DE4438550A1

DE4438550A1 - Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung zum Eingießen in ein Kurbelgehäuse einer Hubkolbenmaschine und Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlaufbüchse

Info

Publication number: DE4438550A1
Application number: DE4438550A
Authority: DE
Inventors: Franz Dr Ing Rueckert; Peter Dipl Ing Stocker; Roland Biedermann
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1994-10-28
Filing date: 1994-10-28
Publication date: 1996-05-02
Anticipated expiration: 2014-10-29
Also published as: GB9520107D0; DE9422167U1; CN1045317C; KR100192072B1; CN1129743A; GB2294471A; JP2932248B2; DE4438550C2; GB2294471B; KR960014729A; JPH08246087A; FR2726212A1; FR2726212B1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung zum Eingießen in eine Hubkolbenmaschine (Oberbegriff von Anspruch 1) und von einem Verfahren zur Herstellung einer solchen Zylinderlauf büchse nach dem Oberbegriff von Anspruch 4.

Aus der EP 367 229 A1 geht eine Zylinderlaufbüchse als bekannt hervor, die aus Metallpulver und eingemischten Graphitparti keln (0,5 bis 3%; Körnungsdurchmesser maximal 10 µm oder we niger, gemessen in einer quer zur Zylinderachse gemessenen Ebene) und Hartstoffpartikeln ohne scharfe Kanten (3 bis 5%; Körnungsdurchmesser maximal 30 µm, durchschnittlich 10 µm oder weniger), insbesondere Aluminiumoxid hergestellt wird. Das Me tallpulver ist zunächst für sich, d. h. ohne zugemischte außer metallische Partikel durch Luftzerstäubung einer übereutekti schen Aluminium/Silizium-Legierung mit folgender Zusammenset zung - mit dem Rest an Aluminium - hergestellt (Angaben in Ge wichtsprozent bezogen auf den Gesamtmetallgehalt der Legie rung, d. h. ohne die schmelzenfremden Hartstoffpartikel und Graphitanteile):

Silizium 16 bis 18%,
Eisen 4 bis 6%,
Kupfer 2 bis 4%,
Magnesium 0,5 bis 2% und
Mangan 0,1 bis 0,8%.

Das Metallpulver wird mit nichtmetallischen Partikeln gemischt und dieses Pulvergemisch wird bei etwa 2000 bar zu einem vor zugsweise rohrförmigen Körper gepreßt. Dieser pulvermetallur gisch hergestellte Rohling wird in ein formentsprechendes Rohrstück aus Weichaluminium gesteckt und das solcherart ge wonnene doppellagige Rohr gemeinsam in einem Extrusionsverfah ren, bevorzugt bei angehobenen Temperaturen zu einem rohrför migen Rohling versintert und geformt, aus dem die einzelnen Zylinderlaufbüchsen hergestellt werden können. Die eingelager ten Hartstoffpartikel sollen der Zylinderlaufbüchse eine gute Verschleißbeständigkeit verleihen, wogegen die Graphitpartilel als Trockenschmierstoff dienen. Zur Vermeidung einer Oxidation der Graphitpartikel sollte die Heißextrusion unter Sauerstoff abschluß stattfinden. Auch besteht die Gefahr, daß bei hohen Verarbeitungstemperaturen der Graphit mit dem Silizium rea giert und oberflächlich hartes SiC entsteht, wodurch die Trockenschmiereigenschaft der eingelagerten Graphitpartikel beeinträchtigt wird. Nachdem die Pulvermischung stets mehr oder weniger vollkommen ist, läßt es sich nie ganz ausschlie ßen, daß örtlich mehr oder weniger große Konzentrationsschwan kungen an Hartstoffpartikel und/oder an Graphitpartikeln an der Oberfläche des Werkstückes vorkommen. Aufgrund der einge lagerten Hartstoffpartikel verschleißt das Heißpreßwerkzeug relativ rasch, weil die Hartstoffpartikel trotz ihrer verrun deten Kanten immer noch stark abrasiv wirken; es läßt sich mit vertretbarem Aufwand ohnehin nur ein teilweises Verrunden der Kanten an den durch Bruchzerkleinerung entstandenen Partikel erreichen. Auch die anschließende mechanische Bearbeitung der Lauffläche der Zylinderlaufbüchse ist mit einem hohen Werk zeugverschleiß und somit mit hohen Werkzeugkosten verbunden. Die in der Lauffläche freiliegenden Hartstoffpartikel sind nach der Oberflächenbearbeitung scharfkantig begrenzt und üben einen relativ hohen Verschleiß auf den Kolbenschaft und die Kolbenringe aus, so daß diese aus einem verschleißfesten Werk stoff hergestellt bzw. mit einer entsprechend verschleißfesten Beschichtung versehen sein müssen. Die bekannte Zylinderlauf büchse ist insgesamt nicht nur von den Ausgangsstoffen mit mehreren separaten Komponenten her relativ teuer, sondern auch die hohen Werkzeugkosten im Zusammenhang mit der plastischen und mit der zerspanenden Bearbeitung treiben die Stück-Kosten in die Höhe. Abgesehen davon birgt die Art der Herstellung der bekannten Zylinderlaufbüchse aus einem heterogenen Pulverge misch die Gefahr von Inhomogenitäten, die u. U. eine Funktions beeinträchtigung, also Ausschuß, in jedem Fall aber eine auf wendige Qualitätsüberwachung erfordern. Darüber hinaus setzt sie im Motorbetrieb aufwendige Kolbenkonstruktionen voraus, die die Hubkolbenmaschine insgesamt verteuern.

Erwähnt sei auch noch die US-PS 4 938 810, aus der ebenfalls eine pulvermetallurgisch hergestellte Zylinderlaufbüchse als bekannt hervorgeht. Es werden hier Legierungsbeispiele in gro ßer Zahl angeführt und auch Meß- und Betriebsdaten der damit hergestellten Zylinderlaufbüchsen genannt. Die Siliziumgehalte der angegebenen Beispiele liegen im Bereich von 17,2 bis 23,6%, obwohl im Schutzanspruch dieser Schrift diesbezüglich ein umfassenderer Bereich von 10 bis 30% empfohlen wird, der bis in den untereutektischen Bereich hineinreicht. Wenigstens ei nes der Metalle, nämlich Nickel, Eisen oder Mangan, soll eben falls in der Legierung enthalten sein, und zwar mindestens zu 5% oder (Eisen) zu wenigstens 3%. Stellvertretend sei hier lediglich eine Legierungszusammensetzung in Gew.-% genannt, der Rest ist Aluminium; Zink- und Mangangehalte sind nicht ge nannt, was darauf schließen läßt, daß diese Metalle, von Spu ren abgesehen, nicht enthalten sein sollen:

Silizium: 22,8%,
Kupfer: 3,1%,
Magnesium: 1,3%,
Eisen: 0,5% und
Nickel: 8,0%.

Der Nickelgehalt in dem genannt Legierungsbeispiel ist sehr hoch. Aus dem Pulvergemisch wird ein Rohling für eine Zylin derlaufbüchse heißextrudiert.

Schließlich sei noch die US-PS 4 155 756 genannt, die sich mit dem gleichen Thema befaßt; dort wird u. a. die folgende Zusam mensetzung einer pulvermetallurgisch hergestellten Zylinder laufbüchse als ein Beispiel von mehreren - Rest Aluminium - genannt:

Silizium: 25%,
Kupfer: 4,3%,
Magnesium: 0,65% und
Eisen: 0,8%.

Aufgabe der Erfindung ist es, die gattungsgemäß zugrundegeleg te Zylinderlaufbüchse im Hinblick auf Verschleißbeständigkeit und Schmierölverbrauch zu verbessern, wobei gleichwohl die Verschleißgefahr für den Kolben verringert wird; bei der Ver ringerung des Schmierölverbrauches steht weniger das Schmieröl selber im Vordergrund des Interesses, sondern vielmehr dessen Verbrennungsrückstände - im wesentlichen Kohlenwasserstoffe, die das von der Brennkraftmaschine emittierte Abgas ungünstig belasten.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung der gattungsgemäßen Hub kolbenmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merk male von Anspruch 1 und bezüglich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 4 gelöst. Aufgrund der speziellen Legierungszusammensetzung des Werkstoffes für die Zylinderlaufbüchse bilden sich unmittelbar aus der Schmelze Silizium-Primärkristalle und intermetallische Phasen; auf ein Zumischen gesonderter Hartpartikel kann daher verzichtet wer den. Außerdem wird das verfahrenstechnisch gut beherrschbare und vergleichsweise preiswerte Sprühkompaktieren der Legierung mit anschließendem, energiesparenden Kaltfließpressen des Roh lings eingesetzt. Dieses Verfahren erbringt eine besonders ge ringe Oxidation der Tröpfchenoberflächen und eine besonders geringe Porosität der Büchse. Die erwähnten Legierungszusam mensetzungen A bzw. B sind im Hinblick auf einen Einsatzfall mit eisenbeschichtetem Kolben (Legierung A) bzw. mit unbe schichtetem Aluminiumkolben (Legierung B) optimiert. Die schmelzegeborenen Hartpartikel besitzen einerseits eine hohe Härte und verleihen der Lauffläche eine gute Verschleißbestän digkeit, andererseits beeinträchtigen diese schmelzegeborenen Hartpartikel die Bearbeitung des Werkstoffes nicht allzu sehr, so daß die Lauffläche hinreichend gut mechanisch bearbeitbar ist. Aufgrund der Entstehung der Primärkristalle und interme tallischen Phasen in jedem einzelnen versprühten und anschlie ßend auf dem aufwachsenden Rohling erstarrenden Schmelzen tröpfchen ergibt sich prozeßbedingt eine sehr gleichmäßige Verteilung der harten Partikel im Werkstück. Die schmelzegebo renen Partikel sind außerdem weniger kantig und tribologisch nicht so aggressiv wie Bruchpartikel. Im übrigen sind die schmelzegeborenen, metallischen Hartpartikel inniger in das Legierungsgrundgefüge eingebettet im Vergleich zu eingemisch ten, nichtmetallischen Bruchpartikeln, so daß die Gefahr einer Rißbildung an den Hartstoffgrenzen weniger groß ist. Außerdem zeigen die schmelzegeborenen Hartpartikel ein besseres Ein laufverhalten und eine geringere abrasive Aggressivität gegen über dem Kolben und seinen Ringen, so daß sich höhere Stand zeiten ergeben oder - bei Inkaufnahme konventioneller Stand zeiten - weniger aufwendige Ausführungen auf der Kolbenseite zugelassen werden können.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispie les nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 eine partielle Schnitt-Ansicht einer Hubkolbenmaschine mit eingegossener Zylinderlaufbüchse,

Fig. 2 einen stark vergrößerten Ausschnitt von einen parallel zu einer Zylindermantellinie genommenen Querschnitt durch einen oberflächennahen Bereich der Zylinderlauf büchse,

Fig. 2a eine weitere Detailvergrößerung einer Einzelheit aus Fig. 2,

Fig. 3 ein Balkendiagramm, die Korngrößen der verschiedenen schmelzengeborenen Hartpartikel veranschaulichend und

Fig. 4 eine umgerüstete Honmaschine zum mechanischen Freilegen der Hartpartikel aus der Oberfläche der Zylinderlauf büchse.

Die in Fig. 1 partiell dargestellte Hubkolbenmaschine enthält ein Kurbelgehäuse 2 aus Druckguß, in der Zylindermäntel 4 zur Aufnahme einer Zylinderlaufbüchse 6 angeordnet sind, in denen ein Kolben 3 auf und ab beweglich geführt ist. Oben auf dem Kurbelgehäuse 2 ist ein Zylinderkopf 1 mit den Einrichtungen für einen Ladungswechsel und die Ladungszündung angebracht. Innerhalb des Kurbelgehäuses ist um den Zylindermantel 4 herum ein Hohlraum zur Bildung eines Wassermantels 5 für die Zylin derkühlung vorgesehen.

Die Zylinderlaufbüchse 6 wird als Einzelteil nach einem weiter unten näher beschriebenen Verfahren in einer übereutektischen Zusammensetzung, worauf ebenfalls weiter unten noch näher ein gegangen wird, hergestellt, dann als Rohteil in das Kurbelge häuse 2 eingegossen und gemeinsam mit dem Kurbelgehäuse bear beitet. Dazu wird unter anderem die Lauffläche der Zylinder laufbüchse zunächst grob vorbearbeitet und anschließend spa nabhebend im Sinne eines Bohrens oder Drehens fein bearbeitet. Anschließend wird die Lauffläche 7 zumindest einstufig gehont. Nach dem Honen werden die in der Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung ausfallenden Partikel wie Siliziumkristalle und intermetallische Phasen derart aus der Lauffläche freigelegt, daß Plateau-Flächen der Partikel gegen über der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung hervorstehen.

Um die Zylinderlaufbüchsen im Hinblick auf die Verschleißbe ständigkeit sowie den Schmierölverbrauch und somit die Emissi on von Kohlenwasserstoffen durch die Brennkraftmaschine zu verbessern, ist erfindungsgemäß ein Bündel von Maßnahmen vor gesehen, die in diesem Sinne gemeinsam zusammenwirken.

Zunächst ist hier eine Optimierung der Zusammensetzung der Le gierung zu erwähnen, wobei hier alternativ zwei Legierungsty pen als optimal herausgefunden wurden, wobei der eine Legie rungstyp A für ein zusammengehen mit eisen-beschichteten Kol ben empfohlen wird; der andere Legierungstyp B ist im Zusam menhang mit unbeschichteten Aluminiumkolben optimiert worden. Bei den nachfolgenden Prozentangaben handelt es sich um Ge wichts-Prozente. Und zwar ist die Legierung A folgendermaßen zusammengesetzt:

Silizium 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen max. 0,25%
Mangan, Nickel und Zink max. 0,01% und Rest Aluminium.

Die Legierung B für das Zusammenarbeiten mit unbeschichteten Aluminiumkolben ist im Hinblick auf die Anteile von Silizium, Kupfer, Mangan und Zink ebenso zusammengesetzt wie die Legie rung A; lediglich die Gehalte an Eisen und Nickel sind etwas höher, und zwar

Eisen 1,0 bis 1,4% und
Nickel 1,0 bis 5,0%.

Aus der Aluminium/Silizium-Legierung wird durch feines Ver sprühen der Schmelze in einer sauerstofffreien Atmosphäre und Niederschlagen des Schmelze-Nebels zu einem aufwachsenden Kör per zunächst eine Luppe mit feinkörniger Ausbildung der Sili zium-Primärkristalle 8 und intermetallischer Phasen 9 und 10 darin erzeugt, und zwar bilden sich intermetallische Phasen zwischen Magnesium und Silizium (Mg₂Si) und zwischen Aluminium und Kupfer (Al₂Cu). Die verdüste Schmelze wird in einem Stick stoffstrahl sehr rasch abgekühlt, wobei Abkühlungsgeschwindig keiten im Bereich von 10⁵ K/sek. erreicht werden. Durch dieses sog. Sprühkompaktieren ist ein von der Korngröße her sehr schmalbandiges Gefüge mit etwa ± 5 . . . 10 µm um einen Mittel wert herum herstellbar, wobei der Mittelwert innerhalb eines relativ breiten Korngrößenspektrums von etwa 7 bis 200 µm ein stellbar ist. Vorliegend wird mit einer sehr feinen Körnungs einstellung - Korngröße von 2 bis 10 µm - gearbeitet, so daß sich ein entsprechend feines Gefüge mit feiner und gleichmä ßiger Siliziumverteilung ergibt. Jedes Pulverteilchen hat die vollen Legierungsbestandteile. Die Pulverteilchen werden auf einen rotierenden Teller gesprüht, auf welchem die erwähnte Luppe mit einem Durchmesser von bspw. 300 oder 1000 mm Durch messer aufwächst. Dies hängt von der Anlagenauslegung ab. An schließend müssen die Luppen auf einer Strangpresse zu Rohren verpreßt werden. Es ist auch denkbar, daß man die Luppe nicht axial auf einem rotierenden Teller aufwachsen läßt, sondern die verdüste Schmelze auf einem umlaufenden Zylinder radial aufwachsen läßt, so daß ein im wesentlichen rohrförmiges Vor produkt entsteht.

Die Schmelze wird beim Versprühen so fein zerstäubt, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bildenden Silizium-Primärkri stalle 8 und die intermetallischen Phasen 9 bzw. 10 bei sehr geringen Korngrößen mit folgenden Maßen anfallen:

Si-Primärkristalle: 2 bis 15, vorzugsweise 4 bis 10 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phase: 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 µm.

Durch diese Feinkörnigkeit wird zum einen eine feindisperse Verteilung der harten Partikel innerhalb des Legierungsgrund gefüges und ein homogener Werkstoff erreicht. Da aus einer Schmelze heraus verdüst wird, können sich keine Mischungs-In homogenitäten bilden. Aufgrund der Kompaktierung der verdüsten Schmelzetröpfchen kommt es auch zu einem sehr innigen Verbund der Tröpfen untereinander und zu einer weitgehenden Vermeidung von Porositäten.

Das Verfahren des Sprühkompaktierens von Aluminiumlegierungen ist an sich bekannt und soll hier nur in vorteilhafter Weise zum Einsatz gelangen. Auch das Strangpressen von derartig her gestellten Luppen zu Rohren, aus denen dann einzelne Büchsen abgelängt werden können, ist ebenfalls an sich bekannt. Aus diesem Grunde soll hier nicht mehr darauf eingegangen werden.

Die solcher Art hergestellten und eventuell durch eine spanab hebende Bearbeitung auf ein gewisses Weiterverarbeitungsmaß gebrachten Rohteile der Zylinderlaufbüchse werden in ein Kur belgehäuse aus einer gut gießbaren Aluminiumlegierung einge gossen, wobei hier bevorzugt ein Druckgußverfahren empfohlen wird. Dazu werden die einzugießenden und vorgefertigten Zylin derlaufbüchsen auf einen Führungsbolzen bei geöffnetem Druck gußwerkzeug aufgeschoben, die Form geschlossen und der Druck gußwerkstoff eingeschossen. Aufgrund der raschen Abkühlzeit und der Möglichkeit, die einzugießende Zylinderlaufbüchse über den Führungsbolzen kühlen zu können, besteht keine Gefahr, daß durch die Schmelze des Druckgußwerkstückes der Werkstoff der Zylinderlaufbüchse in unkontrollierter Weise thermisch beein flußt wird. Die für den Druckguß eingesetzte Legierung ist un tereutektisch und deswegen gießtechnisch gut verarbeitbar. An dererseits ist die thermische Ausdehnung der Legierung des Druckgußwerkstückes einerseits und der Zylinderlaufbüchse an dererseits annähernd gleich, so daß es zwischen beiden nicht zu unkontrollierten Wärmespannungen kommt.

Nach dem Eingießen der Zylinderlaufbüchse in das Kurbelgehäuse wird dieses spanabhebend an den erforderlichen Flächen bear beitet, insbesondere an den Laufflächen 7 der Zylinderlauf büchse 6. Auch diese Bearbeitungsvorgänge - es seien hier le diglich Bohren und Honen erwähnt - sind an sich bekannt, wes halb hier nicht mehr darauf eingegangen werden soll. Im An schluß an das Honen müssen die oberflächlich eingelagerten Si lizium-Primärkristalle 8 und die Partikel aus intermetalli schen Phasen 9 bzw. 10 freigelegt werden. Üblicherweise er folgt dieses Freilegen auf chemischem Wege durch Atzen, was nicht nur zeitraubend ist, sondern auch mit einer gewissen Be lastung der Arbeitsplatzumgebung durch ein Verdunsten von Ätz flüssigkeit verbunden ist. Außerdem ist eine gewisse Inhomoge nität beim Ätzen nicht zu vermeiden, weil die Ätzbedingungen nicht überall völlig gleich gestaltet sind. Aus diesem Grunde muß eine gewisse Mindestfreilegungstiefe angestrebt werden, um in jedem Fall auch an den ungünstigsten Stellen ein gewisses Mindestmaß an Freilegungstiefe zu bekommen. Der Zeitaufwand für das Ätzen, die Sicherheitsvorkehrungen am Arbeitsplatz und die laufenden Betriebskosten, in erster Linie Chemikalien-, Abwasser- und Entsorgungskosten, kummulieren zu ganz erhebli chen Beträgen je Zylinderlaufbüchse. Die vorliegende Erfindung beschreitet hier einen anderen Weg, und zwar werden die in der Lauffläche eingelagerten Primärkristalle 8 bzw. Partikel 9 und 10 mechanisch durch einen Schleif- oder Poliervorgang unter Verwendung von nachgiebigen Polier- oder Schleifformkörpern 16 freigelegt. Dadurch werden nicht nur die Nachteile und Kosten des Ätzens vermieden, sondern es werden vor allem auch Ge brauchs- und Funktionsvorteile der Lauffläche 7 der Zylinder laufbüchse erzielt, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden soll. Die durch das mechanische Freilegen verursachten Kosten je Zylinderlaufbüchse sind nicht höher als die Kosten eines Honvorganges.

Im Zusammenhang mit dem mechanischen Freilegen sei auf die in Fig. 4 dargestellte Honmaschine näher eingegangen, die auch bei diesem Poliervorgang zum Einsatz kommen soll. Die dort dargestellte Honmaschine 13 weist einen beweglichen Maschinen tisch 18 auf, der in einer Auffangwanne 19 das zu bearbeitende Kurbelgehäuse 2 aufnimmt. Oberhalb des Maschinentisches 18 ist zumindest eine sich vertikal erstreckende Honspindel 14 mit einer darin aufgenommenen Honahle 15 angeordnet, die in eine Zylinderbohrung des Kurbelgehäuses absenkbar ist. Die Beson derheit der Honmaschine besteht nun zum einen darin, daß die Honahle 15 nicht mit harten Honsteinen, sondern am Umfang mit mehreren axial ausgerichteten Filzleisten 16 bestückt ist, die sich aufgrund einer Nachgiebigkeit des Filzes außen selbsttä tig zylindrisch an die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse anpassen. Diese dienen als formangepaßte Polier- oder Schleif körper. In die Konstruktion der Hohnahle sind metallische Schleifkörperträger einbezogen, die radial beweglich in der Honahle geführt und mit einstellbarer Kraft an die Innenober fläche der Zylinderlaufbüchse anpreßbar sind. Die metallischen Schleifkörperträger waren auf ihrer der radial nach außen wei senden Seite flacheben, also nicht zylindrisch gestaltet. Auf diese ebenen Flächen wurden jeweils Zuschnitte aus einer Filz matte von 9 mm Stärke aufgeklebt, wobei die aufgeklebten Filz stücke außenseitig nicht im Sinne einer zylindrischen Oberflä chengebung bearbeitet wurden. Vielmehr stellte sich die erfor derliche Zylindrizität bei Arbeitsaufnahme des honähnlichen Polierens bzw. Schleifens unter dem Anpreßdruck der Filzstücke an die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse selbsttätig ein. Bei dem Filzmaterial handelte es sich um einen Filz mit der Bezeichnung Stückfilz Tm 30-9, DIN 61 206; auch ein Filz der Bezeichnung Stückfilz Tm 32-9, DIN 61 206 wäre sicher geeig net. Dabei bedeuten die einzelnen Daten in der Bezeichnung:
m → melliert,
30 → 0.3 g/cm³ Rohdichte bzw. 32 → 0.32 g/cm³ Rohdichte,
9 → 9 mm Dicke.

Die Härte der verwendeten Filzstücke betrug nach DIN 61 200 M6 (mittel 6) bei dem Stückfilz Tm 32-9, DIN 61 206 wäre eine Härte nach DIN 61 200 mit der Kennzeichnung F1 (fest 1) zu emp fehlen.

Da dieses mechanische Freilegen zugleich in Gegenwart eines abrasiv wirkenden, amorphen Schleif- oder Poliermediums mit darin enthaltenen Hartstoffpartikeln erfolgt, sind auch zum Zuführen des Schleifmediums Vorkehrungen an der Honmaschine 13 getroffen. Und zwar ist bei der Maschine ein Sammelbehälter 20 zur Aufnahme einer Aufschlämmung 23 von feinen Hartstoffparti keln, vorzugsweise von Siliziumkarbit-Partikeln in Honöl auf gestellt. Zur Vermeidung einer Sedimentation der Hartstoffpar tikel ist ein Rührwerk 21 in dem Sammelbehälter vorgesehen. Eine Umwälzpumpe 22 fördert von dem Sammelbehälter 20 die Auf schlämmung zu einem ringförmigen Brausekopf 17, der die Honah le oberhalb der Zylinderlaufbüchse umgibt und dieser reichlich Schleifflüssigkeit zuführt. Während des mechanischen Freile gens vollführt die rotierende Honahle in bekannter Weise eine axial pendelnde Auf- und Abbewegung, so daß alle Partien der Lauffläche 7 von den Filzleisten 16 erreicht werden. In be kannter Weise ist die Honahle so ausgebildet, daß die Filzlei sten mit einstellbarem Druck an die Lauffläche 7 anpreßbar ist. Vorzugsweise wird das mechanische Freilegen unter einer Anpressung von etwa 3 bis 5 bar, vorzugsweise etwa 4 bar durchgeführt. Durch diese Art der Bearbeitung wird das zwi schen den einzelnen oberflächlich anstehenden härteren Parti keln befindliche Material des Legierungsgrundwerkstoffes etwas abgetragen, so daß die härteren Partikel mit einer Plateauflä che 11 gegenüber dem abgetragenen Grundwerkstoff 12 emporra gen. Dieses Maß t stellt die Freilegungstiefe dar. Bei dieser Arbeitsweise werden die Ränder der Plateauflächen 11 ballig verrundet, so daß sie sanft in den Legierungsgrundwerkstoff 12 übergehen. Diese Ausgestaltungsform der Plateauflächen 11 ist für den darüberhinweg gleitenden Kolben bzw. die Kolbenringe sehr vorteilhaft, weil tribologisch wenig aggressiv im Gegen satz zu den scharfkantig abgesetzten Hartstoffpartikeln im Falle des chemischen Freilegens. Das Maß der Freilegungstiefe t kann - neben der Anpreßkraft der Filzleisten - vor allem durch die Dauer des honähnlichen Vorganges beim mechanischen Freilegen bestimmt werden. Zwar ist es so, daß mit zunehmender Freilegungsdauer auch die Plateauflächen 11 immer stärker ver rundet werden und kalottenähnlich abgetragen werden. Es hat sich deshalb als zweckmäßig herausgestellt, etwa 20 bis 60 Se kunden, vorzugsweise etwa 40 Sekunden lang mechanisch in der erwähnten Art freizulegen. Dabei stellt sich eine Freilegungs tiefe von etwa 0,2 bis 0,3 µm ein. Diese Freilegungstiefe ist allerdings überlagert von einer Oberflächenrauheit, die zumin dest in der gleichen Größenordnung wenn nicht sogar größer ist, was jedoch in Fig. 2a so nicht dargestellt ist. Die Rau heit der Oberfläche ist im wesentlichen durch die Körnung der Hartstoffpartikel in der Aufschlämmung 23 bestimmt; die Rau heitswerte an bearbeiteten Zylinderlaufflächen liegen im Be reich von 0,7 bis 1,0 µm. Durch diese Rauheitswerte und durch die geringe Freilegungstiefe konnten sehr geringe Ölverbräuche und mithin sehr geringe Emissionen von Kohlenwasserstoffen er reicht werden. Außerdem sind die Verschleißbeständigkeit und die Gleiteigenschaften der so hergestellten Zylinderlaufbüch sen exzellent.

Claims

1. In eine Hubkolbenmaschine eingegossene Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung, gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit folgender Merkmale:

- die von schmelzenunabhängigen Hartstoffpartikeln freie Alu minium/Silizium-Legierung der Zylinderlaufbüchse (6) ist in den beiden alternativ einsetzbaren Legierungstypen A bzw. B folgendermaßen zusammengesetzt, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Gewichtsprozenten bedeuten:
Legierung A:
Silizium 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen maximal 0,25%,
Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium oder
Legierung B:
Silizium 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen 1,0 bis 1,4%,
Nickel 1,0 bis 5,0%
Mangan und Zink maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium,
- in der Zylinderlaufbüchse (6) sind Silizium-Primärkristalle (8) und intermetallische Phasen (9, 10) mit folgenden Korn größen enthalten, wobei die Zahlenangaben den mittleren Korndurchmesser in µm bedeuten:
Si-Primärkristalle: 2 bis 15, vorzugsweise 4,0 bis 10,0 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0, Vorzugsweise 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phasen: 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 µm,
- aus der feinbearbeiteten Lauffläche (7) der Zylinderlauf büchse (6) heraus sind oberflächlich eingelagerte Silizium- Primärkristalle (8) und Partikel aus intermetallischer Pha sen (9, 10) freigelegt, wobei die freigelegten Plateau-Flä chen (11) der Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) an ihren Rändern ballig oder verrundet in den Legierungsgrund werkstoff (12) übergehen.

2. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Freilegungstiefe (t) der Plateau-Flächen (11) der Pri märkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) gegenüber dem umgeben den Legierungsgrundwerkstoff (12) etwa 0,2 bis 0,3 µm beträgt.

3. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die freigelegten Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) an ihrer freigelegten Plateau-Fläche (11) nach dem Freilegen eine Rauheit von Rz = 0,7 bis 1,0 µm aufweisen.

4. Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufbüchse aus ei ner übereutektischen, Aluminium/Silizium-Legierung, bei dem diese zunächst als rohrförmiges Rohteil für sich hergestellt und danach in ein sie tragendes Kurbelgehäuse einer Hubkolben maschine eingegossen wird, bei dem ferner im eingegossenen Zu stand der Zylinderlaufbüchse deren Lauffläche grob spanabhe bend vorbearbeitet und danach im Sinne eines Bohrens oder Dre hens feinbearbeitet und anschließend wenigstens einstufig ge hont wird und bei dem danach die in der Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung ausfallenden Partikel wie Siliziumkristalle und intermetallischen Phasen derart freigelegt werden, daß Plateauflächen der Partikel gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung her vorstehen, insbesondere zur Herstellung einer Zylinderlauf büchse nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Gemeinsamkeit mit folgenden Merkmalen:

- als Werkstoff für die Zylinderlaufbüchse (6) wird alterna tiv eine der beiden folgenden, von schmelzenunabhängigen Hartstoffpartikel freien Aluminium/Silizium-Legierungen A bzw. B verwendet, wobei die Zahlenangaben den Gehalt in Ge wichtsprozenten bedeuten:
Legierung A:
Silizium 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen maximal 0,25%,
Mangan, Nickel und Zink maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium oder
Legierung B:
Silizium 23,0 bis 28,0%, vorzugsweise etwa 25%,
Magnesium 0,80 bis 2,0%, vorzugsweise etwa 1,2%,
Kupfer 3,0 bis 4,5%, vorzugsweise etwa 3,9%,
Eisen 1,0 bis 1,4%,
Nickel 1,0 bis 5,0%
Mangan und Zink maximal jeweils 0,01%,
Rest Aluminium,
- aus der Aluminium/Silizium-Legierung wird durch feines Ver sprühen der Schmelze und Niederschlagen des Schmelze-Nebels zu einem aufwachsenden Körper zunächst eine Luppe mit fein körniger Ausbildung der Silizium-Primärkristalle (8) und intermetallischer Phasen (9, 10) darin erzeugt und diese durch Strangpressen zu einem rohrförmigen Halbzeug umge formt wird, aus der die Zylinderlaufbüchse hergestellt wird,
- die Schmelze wird beim Versprühen so fein zerstäubt, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bildenden Silizium-Pri märkristalle (8) und intermetallische Phasen (9, 10) in Korngrößen mit folgenden Maßen anfallen, wobei die Zahlen angaben den mittleren Korndurchmesser in µm bedeuten:
Si-Primärkristalle: 2 bis 15, vorzugsweise 4,0 bis 10,0 µm,
Al₂Cu-Phase: 0,1 bis 5,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,8 µm,
Mg₂Si-Phase: 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 µm,
- das Freilegen der oberflächlich eingelagerten Primärkri stalle (8) bzw. Partikel (9, 10) aus der Lauffläche (7) der in das Kurbelgehäuse eingegossenen Zylinderlaufbüchse (6), die an ihrer Lauffläche (7) bereits feinbearbeitet ist, er folgt auf mechanische Weise durch einen Schleif- oder Po liervorgang unter Verwendung wenigstens eines nachgiebigen Polier- oder Schleifformkörpers (16) und eines abrasiv wir kenden, amorphen Schleif- oder Poliermediums (23), welches Hartstoffpartikel enthält, deren Körnung geringer als oder höchstens gleich groß ist wie die gewünschte Rauhtiefe.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Freilegen der Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) nach Art eines Honvorganges unter Verwendung von außen zylindrisch geformten Filzleisten (16) und einer Aufschlämmung (23) von Hartstoff-Partikeln, insbesondere von SiC-Partikeln in Honöl erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mechanische Freilegen der Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) unter einer Anpressung der Filzleisten (16) mit 3 bis 5 bar, vorzugsweise mit etwa 4 bar in der Berüh rungsstelle erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der honähnliche Vorgang zum mechanischen Freilegen der Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) etwa 20 bis 60 s, vorzugsweise etwa 40 s lang betrieben wird.