DE4009714A1 - Einzelzylinder bzw. mehrzylinderblock - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen in einer metallischen Dauerform gegossenen, buchsenlosen Einzelzylinder oder Mehrzylinderblock aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen mit in der Aluminiummatrix eingebetteten, gleichmäßig darin verteilten, über die Zylinderlaufbahn um 0,5 bis 10 µm, vorzugsweise 2 bis 5 µm, herausragenden, mechanisch geglätteten und eine Größe von 20 bis 80 µm, vorzugsweise 30 bis 60 µm, aufweisenden Siliziumkörnern.

Aluminiumlegierungen sind unter heutigen Gesichtspunkten die wichtigsten Zukunftswerkstoffe im Kraftfahrzeugbau mit steigender Anwendungstendenz. Primär wird dabei neben anderen Vorzügen der Gewichtsvorteil gegenüber Eisenwerkstoffen ausgenutzt. Dies hat spürbare Auswirkungen nicht nur beim Kolben, sondern ganz besonders auch beim Einzelzylinder und Mehrzylinderblock als dem schwersten Einzelteil eines Kraftfahrzeugs. So sind Gewichtsreduzierungen von 40 bis 60% durch die Umstellung des Mehrzylinderblocks von Grauguß auf Aluminiumlegierungen für den Motorblock realisierbar bzw. bereits realisiert. In der Z.: MTZ Motortechnische Zeitschrift 35 (1974), S. 33-41 ist ein aus einer übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierung des Typs AlSi17Cu4 im Niederdruck-Gießverfahren hergestellter Zylinder dargestellt. Eine Herstellung im Druckgußverfahren ist ebenfalls möglich. Die in der Zylinderlaufbahn durch Primärausscheidung aus der übereutektischen Aluminiumlegierung erzeugten, gleichmäßig verteilten und gleichmäßig ausgebildeten Siliziumkörner besitzen eine Korngröße zwischen 30 und 80 µm. Nach dem Gießen des Einzelzylinders bzw. Mehrzylinderblocks wird die Zylinderbohrung durch Vor- und Feinbohren mechanisch bearbeitet und anschließend vor- und feingehont, so daß die Siliziumkörner geglättet sind und zunächst mit der umgebenden Aluminiumlegierungsmatrix eine Ebene bilden. Nach dem Honvorgang wird die Aluminiumlegierungsmatrix zwischen den Siliziumkörnern durch elektrochemische Bearbeitung leicht zurückgesetzt, so daß die Siliziumkörner als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft aus der unbewehrten Zylinderlaufbahn geringfügig, d. h. um 2 bis 5 µm herausragen. Eine solche Zylinderlaufbahn kann nur in der Kombination mit einem wenigstens am Kolbenschaft mit einer Eisenschicht von etwa 20 µm Dicke beschichteten Leichtmetallkolben benutzt werden, um bei extremen Laufbedingungen unter allen Umständen einen Kontakt zwischen der Aluminiumlegierungsmatrix der Zylinderlaufbahn und dem Leichtmetall des Kolbens zu vermeiden. Durch die Eisenbeschichtung des Kolbenschafts wird der Kolbenschaftverschleiß erheblich gesenkt und die Freßneigung zwischen Kolbenschaft und Zylinderlaufbahn eliminiert. Der Nachteil eines vorstehend beschriebenen Einzelzylinders bzw. Mehrzylinderblocks besteht darin, daß der gesamte Zylinderblock aus einer mit beachtlichem Aufwand hergestellten übereutektischen Hütten-Aluminiumlegierung gegossen ist. Infolge des hohen Siliziumgehalts tritt ein erhöhter Werkzeugverschleiß bei der mechanischen Bearbeitung des Zylinderblocks auf.

Bekannt sind auch buchsenlose Einzelzylinder bzw. Mehrzylinderblöcke aus einer Aluminiumlegierung des Typs AlSi9Cu3, bei denen auf die Oberfläche der Zylinderbohrung eine auf galvanischem Weg erzeugte, 50 bis 80 µm dicke Grundschicht aus Nickel mit darin dispergierten Siliziumcarbidteilchen einer Größe von 1 bis 3 µm aufgebracht ist. Die Zylinderlaufbahn wird anschließend gehont. Die Siliziumcarbidteilchen dienen als Traggerüst für Ringe und Kolbenschaft. Die Herstellung der Nickel-Dispersionsbeschichtung ist mit einem nicht unerheblichen Verfahrensaufwand verbunden. Insbesondere sind im Rahmen der Galvanikanlage Entgiftungseinrichtungen für die Vorbehandlungsbäder notwendig. Der bei der Entsorgung anfallende Schlamm muß gesammelt und vorschriftsmäßig beseitigt werden und in den Arbeitsbereichen der Beschichtungsbäder müssen Abzüge mit eingebauten Waschanlagen installiert sein. Hinzu kommt, daß im Reparaturfall die Handhabung der Regenerierung der Zylinderbohrungen aufwendig und umständlich ist.

In neuerer Zeit ist in der DE-A 37 25 495 ein Mehrzylinderblock für Verbrennungskraftmaschinen vorgeschlagen worden, bei der die Zylinderlaufbahn aus einem zylindrischen, faserverstärkten Abschnitt aus einer Mischung aus einer auf Aluminiumoxid basierenden Faser mit einem Volumenanteil von 8 bis 20% und einer Kohlenstoffaser mit einem Volumenanteil von 0,3 bis 15% mit einer Leichtmetallmatrix besteht, wobei die auf Aluminiumoxid basierende Faser bis zu 25% Siliziumoxid enthält. Bei einer derartig ausgebildeten Zylinderlaufbahn ist nach wie vor der Einsatz eines Leichtmetallkolbens erforderlich, dessen Mantel eine galvanisch abgeschiedene, durch eine ebenfalls galvanisch abgeschiedene Zinnschicht abgedeckte Eisenschicht aufweist, um einen Kontakt zwischen der Aluminiumlegierungsmatrix des Mehrzylinderblocks und dem Leichtmetallkolben zu vermeiden. Die in der Zylinderlauffläche infiltrierte Hybrid-Faser ist teuer und die tribologischen Eigenschaften unter Betriebsbedingungen sind schlechter als diejenigen der aus übereutektischen Aluminium-Siliziumlegierungen hergestellten Zylinderlaufflächen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, den eingangs angeführten Einzelzylinder bzw. Mehrzylinderblock so zu gestalten, daß dieser aus mit vergleichsweise geringerem Aufwand herstellbarer untereutektischer, vorzugsweise Umschmelz-Aluminiumlegierung, bestehen kann, wobei nur in der Zylinderlauffläche tribologische Eigenschaften eingestellt werden, die ähnlich denjenigen der übereutektischen Legierungen sind.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß in den Zylinder ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutektischer Aluminiumlegierung penetrierter hohlzylinderförmiger Formkörper aus keramischen Fasern mit darin eingefügten Siliziumkörnern eingegossen ist. Die Siliziumkörner ragen als Traggerüst für die Kolbenringe und den Kolbenschaft aus der Zylinderlaufbahn heraus, wobei der Faseranteil und der Anteil an Siliziumkörnern so groß ist, daß ein großflächiger Kontakt zwischen der Aluminiumlegierungsmatrix des Zylinders und dem wenigstens an seinem Kolbenschaft mit einer Eisenschicht beschichteten Leichtmetallkolben nicht entstehen kann. Mit einer derartig gestalteten Zylinderlaufbahn lassen sich die guten herausragenden tribologischen Eigenschaften des aus übereutektischer Hütten-Aluminiumlegierung des Typs AlSi17Cu4Mg gegossenen Einzelzylinders bzw. Mehrzylinderblocks erreichen, während die Bearbeitung der übrigen Oberflächen des Einzelzylinders bzw. Mehrzylinderblocks eines vergleichsweise deutlich niedrigeren Bearbeitungsaufwands bedarf.

Zweckmäßigerweise besitzt der Faserformkörper eine Wanddicke von 0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 1,5 bis 5 mm.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal beträgt der Faseranteil des Formkörpers 5 bis 30 Vol.-% und der Anteil an Siliziumkörnern 30 bis 60 Gew.-%, bezogen auf den Faseranteil.

Es ist fertigungstechnisch angebracht, die Fasern parallel zur Zylinderachse, innerhalb der konzentrischen Zylinderflächen des Faserformkörpers jedoch statistisch regellos auszurichten. Die Fasern können allerdings auch beliebige Winkel mit der Zylinderachse bilden, ohne daß dadurch die angestrebte Funktion in irgendeiner Weise beeinträchtigt wird. Da der Faserformkörper als Halterung für die Siliziumkörner dient, sind an die verwendeten Fasern keine erhöhten Anforderungen zu stellen.

Bei den verwendeten Fasern beträgt der Durchmesser 2 bis 25 µm und das Längen/Durchmesser-Verhältnis 5 bis 25. Im Rahmen der weiteren Ausbildung der Erfindung werden vorzugsweise Fasern aus Aluminiumoxid oder Aluminiumsilikat eingesetzt.

Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal können die Siliziumkörner ganz oder teilweise durch Hartstoffkörner in Form von Siliziumcarbid, Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadiumcarbiden, -nitriden, -siliziden einzeln oder zu mehreren ersetzt sein.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des Einzelzylinders bzw. des Mehrzylinderblocks wird der auf 400 bis 600°C erwärmte Faserformkörper auf die Pinole der Gießform aufgesetzt und die Aluminiumlegierungsschmelze mit einer Temperatur von 650 bis 800°C in die Gießform eingefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht.

Vorzugsweise wird die Schmelze unter einem Druck von wenigstens 30 bar, insbesondere jedoch 200 bis 1000 bar, zur Erstarrung gebracht.

Es ist auch möglich, anstelle des Druckgießverfahrens die Aluminiumlegierungsschmelze bei einem niedrigen Druck von 1,2 bis 2,0 bar zur Erstarrung zu bringen.

Der Faserformkörper wird in vorteilhafter Weise nach der sogenannten Saugformmethode hergestellt, bei der ein hohlzylinderförmiger, am Boden geschlossener Filter in eine wäßrige alkoholische Suspension aus Fasern, Siliziumkörnern und/oder Hartstoffkörnern und organischem und/oder anorganischem Bindemittel eingetaucht wird. Durch Absaugen der Flüssigkeit aus dem Filterinneren wird auf dem Außenmantel des Filters ein aus Fasern bestehendes Vlies mit darin eingefügten Siliziumkörnern und/oder Hartstoffkörnern gebildet. Nach dem Abnehmen des Vlies wird dieses bei Temperaturen von 800 bis 1000°C gesintert und dabei so verfestigt, daß es anschließend zur Herstellung einer glatten Oberfläche wenigstens am Außenmantel problemlos mechanisch bearbeitet werden kann. Der so vorbehandelte Faserformkörper ist auf die Pinole der Gießform aufsetzbar.

Eine andere Möglichkeit der Herstellung des Faserformkörpers besteht darin, die wäßrige alkoholische Suspension aus Fasern, Siliziumkörnern und/oder Hartstoffkörnern und Bindemittel in der Dicke des Faserformkörpers unmittelbar auf die Pinole aufzuspritzen und dann die Aluminiumlegierungsschmelze mit einer Temperatur von 650 bis 800°C in die Gießform einzufüllen und unter Druck zur Erstarrung zu bringen.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielhaft dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen ausschnittsweisen Längsschnitt durch einen Zylinder eines Mehrzylinderblocks und

Fig. 2 das Detail X der Fig. 1 in 250facher Vergrößerung.

In den aus einer untereutektischen Aluminiumlegierung des Typs AlSi9Cu3 mit einem Druck von 300 bar gegossenen Mehrzylinderblock (1) sind die Zylinderlaufbahn (2) bildende, mit der Aluminiumlegierung penetrierte hohlzylinderförmige Formkörper (3) von 3 mm Wanddicke aus Aluminium-Oxidfasern (4) mit einer mittleren Länge von 80 µm und einem Durchmesser von 5 µm mit darin eingefügten Siliziumkörnern (5) von 30 bis 60 µm Größe eingegossen. Im Schliff bedecken die Siliziumkörner 12 bis 15% der Fläche. Der Fasergehalt beträgt 25 Vol.-%. Die Fasern sind im wesentlichen parallel zur Zylinderachse ausgerichtet, innerhalb der konzentrisch zur Zylinderachse verlaufenden Zylindermantelflächen ist ihre Orientierung statistisch regellos. Der Anteil der Siliziumkörner (5) beträgt 40 Gew.-%, bezogen auf den Anteil an Fasern (4). Nach dem Gießen wird die Zylinderbohrung (6) mechanisch durch Vor- und Feinbohren bearbeitet. Die beim Vor- und Feinbohren zerstörten Siliziumkörner (5) werden durch Vor- und Feinhonen entfernt. Nach dem Feinhonen erfolgt als letzter Bearbeitungsschritt eine elektrochemische oder stromlose Ätzung. Dabei wird z. B. im elektrochemischen Ätzvorgang unter Verwendung von Natriumnitrat die beim Honvorgang über die Siliziumkörner geschmierte Aluminiumlegierung entfernt und die Aluminiummatrix zwischen den Siliziumkörnern leicht, im Mittel um 3 µm, zurückgesetzt.

Claims (11)

1. In einer metallischen Dauerform gegossener, buchsenloser Einzelzylinder oder Mehrzylinderblock aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen mit in der Aluminiummatrix eingebetteten, gleichmäßig darin verteilten, über die Zylinderlaufbahn um 0,5 bis 10 µm, vorzugsweise 2 bis 5 µm, herausragenden, mechanisch geglätteten und eine Größe von 20 bis 80 µm, vorzugsweise 30 bis 60 µm, aufweisenden Siliziumkörnern, dadurch gekennzeichnet, daß in den Zylinder ein die Zylinderlaufbahn bildender, mit untereutektischer Aluminiumlegierung (1) penetrierter hohlzylinderförmiger Formkörper (3) aus keramischen Fasern (4) mit darin eingefügten Siliziumkörnern (5) eingegossen ist.

2. Zylinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke des Faserformkörpers (3) 0,5 bis 10 mm, vorzugsweise 1,5 bis 5 mm, beträgt.

3. Zylinder nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Faseranteil des Formkörpers (3) 5 bis 30 Vol.-% und der Siliziumanteil 30 bis 60 Gew.-%, bezogen auf den Faseranteil, betragen.

4. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Fasern (4) 2 bis 25 µm und das Längen/Durchmesser-Verhältnis 5 bis 25 beträgt.

5. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern (4) aus Aluminiumoxid oder Aluminiumsilikat bestehen.

6. Zylinder nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Siliziumkörner ganz oder teilweise durch Hartstoffkörner in der Form von Siliziumcarbid, Chrom-, Wolfram-, Molybdän-, Titan-, Niob-, Vanadiumcarbiden, -nitriden, -siliziden einzeln oder zu mehreren ersetzt sind.

7. Verfahren zur Herstellung des Einzelzylinders bzw. Mehrzylinderblocks nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der auf eine Temperatur von 400 bis 600°C erwärmte Faserkörper auf die Pinole der Gießform aufgesetzt und die Aluminiumlegierungsschmelze mit einer Temperatur von 650 bis 800°C in die Gießform eingefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierungsschmelze unter einem Druck von wenigstens 30 bar, vorzugsweise 200 bis 1000 bar, zur Erstarrung gebracht wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierungsschmelze unter einem Druck von 1,2 bis 2 bar zur Erstarrung gebracht wird.

10. Verfahren zur Herstellung des Faserformkörpers für die Verwendung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Faserformkörper nach der Saugformmethode, bei der ein hohlzylinderförmiger, am Boden geschlossener Filter in eine wäßrige alkoholische Suspension aus Fasern, Siliziumkörnern und/oder Hartstoffkörnern und organischem und/oder anorganischem Bindemittel eingetaucht, durch Absaugen der Flüssigkeit aus dem Filterinneren auf dem Außenmantel des Filters ein aus Fasern bestehendes Vlies mit darin eingefügten Siliziumkörnern und/oder Hartstoffkörnern geformt, das Vlies bei Temperaturen von 800 bis 1000°C erwärmt und anschließend mechanisch bearbeitet wird, erzeugt wird.

11. Verfahren zur Herstellung des Einzelzylinders bzw. Mehrzylinderblocks nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine wäßrige alkoholische Suspension aus Fasern, Siliziumkörnern und/oder Hartstoffkörnern und organischem und/oder anorganischem Bindemittel auf die Pinole der Gießform in der Dicke des Faserformkörpers aufgespritzt und dann die Aluminiumlegierungsschmelze mit einer Temperatur von 650 bis 800°C in die Gießform eingefüllt und unter Druck zur Erstarrung gebracht wird.