DE4341293A1

DE4341293A1 - Gleitflächenaufbau

Info

Publication number: DE4341293A1
Application number: DE4341293A
Authority: DE
Inventors: Takahiro Gunji; Yoshikazu Fujisawa; Kazuhisa Okamoto; Masamune Tabata; Kenji Hirose
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1992-12-03
Filing date: 1993-12-03
Publication date: 1994-06-09
Anticipated expiration: 2013-12-04
Also published as: CA2110531C; GB9324891D0; FR2698924A1; CA2110531A1; GB2273748B; US5445684A; GB2273748A; FR2698924B1; DE4341293C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Gleitflächenaufbau, der eine Gleitfläche für ein Gegenelement bildet.

Ein herkömmlich bekannter, derartiger Gleitflächenaufbau ist bspw. eine Fe-plattierte Schicht, welche bei einem Kolben für eine Brennkraftmaschine um die Außenumfangsflä chen eines Stegabschnitts bzw. Bodenabschnitts (land por tion) und eines Schürzenabschnitts eines Basismaterials aus Aluminiumlegierung herum gebildet ist, um verbesserte Ab nutzungsbeständigkeit vorzusehen.

Unter den bestehenden Umständen, bei denen eine hohe Dreh zahl und hohe Ausgangsleistung der Brennkraftmaschinen ge wünscht sind, leiden die Gleitflächenaufbaue des Stands der Technik jedoch daran, daß sie unzureichende Ölrückhalte eigenschaft, d. h. Ölrückhaltevermögen, und mäßiges Anfangs formanpassungsvermögen sowie mäßige Freßbeständigkeit auf weisen. Darüber hinaus leiden die Gleitflächenaufbaue des Stands der Technik ferner an einer Schwierigkeit mit der Abnutzungsbeständigkeit und darüber hinaus daran, daß die Abnutzung der Innenwandung der Zylinderbohrung in einigen Fällen durch eine Eisen-plattierte Schicht hoher Härte fortschreiten kann, falls die Steg- und Schürzenabschnitte auf der Innenwandung einer Zylinderbohrung gleiten, wenn fast kein Schmiermittel vorhanden ist, wie bspw. beim An fangsstart der Maschine.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Gleitflächenaufbau der vorstehend genannten Art bereitzustellen, der durch Spezi fizieren seiner Kristall Struktur ausreichendes Ölrückhalte vermögen und gutes Anfangsformanpassungsvermögen aufweist, um hierdurch die Freßbeständigkeit der Gleitelemente zu verbessern.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Gleit flächenaufbau bereitgestellt, der aus einem Aggregat von Metallkristallen kubisch raumzentrierter Struktur gebildet ist, wobei das Aggregat (hhh)-orientierte Metallkristalle umfaßt, deren (hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu der Gleit fläche hin orientiert sind, wobei ein Gehalt S an (hhh) orientierten Metallkristallen in einem durch S20% dar gestellten Bereich liegt.

In dem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch raumzen trierter Struktur sind die (hhh)-orientierten Metallkri stalle, deren (hhh)-Ebene in Miller-Indizes zur Gleitfläche hin orientiert sind, auf der Gleitfläche in Säulenform ge wachsen und liegen in Gestalt von polygonalen Pyramiden oder von polygonalen Pyramidenstumpfen vor. Falls der Ge halt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen in dem vor stehend angegebenen Bereich festgesetzt ist, greifen demzu folge benachbarte (hhh)-orientierte Metallkristalle wech selweise ineinander. Infolgedessen nimmt die Gleitfläche ein kompliziertes Aussehen an, welches eine große Anzahl feiner bzw. sehr kleiner Gipfel, eine große Anzahl feiner bzw. sehr kleiner, zwischen den Gipfeln gebildeter Täler und eine große Anzahl feiner bzw. sehr kleiner, durch das wechselweise Ineinandergreifen der Kristalle gebildeter Sümpfe umfaßt. Daher weist der Gleitflächenaufbau verbes sertes Ölrückhaltevermögen auf. Zusätzlich wird das An fangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus durch das vorzugsweise Abnutzen der Spitzenenden der (hhh)-orien tierten Metallkristalle verbessert. Somit zeigt der Gleit flächenaufbau eine ausgezeichnete Freßbeständigkeit.

Falls jedoch der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkri stallen kleiner als 20% ist, neigt die Morphologie der Gleitfläche mit Abnahme des Gehalts an (hhh)-orientierten Metallkristallen dazu, vereinfacht zu werden, und daher werden das Ölrückhaltevermögen und das Anfangsformanpas sungsvermögen des Gleitflächenaufbaus herabgesetzt. Der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen liegt vor zugsweise in einem durch S40% dargestellten Bereich.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es fer ner, einen Gleitflächenaufbau der vorstehend genannten Art bereitzustellen, der durch Spezifizieren der Kristallstruk tur relativ hohe Härte, ausreichendes Ölrückhaltevermögen und gutes Anfangsformanpassungsvermögen aufweist, wodurch die Abnutzungs- und Freßbeständigkeit der Gleitelemente verbessert werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Gleit flächenaufbau bereitgestellt, der aus einem Aggregat von Metallkristallen kubisch raumzentrierter Struktur gebildet ist, wobei das Aggregat (hhh)-orientierte Metallkristalle, deren (hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche hin orientiert sind, und (2hhh)-orientierte Metallkristal le, deren (2hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche hin orientiert sind, umfaßt, wobei ein Gehalt S an (hhh)- orientierten Metallkristallen in einem durch S20% dar gestellten Bereich liegt und ein Gehalt S an (2hhh)-orien tierten Metallkristallen in einem durch 20%S60% dargestellten Bereich liegt.

Die (hhh)-orientierten Metallkristalle sind auf der Gleit fläche in Säulenform gewachsen, liegen in Gestalt von relativ großen Pyramiden oder von relativ großen Pyramiden stumpfen vor und weisen relativ geringe Härte auf.

Andererseits liegen die (2hhh)-orientierten Metallkristalle in Gestalt von kleinen Pyramiden oder von kleinen Würfeln vor und nehmen aufgrund ihres wechselweisen Ineinander dergreifens eine sehr komplizierte Morphologie an. Darüber hinaus ist die (2hhh)-Ebene der (2hhh)-orientierten Metall kristalle eine sekundäre Gleitfläche, und aus diesem Grund weist der Kristall relativ hohe Härte und hohe Festigkeit auf.

Falls der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen und der Gehalt S an (2hhh)-orientierten Metallkristallen in dem vorstehend angegebenen Bereich festgesetzt sind, wird demzufolge bei Schmieren in einem Tal zwischen den (hhh)- orientierten Metallkristallen von den (2hhh)-orientierten Metallkristallen eine Ölwanne gebildet, was zu einem ver besserten Ölrückhaltevermögen des Gleitflächenaufbaus führt. Zusätzlich stellt die vorzugsweise Abnutzung der Spitzenenden der (hhh)-orientierten Metallkristalle ein gu tes Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus bereit. Dies ermöglicht die Bereitstellung einer verbesser ten Freßbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus.

Nach Fortschreiten der Abnutzung der Spitzenenden der (hhh)-orientierten Metallkristalle nehmen die (hhh)- und (2hhh)-orientierten Metallkristalle die Gleitlast auf. Das Fortschreiten der Abnutzung wird jedoch durch die Ölwanne und die Härte und Festigkeit der (2hhh)-orientierten Me tallkristalle unterdrückt. Dies ermöglicht eine Verbesse rung der Abnutzungsbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus.

Selbst wenn nicht geschmiert wird, wird durch die (hhh) orientierten Metallkristalle der Effekt einer Verbesserung des Anfangsformanpassungsvermögens erzielt. Wenn bei Abnut zung der Spitzenenden der (hhh)-orientierten Metallkristal le auf diesen Enden flache Oberflächen gebildet werden, er hält man eine Schmierfähigkeit, welche der Weichheit der (hhh)-orientierten Metallkristalle zugeschrieben werden kann, und daher übernehmen die (hhh)-orientierten Metall kristalle die Freßbeständigkeit, während die (2hhh)-orien tierten Metallkristalle die Verschleißbeständigkeit über nehmen, wodurch gute Gleiteigenschaften vorgesehen werden.

Falls der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen kleiner als 20% ist, wird, wenn geschmiert wird oder wenn nicht geschmiert wird, das Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus verschlechtert. Falls der Gehalt S an (2hhh)-orientierten Metallkristallen andererseits größer als 60% ist, ist die Härte des Gleitflächenaufbaus zu hoch, und aus diesem Grund wird das Anfangsformanpassungs vermögen in ähnlicher Weise verschlechtert. Falls der Ge halt S an (2hhh)-orientierten Metallkristallen kleiner als 20% ist, ist die Abnutzungsbeständigkeit des Gleitflächen aufbaus herabgesetzt.

Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, einen Gleitflächenauf bau der vorstehend genannten Art bereitzustellen, welcher relativ hohe Festigkeit, ausreichendes Ölrückhaltevermögen und gutes Anfangsformanpassungsvermögen aufweist, was zu verbesserter Abnutzungs- und Freßbeständigkeit führt und hierdurch sicherstellt, daß die Abnutzung eines Gegenele ments unterdrückt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Gleit flächenaufbau bereitgestellt, der aus einem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch raumzentrierter Struktur ge bildet ist, wobei das Aggregat (hhh)-orientierte Metall kristalle, deren (hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche hin orientiert sind, und (hh0)-orientierte Me tallkristalle, deren (hh0)-Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche hin orientiert sind, umfaßt, wobei der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen und der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen jeweils in einem durch S20% dargestellten Bereich liegen.

Die (hhh)-orientierten Metallkristalle sind auf der Gleit fläche in Säulenform gewachsen und liegen in Gestalt von relativ großen Pyramiden oder von relativ großen Pyrami denstumpfen vor, weisen jedoch relativ niedrige Härte auf. Andererseits liegen die (hh0)-orientierten Metallkristalle auf der Gleitfläche in Form von relativ großen Platten vor und weisen relativ hohe Härte und hohe Festigkeit auf, da alle ihre (hh0)-Ebenen Ebene dichter Atompackung sind.

Falls der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen und der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen in den vorstehend angegebenen Bereichen festgesetzt sind, wird durch das wechselweise Ineinandergreifen und Überlappen der (hh0)-orientierten Metallkristalle zwischen den (hhh)- orientierten Metallkristallen demzufolge eine Ölwanne mit einer komplizierten Nut gebildet, was zu gutem Ölrückhal tevermögen des Gleitflächenaufbaus bei Gleitbewegung führt. Zusätzlich sieht das vorzugsweise Abnutzen der Spitzenenden der (hhh)-orientierten Metallkristalle gutes Anfangsform anpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus vor. Dies ermög licht die Verbesserung der Freßbeständigkeit des Gleitflä chenaufbaus.

Nach Fortschreiten der Abnutzung der Spitzenenden der (hhh)-orientierten Metallkristalle nehmen die (hhh)- und (hh0)-orientierten Metallkristalle die Gleitlast auf, jedoch wird das Fortschreiten der Abnutzung durch den Ölwanneneffekt und die Härte und Festigkeit der (hh0)- orientierten Metallkristalle unterdrückt. Dies ermöglicht die Verbesserung der Abnutzungsbeständigkeit des Gleitflä chenaufbaus. Selbst wenn nicht geschmiert wird, zeigt der Gleitflächenaufbau Abnutzungsbeständigkeit und ferner Gleiteigenschaften, die die Abnutzung eines Gegenelements unterdrücken.

Falls der Gehalt S an (hhh)- oder/und an (hh0)-orientierten Metallkristallen weniger als 20% beträgt, werden die Ab nutzungs- und Freßbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus und die Abnutzungsunterdrückungswirkung des Gleitflächenaufbaus relativ zu dem Gegenelement vermindert.

Die vorstehenden und weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevor zugter Ausführungsformen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. Es stellt dar:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Kolbens;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht, die eine kubisch raumzentrierte Struktur und ihre (hhh)-Ebene darstellt;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils, die ein Beispiel eines Gleitflächenaufbaus darstellt;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie 5-5 in Fig. 4;

Fig. 6 ein Diagramm zur Erläuterung der Neigung der (hhh)-Ebene in der kubisch raumzentrierten Struktur;

Fig. 7 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein erstes Bei spiel dem Gleitflächenaufbaus;

Fig. 8 ein Mikrobild, das für das erste Beispiel des Gleitflächenaufbaus die Kristallstruktur auf einer Gleitfläche darstellt;

Fig. 9 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein zweites Bei spiel eines Gleitflächenaufbaus;

Fig. 10A ein Mikrobild, das für das zweite Beispiel des Gleitflächenaufbaus die Kristallstruktur einer Gleitfläche darstellt;

Fig. 10B ein Mikrobild, das für das zweite Beispiel des Gleitflächenaufbaus die Kristallstruktur eines Schnitts darstellt;

Fig. 11 ein Diagramm, das die Ergebnisse eines Freßtests darstellt;

Fig. 12 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung einer kubisch raumzentrierten Struktur und ihrer (hhh)- und (2hhh)-Ebenen;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines wesentlichen Teils, die ein drittes Beispiel des Gleitflächen aufbaus darstellt;

Fig. 14 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein viertes Bei spiel des Gleitflächenaufbaus;

Fig. 15A ein Mikrobild, das die Kristallstruktur einer Gleitfläche des Gleitflächenaufbaus darstellt;

Fig. 15B ein Fig. 15A entnommenes vergrößertes Mikrobild;

Fig. 16 ein Diagramm zur Erläuterung der Fressen erzeu genden Last für die Beispiele 1, 15 und 16;

Fig. 17 ein Diagramm, das die Abnutzungsmenge für die Beispiele 1, 15 und 16 darstellt;

Fig. 18 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ge halt an {211}-orientierten Fe-Kristallen und der Fressen erzeugenden Last für die Beispiele 1 bis 14 darstellt;

Fig. 19 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ge halt an {211}-orientierten Fe-Kristallen und der Abnutzungsmenge für die Beispiele 6, 8, 9 und 10 darstellt;

Fig. 20 eine perspektivische Ansicht, die eine kubisch raumzentrierte Struktur und ihre (hhh)- und (hh0)-Ebenen erläutert;

Fig. 21 eine Draufsicht auf einen wesentlichen Teil, die ein fünftes Beispiel des Gleitflächenaufbaus dar stellt;

Fig. 22 ein Röntgenbeugungsdiagramm für ein sechstes Bei spiel eines Gleitflächenaufbaus;

Fig. 23 ein Mikrobild, das die Kristallstruktur einer Gleitfläche bei dem sechstes Beispiel des Gleit flächenaufbaus darstellt;

Fig. 24 ein Mikrobild, das die Kristallstruktur einer Gleitfläche bei dem sechsten Beispiel des Gleit flächenaufbaus nach Gleitbewegung darstellt;

Fig. 25 ein Diagramm, das die Fressen erzeugende Last für die Beispiele 3, 7, 12 und 14 darstellt;

Fig. 26 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ge halt an {110}-orientierten Fe-Kristallen und der Fressen erzeugenden Last für die Beispiele 1 bis 14 darstellt;

Fig. 27 ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Ge halt an {110}-orientierten Fe-Kristallen und der Abnutzungsmenge eines Chips und einer Scheibe bei den Beispielen 5 bis 10 darstellt;

Fig. 28 eine Draufsicht, die die auf Schrägen angeord neten Kristallebenen bei einem Spitzenendenab schnitt in Gestalt einer Dreiecks-Pyramide dar stellt;

Fig. 29 eine Draufsicht, die die auf Schrägen angeordne ten Kristallebenen bei einem Beispiel eines Spit zenendenabschnitts in Gestalt einer Sechsecks-Py ramide darstellt;

Fig. 30 eine Draufsicht, die die auf Schrägen angeordne ten Kristallebenen bei einem weiteren Beispiel eines Spitzenendenabschnitts in Gestalt einer Sechsecks-Pyramide darstellt;

Fig. 31 eine perspektivische Ansicht, die die auf Schrä gen angeordneten Kristallebenen und Endflächen eines Spitzenendenabschnitts in Gestalt einer kleinen Pyramide darstellt; und

Fig. 32 eine Draufsicht, die die auf Schrägen angeord neten Kristallebenen eines Spitzenendenabschnitt in Gestalt einer Vierecks-Pyramide darstellt.

[Erste Ausführungsform]

Mit Bezug auf Fig. 1 und 2 weist ein Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine ein Basismaterial 2 aus Aluminiumlegie rung auf, welches einen Stegabschnitt bzw. Bodenabschnitt 3₁ und einen Schürzenabschnitt 3 ₂ umfaßt, die jeweils einen durch Plattieren um sie herum gebildeten, lamellaren Gleit flächenaufbau 4 aufweisen.

Wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, ist der Gleitflächen aufbau 4 aus einem Aggregat von Metallkristallen mit kubisch raumzentrierter Struktur (bcc-Struktur = body centered cubic structure) gebildet. Das Aggregat umfaßt (hhh)-orientierte Metallkristalle, deren (hhh)-Ebenen (in Miller-Indizes) zu einer Gleitfläche 4a für eine Innenwan dung 5 einer Zylinderbohrung hin orientiert sind. Der Ge halt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen ist in einem durch S20%, vorzugsweise durch S40%, dargestellten Bereich festgesetzt.

Der (hhh)-orientierte Metallkristall 6 ist gemäß Fig. 4 und 5 auf dem Basismaterial 2 in Säulenform gewachsen und liegt auf der Gleitfläche 4a in Gestalt einer Pyramide oder eines Pyramidenstumpfs vor, in der dargestellten Ausfüh rungsform bspw. in Form einer Dreiecks-Pyramide. Demzufolge ist der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen 6 in dem vorstehend angegebenen Bereich festgesetzt, zwei be nachbarte (hhh)-orientierte Metallkristalle 6 greifen wech selweise ineinander und somit nimmt die Gleitfläche 4a eine komplizierte Morphologie an, welche eine große Anzahl fei ner bzw. sehr kleiner Gipfelabschnitte 7% eine große Anzahl feiner bzw. sehr kleiner, zwischen den Gipfelabschnitten vorgesehener Talabschnitte 8 und eine große Anzahl durch das wechselweise Ineinandergreifen der Gipfelabschnitte 7 vorgesehener feiner bzw. sehr kleiner Sümpfe 9 umfaßt. Dies führt zu gutem Ölrückhaltevermögen des Gleitflächenaufbaus 4. Vorzugsweise wird das Spitzenende des in Gestalt einer Dreiecks-Pyramide ausgebildeten (hhh)-orientierten Metall kristalls 6 abgenutzt, wodurch das Anfangsformanpassungs vermögen des Gleitflächenaufbaus 4 verbessert wird.

Wie in Fig. 6 gezeigt, ruft die Neigung der (hhh)-Ebene relativ zu einer Phantomebene 10 längs der Gleitfläche 4a eine Neigung der Dreiecks-Pyramide hervor und beeinflußt daher das Ölrückhaltevermögen und das Anfangsformanpas sungsvermögen des Gleitflächenaufbaus 4. Demzufolge wird der von der (hhh)-Ebene relativ zur Phantomebene 10 gebil dete Neigungswinkel e in einen Bereich von 0°R15° festgesetzt. In diesem Fall ist die Richtung der Neigung der (hhh)-Ebene nicht beschränkt. Falls der Neigungswinkel e mehr als 15° (R<15°) beträgt, weist der Gleitflächen aufbau 4 vermindertes Ölrückhaltevermögen und vermindertes Formanpassungsvermögen auf.

Die Metallkristalle mit bcc-Struktur umfassen jene einfa chen Metalle wie bspw. Fe, Cr, Mo, W, Ta, Zr, Nb, V usw. und deren Legierungen.

Die Grundbedingungen zur elektrolytischen Abscheidung der Fe-Plattierung bei der Plattierbehandlung zur Bildung des Gleitflächenaufbaus 4 sind wie in Tabellen 1 und 2 angege ben.

Tabelle 1

Die verwendeten organischen Additive bzw. Zusatzstoffe sind Harnstoff, Saccharin usw.

Tabelle 2

Bei der elektrolytischen Abscheidung der Fe-Plattierung un ter den vorstehend beschriebenen Bedingungen werden die Ab lagerung (precipitation) und der Gehalt an (hhh)-orientier ten Fe-Kristallen durch die Kathodenstromdichte, den pH- Wert des Plattierbads, die Menge eingebauter organischer Zusatzstoffe und dergleichen gesteuert.

Zusätzlich zum elektrolytischen Plattieren kann die Plat tierbehandlungen auch durch Gasphasen-Plattierverfahren ausgeführt werden, wie bspw. PVD-Verfahren (Physical Vapour Deposition), CVD-Verfahren (Chemical Vapour Deposition), Sputter-Verfahren, Ionen-Plattieren und dergleichen. W- oder Mo-Plattieren durch Sputtern wird bspw. unter folgen den Bedingungen durchgeführt: Argondruck von 0,2 bis 1 Pa, Argonbeschleunigungsleistung von 1 bis 1,5 kW Gleichspan nung und Temperatur des Basismaterials von 15° bis 300°C.

W-Plattieren durch ein CVD-Verfahren wird bspw. unter fol genden Bedingungen durchgeführt: Ausgangsmaterial WF₆, Gas flußrate von 2 bis 15 cm³/min, Druck innerhalb einer Kammer von 50 bis 300 Pa und Temperatur des Basismaterials von 40 bis 600°C.

Nachfolgend werden bestimmte Beispiele beschrieben.

Eine Mehrzahl Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine wurde hergestellt, indem Außenumfangsflächen eines Stegabschnitts 3₁ und eines Schürzenabschnitts 3 ₂ aus einem Basismaterial 2 aus Aluminiumlegierung zur Bildung eines aus einem Aggre gat von Fe-Kristallen bestehenden Gleitflächenaufbaus 4 einem elektrolytischen Fe-Plattierverfahren unterzogen wurden.

Tabellen 3 und 4 zeigen die bei der elektrolytischen Ab scheidung der Fe-Plattierung bei Beispielen 1 bis 8 von Gleitflächenaufbauen 4 verwendeten Bedingungen.

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5 zeigt die Kristallgestalt der Gleitfläche 4a, die Korngröße der Fe-Kristalle, den Gehalt S an orientierten Fe-Kristallen und die Härte für die Beispiele 1 bis 8.

Tabelle 5

Der Gehalt S jedes der orientierten Fe-Kristalle wurde in der folgenden Weise auf Grundlage von Röntgenbeugungsdia grammen für Beispiele 1 bis 8 bestimmt (wobei in einer zur Gleitfläche 4a orthogonalen Richtung mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde). Beispielhaft wird nachfolgend Beispiel 5 beschrieben. Fig. 7 ist ein Röntgenbeugungsdiagramm für Beispiel 5. Der Gehalt S an orientierten Fe-Kristallen wur de aus den folgenden Ausdrücken bestimmt (wobei der Begriff "{110}-orientierter Fe-Kristall" einen orientierten Fe-Kri stall bezeichnet, dessen {110}-Ebene zur Gleitfläche 4a hin orientiert ist):

{110}-orientierte Fe-Kristalle: S₁₁₀ = {(I₁₁₀/IA₁₁₀)/T}·100
{200}-orientierte Fe-Kristalle: S₂₀₀ = {(I₂₀₀/IA₂₀₀)/T}·100
{211}-orientierte Fe-Kristalle: S₂₁₁= {(I₂₁₁/IA₂₁₁)/T}·100
{310}-orientierte Fe-Kristalle: S₃₁₀ = {(I₃₁₀/IA₃₁₀)/T}·100
{222}-orientierte Fe-Kristalle: S₂₂₂ = {(I₂₂₂/IA₂₂₂)/T}·100,

wobei I₁₁₀, I₂₀₀, I₂₁₁, I₃₁₀ und I₂₂₂ jeweils ein Meßwert (Impulse pro Sekunde bzw. Impulse/sec) von einer Kristall ebene reflektierter Röntgenstrahlungs-Intensität ist; IA₁₁₀, IA₂₀₀, IA₂₁₁, IA₃₁₀ und IA₂₂₂ jeweils ein Intensi tätsverhältnis von jeder Kristallebene einer ASTM-Karte reflektierter Röntgenstrahlung ist (ASTM = American Society for Testing Materials). Ferner gilt IA₁₁₀ = 100, IA₂₀₀ = 20, IA₂₁₁ = 30, IA₃₁₀ = 12, IA₂₂₂ = 6 und T = (I₁₁₀/IA₁₁₀) + (I₂₀₀/IA₂₀₀) + (I₂₁₁/IA₂₁₁) + (I₃₁₀/IA₃₁₀) + (I₂₂₂/IA₂₂₂).

Fig. 8 zeigt ein Mikrobild, das die Kristallstruktur der Gleitfläche 4a in Beispiel 5 darstellt. In Fig. 8 erkennt man eine große Anzahl orientierter Fe-Kristalle in Gestalt von Sechsecks-Pyramiden. Diese orientierten Fe-Kristalle werden durch Koaleszenz bzw. Zusammenwachsen {222}-orien tierter Fe-Kristalle in Gestalt von Dreiecks-Pyramiden ge bildet, wobei die (hhh)-Ebenen, d. h. {222}-Ebenen, der Kri stalle zur Gleitfläche 4a hin orientiert sind. Der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in Gestalt von Sechs ecks-Pyramiden ist gleich 50,6%, wie in Tabelle 5 und Fi gur 7 dargestellt.

Fig. 9 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm von Beispiel 6. Fig. 10A zeigt ein Mikrobild, das eine Kristallstruktur der Gleitfläche 4a von Beispiel 6 darstellt, und Fig. 10B zeigt das Mikrobild, das die Kristallstruktur eines Schnitts von Beispiel 6 darstellt. In Fig. 10A und 10B beobachtet man eine große Anzahl {222}-orientierter Fe- Kristalle in Gestalt von Dreiecks-Pyramiden. Der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in Gestalt von Drei ecks-Pyramiden ist gleich 43%, wie in Tabelle 5 und Fig. 9 gezeigt.

Für die Beispiele 1 bis 8 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) mit Schmieren ein Freßtest durchgeführt, um die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {222}-orientierten Fe- Kristallen und der Fressen erzeugenden Last zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 6 und Fig. 11 dargestellten Ergebnisse bereitzustellen. Die Bedingungen für den Test waren die folgenden: Das Material einer Scheibe war eine AI-Legierung mit 10 Gew. -% Si; die Drehgeschwindigkeit der Scheibe betrug 15 m/sec; die zugeführte Ölmenge betrug 0,3 ml/min; und die Flächeninhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau gefertigten Chips betrug 1 cm².

Beispiel Nr.
Fressen erzeugende Last (N)
1
950
2	940
3	940
4	920
5	860
6	850
7	500
8	300

Fig. 11 zeigt ein Tabelle 6 entnommenes Diagramm, in wel chem die Punkte (1) bis (8) jeweils den Beispielen 1 bis 8 entsprechen.

Wie aus Tabelle 6 und Fig. 11 zu ersehen ist, steigt die Fressen erzeugende Last steil an, wenn der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch S20% dargestellten Bereich liegt, und er steigt langsam an, wenn S40% gilt. Bei jedem der Beispiele 1 bis 6 ist der Ge halt S größer oder gleich 40% und die Gleitfläche 4a weist gutes Ölrückhaltevermögen und gutes Anfangsformanpassungs vermögen auf. Daher ist die Fressen erzeugende Last im Ver gleich mit den Beispielen 7 und 8 deutlich erhöht. Insbe sondere im Fall der Beispiele 1 bis 3 ist die Fressen er zeugende Last höher. Es wird angenommen, daß dies daran liegt, daß die Größe und Ablagerung der {222}-orientierten Fe-Kristalle aufgrund der Tatsache gleichmäßig sind, daß der Gehalt S an {200}-orientierten Fe-Kristallen oder/und {310}-orientierten Fe-Kristallen gleich 0% ist.

[Zweite Ausführungsform]

Kolben 1 für Brennkraftmaschinen wurden hergestellt, indem um Außenumfangsflächen eines Stegabschnitts 3 ₁ und eines Schürzenabschnitts 3 ₂ aus einem Basismaterial 2 aus Alumi niumlegierung herum durch Plattieren in der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform ein Gleitflächenaufbau 4 gebildet wurde.

Wie in Fig. 12 und 13 dargestellt, ist der Gleitflächen aufbau 4 aus einem Aggregat von Metallkristallen kubisch raumzentrierter Struktur (bcc-Struktur) gebildet. Das Ag gregat umfaßt (hhh)-orientierte Metallkristalle, deren (hhh)-Ebenen (in Miller-Indizes) zu einer Gleitfläche 4a für eine Innenwandung 5 einer Zylinderbohrung hin orien tiert sind, und (2hhh)-orientierte Metallkristalle, deren (2hhh)-Ebenen (in Miller-Indizes) zur Gleitfläche 4a hin orientiert sind. Der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metall kristallen ist in einem durch S20% dargestellten Be reich festgesetzt, und der Gehalt S an (2hhh)-orientierten Metallkristallen ist in einem durch 20%S60% darge stellten Bereich festgesetzt.

Gemäß Fig. 13 ist der (hhh)-orientierte Metallkristall 6 in der dargestellten Ausführungsform auf der Gleitfläche 4a in Säulenform gewachsen und liegt in Gestalt von relativ großen Pyramiden oder von relativ großen Pyramidenstumpfen vor, bspw. in Gestalt von Dreiecks-Pyramiden. Die Härte des (hhh)-orientierten Metallkristalls 6 ist relativ nied rig.

Der (2hhh)-orientierte Metallkristall 11 liegt auf der Gleitfläche 4a in Gestalt einer kleinen Pyramide oder eines kleinen Würfels vor und die Gleitfläche 4a nimmt eine kom plizierte Morphologie an, die diese ineinandergreifenden Kristalle umfaßt. Darüber hinaus ist die (2hhh)-Ebene des (2hhh)-orientierten Metallkristalls 11 eine sekundäre Gleitfläche, und aus diesem Grund weisen die Kristalle 11 relativ hohe Härte und hohe Festigkeit auf.

Falls der Gehalt S an (hhh)- und (2hhh)-orientierten Me tallkristallen in der vorstehend beschriebenen Weise fest gesetzt ist, wird demzufolge in einem geschmierten Zustand von den (2hhh)-orientierten Metallkristallen in einem Tal zwischen den (hhh)-orientierten Metallkristallen eine Öl wanne gebildet, wodurch der Gleitflächenaufbau 4 mit gutem Ölrückhaltevermögen versehen wird. Zusätzlich sieht die vorzugsweise Abnutzung des Spitzenendes des (hhh)-orien tierten Metallkristalls gutes Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus 4 vor. Dies verbessert die Freßbe ständigkeit des Gleitflächenaufbaus 4.

Nach Fortschreiten der Abnutzung des Spitzenendes des (hhh)-orientierten Metallkristalls nehmen die (hhh)- und (2hhh)-orientierten Metallkristalle 6 und 11 eine Gleitlast auf, jedoch wird das Fortschreiten der Abnutzung durch den Ölwanneneffekt und die Härte und Festigkeit der (2hhh) orientierten Metallkristalle 11 unterdrückt, so daß die Abnutzungsbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus 4 verbes sert wird. Durch den (hhh)-orientierten Metallkristall 6 wird selbst dann, wenn nicht geschmiert wird, der Effekt einer Verbesserung des Anfangsformanpassungsvermögens er halten. Wenn infolge Abnutzung des Spitzenendes des (hhh)- orientierten Metallkristalls 6 eine flache Oberfläche ge bildet wird, wird eine der Weichheit der (hhh)-orientierten Metallkristalle 6 zuschreibbare Schmierfähigkeit bereitge stellt, so daß die (hhh)-orientierten Metallkristalle 6 die Freßbeständigkeits-Funktion übernehmen, während die (2hhh) orientierten Metallkristalle 11 die Abnutzungsbeständig keits-Funktion übernehmen, wodurch gute Gleiteigenschaften bereitgestellt werden.

Wie bei der ersten Ausführungsform ruft die Neigung der (hhh)-Ebene relativ zu einer Phantomebene 10 (s. Fig. 6) längs der Gleitfläche 4a die Neigung der Dreiecks-Pyra mide hervor und beeinflußt daher das Anfangsformanpassungs vermögen des Gleitflächenaufbaus 4. Demzufolge ist der von der (hhh)-Ebene relativ zur Phantomebene 10 gebildete Nei gungswinkel e in einem Bereich von 0°R15° festge setzt. Der Neigungswinkel e der (2hhh)-Ebene ist in ähnli cher Weise in einem Bereich von 0°R15° festgesetzt. In diesem Fall ist die Richtung der Neigung der (hhh)- und (2hhh)-Ebenen nicht beschränkt. Falls der Neigungswinkel R mehr als 15° (R<15°) beträgt, so weist der Gleitflächen aufbau 4 vermindertes Ölrückhaltevermögen und vermindertes Anfangsformanpassungsvermögen auf.

Die Metallkristalle mit bcc-Struktur umfassen jene einfa chen Metalle, bspw. Fe, Cr, Mo, W, Ta, Zr, Nb, V usw. und deren Legierungen.

Die Grundbedingungen zur elektrolytischen Abscheidung der Fe-Plattierung bei der Plattierbehandlung zur Bildung des erfindungsgemäßen Gleitflächenaufbaus 4 sind wie in Tabel len 7 und 8 angegeben.

Tabelle 7

Die verwendeten organischen Additive bzw. Zusatzstoffe sind Harnstoff, Saccharin, usw.

Tabelle 8

Bei der elektrolytischen Abscheidung der Fe-Plattierung unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen werden die Ablagerung und der Gehalt an (hhh)- und (2hhh)-orientierten Fe-Kristallen durch die Kathodenstromdichte, den pH-Wert des Plattierbads, die Menge eingebauter organischer Zusatz stoffe und dergleichen gesteuert.

Zusätzlich zum elektrolytischen Plattieren kann die Plat tierbehandlung durch Gasphasen-Plattierverfahren ausgeführt werden, wie sie bei der ersten Ausführungsform beschrieben wurden. Bspw. sind die Bedingungen für W- oder Mo-Plattie ren in einem Sputter-Verfahren und Bedingungen für W-Plat tieren durch ein CVD-Verfahren die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Nachfolgend werden bestimmte Beispiele beschrieben.

Es wurde eine Mehrzahl Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine hergestellt, indem Außenumfangsflächen eines Stegabschnitts 3 ₁ und eines Schürzenabschnitts 3₂ aus einem Basismaterial 2 aus einer Aluminiumlegierung zur Bildung eines aus einem Aggregat von Fe-Kristallen bestehenden Gleitflächenaufbaus 4 einem elektrolytischen Fe-Plattierverfahren unterzogen wurden.

Tabellen 9 und 10 zeigen die bei der elektrolytischen Ab scheidung der Fe-Plattierung bei Beispielen 1 bis 16 des Gleitflächenaufbaus 4 verwendeten Bedingungen.

Tabelle 9

Tabelle 10

Tabellen 11 und 12 zeigen die Kristallform der Gleittfläche 4a, die Korngröße der Fe-Kristalle, den Gehalt S an orien tierten Fe-Kristallen und die Härte für die Beispiele 1 bis 16.

Tabelle 11

Tabelle 12

Der Gehalt S jedes der orientierten Fe-Kristalle der Bei spiele 1 bis 16 wurde in gleicher Weise wie bei der ersten Ausführungsform auf Grundlage von Röntgenbeugungsdiagrammen bestimmt (wobei in einer zur Gleitfläche 4a orthogonalen Richtung mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde).

Fig. 14 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm von Beispiel 1. Fig. 15A und 15B zeigen Mikrobilder, welche die Kri stallstruktur auf der Gleitfläche 4a bei Beispiel 1 dar stellen, wobei die Vergrößerungen in Fig. 15A und 15B voneinander verschieden sind. In Fig. 15A und 15B er kennt man eine große Anzahl (hhh)-orientierter Fe-Kristalle in Gestalt von relativ großen Dreiecks-Pyramiden und eine große Anzahl (2hhh)-orientierter Fe-Kristalle in Gestalt von kleinen Pyramiden. Der (hhh)-orientierte Fe-Kristall ist ein {222}-orientierter Fe-Kristall, dessen (hhh)-Ebene, d. h. dessen {222}-Ebene, zur Gleitfläche 4a hin orientiert ist. Der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen ist gleich 40,6 10, wie in Tabelle 11 und Fig. 14 gezeigt. Der (2hhh)-orientierte Fe-Kristall ist ein {211}-orientierter Fe-Kristall, dessen (2hhh)-Ebene, d. h. dessen {211}-Ebene, zur Gleitfläche 4a hin orientiert ist. Der Gehalt S an {211}-orientierten Fe-Kristalle ist gleich 30%, wie in Tabelle 11 und Fig. 14 gezeigt. Zwischen den {222}-orien tierten Fe-Kristallen wird eine Ölwanne gebildet und fer ner wird von den {211}-orientierten Fe-Kristallen, die in einem sehr komplizierten Zustand in den Tälern zwischen den {222}-orientierten Fe-Kristallen abgelagert sind, eine Ölwanne gebildet.

Für die Beispiele 1 bis 16 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) mit Schmieren ein Freßtest durchgeführt, um die Fressen erzeugende Last zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 13 dargestellten Ergebnisse bereitzustellen. Die Bedingungen für den Test waren die gleichen wie bei der ersten Ausführungsform.

Beispiel Nr.
Fressen erzeugende Last (N)
1
800
2	850
3	600
4	300
5	600
6	650
7	650
8	650
9	600
10	300
11	300
12	350
13	300
14	300
15	810
16	400

Für die Beispiele 1, 15 und 16 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) mit Schmieren ein Abnutzungstest durchgeführt, um deren Abnutzungsmenge zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 14 dargestellten Ergebnisse bereitzustellen. Die Bedingungen für den Test waren die folgenden: Das Material der Scheibe war eine Al-Legierung mit 10 Gew.-% Si; die Drehgeschwindigkeit der Scheibe betrug 5 in/sec; die zuge führte Ölmenge betrug 0,3 ml/min; die Last betrug 100 N; die Gleitstrecke betrug 10 km; der Flächeninhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau gefertigten Chips betrug 1 cm². Die Abnutzungsmenge wurde als Abnahme (mg) pro 1 cm² Fläche des Chips gemessen.

Beispiel Nr.
Abnutzungsmenge (mg)
1
1
15	1,5
16	0,7

Fig. 16 zeigt ein Tabelle 13 entnommenes Diagramm, das die Beziehung zwischen der Fressen erzeugenden Last und den Beispielen 1, 15 und 16 darstellt. Fig. 17 zeigt ein Ta belle 14 entnommenes Diagramm und stellt die Beziehung zwi schen der Abnutzungsmenge und den Beispielen 1, 15 und 16 dar. Aus Tabellen 11 bis 13 und Fig. 16 und 17 ist zu ersehen, daß bei Beispiel 1 die Fressen erzeugende Last hoch und die Abnutzungsmenge klein ist. Dies kann der Tat sache zugeschrieben werden, daß der Gehalt S an {222} orientierten Fe-Kristallen in einem durch S20% darge stellten Bereich liegt, und der Gehalt S an {211}-orien tierten Fe-Kristallen in einem Bereich von 0%S60% liegt. Da in Beispiel 15 der Gehalt S an {211}-orientierten Fe-Kristallen kleiner als 20% ist, ist die Härte gering und die Freßbeständigkeit gut, jedoch ist die Abnutzungs beständigkeit geringer als bei Beispiel 1. In Beispiel 16 ist die Abnutzungsbeständigkeit ausgezeichnet, jedoch ist die Freßbeständigkeit gering, da der Gehalt S an {222}- orientierten Fe-Kristallen kleiner als 20% ist und der Gehalt S an {211}-orientierten Fe-Kristallen höher als 60% ist.

Fig. 18 stellt die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {211}-orientierten Fe-Kristallen und der Fressen erzeugen den Last für Beispiele 1 bis 14 dar. In Fig. 18 entspre chen die Punkte (1) bis (14) jeweils den Beispielen 1 bis 14. Eine Linie x₁ gibt diese Beziehung für den Fall an, daß der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch 40%S43% dargestellten Bereich liegt; eine Linie x₂ gibt diese Beziehung für dem Fall an, daß der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch 20% S23% dargestellten Bereich liegt; und eine Linie x₃ gibt diese Beziehung für dem Fall an, daß der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch 10%S15% dargestellten Bereich liegt.

Aus Tabellen 11 und 12 und Fig. 18 ist zu ersehen, daß die Freßbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus 4 verbessert wird, wenn der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch S20% dargestellten Bereich festgesetzt ist und wenn der Gehalt an {211}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch 20%S60% dargestellten Bereich fest gesetzt ist.

Für die Beispiele 6, 8, 9 und 10 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) ohne Schmieren ein Abnutzungstest durch geführt, um den Gehalt S an {211}-orientierten Fe-Kristal len und die Abnutzungsmenge für die Beispiele 6, 8, 9 und 10 zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 15 und Fig. 19 dargestellten Ergebnisse bereitzustellen. Die Bedingun gen für den Test waren die folgenden: Das Material der Scheibe war eine Al-Legierung mit 10 Gew. -% Si; die Dreh geschwindigkeit der Scheibe betrug 0,5 m/sec; die Last betrug 100 N; die Gleitstrecke betrug 1 km; der Flächen inhalt der Gleitfläche des aus dem Gleitflächenaufbau gefertigten Chips betrug 1 cm². Die Abnutzungsmenge wurde als Abnahme (mg) pro 1 cm² Fläche des Chips gemessen.

Tabelle 15

Fig. 19 zeigt ein Tabelle 15 entnommenes Diagramm, in wel chem die Punkte (6), (8) bis (10) jeweils den Beispielen 6, 8 bis 10 entsprechen. Aus Tabellen 11, 12 und 15 und Fig. 19 ist zu ersehen, daß die Freßbeständigkeit des Gleitflä chenaufbaus 4 verbessert wird, selbst wenn nicht geschmiert wird, indem der Gehalt S an {211}-orientierten Fe-Kristal len in einem durch S20% dargestellten Bereich festge setzt wird und der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kri stallen in einem durch 20%S60% dargestellten Be reich festgesetzt wird.

[Dritte Ausführungsform]

In der gleichen Weise wie bei der ersten Ausführungsform wurden Kolben 1 für eine Brennkraftmaschine hergestellt, indem durch Plattieren um Außenumfangsflächen eines Stegab schnitts 3 ₁ und eines Schürzenabschnitts 3 ₂ aus einem Ba sismaterial 2 aus Aluminiumlegierung herum ein lamellarer Gleitflächenaufbau 4 gebildet wurde.

Wie in Fig. 20 und 21 dargestellt, ist der Gleitflächen aufbau 4 aus einem Aggregat von Metallkristallen mit ku bisch raumzentrierter Struktur (bcc-Struktur) gebildet. Das Aggregat umfaßt (hhh)-orientierte Metallkristalle, deren (hhh)-Ebenen (in Miller-Indizes) zu einer Gleitfläche 4a für eine Innenwandung 5 einer Zylinderbohrung hin orien tiert sind, sowie (hh0)-orientierte Metallkristalle, deren (hh0)-Ebenen (in Miller-Indizes) zur Gleitfläche 4a hin orientiert sind. Der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metall kristallen und der Gehalt S an (hho)-orientierten Metall kristallen sind jeweils in einem durch S20% dargestell ten Bereich festgesetzt.

Die {222}-orientierten Metallkristalle sind auf der Gleit fläche 4a in Säulenform gewachsen und liegen in Gestalt von relativ großen Pyramiden oder von relativ großen Pyra midenstumpfen vor, in der dargestellten Ausführungsform bspw. in Gestalt von Dreiecks-Pyramiden, wie in Fig. 21 gezeigt. Die Härte des (hhh)-orientierten Metallkristalls 6 ist relativ niedrig. Andererseits zeigen die (hh0)-orien tierten Metallkristalle 12 eine relativ große plattenförmi ge Form und weisen relativ hohe Härte und hohe Festigkeit auf, da die (hh0)-Ebene eine Ebene dichter Atompackung ist.

Falls der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen 6 und der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen 12 in der vorstehend beschriebenen Weise festgesetzt sind, wird zwischen den (hhh)-orientierten Metallkristallen 6 durch das wechselweise Ineinandergreifen und Überlappen der (hh0)-orientierten Metallkristalle 12 eine Ölwanne mit einer komplizierten Nut 13 gebildet, was zu gutem Ölrück haltevermögen des Gleitflächenaufbaus 4 bei Gleitbewegung führt. Zusätzlich stellt die vorzugsweise Abnutzung des Spitzenendes der (hhh)-orientierten Metallkristalle 6 gutes Anfangsformanpassungsvermögen des Gleitflächenaufbaus 4 be reit. Dies stellt insbesondere verbesserte Freßbeständig keit des Gleitflächenaufbaus 4 bereit.

Nach Fortschreiten der Abnutzung der Spitzenenden der (hhh)-orientierten Metallkristalle 6 übernehmen die (hhh)- und (hh0)-orientierten Metallkristalle 6 und 12 die Gleit last, jedoch wird das Fortschreiten der Abnutzung durch den Ölwanneneffekt und die Härte und Festigkeit der (hh0) orientierten Metallkristalle 12 unterdrückt, was zu verbes serter Abnutzungsbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus 4 führt. Selbst wenn nicht geschmiert wird, zeigt der Gleit flächenaufbau 4 zusätzlich Abnutzungsbeständigkeit und Gleiteigenschaften, welche die Abnutzung der das Gegenele ment bildenden Innenwandung 5 der Zylinderbohrung unter drücken.

Wie bei der ersten Ausführungsform ruft die Neigung der (hhh)-Ebene relativ zu einer Phantomebene 10 (siehe Fig. 6) längs der Gleitfläche 4a die Neigung der Dreiecks-Pyra mide hervor und beeinflußt somit das Anfangsformanpassungs vermögen des Gleitflächenaufbaus 4. Demzufolge ist der von der (hhh)-Ebene relativ zur Phantomebene 10 gebildete Win kel R in einem durch 0°R15° dargestellten Bereich festgesetzt. Der Neigungswinkel R der (hh0)-Ebene beein flußt ferner das Ölrückhaltevermögen des Gleitflächenauf baus 4, und daher ist der Neigungswinkel R der (hh0)-Ebene ebenfalls in einem durch 0°R15° dargestellten Bereich festgesetzt. In diesem Fall ist die Richtung der Neigung der (hhh)- und (hh0)-Ebenen nicht beschränkt. Falls die Neigungswinkel der (hhh)- und (hh0)-Ebenen 15° überschrei ten, weist der Gleitflächenaufbau 4 vermindertes Ölrückhal tevermögen und vermindertes Anfangsformanpassungsvermögen auf.

Die Metallkristalle mit bcc-Struktur umfassen jene einfa chen Metalle wie Fe, Cr, Mo, W, Ta, Zr, Nb, V und dgl. und deren Legierungen.

Bei der Plattierbehandlung zur Bildung des erfindungsgemäs sen Gleitflächenaufbaus 4 sind die Grundbedingungen für die elektrolytische Abscheidung der Fe-Plattierung wie in Ta bellen 16 und 17 angegeben.

Tabelle 16

Tabelle 17

Bei der elektrolytischen Abscheidung der Fe-Plattierung unter den vorstehend beschriebenen Bedingungen werden die Ablagerung und der Gehalt an (hhh)- und (hh0)-orientierten Fe-Kristallen durch die Kathodenstromdichte, den pH-Wert des Plattierbads, die Menge eingebauter organischer Zusatz stoffe und dergleichen gesteuert.

Zusätzlich zum elektrolytischen Plattierverfahren kann jedes der Gasphasen-Plattierverfahren eingesetzt werden, das jenen der ersten Ausführungsform ähnlich ist. Bspw. sind die Bedingungen für W- oder Mo-Plattieren durch ein Sputter-Verfahren und die Bedingungen für W-Plattieren durch ein CVD-Verfahren jenen der ersten Ausführungsform ähnlich.

Nachfolgend werden bestimmte Beispiele beschrieben.

Es wurde eine Mehrzahl Kolben 1 für Brennkraftmaschinen hergestellt, indem Außenumfangsflächen eines Stegabschnitts 3₁ und eines Schürzenabschnitts 3 ₂ aus einem Basismaterial 2 aus Aluminiumlegierung einem elektrolytischen Fe-Plat tierverfahren unterzogen wurden, um einen aus einem Aggre gat von Fe-Kristallen bestehenden Gleitflächenaufbau 4 zu bilden.

Tabellen 18 und 19 zeigen die für die elektrolytische Ab scheidung der Fe-Plattierung bei Beispielen 1 bis 14 der Gleitflächenaufbaue 4 verwendeten Bedingungen.

Tabelle 18

Tabelle 19

Tabellen 20 und 21 zeigen für die Beispiele 1 bis 14 die Kristallform der Gleitfläche 4a, die Korngröße der Fe- Kristalle, den Gehalt S an orientierten Fe-Kristallen und die Härte.

Tabelle 20

Tabelle 21

Der Gehalt S wurde für die Beispiele 1 bis 14 auf die glei che Weise wie bei der ersten Ausführungsform auf Grundlage von Röntgenbeugungsdiagrammen bestimmt (wobei in einer zur Gleitfläche 4a orthogonalen Richtung mit Röntgenstrahlung bestrahlt wurde).

Fig. 22 zeigt ein Röntgenbeugungsdiagramm für Beispiel 3, und Fig. 23 zeigt ein Mikrobild, das die Kristallstruktur der Gleitfläche 4a bei Beispiel 3 zeigt. In Fig. 23 beob achtet man (hhh)-orientierte Fe-Kristalle in Gestalt von relativ großen Dreiecks-Pyramiden und eine große Anzahl (hh0)-orientierter Fe-Kristalle plattenförmiger Gestalt. Der (hhh)-orientierte Fe-Kristall ist ein {222}-orientier ter Fe-Kristall, dessen (hhh)-Ebene und somit dessen {222}- Ebene zur Gleitfläche 4a hin orientiert ist, und der Gehalt S an (hhh)-orientierten Fe-Kristallen ist gleich 40,6%, wie in Tabelle 20 und Fig. 22 dargestellt. Der (hh0) orientierte Fe-Kristall ist ein {110}-orientierter Fe-Kri stall, dessen (hh0)-Ebene und somit dessen {110}-Ebene zur Gleitfläche 4a hin orientiert ist, und der Gehalt S an {110}-orientierten Fe-Kristallen ist gleich 20,7%, wie in Tabelle 20 und Fig. 22 gezeigt. Zwischen den {222}-orien tierten Fe-Kristallen ist durch wechselweises Ineinander greifen der {110}-orientierten Fe-Kristalle eine Ölwanne gebildet.

Für die Beispiele 1 bis 14 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) ein Freßtest mit Schmieren durchgeführt, um die Fressen erzeugende Last zu bestimmen und hierdurch die in Tabelle 22 angegebenen Ergebnisse bereitzustellen. Die Be dingungen für den Test waren die gleichen wie bei der er sten Ausführungsform.

Fig. 24 zeigt ein Mikrobild, das die Kristallstruktur der Gleitfläche bei Beispiel 3 nach Gleitbewegung zeigt. Aus Fig. 24 ist zu ersehen, daß die Spitzenenden des {222}-Fe- Kristalls abgenutzt worden sind.

Beispiel Nr.
Fressen erzeugende Last (N)
1
850
2	810
3	800
4	600
5	700
6	650
7	650
8	325
9	300
10	300
11	300
12	350
13	300
14	300

Fig. 25 zeigt ein Tabelle 22 entnommenes Diagramm zur Darstellung der Beziehung zwischen der Fressen erzeugenden Last und den Beispielen 3, 7, 12 und 14. Aus Tabelle 22 und Fig. 25 ist zu ersehen, daß die Fressen erzeugende Last bei den Beispielen 3 und 7 hoch ist. Dies kann der Tatsache zugeschrieben werden, daß der Gehalt S an {222}-orientier ten Fe-Kristallen und der Gehalt S an {110}-orientierten Fe-Kristallen jeweils in einem durch S20% dargestellten Bereich liegt.

Fig. 26 stellt die Beziehung zwischen dem Gehalt S an {110}-orientierten Fe-Kristallen und der Fressen erzeugen den Last für die Beispiele 1 bis 14 dar. In Fig. 26 ent sprechen Punkte (1) bis (14) jeweils den Beispielen 1 bis 14. Linie x₁ gibt die Beziehung für den Fall an, daß der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen in einem durch S40% dargestellten Bereich liegt; Linie x₂ gibt die Be ziehung für den Fall an, daß der Gehalt S an {222}-orien tierten Fe-Kristallen in einem durch 20%S25% darge stellten Bereich liegt; und Linie x₃ gibt die Beziehung für den Fall an, daß der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kri stallen gleich 10% ist.

Aus Fig. 26 ist zu ersehen, daß die Freßbeständigkeit des Gleitflächenaufbaus verbessert wird, indem der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kristallen und der Gehalt S an {110}- orientierten Fe-Kristallen jeweils in einem durch S20% dargestellten Bereich festgesetzt wird.

Für die Beispiele 5 bis 10 wurde im Laborversuch (Chip auf Scheibe) ein Abnutzungstest mit Schmieren durchgeführt, um eine Beziehung zwischen dem Gehalt S an {110}-orientierten Fe-Kristallen und den Abnutzungsmengen des Chips und der Scheibe herauszufinden und hierdurch die in Tabelle 23 und Fig. 27 dargestellten Ergebnisse bereitzustellen. Die Bedingungen für den Test waren die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform. Festzuhalten ist, daß jede der Abnutzungsmengen als Abnahme (mg) pro 1 cm² Fläche der Scheibe und des Chips gemessen wurde.


Abnutzungsmenge (mg)
Beispiel 5)
Chip	0,9
Scheibe	1,2
Beispiel 6) @	Chip	1
Scheibe	1,4
Beispiel 7) @	Chip	1
Scheibe	1,6
Beispiel 8) @	Chip	1,3
Scheibe	2,8
Beispiel 9) @	Chip	1,6
Scheibe	3,2
Beispiel 10) @	Chip	2,2
Scheibe	3,8

Fig. 27 zeigt ein Tabelle 23 entnommenes Diagramm, in wei chem Punkte (5) bis (10) jeweils den Chips der Beispiele 5 bis 10 entsprechen.

Wie aus Tabelle 23 und Fig. 27 hervorgeht, wurden die Chips der Beispiele 5 bis 7, deren Gehalt S an {222}- und {110}-orientierten Fe-Kristallen jeweils in einem durch S20% dargestellten Bereich liegt, im Vergleich zu Bei spielen den 8 bis 10 weniger abgenutzt, und die Abnutzung der Scheiben als Gegenelemente konnte bei den Beispielen 5 bis 7 im wesentlichen unterdrückt werden.

Ferner wurde ein Abnutzungstest ohne Schmieren durchge führt, jedoch wurde selbst bei einem Abnutzungstest mit Schmieren eine Tendenz beobachtet, die ähnlich jener in dem Test ohne Schmieren war. Festzuhalten ist, daß die Bedingungen für den Abnutzungstest ohne Schmieren die gleichen wie bei der zweiten Ausführungsform waren.

Für Metallkristalle mit kubisch raumzentrierter Struktur sind in Tabelle 24 die Kristallform auf der Gleitfläche, auf Schrägen angeordnete Kristallebenen (welche entgegen gesetzte Dreiecksendflächen in Fig. 31 umfassen) für die orientierten Metallkristalle und dergl. gezeigt.

Tabelle 24

Festzuhalten ist, daß hinsichtlich der Benetzbarkeit der auf Schrägen angeordneten Kristallebenen mit Öl oder dergl. die (hhh)-Ebene der (hh0)-Ebene überlegen ist.

Der Gleitflächenaufbau ist bspw. auf einen Gleitabschnitt jedes der folgenden Teile einer Brennkraftmaschine anwend bar: Kolben (Ringnuten), Kolbenringe, Kolbenbolzen, Pleuel, Kurbelwellen, Lagermetalle, Ölpumpenrotoren, Ölpumpenrotor gehäuse, Nockenwellen, Federn (Endflächen), Federsitze, Federsicherungselemente, Splinte, Kipphebel, Rollenlager- Außengehäuse, Rollenlager-Innengehäuse, Ventilschafte, Ventilflächen, Hydraulikmitnehmer, Wasserpumpen-rotorwel len, Riemenscheiben, Zahnräder, Getriebewellenabschnitte, Kupplungsplatten, Beilegscheiben und Bolzen (Lagerflächen und Gewindeabschnitte).

Ein Gleitflächenaufbau ist aus einem Aggregat von Fe- Kristallen mit kubisch raumzentrierter Struktur gebildet. Das Aggregat umfaßt {222}-orientierte Fe-Kristalle, deren {222}-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche hin orientiert sind. Der Gehalt S an {222}-orientierten Fe-Kri stallen liegt in einem durch S20% dargestellten Be reich, vorzugsweise in einem durch S40% dargestellten Bereich. Die {222}-orientierten Fe-Kristalle bilden auf der Gleitfläche die Gestalt von Dreiecks-Pyramiden, die gutes Ölrückhaltevermögen des Gleitflächenaufbaus bereitstellen. Somit zeigt der Gleitflächenaufbau ausgezeichnete Freßbe ständigkeit.

Claims

1. Gleitflächenaufbau (4), der aus einem Aggregat von Me tallkristallen kubisch raumzentrierter Struktur gebil det ist, wobei das Aggregat (hhh)-orientierte Metall kristalle (6) umfaßt, deren (hhh)-Ebenen in Miller- Indizes zu einer Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, wobei ein Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristal len (6) in dem durch S20% dargestellten Bereich liegt.

2. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt S an (hhh)-orientierten Metallkristallen (6) in einem durch S40% dargestellten Bereich liegt.

3. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkristalle Fe-Kristalle (6) sind, die (hhh)-Ebenen {222}-Ebenen sind, und die {222}-orien tierten Fe-Kristalle (6) auf der Gleitfläche (4a) die Gestalt von Pyramiden aufweisen.

4. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt S an {200}-orientierten Fe-Kristallen, deren {200}-Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, oder/und der Gehalt S an {310}-orientierten Fe-Kristallen, deren {310}-Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, gleich 0% ist.

5. Gleitflächenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der von den (hhh)-Ebenen relativ zu einer zur Gleitfläche (4a) parallelen Ebene (10) gebildete Nei gungswinkel R in einem durch 0°R15° dargestellten Bereich liegt.

6. Gleitflächenaufbau (4), der aus einem Aggregat von Me tallkristallen (6, 11) kubisch raumzentrierter Struktur gebildet ist, wobei das Aggregat (hhh)-orientierte Me tallkristalle (6), deren (hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, und (2hhh)-orientierte Metallkristalle (11), deren (2hhh)- Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, umfaßt, und daß der Gehalt S an (hhh) orientierten Metallkristallen (6) in einem durch S20% dargestellten Bereich liegt und der Gehalt S an (2hhh)-orientierten Metallkristallen (11) in einem durch 20%S60% dargestellten Bereich liegt.

7. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkristalle Fe-Kristalle (6, 11) sind, daß die (hhh)-Ebenen {222}-Ebenen sind, wobei die {222} orientierten Fe-Kristalle (6) auf der Gleitfläche (4a) die Gestalt von Pyramiden aufweisen, und daß die (2hhh)-Ebenen {211}-Ebenen sind, wobei die {211}-orien tierten Fe-Kristalle (11) auf der Gleitfläche (4a) in Gestalt kleiner Pyramiden vorliegen.

8. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der von den (hhh)-Ebenen relativ zu einer zur Gleitfläche (4a) parallelen Ebene (10) gebildete Nei gungswinkel R in einem durch 0°R15° dargestellten Bereich liegt.

9. Gleitflächenaufbau (4), der aus einem Aggregat von Metallkristallen (6, 12) mit kubisch raumzentrierter Struktur gebildet ist, wobei das Aggregat (hhh)-orien tierte Metallkristalle (6), deren (hhh)-Ebenen in Miller-Indizes zu einer Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, und (hh0)-orientierte Metallkristalle (12), deren (hh0)-Ebenen in Miller-Indizes zur Gleitfläche (4a) hin orientiert sind, umfaßt, und daß der Gehalt S an (hhh)- orientierten Metallkristallen (6) und der Gehalt S an (hh0)-orientierten Metallkristallen (12) jeweils in einem durch S20% dargestellten Bereich liegen.

10. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallkristalle Fe-Kristalle (6, 12) sind, daß die (hhh)-Ebenen {222}-Ebenen sind, wobei die {222}- orientierten Fe-Kristalle (6) auf der Gleitfläche (4a) in Gestalt von Pyramiden vorliegen, und daß die (hh0)- Ebenen {110}-Ebenen sind, wobei die {110}-orientierten Fe-Kristalle (12) auf der Gleitebene (4a) in platten förmiger Gestalt vorliegen.

11. Gleitflächenaufbau nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der von den (hhh)-Ebenen relativ zu einer zur Gleitfläche (4a) parallelen Ebene (10) gebildete Nei gungswinkel R in einem durch 0°R15° dargestellten Bereich liegt.