EP1103344A2 - Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen - Google Patents

Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP1103344A2 EP00122286A EP00122286A EP1103344A2 EP 1103344 A2 EP1103344 A2 EP 1103344A2 EP 00122286 A EP00122286 A EP 00122286A EP 00122286 A EP00122286 A EP 00122286A EP 1103344 A2 EP1103344 A2 EP 1103344A2
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    • B24B—MACHINES, DEVICES, OR PROCESSES FOR GRINDING OR POLISHING; DRESSING OR CONDITIONING OF ABRADING SURFACES; FEEDING OF GRINDING, POLISHING, OR LAPPING AGENTS
    • B24B33/00—Honing machines or devices; Accessories therefor
    • B24B33/02—Honing machines or devices; Accessories therefor designed for working internal surfaces of revolution, e.g. of cylindrical or conical shapes

Definitions

  • the invention relates to a method for processing surfaces, in particular Cylinder treads on internal combustion engines with one, made of a light metal alloy existing cylinder crankcase, being in the cylinder treads by laser are melted, particles of a harder material are alloyed and where the light metal matrix with the alloyed hard material particles subsequently in at least a machining step is machined and / or honed.
  • EP 176 803 A1 describes a method for producing a cylinder block Light metal described. First, the one consisting of an aluminum alloy Cast cylinder block. Subsequently Silicon is applied to the cylinder surfaces, which is subsequently laser beam is melted so that an edge layer oversaturated with silicon forms.
  • the method for coating workpiece surfaces according to DE 197 11 756 A1 proposes a powdered on the cylinder surfaces of reciprocating machines Thermally spray alloy with a silicon-containing light metal matrix.
  • the functionality of the Cylinder treads a partial protrusion of the harder particles from the Light metal matrix useful.
  • the harder particles have been exposed predominantly by etching, whereby by resetting the light metal matrix sharp-edged edges of the crystals are exposed. These sharp edges are disadvantageous and can at least in the running-in phase of the engine for example There is damage to the piston ring.
  • the etching process is also costly and problematic considering environmental aspects. Therefore it becomes a replacement this processing by other process steps.
  • the object of the invention is to develop a processing method for surfaces To create light metal alloys, with which an exposure of the particles from harder Material without etching is possible. This method is intended in particular for a Series production of internal combustion engines cylinder surfaces with good tribological Properties are created.
  • This task is solved by first honing the cylinder running surfaces and by then further mechanical processing using a finely classified Honahle takes place, through which the crystals of the harder material are exposed. Subsequent mechanical processing can be carried out using a honing tool, whereby the cylinder surfaces are finely structured. More beneficial Refinements are described in claims 2 to 11.
  • the tribological Properties of the cylinder surfaces of internal combustion engines also among the Conditions of series production can be significantly improved.
  • the harder particles are exposed without the use of caustic agents. Through the gentle contours of the particles from the harder material will damage it Piston ring and piston largely excluded.
  • the combination of surveys (Crystal particles) and depressions (fine structure) gives functional advantages in the Run-in phase, especially good adherence of the oil film and avoidance mechanical disturbances due to the acting piston pressure forces.
  • the surveys and Deepening is achieved through mutual removal and application in engine operation increasingly balanced. Due to the good friction behavior that can be achieved Component pairing of pistons and cylinders reduces friction losses. In their As a result, fuel and oil consumption are reduced first and ultimately that too Exhaust emissions from the internal combustion engine.
  • the method is preferably used for machining cylinder running surfaces 1 Internal combustion engines applied.
  • the cylinder crankcase 2 this Internal combustion engine consists of a light metal alloy. It becomes an alloy chosen, which is relatively easy to handle in the casting process, for example one Aluminum alloy. By melting harder components subsequently upgraded those areas of the cylinder crankcase 2, which in the later intended use will be exposed to friction. This affects the Cylinder running surfaces 1, the properties of which the friction and wear behavior Determine component pairing of piston and cylinder.
  • the piston is in the drawing not shown in detail, only its movement is stylized by an arrow.
  • the cylinder running surfaces 1 are melted by means of a laser.
  • particles of a harder material are introduced to create a wear-resistant, to get tribologically favorable tread 1. Due to the process control arises in the case of solidification as a result of self-deterrence and, if necessary additional cooling a fine crystalline structure.
  • crystals 3 with an approximately spherical contour, at least with a rounded contour without sharp edges. The size of these crystals 3 should be maximum 50.0 ⁇ m and is predominantly in a range between 5.0 ⁇ m and 20.0 ⁇ m.
  • Fully melted nickel-containing or tungsten-containing material can be alloyed into the cylinder running surface 1.
  • a silicon-containing material is used.
  • the laser created Layer of the cylinder surface 1 after completion of the alloy a share of 15 to 53 vol.% Silicon.
  • the Machining and / or honing is then carried out. It is provided that the cylinder running surfaces 1 are honed. The fine crystalline Layer does not need to be etched to expose. Rather, there is now another one mechanical processing using a finely classified honing tool. In this step the light metal matrix is reset, i.e. the crystals 3 of the harder one Materials are exposed mechanically and stand opposite the plateau surfaces other surface. They break through the rounded contour of the crystals 3 not honing. In addition, the crystals 3 hardly act due to this contour abrasive, so that wear is low.
  • the height "H" of the exposure of the crystals 3 of the harder material is a maximum of 1.0 ⁇ m. Preferably an area between 0.1 ⁇ m and 0.3 ⁇ m.
  • the cylinder surfaces 1 are fine-structured by additional Wells 4 are introduced into the surface 1.
  • This editing can also be designed elevations 5 in addition to the wells 4.
  • the fine structuring of the cylinder running surface 1 has a depth "T" of a maximum of 2.0 ⁇ m on. A range between 0.1 ⁇ m and 0.5 ⁇ m is preferably used.
  • This Design gives advantages for the operation of the internal combustion engine in the Run-in phase by favoring the oil supply. The oil can settle in the Collect wells 4.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen mit einem, aus einer Leichtmetall-Legierung bestehenden Zylinderkurbelgehäuse, wobei in die Zylinderlaufflächen, die mittels Laser aufgeschmolzen werden, Partikel eines härteren Materials einlegiert werden und wobei die Leichtmetall-Matrix mit den einlegierten Hartstoffpartikeln nachfolgend in mindestens einem Verfahrensschritt spanabhebend und/oder honend bearbeitet wird. Es wird die Aufgabe gelöst, ein Bearbeitungsverfahren zu schaffen, mit dem ein Freilegen der Partikel aus härterem Material ohne Ätzung möglich ist. Mit diesem Verfahren sollen insbesondere bei einer Serienfertigung von Brennkraftmaschinen Zylinderlaufflächen mit guten tribologischen Eigenschaften erzeugt werden. Hierfür wird vorgeschlagen, daß die Zylinderlaufflächen (1) zunächst gehont werden und daß anschließend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle erfolgt, durch die die Kristalle (3) des härteren Materials freigelegt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen mit einem, aus einer Leichtmetall-Legierung bestehenden Zylinderkurbelgehäuse, wobei in die Zylinderlaufflächen, die mittels Laser aufgeschmolzen werden, Partikel eines härteren Materials einlegiert werden und wobei die Leichtmetall-Matrix mit den einlegierten Hartstoffpartikeln nachfolgend in mindestens einem Verfahrensschritt spanabhebend und/oder honend bearbeitet wird.
Für die Konstruktion moderner Brennkraftmaschinen sind zunehmend ökologisch begründete Forderungen zu beachten, von denen gegenwärtig die Reduzierung von Kraftstoffverbrauch und Abgasemission primär ist. Neben konstruktiven Entwicklungen werden hierbei auch die Vorteile neuer Werkstoffe genutzt, wobei zahlreiche konstruktive Änderungen ohnehin erst durch den Einsatz neuer Werkstoffe möglich sind. Sofern das Zylinderkurbelgehäuse beispielsweise aus Leichtmetall gefertigt wird, sind gegenüber konventionellem Grauguß eine erhebliche Gewichtseinsparung und eine höhere Belastbarkeit im Motorbetrieb möglich. Diese Vorteile können jedoch durch andere Parameter beeinträchtigt werden, insbesondere durch das Reib- und Verschleißverhalten an Oberflächenpaarungen, die relativ zueinander bewegt werden. Eine solche Problemstelle sind die Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen mit der Bauteilpaarung von Kolben und Zylinder. Für diese Laufflächen sind zusätzliche Bearbeitungen notwendig, um sogenannte "tribologische" Laufbahnen zu schaffen, die ein weitgehend optimales Reibungsverhalten bewirken.
In EP 176 803 A 1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinderblocks aus Leichtmetall beschrieben. Zunächst wird der aus einer Aluminium-Legierung bestehende Zylinderblock gegossen. Anschließend wird auf die Zylinderlaufflächen Silizium aufgetragen, das nachfolgend mittels Laserstrahl aufgeschmolzen wird, so daß sich eine mit Silizium übersättigte Randschicht bildet.
Das Verfahren zur Beschichtung von Werkstückoberflächen gemäß DE 197 11 756 A 1 schlägt vor, auf die Zylinderlaufflächen von Hubkolbenmaschinen eine pulverförmige Legierung mit einer Silizium aufweisenden Leichtmetall-Matrix thermisch aufzuspritzen.
Im Ergebnis der Verfahren nach EP 176 803 A 1 und DE 197 11 756 A 1 weisen die einer Reibung ausgesetzten Bereiche, im vorliegenden Anwendungsfall also die Zylinderlaufflächen, eine Beschichtung auf. Diese Beschichtung wird mit einem spanabhebenden Verfahren nochmals bearbeitet, um die erforderliche Maßgenauigkeit zu erreichen. Damit auch die notwendige Oberflächenbeschaffenheit erreicht wird, folgt der spanabhebenden Bearbeitung überwiegend noch ein Honvorgang. Mit diesen Verfahren können grundsätzlich verschleißfeste, tribologisch günstige Zylinderlaufflächen geschaffen werden. Die Gewährleistung einer, über die gesamte Zylinderlauffläche homogenen Oberfläche ist allerdings fragwürdig. Ferner sind zahlreiche fertigungstechnische Voraussetzungen erforderlich. Diese können zwar für Prototypen und Kleinserien geschaffen werden, eine Realisierung in der Serienfertigung mit hohen Stückzahlen ist jedoch nur bedingt möglich.
Unabhängig vom gewählten Bearbeitungsverfahren ist für die Funktionalität der Zylinderlaufflächen ein teilweises Herausragen der härteren Partikel aus der Leichtmetall-Matrix zweckmäßig. Hierfür werden nach dem Honvorgang die in der Lauffläche liegenden, härter als das Grundgefüge der Legierung ausfallenden Partikel derart freigelegt, daß Plateauflächen der Partikel gegenüber der sonstigen Oberfläche des Grundgefüges hervorstehen. Das Freilegen der härteren Partikel erfolgt bisher überwiegend durch Ätzung, wobei durch das Rücksetzen der Leichtmetall-Matrix die scharfkantigen Ränder der Kristalle freigelegt werden. Diese scharfen Kanten sind nachteilig und können zumindest in der Einlaufphase des Motors zum Beispiel Beschädigungen am Kolbenring ergeben. Das Ätzverfahren ist außerdem kostenintensiv und unter Berücksichtigung von Umweltaspekten problematisch. Deshalb wird ein Ersatz dieser Bearbeitung durch andere Verfahrensschritte angestrebt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Bearbeitungsverfahren für Oberflächen aus Leichtmetall-Legierungen zu schaffen, mit dem ein Freilegen der Partikel aus härterem Material ohne Ätzung möglich ist. Mit diesem Verfahren sollen insbesondere bei einer Serienfertigung von Brennkraftmaschinen Zylinderlaufflächen mit guten tribologischen Eigenschaften erzeugt werden.
Diese Aufgabe wird gelöst, indem die Zylinderlaufflächen zunächst gehont werden und indem anschließend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle erfolgt, durch die die Kristalle des härteren Materials freigelegt werden. Nachfolgend kann eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer Honahle erfolgen, wobei die Zylinderlaufflächen feinstrukturiert werden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen 2 bis 11 beschrieben.
Durch Anwendung des vorgeschlagenen Verfahrens können die tribologischen Eigenschaften der Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen auch unter den Bedingungen einer Serienfertigung wesentlich verbessert werden. In vorteilhafter Weise erfolgt das Freilegen der härteren Partikel ohne Anwendung ätzender Mittel. Durch die sanften Konturen der Partikel aus dem härteren Material werden Beschädigungen von Kolbenring und Kolben weitgehend ausgeschlossen. Die Kombination von Erhebungen (Kristallpartikel) und Vertiefungen (Feinstruktur) ergibt funktionelle Vorteile in der Einlaufphase, insbesondere ein gutes Haften des Ölfilms sowie die Vermeidung mechanischer Störungen durch die wirkenden Kolbendruckkräfte. Die Erhebungen und Vertiefungen werden durch wechselseitigen Abtrag und Auftrag im Motorbetrieb zunehmend ausgeglichen. Durch das erreichbare gute Reibungsverhalten der Bauteilpaarung von Kolben und Zylinder werden die Reibungsverluste reduziert. In deren Folge vermindern sich zunächst der Kraftstoff- und Ölverbrauch und schließlich auch die Abgasemissionen der Brennkraftmaschine.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bearbeiten von Oberflächen beschrieben. Hierbei wird Bezug auf die Zeichnung genommen, die in schematischer Darstellung eine Zylinderlauffläche zeigt, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeitet worden ist.
Das Verfahren wird vorzugsweise zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen 1 an Brennkraftmaschinen angewendet. Das Zylinderkurbelgehäuse 2 dieser Brennkraftmaschine besteht aus einer Leichtmetall-Legierung. Es wird eine Legierung gewählt, die relativ einfach im Gußprozeß zu handhaben ist, zum Beispiel eine Aluminium-Legierung. Durch das Einschmelzen von härteren Komponenten werden nachträglich jene Bereiche des Zylinderkurbelgehäuses 2 veredelt, die bei der späteren bestimmungsgemäßen Nutzung einer Reibung ausgesetzt sein werden. Dies betrifft die Zylinderlaufflächen 1, deren Eigenschaften das Reibungs- und Verschleißverhalten der Bauteilpaarung von Kolben und Zylinder bestimmen. Der Kolben ist in der Zeichnung nicht näher dargestellt, lediglich seine Bewegung ist durch einen Pfeil stilisiert.
Die Zylinderlaufflächen 1 werden mittels Laser aufgeschmolzen. In das Schmelzbad werden Partikel eines härteren Materials eingebracht, um somit eine verschleißfeste, tribologisch günstige Lauffläche 1 zu erhalten. Bedingt durch die Prozeßführung entsteht bei der Erstarrung infolge der Selbstabschreckung und einer gegebenenfalls zusätzlichen Kühlung eine feinkristalline Struktur. Durch das Einlegieren liegen im Idealfall Kristalle 3 mit einer annähernd kugelförmigen Kontur vor, zumindest jedoch mit einer gerundeten Kontur ohne scharfe Kanten. Die Größe dieser Kristalle 3 sollte maximal 50,0 µm betragen und wird überwiegend in einem Bereich zwischen 5,0 µm und 20,0 µm liegen. Als härteres Material kann vollaufgeschmolzenes nickelhaltiges oder wolframhaltiges Material in die Zylinderlauffläche 1 einlegiert werden. Vorzugsweise wird jedoch ein siliziumhaltiges Material verwendet. Dabei weist die mittels Laser erstellte Schicht der Zylinderlauffläche 1 nach Abschluß der Einlegierung einen Anteil von 15 bis 53 Vol.% Silizium auf.
Nachfolgend wird eine spanabhebende und/oder honende Bearbeitung durchgeführt. Hierbei ist vorgesehen, daß die Zylinderlaufflächen 1 gehont werden. Die feinkristalline Schicht bedarf zur Freilegung keiner Ätzung. Vielmehr erfolgt nunmehr eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle. In diesem Verfahrensschritt wird die Leichtmetall-Matrix zurückgestellt, d.h., die Kristalle 3 des härteren Materials werden mechanisch freigelegt und stehen als Plateauflächen gegenüber der sonstigen Oberfläche hervor. Durch die gerundete Kontur der Kristalle 3 brechen diese beim Honen nicht aus. Außerdem wirken die Kristalle 3 aufgrund dieser Kontur kaum abrasiv, so daß auch der Verschleiß gering ist. Die Höhe "H" der Freilegung der Kristalle 3 des härteren Materials beträgt maximal 1,0 µm. Vorzugsweise wird ein Bereich zwischen 0,1 µm und 0,3 µm genutzt.
Danach erfolgt eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer Honahle. In diesem Verfahrensschritt werden die Zylinderlaufflächen 1 feinstrukturiert, indem zusätzliche Vertiefungen 4 in die Oberfläche 1 eingebracht werden. Während dieser Bearbeitung können unmittelbar neben den Vertiefungen 4 auch Erhebungen 5 ausgestaltet werden. Die Feinstrukturierung der Zylinderlauffläche 1 weist eine Tiefe "T" von maximal 2,0 µm auf. Vorzugsweise wird ein Bereich zwischen 0,1 µm und 0,5 µm genutzt. Diese Ausgestaltung ergibt Vorteile für den Betrieb der Brennkraftmaschine in der Einlaufphase, indem die Ölversorgung begünstigt wird. Das Öl kann sich dabei in den Vertiefungen 4 sammeln. Gleichzeitig werden durch die Kombination von Vertiefungen 4 und Erhebungen 5 in der Einlaufphase Schäden (Verquetschung, Riefenbildung usw.) ausgeschlossen, die ansonsten durch die Kolbendruckkräfte und eine eventuell unzureichende Schmierung entstehen könnten. Die Erhebungen 5 und Vertiefungen 4 unterliegen mit zunehmender Betriebsdauer der Brennkraftmaschine einer Selbstglättung durch wechselseitigen Abtrag und Auftrag von Material. Demzufolge entsteht eine Zylinderlauffläche 1 mit sehr guten tribologischen Eigenschaften.

Claims (11)

  1. Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen mit einem, aus einer Leichtmetall-Legierung bestehenden Zylinderkurbelgehäuse, wobei in die Zylinderlaufflächen, die mittels Laser aufgeschmolzen werden, Partikel eines härteren Materials einlegiert werden und wobei die Leichtmetall-Matrix mit den einlegierten Hartstoffpartikeln nachfolgend in mindestens einem Verfahrensschritt spanabhebend und/ oder honend bearbeitet wird,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Zylinderlaufflächen zunächst gehont werden und daß anschließend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer feinklassierten Honahle erfolgt, durch die die Kristalle des härteren Materials freigelegt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß nachfolgend eine weitere mechanische Bearbeitung mittels einer Honahle erfolgt, wobei die Zylinderlaufflächen feinstrukturiert werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Höhe der Freilegung der Kristalle des härteren Materials maximal 1,0 µm beträgt und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 0,3 µm liegt.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Tiefe der Feinstrukturierung der Zylinderlauffläche maximal 2,0 µm beträgt und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 µm und 0,5 µm liegt.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß für das Zylinderkurbelgehäuse eine Aluminium-Legierung verwendet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß als härteres Material vollaufgeschmolzenes siliziumhaltiges Material in die Zylinderlauffläche einlegiert wird.
  7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Siliziumkristalle eine annähernd kugelförmige, gerundete Kontur aufweisen.
  8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die Größe der Siliziumkristalle maximal 50,0 µm beträgt und vorzugsweise in einem Bereich zwischen 5,0 µm und 20,0 µm liegt.
  9. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 6, dadurch gekennzeichnet,
    daß die mittels Laser erstellte Schicht der Zylinderlauffläche einen Anteil von 15 bis 53 Vol.% Silizium aufweist.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß als härteres Material vollaufgeschmolzenes nickelhaltiges Material in die Zylinderlauffläche einlegiert wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
    daß als härteres Material vollaufgeschmolzenes wolframhaltiges Material in die Zylinderlauffläche einlegiert wird.
EP00122286A 1999-11-20 2000-10-20 Verfahren zum Bearbeiten von Oberflächen, insbesondere von Zylinderlaufflächen an Brennkraftmaschinen Revoked EP1103344B1 (de)

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