DE69003456T2

DE69003456T2 - Vorrichtung zur Anodisierung von Kolben aus Aluminiumlegierungen, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden.

Info

Publication number: DE69003456T2
Application number: DE90420272T
Authority: DE
Inventors: Christophe Bommier; Philippe Gimenez; Gerard Laslaz
Original assignee: Pechiney Recherche GIE
Current assignee: Pechiney Recherche GIE
Priority date: 1989-06-07
Filing date: 1990-06-05
Publication date: 1994-01-20
Anticipated expiration: 2010-06-06
Also published as: JPH0394099A; CA2018288A1; AU622377B2; DD298005B5; IS3581A7; NO902507L; BR9002666A; JPH0514796B2; FR2648187A1; US5032244A; AU5680490A; ES2044511T3; FR2648187B1; ATE94917T1; KR910001092A; FI902832A0; EP0402287A1; EP0402287B1; PT94280A; DE69003456D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Anodisierungsbehandlung von Kolben aus Aluminiumlegierung, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden.
Man weiß, daß in den Verbrennungsmotoren die Teile der Kolben, die sich nahe der Verbrennungszone befinden, und insbesondere die Köpfe im Kontakt mit relativ heißen Gasen und daher starken Wärmebelastungen ausgesetzt sind, die vor allem Verformungen oder Veränderungen des metallurgischen Gefüges hervorrufen können, die der guten Funktion der Motoren schädlich sind.
Um die Wirkung dieser Belastungen, insbesondere im Fall von aus Aluminiumlegierung hergestellten Kolben, zu mildern, weiß der Fachmann, daß er sie z. B. durch elektrolytische Oxidation oder Anodisierung derart behandeln kann, um an ihrer Oberfläche eine thermische Sperre genannte Oxidschicht zu entwickeln, die das Metall des Kolbens gegenüber der ungünstigen Wirkung der Wärme schützt.
Diese Anodisierung wird in herkömmlicher Weise durch Eintauchen des Kolbens in ein Elektrolytbad und Durchgang elektrischen Wechsel- oder Gleichstroms zwischen dem Bad und dem Kolben erhalten, welch letzterer die Rolle einer Anode im Fall der Verwendung eines Gleichstroms spielt.
Da es vor allem der Bereich des Kopfes ist, der geschützt werden muß, scheint es unnötig und unwirtschaftlich, eine vollständige Anodisierung des Kolbens vorzunehmen, was um so mehr gilt, da dieser Vorgang dem Oberflächenzustand bestimmter anderer Teile des Kolbens schaden kann. Daher ordnet man vor der Durchführung der Anodisierung allgemein auf dem Kolben Abdeckungen oder Masken aus Wachs oder einem Polymermaterial auf den Stellen an, wo man die Oberfläche in ihrem ursprünglichen Zustand zu bewahren wünscht.
Diese Praxis erfordert eine zusätzliche Arbeitskraft, die eingesetzt wird, um zunächst die Masken anzubringen und sie dann entweder durch Auflösung oder jedes andere Mittel zu entfernen, und führt zu einer Erhöhung der Gesamtdauer und der Kosten der Behandlung.
Andererseits muß, damit die Oxidschicht ihre Rolle als thermische Sperre mit ausreichender Wirksamkeit spielt, ihre Dicke wenigstens gleich 50 um sein, weshalb sich die Notwendigkeit ergibt, die Anodisierung bis zur Einstellung starker Anode-Kathode-Spannungen zu führen. Unter diesen Bedingungen riskiert man, die Schicht durch die Brandfleckerscheinung zu verschlechtern, die eine beschleunigte und örtliche Auflösung dieser Schicht unter der Wirkung einer erhöhten Konzentration der Stromdichten an einigen Punkten ist und die zu starken örtlichen Temperaturerhöhungen führt. Um diese Gefahr auszuschalten, muß man sich auf die Verwendung von Stromdichten unter 10 A/dm² beschränken und deshalb die Anodisierungsdauer auf mehr als eine halbe Stunde verlängern, um eine geeignete Oxiddicke zu erhalten.
Es ist auch nötig, daß diese Schicht eine gute Haltbarkeit gegenüber der Wärmeermüdung aufweist und daß sie ausreichend hart ist, um sich während des Betriebs des Kolbens nicht zu verwerfen. Um dieses Ergebnis zu erreichen, ist es bekannt, nach der Anodisierung bestimmte Behandlungen, wie z. B. eine Kompression der Schicht, durchzuführen, wie beispielsweise im französischen Patent 2 354 450 beansprucht wird.
In Kenntnis der Probleme, die das Erhalten von mit geeigneten thermischen Sperren überzogenen Kolben stellt, suchte und fand die Anmelderin eine Lösung, die gleichzeitig die Verwendung der Masken und die verlängerten Anodisierungsdauern eliminiert und die der Oxidschicht die erforderlichen Eigenschaften verleiht, ohne daß auf andere Arbeitsgänge als die eigentliche Anodisierung zurückgegriffen werden muß.
Diese Lösung besteht darin, eine Vorrichtung zur Anodisierungsbehandlung von Kolben aus Aluminiumlegierung, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden, einzusetzen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß die zylindrische Seitenoberfläche des Kolbens an den positiven Pol einer Gleichstromquelle durch wenigstens zwei symmetrisch auf dieser Oberfläche angebrachte Bauteile angeschlossen ist und daß sie längs einer in der Nähe des Kopfes liegenden Leitlinie mit einer Ablenkplatte aus elektrisch isolierendem Material, deren Umfang nach unten gekrümmt ist, ausgerüstet ist, deren kopfseitige Oberfläche gegenüber einer an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossenen Elektrode angeordnet ist, die von wenigstens einer Öffnung, die den Durchlaß eines regulierten, zum Kopf gerichteten Anodisierungselektrolytstroms zum Kopf ermöglicht, durchbohrt ist, und deren der Elektrode gegenüberliegende Oberfläche mit einer schmiegsamen Dichtung versehen ist, die sich an die Oberfläche des Kolbens anlegt.
Bei dieser Erfindung wird also der Kolben an den positiven Pol einer Gleichstromquelle durch wenigstens zwei Bauteile angeschlossen, die zur Achse des Kolbens symmetrisch angeordnet und an seiner Seitenoberfläche derart angelegt sind, um eine gute Verteilung des Stroms zu haben und eine homogene anodisierte Schicht zu erhalten.
Die Seitenoberfläche des Kolbens ist mit einem Ablenkorgan vorzugsweise kreisförmiger Plattenform bestückt, deren Umfang nach unten entsprechend einem dem Strom des Elektrolyten angepaßten Profil gekrümmt ist. Diese Ablenkplatte legt sich längs einer Leitlinie des Kolbens in größtmöglicher Nähe an den Kopf an und hat zur Funktion, als Abschirmung für jeden Elektrolytdurchstrom zum oberen Teil des Kolbens zu dienen und so die Anodisierungswirkung fast ausschließlich auf den Kopf zu beschränken.
Da es nicht leicht ist, eine völlige Abdichtung zwischen der Ablenkplatte und der Seitenoberfläche des Kolbens zu erreichen, und ebenso nicht, sie auf Höhe des Kopfes anzuordnen, versieht man sie vorzugsweise mit einem Dichtungsring, der sich an die Oberfläche bis zur Höhe des Kopfes anlegt.
Das zur Herstellung dieser Ablenkplatte verwendete Material kann jedes elektrisch isolierende Material sein, das sich eignet, zweckmäßig in Form gebracht zu werden.
Gegenüber der kopfseitigen Oberfläche der Ablenkplatte wird eine Elektrode mit vorzugsweise Kreisform angeordnet, deren Umfang leicht nach unten gekrümmt ist. Diese Elektrode wird mit dem negativen Pol der Stromquelle verbunden und vorzugsweise in ihrer Mitte von wenigstens einer Öffnung durchbohrt.
Durch diese Öffnung tritt ein regulierter Elektrolytstrom durch, der durch eine Speiseleitung zugeführt wird, dann den Kopf des Kolbens überstreicht und ihn anodisiert, bevor er durch den Ringraum zwischen der Ablenkplatte und der Elektrode in einer Richtung entweicht, die sich an das Einspeisungsprofil anpaßt, eventuell nachdem er gekühlt wurde. Die Regulierung des Elektrolytstroms kann durch jedes bekannte Mittel, wie z. B. volumetrische Pumpe oder Einspeisungssystem unter konstantem hydrostatischem Druck, erhalten werden.
Es ist offensichtlich, daß die Kreise im Kontakt mit dem Elektrolyt aus einem diesem gegenüber chemisch inerten Material hergestellt werden.
Eine solche Vorrichtung ermöglicht, die oben erwähnten Nachteile zu beseitigen. Tatsächlich wird einerseits aufgrund der Anwesenheit der Ablenkplatte und eventuell des Abdichtungsorgans nur der Kopf des Kolbens anodisiert, und es besteht somit keine Notwendigkeit, auf Masken oder Abdeckungen zurückzugreifen.
Andererseits ermöglicht der Durchgang eines regulierten Elektrolytstroms zum Kopf, einen hydrodynamischen Bereich zu verwirklichen, der den Abmessungen der zu anodisierenden Oberfläche angepaßt ist und eine große Abführungsgeschwindigkeit der Wärmemenge derart sichert, daß man die Dichte des Anodisierungsstroms merklich steigern kann, ohne einen "Brandfleck" hervorzurufen. Weiter dient fast die gesamte, an der freien Luft befindliche Masse des Kolbens als Wärmeableiter und trägt ebenfalls zur Möglichkeit einer Verwendung hoher Stromdichten bei.
Eine solche Vorrichtung führt außerdem zum Erhalten von Oxidschichten großer Dicke, die 70 um übersteigen kann, und zwar in weniger als 5 Minuten, und diese Schichten weisen natürlich, d. h. ohne irgendeine Nachbehandlung, eine zweckmäßige Härte und eine zweckmäßige Ermüdungsbeständigkeit auf.
Die Erfindung wird mit Hilfe der beigefügten Figur besser verstanden, die die Vorrichtung im vertikalen axialen Schnitt zeigt.
Man erkennt hier einen Kolben 1, auf dessen Seitenwand mittels Schrauben 2 die Stromzuführung 3 befestigt ist, die mit dem positiven Pol einer nicht dargestellten Quelle verbunden ist. Diese Zuführung ist fest mit der Ablenkplatte 4 verbunden, die mit einer schmiegsamen Dichtung 5 bestückt ist. Gegenüber dem zu anodisierenden Kopf 6 ist eine Elektrode 7 angeordnet, die in ihrer Mitte von mehreren Öffnungen 8 durchsetzt ist, durch die ein Elektrolytstrom 9 durchfließt, der von der Leitung 10 zugeführt wird, die an ein nicht dargestelltes Förderorgan angeschlossen ist, das die Sicherung einer regelmäßigen Speisung ermöglicht.
Die Erfindung kann mit Hilfe des folgenden Anwendungsbeispiels erläutert werden:
Auf der Seitenwand eines Kolbens aus Aluminiumlegierung des Typs AS12UN (d. h., die gewichtsmäßig etwa 12 % Silizium, 1 % Kupfer und 1 % Nickel als Hauptzusatzelemente enthält) wurde eine Gleichstromzuführung befestigt, die mit dem positiven Pol einer Quelle verbunden ist. Diese Zuführung wurde fest mit einer Ablenkplatte verbunden, die an der Wand des Kolbens ausgerichtet wurde. Eine Elektrode aus Titan, die mit Löchern versehen war, wurde 5 cm vom Kopf angeordnet und mit einer Leitung verbunden, in der der Elektrolyt, der 180 g/l H&sub2;SO&sub4; enthielt, bei 5 ºC zirkulierte. Man ließ eine Stromdichte von 50 A/dm² während 3 Minuten fließen und erhielt eine Oxidschicht einer Dicke von 65 um, die keine Brandfleckspur aufwies. Verschiedene Messungen wurden dann am Kolben vorgenommen. Man stellte zunächst fest, daß die Schicht eine Dicke im Bereich von 200 bis 300 HV hatte. Dieser Kolben wurde anschließend Wärmeermüdungsversuchen unterworfen, deren Zyklus hierunter angegeben ist:
- Übergang von - 20 ºC auf 350 ºC in 15 s.
- Luftabkühlung 15 s.
- Wasserabkühlung 15 s.
- Lufttrocknung 15 s.
Die Versuche wurden bis zu 6000 Zyklen durchgeführt. Nach 1000 Zyklen trat eine leichte Porosität auf. Jedoch begann die Schicht erst nach 5000 Zyklen, sich abzuspalten. Risse traten bei 6000 Zyklen auf, jedoch ist ihre Tiefe (0,5 mm) geringer als bei einem herkömmlichen Verfahren.
Um die Härte der Schicht zu steigern, wurden Versuche unter den gleichen Bedingungen und mit der gleichen Vorrichtung wie zuvor wiederholt, jedoch hatte der Elektrolyt die folgende Zusammensetzung:
H&sub2;SO&sub4; 180 g/l
H&sub2;C&sub2;O&sub4; (Oxalsäure) 10 g/l,
und seine Temperatur war 0 ºC.
Nach Anodisierung bei der gleichen Stromdichte erhielt man in weniger als 5 min eine Schicht, deren Dicke über 60 um ist. Ihre Wärmeermüdungsbeständigkeit war mit der im vorangehenden Beispiel erhaltenen vergleichbar. Jedoch war die Härte über 400 HV, ein Wert, der für die betrachtete Verwendung als ausreichend bewertet wird.

Claims

Vorrichtung zur Anodisierungsbehandlung von Kolben (1) aus Aluminiumlegierung, die in Verbrennungsmotoren verwendet werden,

dadurch gekennzeichnet,

daß die zylindrische Seitenoberfläche des Kolbens an den positiven Pol (3) einer Gleichstromquelle durch wenigstens zwei symmetrisch auf dieser Oberfläche angebrachte Bauteile angeschlossen ist und daß sie längs einer in der Nähe des Kopfes liegenden Leitlinie mit einer Ablenkplatte (4) aus elektrisch isolierendem Material, deren Umfang nach unten gekrümmt ist, ausgerüstet ist, deren kopfseitige Oberfläche gegenüber einer an den negativen Pol der Stromquelle angeschlossenen Elektrode (7) angeordnet ist, die von wenigstens einer Öffnung (8), die den Durchlaß eines regulierten, zum Kopf gerichteten Anodisierungselektrolytstroms (9) zum Kopf ermöglicht, durchbohrt ist, und deren der Elektrode gegenüberliegende Oberfläche mit einer schmiegsamen Dichtung (5) versehen ist, die sich an die Oberfläche des Kolbens anlegt.