entspricht dem engen Bereich der kritischen Intensität, dessen ungefähres Mittel die Leistungsflußdichte X definiert. Der hochliegende Ast entspricht dem Bereich auftretenden Metallplasmas, bei dem bei einer ho hen Leistungseinkopplung die Eindringtiefe wesentlich steigerbar ist. Fig. 1 shows the defined in claim 1 range of energy density (hatched) from -10 to +10 mJ / mm², starting from a power density X, which is required for a specific material for the formation of the metal plasma (laser-induced plasma). In the curve, the low-lying branch corresponds to the region of high reflection, in which the Lei stungseinkoppelung in the workpiece is relatively low. The steeply rising branch corresponds to the narrow range of the critical intensity whose approximate mean defines the power flux density X. The high-lying branch corresponds to the area occurring metal plasmas, in which at a ho hen power input, the penetration depth is significantly increased.

Die erfindungsgemäße Behandlung der Oberfläche soll im Bereich der kriti schen Intensität bzw. bis 10 mJ/mm² darunter oder darüber liegen, je nach Werkstoff, Bauteilkonfiguration und Anwendungsart.The treatment according to the invention of the surface should be in the range of kriti intensity or up to 10 mJ / mm² below or above, depending on Material, component configuration and application type.

Die Fig. 2 zeigt Linien zur Modifikation der Leistungsdichte bei gleicher Oberflächenbehandlung abhängig von der Wellenlänge nm des Laserlichts. Liegt beispielsweise bei einem Bauteil aus CuSn6 der Wert X bei einer Wellenlänge von 308 nm bei 30 mJ/mm², so ist dieser bei einer Wellenlänge von 193 nm auf 10 mJ/mm zu verschieben. Es versteht sich, daß auch die Pulsdauer in ns des Laserlichts die angegebenen Werte beeinflußt und dementsprechend auf die Anwendungsart anzupassen ist. FIG. 2 shows lines for modifying the power density with the same surface treatment as a function of the wavelength nm of the laser light. If, for example, the value X at a wavelength of 308 nm is 30 mJ / mm² for a component made of CuSn6, this must be shifted to 10 mJ / mm at a wavelength of 193 nm. It is understood that the pulse duration in ns of the laser light affects the specified values and is accordingly adapted to the application.

Embodiment 1

Bearbeitet wurden die Laufflächen eines Zylinderblockes einer Brennkraft maschine aus GGG (sphärolithischer Grauguß), die vorhergehend in übli cher Weise gebohrt und mechanisch gehont wurden. Dabei waren in be kannter Weise durch die Einwirkung der Bearbeitungswerkzeuge ein großer Anteil der Graphitsphärolithen zugeschmiert bzw. ein sogenannter Blech mantel entstanden.The treads of a cylinder block of an internal combustion engine were processed Machine made of GGG (spherulitic gray cast iron), previously in übli They were drilled and mechanically honed. It was in be Known manner by the action of the processing tools a large Share of graphite spherulites smeared or a so-called sheet metal coat emerged.

Durch die UV-Belichtung der Laufflächen mit einem Excimerlaser konnten die Graphitsphärolithen freigelegt werden. Die Verfahrensparameter waren hier:By UV exposure of the treads with an excimer laser could the graphite spherulites are exposed. The process parameters were here:

Wellenlänge|248 nmWavelength | 248 nm Pulszeitpulse time 30 ns30 ns Energiedichteenergy density 30 mJ/mm²30 mJ / mm² Pulszahlpulse rate 11 Leistungsdichtepower density 1 × 10⁸ W/cm²1 × 10⁸ W / cm²

Embodiment 2

Bei einem Zylindergehäuse einer Brennkraftmaschine aus einer übereutekti schen AlSi-Legierung wurden die Laufflächen trocken geätzt, um die wei chen Gefügebestandteile gegenüber dem ausgeschiedenen Primär-Silicium- Gefüge zurückzusetzen. Dies erhöht den Traganteil der verschleißfesteren Gefügebestandteile und schafft die zur Aufrechterhaltung eines Schmieröl filmes auf der Lauffläche notwendigen Grübchen.In a cylinder housing of an internal combustion engine from a hypereutectic AlSi alloy, the treads were dry etched to the white structural constituents in relation to the excreted primary silicon Reset structure. This increases the carrying percentage of the more wear-resistant Microstructural constituents and creates the for maintaining a lubricating oil filmes on the tread necessary dimples.

Bei herkömmlicher Verfahrensweise ist der ätztechnische Prozeß aufwendig und bedingt durch die anfallenden Ätzmittel einen entsprechenden Reini gungs- und Entsorgungsaufwand.In conventional procedure, the etching process is expensive and due to the resulting etchant a corresponding Reini supply and disposal costs.

Durch Belichtung mit einem Excimerlaser gelang es, die harten Gefügebe standteile freizulegen und die weichen Gefügebestandteile zurückzusetzen. Die Behandlung entspricht einem quasi trockenem Ätzen. Die Verfahrenspa rameter waren wie folgt eingestellt:By exposure to an excimer laser, the hard structure was able to be achieved expose constituents and reset the soft structural components. The treatment corresponds to a quasi-dry etching. The process pa parameters were set as follows:

Wellenlänge|308 nmWavelength | 308 nm Pulszeitpulse time 250 ns250 ns Energiedichteenergy density 10 mJ/mm²10 mJ / mm² Pulszahlpulse rate 100100 Leistungsdichtepower density 4 × 10⁶ W/cm²4 × 10⁶ W / cm²

Als besonders vorteilhaft hat sich das erfindungsgemäße Verfahren zur Be handlung der Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen zur Freilegung zugeschmierter Graphitnester gemäß Ausführungsbeispiel 1 erwiesen, mit dem die tribologischen Eigenschaften und insbesondere das Einlaufverhal ten der Laufflächen deutlich verbessert werden konnten.Be particularly advantageous method of the invention has Be act the cylinder surfaces of internal combustion engines to expose smeared graphite nests according to Embodiment 1 proved, with the tribological properties and in particular the Einlaufverhal treads were significantly improved.

Claims

1. A method for treating the mechanically or electrochemically honed cylinder bore surfaces of internal combustion engines made of metal by means of a laser radiation whose energy density is sufficient to form a plasma on the treated cylinder surface, characterized in that

a) the tread is irradiated one or more times with the UV radiation of an excimer laser, wherein
b) the tread at a depth between 0.01 microns to 1 micron is applied with an energy density between 10 mJ / mm² below to 10 mJ / mm² above the energy density, which leads to the formation of the plasma.

2. The method according to claim 1, characterized in that in components cast iron and using one wavelength light of 308 nm and a pulse duration of 20 ns to 250 ns exposure with a power density of 1 × 10⁷ W / cm² to 30 × 10⁷ W / cm², preferably example of 5 × 10⁷ W / cm², one to forty times, especially one to ten times, and when using a light with a Wavelength of 193 nm 1/2 to 1/4, especially 1/3, this Lei density is selected.

3. The method according to claim 1, characterized in that in components made of cast materials, in particular AlSi alloys, and in Verwen of a light having a wavelength of 308 nm and a pulse from 20 ns to 250 ns an exposure with a power density of 0.1 × 10⁷ W / cm² to 30 × 10⁷ W / cm², in particular 0.5 × 10⁷ W / cm², two up to two hundred times, and when using a light with a wavelength of 193 nm 1/2 to 1/4, especially 1/3, this Power density is selected.

4. The method according to claim 3, characterized in that four to one a hundred times, in particular thirty to sixty times, is exposed.