DE7733832U - Kolben aus einer Aluminiumlegierung mit einer zur Erzielung des Nichtfestfressens im Kontakt mit einem Zylinder mit Innenwand aus einer Aluminiumlegierung behandelten Oberfläche - Google Patents

Description

SOCIETE DE VENTE DE L'ALUMINIUM PECHINEY, Pari=·, Frankreich

Kolben aus einer Aluminiumlegierung mit einer zur Erzielung des Hichtfestfressens im Kontakt mit einem Zylinder mit Innenwand aas einer Aluminiumlegierung behandelten Oberfläche.

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung, dessen Oberfläche im Kontakt mit dem Zylinder mit Innenwand aus einer Aluminiumlegierung, in dem ev arbeitet, vorab anodisiert ist, bevor sie durch Elektrolyse einen metallischen überzug erhält, der ihr einen geringen Reibungskoeffizient und eine erheblich verringerte Neigung zum Festfressen verleihe.

In der Autoindustrie giot es unter den im Sinn einer Verringerung des TreibstoffVerbrauchs angestrebten Verb esssrungen solche einer Verringerung der Masse der zur Herstellung der Fahrzeuge verwendeten Werkstoffe. Die3 wird entweder durch Änderung der Struktur der letzteren zur Erzielung gleicher oder besserer mechanischer Eigenschaften bei verringertevn Gewicht oder durch Verwendung von Werkstoffen geringerer Dichte erreicht.

1953)-TF

7733832 OS.0Z78

Insbesondere besteht, was den Motor betrifft, eine Tendenz der Verbreitung der Herstellung von Zyiinderblöcken oder Kolben aus Aluminiumlegierungen zu Lasten der herkömmlichen Gußeisen.

Jedoch führte dieser Ersatz zu Schwierigkeiten bei aer Reibung zwischen den im gegenseitigen Eingriff arbet enden Teilen. Man bemerkte nämlich rasch, daß die Oberflächen aus Aluminium daß Schmiermittel nicht wie die Oberflächen aus Gußeisen festhalten und daß die Bestandteile der die Kolben ocer die Innenwände der Zylinder bildenden Legierungen unter der Wirkung der im Inneren der Zylinder herrschenden Temperaturen und Drücke dazu neigten, sich physikalisch oder chemisch zu verbinden, wodurch eine dem guten Laufverhalten und der Materialerha^t^ng nachteilige Festfreßerscheinung hervorgerufen wurde. Dah_er versuchten einige Konstrukteure, die den unbestreitbaren Vorteil, den die Verwendung dieser durch die Aluminiumlegierungen dargestellten sehr leichten Werkstoffe lieferte, nicht preisgeben wollten, diese Schwierigkeit durch Anwendung verschiedener Lösungen zu überwinden: Die einen betrafen den Zylinderblock selbst und bestanden darin, entweder in ihn Laufbüchsen aus Gußeisen einzusetzen oder üt ersiiizierte Aluminiumlegierungen zu verwenden, die man speziellen Oberflächenbehandlungen, wie z. B. der in der US-PS 3 333 579 angegebenen unterwarf, die darin besteht, die Siliziumkristalle reliefartig auszubilden, um den Reibungskoeffizient zu verringern, und die anderen bezogen sich auf den Kolben selbst und führten zur Abscheidung einer Metallschicht, die zur Schaffung von Bindungen mit der Laufbüchse, unter deren Berührung sie arbeitete, nicht anfällig war, wie es beim in der FR-PS 1 470 250 beschriebenen Vereisenungsverfahren der Fall ist.

Nichtsdestoweniger giDt es gegenwärtig erst wenige Konstrukteure, die sich auf den Ganzaluminiumweg für die Gesamtheit

7733832 09.0Z78

von Motorblock, Laufbuchse und Kolben begeben haben, da diese Lösung teuer ist: Sie erfordert nämlich erhebliche Investitionen, und ihre Anwendung stellt ganz besondere technische Probleme· Daher entwickelte die Anmelderin mit dem Bemühen, ihren Beitrag zur Lösung dieses Problems zu leisten, einen Kolben auf Aluminiumbasis, der nach einem merklich einfacheren und vorteilhafteren Verfahren als dem nach der FR-PS 1 470 250 angewendeten mit einem überzug ver: .-hen ist und dessen Betriebseigenschaften in Gegenwart einer Laufbuchse aus einer nach der in der US-PS 3 333 579 beschriebenen Technik behandelten Aluminiumlegierung äußerst bemerkenswert sind.

Nach der FR-PS 1 470 250 muß der Aluminiumkolben, bevor er die elektrolytische "isenabscheidung erhält, vorab mittels eines Salpetersäure-Flußsäure-Gemisches gebeizt, dann gespült, durch Eintauchen mit Zink bedeckt, erneut ges lült, elektrolytisch zum Verkupfern behandelt, mit Salzsäure gespült und schließlich in ein Bad zur elektrolytischen Vereisenung getaucht v/erden, wobei alle diese Vorgänge notwendig sind, um ein gutes Haften der "isenschicht zu erzielen.

Der ^rfincung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kolben aus einer Aluminiumlegierung zum Betrieb in einem Zylinder mit Innenwand aus ein^r Aluminiumlegierung zu entwickeln, der sich einfacher als nach dem bekannten Verfahren mit einem gut haftenden, nicht zum Festfressen neigenden Metallüberzug verseilen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der p^olben an seiner Arbeitsoberfläche eine Anodisierschicht

7733832 09.02.78

und darauf eine elektrolytisch abgeschiedene Schicht aus einem reibungsverminderten Metall trägt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind in den UnteransprUchon gekennzeichnet.

Der erste- Schritt zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens ist also eine Behandlung des Kolbens durch anodische Oxydation. Diese in Fachkreisen gut bekannte Technik besteht hier nach der Bearbeitung des Kolbens und der Beseitigung der Bearbeitungsöle durch übliche Lösungsmittel oder Entfettungsbäder darin, den Kolben in eine elektrolytische Lösung auf Basis von Phosphorsäure zu tauchen und ihn der Wirkung eines Wechselstroms während einer sehr kurzen Zeit auszusetzen. Man verwendet allgemein 50 bis 300 g/l, vorzugsweise 100 g/l Η-,ΡΟ^. enthaltende Lösungen; die Temperatur der Lösung liegt im Bereich von 20 bis 70 °C und wird vorzugsweise auf etwa 50 ⁰C festgelegt. Die Behandlungsdauer ist eine Funktion der \

verwendeten Stromdichte, doch sind die bevorzugten Bedingungen 30 see
trägt.

30 see bei 10 A/dm , wsnn die Temperatur des Bades 50 °C be-

Der zweite Schritt zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kclbens besteht darin, den so behandelten Kolben direkt in einem galvanischen Bad derart zu behandeln, daß er eine eiektrolytische abscheidung aus einem gegenüber Aluminiumlegierungen, die die Innenwände der Zylinder bilden, reibungsvermindernden Metall erηalt.

Die Anmelderin hat nämlich im Unterschied zum Verfahren nach der FR-PS 1 4γθ 250 festgestellt, daß es nicht erforderlich ist, eine Zwischenfügung von Zwischenmetallschichten, wie z. B. Zink und Kupfer, vor der Abscheidung des reibungsvermindernden Metalls vorzusehen; die Behandlung durch anodische

7733832 09.0178

Oxydation erlaubt tatsächlich die Bildung einer ausreichend wirksamen Verankerungsschicht zur Erzielung einer geeigneten Haftung der Metallschicht.

Das verwendete galvanische Bad ist von bekannter Zusammensetzung und ermöglicht vorzugsweise die Abscheidung von "sisen, Nickel, Kobalt, Chrom, doch ist es klar, daß das Verfahren zum Herstellen des erfindungsgemäßen Kolbens auch auf andere Metall- oder Legierungsabscheidungen anwendbar ist, die gute Härte- und Festfreß- und Verschleißbeständigkeitseigenschaften aufweisen.

Die Aluminiumlegierung, die zur Herstellung des Kolbens dient, ist eine von bekannter Zusammensetzung: A-S 12 UN mit

11,5 bis 13, 2 Si, 0,5 bis 1,5 % Cu, 0,5 bis 1,5 % Ni, 0,8 bis 1,52 % Mg,

doch auch jede andere mit den für diesen Werkstofftyp erforderlichen Eigenschaften kompatible Zusammensetzung ist zur Anwendung der Behandlung gemäß der 'Erfindung geeignet, beispielsweise :

A-S 10 UG mit

9,4 bis 10,β % Si,

1,9 bis 2,6 % Cu,

0,8 bis 1,5 fo Mg;

A-S 18 UNG mit

17 bis 19 % Si,
0,8 bis 1,5 % Cu, 0,8 bis 1,3 % Mg, ^. 1,3# Ni; und

-C-

A-S 22 UNK mit

20 bis 22 % Si,

1 bis 2.,2 % Cu, 0,8 bis 1,3 % Mg, 0,8 bis 1,6 % Ni, 0,8 bis 1,6 # Co.

Es werden im folgenden beispielsweise zwei Behandlungsarten gemäß der Erfindung erläutert, denen die Kolben mit der obigen Zusammensetzung unterworfen wurden.

Beispiel 1

Man unterwirft den Kolben den folgenden Verfahrensschrittei : Entfettung: 5 min bei 60 ⁰C + Beizen in alkalischem Bad: 5 min bei 50 ⁰C,

Eintauchen in ein Bad mit 50 % HNO^ und 5 % HF,

elektrolytische Behandlung wählend 30 s in einem Bad mit g/l Phosphorsäure bei 50 °C unter der Einwirkung von Wechselstrom mit der Stromdichte von 10 A/dm ,

galvanische Abscheidung von Eisen in einem 465 g/l Ferrochlorid und 38 g/l Borsäure enthaltenden Bad bei einem pH-Wert von 0,4 und einer Temperatur von 70 ⁰C während I5 min bei b A 'dm².

Nach dem Spülen der· Teile überzieht man sie zur Vermeidung der Luftoxydation der Eisenabscheidung mit Triäthanolamin.

Beispiel 2

Mit einem identischen Kolben arbeitet man in folgender Weise:

Entfettung: 5 min,
alkalisches Beizen: 5 min,

7733832 09.02.78

Neutralisierung in einem Bad mit 50 % HNCL· und 5 % HF, elektrolytische Behandlung unter den gleichen Bedingungen wie in vorangehenden Beispiel: 30 s bei 10 A/dm mit Wechselstrom im Bad mit 100 g/l H^POk bei 50 °C,

galvanische Nicke!abscheidung in einem l80 g/1 Nickelsulfat, 25 g/l Ammoniumchlorid und 30 g/l Borsäure enthaltenden Bad mit eine:.. pH-Wert von 5,7 bei einer Temperatur von 50 ⁰C während 30 min bei 4 A/dm .

Die mit den erfindungsgemäß überzogenen Teilen durchgeführten Reibungsνersuche zeigen die gute Wirksamkeit des angewandten Verfahrens.

Diese Versuche werden mit einer Maschine durchgeführt, in der man zwei Scheiben mit einer Dicke von 10 mm hat, deren eine die Laufbuchse des Zylinders simuliert und einen Durchmesser von 35 mm hat, während die andere, deren zu ihrer Achse parallele Wand mit dem reibungsvermindernden Metall überzogen ist, einen Durchmesser von 65 mm hat und den Kolben simuliert.

Die beiden in ein und derselben Vertikalebene angeordneten Scheiben, wobei die die Bahn ihrer Achsen verbindende Gerade eine vertikale Richtung dieser ^bene ist, drehen sich um ihre Achse die eine gegen die andere derart, daß ein reines Gleiten zwischen ihnen erzeugt wird. Man führt öl mit konstrnter Temperatur auf Höhe des Kontakts der beiden Scheiben ein und kann im Lauf des Versuchs unter Aufbringen einer bekannten Last auf den oberen Teil der oberen Scheibe c'ie Kontakttemperatur und das Reibungsmoment messen,

Der Festfreßversuch besteht nach einer EinlaufPeriode, während deren die beiden Scheiben unter gegenseitigem Kontakt mit einer verhältnismäßig geringen Last angeordnet sind und mit

7733832 09.02.78

konstanter Drehzahl rotieren, darin, periodisch die Last bis zum Auftreten des Festfressens zu steigern, das sich im wesentlichen im Lauf des Versuchs durch eine schroffe Erhöhung der Kontakttemperatur und durch eine DeStabilisierung des Reibungskoeffizienten bemerkbar macht.

Die in dem Augenblick, wo das Festfressen auftritt, aufgebrachte Last ist die Festfreßiast.

Die Versuche wurden für die die Laufbuchse simulierende Geheibe aus der Legierung A-S 17U4 mit der Zusammensetzung durchgeführt:

16 bis 18 % Silizium,

h,2 bis 4,9 % Kupfer,

bis zu 1 ^ Eisen,

0,45 bis 0,65 % Magnesium,

0,08 bis 0,2 % Titan,

maximal 0,1 % Mangan,

Rest Aluminium,

wobei der seitliche Teil der in der US-PS 3 333 579 beschriebenen Behandlung unterworfen war.

Für die den Kolben simulierende Scheibe verwendete man nacheinander eine nach der Technik gemäß der FR-PS 1 ^70 vereisonte Scheibe, eine nach der Technik gemäß Beispiel 1 der Erfindung vereisente Scheibe und eine nach der Technik gemäß Beispiel 2 der Erfindung vernickelte Scheibe.

7733832 09.CZ78

Die erhaltenen Ergebnisse sind folgende:

Die Lauf büchse
simulierende
Scheibe

Den Kolben simulierende Scheibe

Last beim
Festfressen

Reibungskoeffizient

[ AS 17U4 durch

J Pulvermetallur-

; gie nach der

, US-PS 3 333 579

AS 12 UN vereiseiit nach der

FR-PS 1 470 250

80

Stabil
0,040 unter 70 daN

AS 12 UN vereisent nach AG., Bsp. 1

I8O

Stabil
0,031 unter 70 daN

0,024 unter 130 daN

AS 12 UN vernickelt nach AG., Bsp. 2

170

Stabil
0,026 unter 70 daN
0,023 unter "130 daN

Diese Ergebnisse zeigen den deutlichen Vorteil hinsichtlich der Reibungseigenschaften aufgrund der Behandlung gemäß der
Erfindung gegenüber der nach dem Stand der Technik.

Man bemerkt nämlich eine sehr deutliche Erhöhung der Festfreßlast, die gegenüber dem Stand der Technik verdoppelt werden kann, sowie eine sehr merkliche Verringerung des Reibungskoeffizienten und folglich eine bessere Verschleißbeständigkeit.

7733832 09.02.78

Biese technischen Vorteile kommen zu dem sehr erheblichen wirtschaftlichen Vorteil hinzu, der sich aus der Vereinfachung der Herstellungsverfahrensschritte ergibt.

Die Abscheidungsvorgänge von Zink, dann von Kupfer und schließlich von Kisen mit den Zwischenspülbehandlungen werden nämlich durch zwei Hauptverfahren^schritte, d.h. /orbehandlung durch anodische Oxydation und anschließende Abscheidung des gewählten Metalls ersetzt.

Dieser doppelte durch die Erfindung ermöglichte Vorteil lUßt für das so hergestellte Material eine erweiterte Anwendung auf alle Arten von Zylinderblöcken aus Aluminiumlegierungen mit oder ohne Aluminiumlaufbüchse zu, die nach der US-PS 3 333 behandelt oder nicht behandelt sein können oder irgendeine andere Behandlungstechnik durchgemacht haben.

Die Erfindung wird schließlich anhand der Zeichnung näher erläutert; darin zeigen:

Fig.l einen Schnitt durch einen Kolben mit dem erfindungsgemäßen Überzug; und

Fig. 2 einen vergrößerten Teilschnitt aus Fig. 1.

Man erkennt in den Figuren einen aus einer Aluminiumlegierung bestehenden Kolben, der an seiner Arbeitsoberfläche mit einer elektrolytisch erzeugten Anodisierschicht 1 und darauf mit -inerr. elektrolytisch erzeugten Überzug 2 aus einem reibungs-•■/ermindernden Metall z.3. ^iS en, Nickel, Kobalt oder υ :ίΓϋ*:. '.' ■ ί '■! "' J i 'ill J-O t .

7733832 Q9.0Z78

Claims (1)

1. Ansprüche

   1. Kolben aus einer Aluminiumlegierung zum Betrieb in einem Zylinder mit Innenwand aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß er an seiner ArbeitsOberfläche eine Anodisierschicht (1) und darauf eine elektrolytisch abgeschiedene Schicht (2) aus einem reihungsvermindernden Metall trägt.

   2. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,daß die reibungsvermindernde Metal;
   Kobalt oder Chrom besteht.

   reibungsvermindernde Metallschicht (2) aus Eisen, Nickel, f

   J>. Kolben nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß die ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 11,5 bis 13 % Silizium, 0,5 bis 1,5 % Kupfer, 0,5 bis 1,5 % Nickel, 0,8 bis 1,5 % »'Magnesium, Rest Aluminium hat.

   4. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 9,4 bis 10,6 % Silizium, 1,9 bis 2,6 % Kupfer, 0,8 bis 1,5 % Magnesium, Rest Aluminium hat.

   fj. Kolben nach Anspruch 1,dadurch gekenn zeichnet,daß die ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 17 bis I9 % Silizium, 0,8 bis 1,5 % Kupfer, 0,8 bis 1,3 ^ Magnesium, ^ 1,3 ^ Nickel, Rest Aluminium hat.

   6. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ihn bildende Legierung die Zusammensetzung 2 0 bis 22 % Silizium, 1 bis 2,° % Kupfer, 0,8 bis 1,3 % Magnesium, 0_f;8 bis 1,6 % Nickel, 0,8 bis 1,6 % Kobalt, Rest Aluminium hat.

   7733832 09.0Z78