DE9422167U1 - Cylinder liner made of a hypereutectic aluminum / silicon alloy cast into a crankcase of a reciprocating piston engine - Google Patents
Cylinder liner made of a hypereutectic aluminum / silicon alloy cast into a crankcase of a reciprocating piston engineInfo
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Description
Die Neuerung geht aus von einer in eine Hubkolbenmaschine eingegossenen Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung nach dem Oberbegriff von AnspruchThe innovation is based on a cylinder liner cast into a reciprocating piston engine made of a hypereutectic aluminum/silicon alloy according to the generic term of claim
Aus der EP 367 229 Al geht eine Zylinderlaufbüchse als bekannt hervor, die aus Metallpulver und eingemischten Graphitpartikeln (0,5 bis 3 %; Körnungsdurchmesser maximal 10 &mgr;&khgr;&eegr; oder weniger, gemessen in einer quer zur Zylinderachse gemessenen Ebene) und Hartstoffpartikeln ohne scharfe Kanten (3 bis 5 %; Körnungsdurchmesser maximal 30 &mgr;&pgr;&igr;, durchschnittlich 10 &mgr;&tgr;&eegr; oder weniger), insbesondere Aluminiumoxid hergestellt wird. Das Metallpulver ist zunächst für sich, d.h. ohne zugemischte außermetallische Partikel durch Luftzerstäubung einer übereutektischen Aluminium/Silizium-Legierung mit folgender Zusammensetzung - mit dem Rest an Aluminium - hergestellt (Angaben in Gewichtsprozent bezogen auf den Gesamtmetallgehalt der Legierung, d.h. ohne die schmelzenfremden Hartstoffpartikel undFrom EP 367 229 Al, a cylinder liner is known which is made from metal powder and mixed graphite particles (0.5 to 3%; grain diameter maximum 10 μιη or less, measured in a plane measured transversely to the cylinder axis) and hard material particles without sharp edges (3 to 5%; grain diameter maximum 30 μιη, average 10 μιη or less), in particular aluminum oxide. The metal powder is initially produced on its own, i.e. without mixed non-metallic particles, by air atomization of a hypereutectic aluminum/silicon alloy with the following composition - with the remainder being aluminum (data in percent by weight based on the total metal content of the alloy, i.e. without the hard material particles from outside the melt and
&igr; Graphitanteile):&igr; Graphite content):
Silizium 16 bis 18 %, 'Silicon 16 to 18 %, '
Eiseniron
Kupfercopper
Magnesium 0,5 bis 2 % und Mangan 0,1 bis 0,8 %.Magnesium 0.5 to 2% and manganese 0.1 to 0.8%.
4 bis 6 %, 2 bis 4 %,4 to 6%, 2 to 4%,
Das Metallpulver wird mit nichtmetallischen Partikeln gemischt und dieses Pulvergemisch wird bei etwa 2 000 bar zu einem vorzugsweise rohrförmigen Körper gepreßt. Dieser pulvermetallur-The metal powder is mixed with non-metallic particles and this powder mixture is pressed at about 2,000 bar into a preferably tubular body. This powder metallurgy
Daim 23 964G/4 . .· ,· . ' I &iacgr;.. * ··Daim 23 964G/4 . .· ,· . ' I &iacgr;.. * ··
gisch hergestellte Rohling wird in ein formentsprechendes Rohrstück aus Weichaluminium gesteckt und das solcherart gewonnene doppellagige Rohr gemeinsam in einem Extrusionsverfahren, bevorzugt bei angehobenen Temperaturen zu einem rohrförmigen Rohling versintert und geformt, aus dem die einzelnen Zylinderlaufbüchsen hergestellt werden können. Die eingelagerten Hartstoffpartikel sollen der Zylinderlaufbüchse eine gute Verschleißbeständigkeit verleihen, wogegen die Graphitpartilel als Trockenschmierstoff dienen. Zur Vermeidung einer Oxidation der Graphitpartikel sollte die Heißextrusion unter Sauerstoffabschluß stattfinden. Auch besteht die Gefahr, daß» bei hohen Verarbeitungstemperaturen der Graphit mit dem Silizium reagiert 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 ausschließen, daß örtlich mehr oder weniger große Konzentrationsschwankungen an Hartstoffpartikel und/oder an Graphitpartikeln an der Oberfläche des Werkstückes vorkommen. Aufgrund der eingelagerten Hartstoffpartikel verschleißt das Heißpreßwerkzeug relativ rasch, weil die Hartstoffpartikel trotz ihrer verrundeten 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 Werkzeugverschleiß und somit mit hohen Werkzeugkosten verbunden. Die in der Lauffläche frei liegenden 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 Werkstoff hergestellt bzw. mit einer entsprechend verschleißfesten Beschichtung versehen sein müssen. Die bekannte Zylinderlaufbüchse 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 derThe mechanically produced blank is inserted into a piece of soft aluminum pipe of the same shape and the double-layered pipe thus obtained is sintered and formed together in an extrusion process, preferably at elevated temperatures, to form a tubular blank from which the individual cylinder liners can be made. The embedded hard material particles should give the cylinder liner good wear resistance, while the graphite particles serve as a dry lubricant. To avoid oxidation of the graphite particles, hot extrusion should take place in the absence of oxygen. There is also a risk that at high processing temperatures the graphite will react with the silicon and hard SiC will form on the surface, which will impair the dry lubricating properties of the embedded graphite particles. Since the powder mixture is always more or less perfect, it can never be completely ruled out that there will be local, more or less large fluctuations in the concentration of hard material particles and/or graphite particles on the surface of the workpiece. Due to the embedded hard material particles, the hot pressing tool wears out relatively quickly because the hard material particles are still highly abrasive despite their rounded edges; only a partial rounding of the edges on the particles created by crushing can be achieved with reasonable effort. The subsequent mechanical processing of the running surface of the cylinder liner is also associated with high tool wear and thus with high tool costs. The hard material particles exposed in the running surface are sharp-edged after surface processing and exert relatively high wear on the piston skirt and the piston rings, so that these must be made from a wear-resistant material or provided with a correspondingly wear-resistant coating. The well-known cylinder liner is relatively expensive overall, not only in terms of the raw materials with several separate components, but also the high tool costs in connection with the plastic and machining processes drive up the unit costs. Apart from that, the type of production of the
Daim 23 964G/4Daim 23 964G/4
• &igr;•&igr;
bekannten Zylinderlaufbüchse aus einem heterogenen Pulvergemisch die Gefahr von Inhomogenitäten, die u.U. eine Funktionsbeeinträchtigung, also Ausschuß, in jedem Fall aber eine aufwendige Qualitätsüberwachung erfordern. Darüber hinaus setzt sie im Motorbetrieb aufwendige Kolbenkonstruktionen voraus, die die Hubkolbenmaschine insgesamt verteuern.The known cylinder liner made of a heterogeneous powder mixture has the risk of inhomogeneities, which may impair functionality, i.e. result in rejects, but in any case require complex quality control. In addition, it requires complex piston designs in engine operation, which make the reciprocating piston machine more expensive overall.
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 großer
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 eines
der Metalle, nämlich Nickel, Eisen oder Mangan, soll ebenfalls 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 genannt, was darauf schließen läßt, daß diese Metalle, von Spuren
abgesehen, nicht enthalten sein sollen: Silizium: 22,8 %,
Kupfer: 3,1 %,
Magnesium: 1,3 %,
Eisen: 0,5 % und
Nickel: 8,0 %.Also worth mentioning is US-PS 4,938,810, which also discloses a cylinder liner produced using powder metallurgy. A large number of alloy examples are given here, as well as measurement and operating data for the cylinder liners produced using them. The silicon content of the examples given is in the range of 17.2 to 23.6%, although the protection claim of this document recommends a broader range of 10 to 30%, which extends into the hypoeutectic range. At least one of the metals, namely nickel, iron or manganese, should also be contained in the alloy, namely at least 5% or (iron) at least 3%. As a representative, only an alloy composition in weight percent is given here, the rest is aluminum; zinc and manganese contents are not given, which suggests that these metals, apart from traces, should not be contained: silicon: 22.8%,
Copper: 3.1%,
Magnesium: 1.3%,
Iron: 0.5% and
Nickel: 8.0%.
Der Nickelgehalt in dem genannt Legierungsbeispiel ist sehr hoch. Aus dem Pulvergemisch wird ein Rohling für eine Zylinderlaufbüchse heißextrudiert.The nickel content in the alloy example mentioned is very high. A blank for a cylinder liner is hot-extruded from the powder mixture.
Schließlich sei noch die US-PS 4 155 756 genannt, die sich mit dem gleichen Thema befaßt; dort wird u.a. die folgende Zusammensetzung
einer pulvermetallurgisch hergestellten Zylinderlaufbüchse als ein Beispiel von mehreren - Rest Aluminium genannt:
Silizium: 25 %,Finally, US-PS 4 155 756 should be mentioned, which deals with the same topic; there, among other things, the following composition of a powder-metallurgically manufactured cylinder liner is mentioned as one example of several - the remainder being aluminum:
Silicon: 25%,
Daim 23 964G/4Daim 23 964G/4
·■ 4,·■ 4,
undand
Aufgabe der Neuerung ist es, die gattungsgemäß zugrundegelegte Zylinderlaufbüchse im Hinblick auf Verschleißbeständigkeit und Schmierölverbrauch zu verbessern, wobei gleichwohl die Verschleißgefahr für den Kolben verringert wird; bei der Verringerung 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.The aim of the innovation is to improve the cylinder liner used in terms of wear resistance and lubricating oil consumption, while at the same time reducing the risk of wear for the piston; when reducing lubricating oil consumption, the focus is less on the lubricating oil itself, but rather on its combustion residues - essentially hydrocarbons, which have an adverse effect on the exhaust gases emitted by the internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung der gattungsgemäßen Hubkolbenmaschine erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Aufgrund der speziellen Legierungszusammensetzung des Werkstoffes für die Zylinderlaufbuchse bilden sich unmittelbar aus der Schmelze Silizium-Primärkristalle und intermetallische Phasen; auf ein Zumischen gesonderter Hartpartikel kann daher verzichtet werden. Außerdem wird das verfahrenstechnisch gut beherrschbare und vergleichsweise preiswerte Sprühkompaktieren der Legierung mit anschließendem, energiesparenden Strangpressen des Rohlings eingesetzt. Die Kombination dieser Verfahren erbringt eine besonders geringe Oxidation der Tröpfchenoberflächen und eine besonders geringe Porosität der Büchse. Die erwähnten Legierungszusammensetzungen A bzw. B sind im Hinblick auf einen Einsatzfall mit eisenbeschichtetem Kolben (Legierung A) bzw. mit unbeschichtetem Aluminiumkolben (Legierung B) optimiert. Die schmelzegeborenen Hartpartikel besitzen einerseits eine hohe Härte und verleihen der Lauffläche eine gute Verschleißbeständigkeit, 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 intermetallischen Phasen in jedem einzelnen versprühten und anschließend auf dem aufwachsenden Rohling erstarrendenThis task is solved according to the invention by the characterizing features of claim 1, based on the generic reciprocating piston machine. Due to the special alloy composition of the material for the cylinder liner, silicon primary crystals and intermetallic phases are formed directly from the melt; the addition of separate hard particles is therefore not necessary. In addition, spray compacting of the alloy, which is easy to control and comparatively inexpensive, is used, followed by energy-saving extrusion of the blank. The combination of these processes results in particularly low oxidation of the droplet surfaces and particularly low porosity of the liner. The alloy compositions A and B mentioned are optimized for use with an iron-coated piston (alloy A) and with an uncoated aluminum piston (alloy B). On the one hand, the melt-born hard particles have a high level of hardness and give the running surface good wear resistance, and on the other hand, these melt-born hard particles do not affect the processing of the material too much, so that the running surface can be machined sufficiently well. Due to the formation of the primary crystals and intermetallic phases in each individual sprayed and then solidified on the growing blank,
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Schmelzentröpfchen ergibt sich prozeßbedingt eine sehr gleichmäßige Verteilung der harten Partikel im Werkstück. Die schmelzegeborenen 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 eingemischten, nichtmetallischen Bruchpartikeln, so daß die Gefahr einer Rißbildung an den Hartstoffgrenzen weniger groß ist. Außerdem zeigen die schmelzegeborenen Hartpartikel ein besseres Einlaufverhalten und eine geringere abrasive Aggressivität gegenüber dem Kolben und seinen Ringen, so daß sich höhere Standzeiten ergeben oder - bei Inkaufnahme konventioneller Standzeiten - weniger aufwendige Ausführungen auf der Kolbenseite zugelassen werden können.Melt droplets result in a very even distribution of the hard particles in the workpiece due to the process. The melt-born particles are also less angular and tribologically not as aggressive as broken particles. In addition, the melt-born, metallic hard particles are more intimately embedded in the basic alloy structure compared to mixed, non-metallic broken particles, so that the risk of cracks forming at the hard material boundaries is less. In addition, the melt-born hard particles show better running-in behavior and less abrasive aggressiveness towards the piston and its rings, so that longer service lives are achieved or - if conventional service lives are accepted - less complex designs can be permitted on the piston side.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Neuerung können den Unteransprüchen entnommen werden,- im übrigen ist die Neuerung an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:Appropriate embodiments of the innovation can be found in the subclaims. The innovation is further explained below using an embodiment shown in the drawing; in which:
Fig. 1 eine partielle Schnitt-Ansicht einer Hubkolbenmaschine mit eingegossener Zylinderlaufbüchse,Fig. 1 is a partial sectional view of a reciprocating piston engine with cast-in cylinder liner,
Fig. 2 einen stark vergrößerten Ausschnitt von einen parallel zu einer Zylindermantellinie genommenen Querschnitt durch einen oberflächennahen Bereich der Zylinderlaufbüchse, Fig. 2 a greatly enlarged section of a cross-section taken parallel to a cylinder surface line through a region of the cylinder liner close to the surface,
Fig. 2a eine weitere Detailvergrößerung einer Einzelheit aus Figur 2,Fig. 2a is a further enlarged detail of a detail from Figure 2,
Fig. 3 ein Balkendiagramm, die Korngrößen der verschiedenen schmelzengeborenen Hartpartikel veranschaulichend undFig. 3 is a bar chart illustrating the grain sizes of the various melt-born hard particles and
Fig. 4 eine umgerüstete Honmaschine zum mechanischen Freilegen der Hartpartikel aus der Oberfläche der Zylinderlaufbüchse. Fig. 4 a converted honing machine for mechanically exposing the hard particles from the surface of the cylinder liner.
Daim 23 964G/4 .'.*.: I *". . '..I .**.Daim 23 964G/4 .'.*.: I *". . '..I .**.
Die in Figur 1 partiell dargestellte Hubkolbenmaschine enthält ein Kurbelgehäuse 2 aus Druckguß, in der Zylindermäntel 4 zur Aufnahme einer ZyIinderlaufbüchse 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 Zylinderkühlung vorgesehen.The reciprocating piston engine partially shown in Figure 1 contains a crankcase 2 made of die-cast metal, in which cylinder jackets 4 are arranged to accommodate a cylinder liner 6, in which a piston 3 is guided so that it can move up and down. A cylinder head 1 with the devices for charge exchange and charge ignition is mounted on top of the crankcase 2. Inside the crankcase, a cavity is provided around the cylinder jacket 4 to form a water jacket 5 for cylinder cooling.
Die Zylinderlaufbüchse 6 wird als Einzelteil nach einem weiter unten näher beschriebenen Verfahren in einer übereutektischen Zusammensetzung, worauf ebenfalls weiter unten noch näher eingegangen wird, hergestellt, dann als Rohteil in das Kurbelgehäuse 2 eingegossen und gemeinsam mit dem Kurbelgehäuse bearbeitet. Dazu wird unter anderem die Lauffläche der Zylinderlaufbüchse zunächst grob vorbearbeitet und anschließend spanabhebend 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 gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges der Legierung hervorstehen.The cylinder liner 6 is manufactured as a single part using a process described in more detail below in a hypereutectic composition, which will also be discussed in more detail below, then cast as a blank into the crankcase 2 and machined together with the crankcase. To do this, the running surface of the cylinder liner is first roughly pre-machined and then finely machined by machining in the sense of drilling or turning. The running surface 7 is then honed in at least one stage. After honing, the particles in the running surface that are harder than the basic structure of the alloy, such as silicon crystals and intermetallic phases, are exposed from the running surface in such a way that the plateau surfaces of the particles protrude from the rest of the surface of the basic structure of the alloy.
Um die Zylinderlaufbüchsen im Hinblick auf die Verschleißbeständigkeit sowie den Schmierölverbrauch und somit die Emission von Kohlenwasserstoffen durch die Brennkraftmaschine zu verbessern, ist erfindungsgemäß ein Bündel von Maßnahmen vorgesehen, die in diesem Sinne gemeinsam zusammenwirken.In order to improve the cylinder liners in terms of wear resistance as well as lubricating oil consumption and thus the emission of hydrocarbons by the internal combustion engine, the invention provides for a bundle of measures which work together in this sense.
Zunächst ist hier eine Optimierung der Zusammensetzung der Legierung zu erwähnen, wobei hier alternativ zwei Legierungstypen als optimal herausgefunden wurden, wobei der eine Legierungstyp A für ein zusammengehen mit eisen-beschichteten Kolben empfohlen wird,- der andere Legierungstyp B ist im Zusammenhang mit unbeschichteten Aluminiumkolben optimiert worden.First of all, an optimization of the composition of the alloy should be mentioned here, whereby two alternative alloy types were found to be optimal, whereby one alloy type A is recommended for use with iron-coated pistons, the other alloy type B has been optimized in conjunction with uncoated aluminum pistons.
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Bei den nachfolgenden Prozentangaben handelt es sich um Gewichts - Prozente . Und zwar ist die Legierung A folgendermaßen zusammengesetzt:The following percentages are percentages by weight. Alloy A is composed as follows:
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. O,25 %
Mangan, Nickel und Zink max. 0,01 % und Rest Aluminium.Silicon 23.0 to 28.0%, preferably about 25%, magnesium 0.80 to 2.0%, preferably about 1.2%, copper 3.0 to 4.5%, preferably about 3.9%, iron max. 0.25%
Manganese, nickel and zinc max. 0.01% and the rest aluminum.
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 Legierung 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 %.Alloy B, designed for use with uncoated aluminum pistons, has the same composition as alloy A in terms of silicon, copper, manganese and zinc content; only the iron and nickel contents are slightly higher, namely
Iron 1.0 to 1.4% and
Nickel 1.0 to 5.0%.
Aus der Aluminium/Silizium-Legierung wird durch feines Versprühen der Schmelze in einer sauerstofffreien Atmosphäre und Niederschlagen des Schmelze-Nebels zu einem aufwachsenden Körper zunächst eine Luppe mit feinkörniger Ausbildung der Silizium-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 Stickstoff strahl sehr rasch abgekühlt, wobei Abkühlungsgeschwindigkeiten im Bereich von 10^ K/sek. erreicht werden. Durch dieses sog. Sprühkompaktieren ist ein von der Korngröße her sehr schmalbandiges Gefüge mit etwa ±5 ... 10 &mgr;&tgr;&agr; um einen Mittelwert herum herstellbar, wobei der Mittelwert innerhalb eines relativ breiten Korngrößenspektrums von etwa 7 bis 2 00 &mgr;&tgr;&agr; einstellbar ist. Vorliegend wird mit einer sehr feinen Körnungseinstellung - Korngröße von 2 bis 10 &mgr;&igr;&eegr; - gearbeitet, so daß sich ein entsprechend feines Gefüge mit feiner und gleichmäßiger 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 mm und etwa 1000 mmBy finely spraying the melt in an oxygen-free atmosphere and precipitating the melt mist to form a growing body, a billet with fine-grained formation of the silicon primary crystals 8 and intermetallic phases 9 and 10 is first produced from the aluminum/silicon alloy. Intermetallic phases are formed between magnesium and silicon (Mg 2 Si) and between aluminum and copper (Al 2 Cu). The atomized melt is cooled very quickly in a nitrogen jet, whereby cooling rates in the range of 10^ K/sec. are achieved. By this so-called spray compacting, a very narrow-band structure with approximately ±5 ... 10 μ΄α can be produced around an average value, whereby the average value can be adjusted within a relatively wide grain size spectrum of approximately 7 to 200 μ΄α . In this case, a very fine grain setting - grain size of 2 to 10 μιη - is used, so that a correspondingly fine structure with fine and even silicon distribution is obtained. Each powder particle has the full alloy components. The powder particles are sprayed onto a rotating plate on which the aforementioned billet with a diameter of, for example, 300 mm and about 1000 mm
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Länge aufwächst. Dies hängt von der Anlagenauslegung ab. Anschließend 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 Vorprodukt entsteht.length. This depends on the system design. The billets must then be pressed into tubes on an extrusion press. It is also conceivable that the billet is not allowed to grow axially on a rotating plate, but rather the atomized melt is allowed to grow radially on a rotating cylinder, so that an essentially tubular pre-product is created.
Die Schmelze wird beim Versprühen so fein zerstäubt, daß die in der aufwachsenden Luppe sich bildenden Silizium-Primärkristalle 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 &mgr;&idiagr;&eegr;, Al2Cu-Phase : 0,1 bis 5,0, vorzugsweise 0,8 bis 1,8 &mgr;&tgr;&eegr;, Mg2Si-Phase : 2,0 bis 10,0, vorzugsweise 2,5 bis 4,5 &mgr;&idiagr;&eegr;.The melt is atomized so finely during spraying that the silicon primary crystals 8 and the intermetallic phases 9 and 10 forming in the growing ingot are obtained with very small grain sizes with the following dimensions: Si primary crystals: 2 to 15, preferably 4 to 10 μηη, Al2Cu phase: 0.1 to 5.0, preferably 0.8 to 1.8 μηη, Mg2Si phase: 2.0 to 10.0, preferably 2.5 to 4.5 μηη.
Durch diese Feinkörnigkeit wird zum einen eine feindisperse Verteilung der harten Partikel innerhalb des Legierungsgrundgefüges und ein homogener Werkstoff erreicht. Da aus einer Schmelze heraus verdüst wird, können sich keine Mischungs-Inhomogenitäten 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.This fine grain size results in a finely dispersed distribution of the hard particles within the basic alloy structure and a homogeneous material. Since the atomization is carried out from a melt, no inhomogeneities in the mixture can form. Due to the compaction of the atomized melt droplets, the droplets also bond very closely to one another and porosity is largely avoided.
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 hergestellten 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.The process of spray compacting aluminum alloys is known per se and should only be used here in an advantageous manner. The extrusion of ingots produced in this way into tubes, from which individual sleeves can then be cut to length, is also known per se. For this reason, it will not be discussed further here.
Die solcher Art hergestellten und eventuell durch eine spanabhebende Bearbeitung auf ein gewisses Weiterverarbeitungsmaß gebrachten Rohteile der Zylinderlaufbuchse werden in ein Kurbelgehäuse aus einer gut gießbaren Aluminiumlegierung eingegossen, wobei hier bevorzugt ein Druckgußverfahren empfohlen wird. Dazu werden die einzugießenden und vorgefertigten Zylin-The cylinder liner blanks produced in this way and possibly machined to a certain level of further processing are cast into a crankcase made of an easily castable aluminum alloy, whereby a die-casting process is recommended. For this purpose, the prefabricated cylinders to be cast
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derlaufbüchsen auf einen Führungsbolzen bei geöffnetem Druckgußwerkzeug aufgeschoben, die Form geschlossen und der Druckgußwerkstoff 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 beeinflußt wird. Die für den Druckguß eingesetzte Legierung ist untereutektisch und deswegen gießtechnisch gut verarbeitbar. Andererseits ist die thermische Ausdehnung der Legierung des Druckgußwerkstückes einerseits und der Zylinderlaufbüchse andererseits annähernd gleich, so daß es zwischen beiden nicht zu unkontrollierten Wärmespannungen kommt.The cylinder liners are pushed onto a guide pin with the die-casting tool open, the mold is closed and the die-casting material is injected. Due to the rapid cooling time and the possibility of cooling the cylinder liner to be cast via the guide pin, there is no danger of the melt of the die-cast workpiece thermally affecting the cylinder liner material in an uncontrolled manner. The alloy used for die-casting is hypoeutectic and is therefore easy to process in casting technology. On the other hand, the thermal expansion of the alloy of the die-cast workpiece on the one hand and the cylinder liner on the other hand is almost the same, so that uncontrolled thermal stresses do not occur between the two.
Nach dem Eingießen der Zylinderlaufbüchse in das Kurbelgehäuse wird dieses spanabhebend an den erforderlichen Flächen bearbeitet, insbesondere an den Laufflächen 7 der Zylinderlaufbüchse 6. Auch diese Bearbeitungsvorgänge - es seien hier lediglich Bohren und Honen erwähnt - sind an sich bekannt, weshalb hier nicht mehr darauf eingegangen werden soll. Im Anschluß an das Honen müssen die oberflächlich eingelagerten Silizium-Primärkristalle 8 und die Partikel aus intermetallischen Phasen 9 bzw. 10 freigelegt werden. Üblicherweise erfolgt dieses Freilegen auf chemischem Wege durch Ätzen, was nicht nur zeitraubend ist, sondern auch mit einer gewissen Belastung der Arbeitsplatzumgebung durch ein Verdunsten von Ätzflüssigkeit verbunden ist. Außerdem ist eine gewisse Inhomogenität 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 as Ätzen, die Sicherheitsvorkehrungen am Arbeitsplatz und die laufenden Betriebskosten, in erster Linie Chemikalien-, Abwasser- und Entsorgungskosten, kummulieren zu ganz erheblichen Beträgen je Zylinderlaufbüchse. Die vorliegende Neuerung beschreitet hier einen anderen Weg, und zwar werden die in der Lauffläche eingelagerten Primärkristalle 8 bzw. Partikel 9 undAfter the cylinder liner has been cast into the crankcase, the crankcase is machined on the required surfaces, in particular on the running surfaces 7 of the cylinder liner 6. These machining processes - only drilling and honing are mentioned here - are known in themselves, which is why they will not be discussed here. After honing, the silicon primary crystals 8 embedded on the surface and the particles from intermetallic phases 9 and 10 must be exposed. This exposure is usually carried out chemically by etching, which is not only time-consuming, but also involves a certain amount of stress on the work environment due to the evaporation of etching fluid. In addition, a certain inhomogeneity during etching cannot be avoided because the etching conditions are not completely the same everywhere. For this reason, a certain minimum exposure depth must be aimed for in order to achieve a certain minimum exposure depth in every case, even in the most unfavorable places. The time required for etching, the safety precautions at the workplace and the ongoing operating costs, primarily chemical, waste water and disposal costs, add up to very significant amounts per cylinder liner. The present innovation takes a different approach here, namely the primary crystals 8 or particles 9 and
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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 Gebrauchs- und Funktionsvorteile der Lauffläche 7 der Zylinderlaufbüchse erzielt, worauf weiter unten noch näher eingegangen werden soll. Die durch das mechanische Freilegen verursachten Kosten je Zylindarlaufbüchse sind nicht höher als die Kosten eines Honvorganges.10 is mechanically exposed by a grinding or polishing process using flexible polishing or grinding molds 16. This not only avoids the disadvantages and costs of etching, but above all also achieves usage and functional advantages of the running surface 7 of the cylinder liner, which will be discussed in more detail below. The costs per cylinder liner caused by the mechanical exposure are no higher than the costs of a honing process.
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 Maschinentisch 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 Besonderheit 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 selbsttätig zylindrisch an die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse anpassen. Diese dienen als formangepaßte Polier- oder Schleifkörper. In die Konstruktion der Hohnahle sind metallische Schleifkörperträger einbezogen, die radial beweglich in der Honahle geführt und mit einstellbarer Kraft an die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse anpreßbar sind. Die metallischen Schleifkörperträger waren auf ihrer der radial nach außen weisenden Seite flacheben, also nicht zylindrich gestaltet. Auf diese ebenen Flächen wurden jeweils Zuschnitte aus einer FiIzmatte von 9 mm Stärke aufgeklebt, wobei die aufgeklebten Filzstücke außenseitig nicht im Sinne einer zylindrischen Oberflächengebung bearbeitet wurden. Vielmehr stellte sich die erforderliche Zylindrizität bei Arbeitsaufnahme des honähnlichen Polierens bzw. Schleifens unter dem Anpreßdruck der Filzstücke an die Innenoberfläche der Zylinderlaufbüchse selbsttätig ein.In connection with the mechanical exposure, the honing machine shown in Fig. 4, which is also to be used in this polishing process, is discussed in more detail. The honing machine 13 shown there has a movable machine table 18, which holds the crankcase 2 to be machined in a collecting tray 19. Above the machine table 18, there is at least one vertically extending honing spindle 14 with a honing tool 15 accommodated therein, which can be lowered into a cylinder bore of the crankcase. The special feature of the honing machine is that the honing tool 15 is not equipped with hard honing stones, but with several axially aligned felt strips 16 on the circumference, which automatically adapt cylindrically to the inner surface of the cylinder liner due to the flexibility of the felt on the outside. These serve as shape-adapted polishing or grinding bodies. The design of the honing tool includes metal grinding wheel carriers that can be moved radially in the honing tool and can be pressed against the inner surface of the cylinder liner with adjustable force. The metal grinding wheel carriers were flat on the side facing radially outwards, i.e. not cylindrical. Cut pieces of felt mat 9 mm thick were glued onto these flat surfaces, whereby the glued felt pieces were not machined on the outside to give them a cylindrical surface. Rather, the required cylindricity was automatically achieved when the honing-like polishing or grinding was started under the pressure of the felt pieces on the inner surface of the cylinder liner.
Daim 23 964G/4 #·* ,·" · · ·Daim 23 964G/4 # ·* ,·" · · ·
Bei dem Filzmaterial handelte es sich um einen Filz mit der Bezeichnung Stückfilz Tm 30 - 9, DIN 61206; auch ein Filz der Bezeichnung Stückfilz Tm 32 - 9, DIN 61206 wäre sicher geeignet. Dabei bedeuten die einzelnen Daten in der Bezeichnung: m —> melliert,The felt material was a felt with the designation piece felt Tm 30 - 9, DIN 61206; a felt with the designation piece felt Tm 32 - 9, DIN 61206 would also certainly be suitable. The individual data in the designation mean: m - > mottled,
3 0 -» 0.3 g/cm3 Rohdichte bzw. 32 ->· 0.32 g/cm3 Rohdichte, 9 —> 9 mm Dicke.3 0 -» 0.3 g/cm 3 bulk density or 32 ->· 0.32 g/cm 3 bulk density, 9 —> 9 mm thickness.
Die Härte der verwendeten Filzstücke betrug nach DIN 61200 M6 (mittel6); bei dem Stückfilz Tm 32 - 9, DIN 61206 wäre eine Härte nach DIN 61200 mit der Kennzeichnung Fl (festl) zu empfehlen. The hardness of the felt pieces used was M6 (medium 6) according to DIN 61200; for the piece felt Tm 32 - 9, DIN 61206, a hardness according to DIN 61200 with the designation Fl (solid) would be recommended.
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 Hartstoffpartikeln, vorzugsweise von Siliziumkarbid-Partikeln in Honöl aufgestellt. Zur Vermeidung einer Sedimentation der Hartstoffpartikel ist ein Rührwerk 21 in dem Sammelbehälter vorgesehen. Eine Umwälzpumpe 22 fördert von dem Sammelbehälter 2 0 die Aufschlämmung zu einem ringförmigen Brausekopf 17, der die Honahle oberhalb der Zylinderlaufbüchse umgibt und dieser reichlich Schleiffflüssigkeit zuführt. Während des mechanischen Freilegens 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 bekannter Weise ist die Honahle so ausgebildet, daß die Filzleisten 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 zwischen den einzelnen oberflächlich anstehenden härteren Partikeln befindliche Material des Legierungsgrundwerkstoffes etwas abgetragen, so daß die härteren Partikel mit einer Plateaufläche 11 gegenüber dem abgetragenen Grundwerkstoff 12 emporragen. Dieses Maß t stellt die Freilegungstiefe dar. Bei dieserSince this mechanical exposure takes place in the presence of an abrasive, amorphous grinding or polishing medium containing hard material particles, provisions are also made on the honing machine 13 for feeding the grinding medium. A collecting container 20 is set up on the machine to hold a slurry 23 of fine hard material particles, preferably silicon carbide particles in honing oil. To prevent sedimentation of the hard material particles, an agitator 21 is provided in the collecting container. A circulation pump 22 conveys the slurry from the collecting container 20 to an annular shower head 17, which surrounds the honing tool above the cylinder liner and supplies it with plenty of grinding fluid. During mechanical exposure, the rotating honing tool performs an axially oscillating up and down movement in a known manner, so that all parts of the running surface 7 are reached by the felt strips 16. In a known manner, the honing tool is designed so that the felt strips can be pressed against the running surface 7 with adjustable pressure. The mechanical exposure is preferably carried out under a pressure of about 3 to 5 bar, preferably about 4 bar. This type of processing removes some of the material of the alloy base material located between the individual harder particles on the surface, so that the harder particles protrude with a plateau surface 11 relative to the removed base material 12. This dimension t represents the exposure depth. With this
Daim 23 964G/4 ■ .·,**::Daim 23 964G/4 ■ .·,**::
Arbeitsweise werden die Ränder der Plateauflächen 11 ballig verrundet, so daß sie sanft in den Legierungsgrundwerkstoff 12 übergehen. Diese Ausgestaltungform der Plateauflächen Il ist für den darüberhinweg gleitenden Kolben bzw. die Kolbenringe sehr vorteilhaft, weil tribologisch wenig aggressiv im Gegensatz 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 verrundet werden und kalottenähnlich abgetragen werden. Es hat sich deshalb als zweckmäßig herausgestellt, etwa 2 0 bis 60 Sekunden, vorzugsweise etwa 40 Sekunden lang mechanisch in der erwähnten Art freizulegen. Dabei stellt sich eine Freilegungstiefe von etwa 0,2 bis 0,3 [im. ein. Diese Freilegungstiefe ist allerdings überlagert von einer Oberflächenrauheit, die zumindest in der gleichen Größenordnung wenn nicht sogar größer ist, was jedoch in Fig. 2a so nicht dargestellt ist. Die Rauheit der Oberfläche ist im wesentlichen durch die Körnung der Hartstoffpartikel in der Aufschlämmung 23 bestimmt; die Rauheitswerte an bearbeiteten Zylinderlaufflächen liegen im Bereich von 0,7 bis 1,0 um. Durch diese Rauheitswerte und durch die geringe Freilegungstiefe konnten sehr geringe Ölverbräuche und mithin sehr geringe Emissionen von Kohlenwasserstoffen erreicht werden. Außerdem sind die Verschleißbeständigkeit und die Gleiteigenschaften der so hergestellten Zylinderlaufbüchsen exzellent.In this way, the edges of the plateau surfaces 11 are rounded into a crown so that they merge smoothly into the alloy base material 12. This design of the plateau surfaces II is very advantageous for the piston or piston rings sliding over it because it is tribologically less aggressive in contrast to the sharp-edged hard material particles in the case of chemical exposure. The extent of the exposure depth t can be determined - in addition to the contact pressure of the felt strips - above all by the duration of the honing-like process during mechanical exposure. It is true that the longer the exposure time, the more rounded the plateau surfaces 11 become and are worn away like a dome. It has therefore proven to be expedient to expose mechanically in the manner mentioned for about 20 to 60 seconds, preferably about 40 seconds. This produces an exposure depth of about 0.2 to 0.3 [im. However, this exposure depth is superimposed by a surface roughness that is at least of the same order of magnitude, if not greater, which is not shown in Fig. 2a. The roughness of the surface is essentially determined by the grain size of the hard material particles in the slurry 23; the roughness values on machined cylinder surfaces are in the range of 0.7 to 1.0 µm. These roughness values and the low exposure depth made it possible to achieve very low oil consumption and therefore very low emissions of hydrocarbons. In addition, the wear resistance and sliding properties of the cylinder liners produced in this way are excellent.
-·ooo- --·oo- -
Claims (3)
dadurch gekennzeichnet, daß das Maß des Herausragens (Freilegungstiefe t) der Plateau-Flächen (11) der Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) gegenüber dem umgebenden Legierungsgrundwerkstoff (12) etwa 0,2 bis 0,3 fim beträgt.2) Cylinder liner according to claim 1,
characterized in that the extent of protrusion (exposure depth t) of the plateau surfaces (11) of the primary crystals (8) or particles (9, 10) relative to the surrounding alloy base material (12) is approximately 0.2 to 0.3 fim.
dadurch gekennzeichnet, daß die herausragenden Primärkristalle (8) bzw. Partikel (9, 10) an ihrer freigelegten Plateau-Fläche (11) eine Rauheit von Rz = 0,7 bis 1,0 &mgr;&tgr;&eegr; aufweisen.3) Cylinder liner according to claim 1,
characterized in that the protruding primary crystals (8) or particles (9, 10) have a roughness of Rz = 0.7 to 1.0 μιη on their exposed plateau surface (11).
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