Verfahren zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von aus Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, hergestellten Zylinderlaufflächen bei Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, mit eingelagerten körnigen oder faserigen Hartstoffphasen, wie insbesondere Silizium, Aluminiumoxid oder Carbiden, zur Erzeugung tribologisch geeigneter Eigenschaften; das Verfahren wird im Hinblick auf eine umweltverträglichere und kostengünstigere Durchführbarkeit dadurch verbessert, daß zum Freilegen der Hartstoffphasen durch Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix anstelle eines Ätzprozesses die zu bearbeitende Zylinderlauffläche gehont wird und daß hierfür ein Honwerkzeug verwendet wird, dessen Schneidstoff in einer derart nachgiebigen Matrix eingelagert ist, daß die Schneidstoffpartikel zwischen die Hartstoffphasen gedrückt werden und dabei eine Freilegung sowie eine Verrundung der Hartstoffphasen bewirken können.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bearbeitung von aus Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminium-Legierungen, hergestellten Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, mit eingelagerten körnigen oder faserigen Hartstoffphasen, wie insbesondere Silizium, Aluminiumoxid oder Carbiden, zur Erzeugung tribologisch geeigneter Eigenschaften.

[0002] Wegen der bekannten Vorteile werden im Motorenbau zunehmend Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, gefertigt. Der Oberflächenbearbeitung der Laufflächen oder Laufbahnen kommt im Hinblick auf die Lebensdauer des Motors, insbesondere den Ölverbrauch und das Verschleißverhalten, d.h. das Zusammenwirken der Reibpartner Kolbenring und Zylinderlauffläche, überragende Bedeutung zu. So war es bereits bei der Bearbeitung von Grauguß-Zylinderlaufflächen bekannt, eine zwei- oder dreistufige Honbearbeitung durchzuführen. Im ersten Honvorgang, bei dem man üblicherweise von Formhonung spricht, wurden Bohrungsfehler oder -ungenauigkeiten ausgeglichen. Hierfür wurden Diamanthonleisten verwendet, bei denen der Schneidstoff Diamant in einer metallischen, steifen unnachgiebigen Matrix des Honwerkzeugs gebunden, d.h. gehalten bzw. eingelagert ist. Beim Abtragen des Honaufmaßes werden Grate gebildet, und es kommt zur sogenannten Blechmantelbildung und Flitterbildung, d.h. zu einer Überdeckung und Verschmierung der Graphiteinlagerungen durch das Metall, so daß die Graphiteinlagerungen, die eigentlich als Reibpartner dienen sollen, diese Funktion nicht ausüben können. Deshalb wird die durch die Formhonung im Hinblick auf ihre tribologischen Eigenschaften eher verschlechterte Oberflächenschicht einem oder zwei weiteren Honvorgängen unterworfen, wobei hierfür beispielsweise Honwerkzeuge mit (keramisch gebundenem) Silizumcarbid als Schneidstoff verwendet werden. Der erwähnte Blechmantel, welcher die Graphiteinlagerungen überdeckt, sowie der Flitter werden dann abgetragen, so daß das Graphit an der Oberfläche freiliegt und Notlauffunktionen ausüben kann.

[0003] Es ist auch vorgeschlagen worden, beim Fertighonen der Zylinderlaufflächen die Honleisten durch Bürstleisten zu ersetzen, um damit ausgeprägte Grate und bei der Diamantformhonung gebildeten Flitter zu beseitigen.

[0004] Für Zylinderkurbelgehäuse aus Leichtmetallegierungen, insbesondere übereutektischen Aluminiumlegierungen, wurden auch Verfahren entwickelt, mit denen die tribologischen Eigenschaften von aus Leichtmetallegierungen hergestellten Zylinderlaufflächen verbessert wurden. In der VDI-Z 131 (1989) Nr. 9 Abschnitt 6.1 wird ein bekanntes Verfahren zum Honen von Kurbelgehäusen aus einer übereutektischen Aluminiumlegierung beschrieben. Gemäß diesem bekannten Verfahren wird in einem ersten Formhonvorgang unter Verwendung von Diamanthonleisten rund 60 µm der Zylinderlauffläche abgetragen. In einem weiteren Honvorgang wird unter Verwendung von Honleisten mit keramisch gebundenem Siliziumcarbid die Zylinderlauffläche nochmals bearbeitet, wobei bis zu rund 25 µm abgetragen werden. Dieser weitere Honvorgang dient der Beseitigung der beim Formhonen zerstörten Oberflächenschicht, in der die körnigen oder faserigen, insbesondere aus Silizium bestehenden Hartstoffe weggerissen, zersplittert oder von einer Matrixmetallverschmierung überdeckt worden sind.

[0005] Nach dem vorstehend beschriebenen Honen werden die Zylinderlaufflächen einem Ätzprozeß unterworfen, bei dem die Hartstoffe an der Zylinderlauffläche freigelegt werden, indem die Leichtmetallmatrix beispielsweise von Natronlauge weggeätzt und dadurch gegenüber den Hartstoffen zurückgesetzt wird.

[0006] In der öffentlich zugänglichen Firmenschrift der Anmelderin mit dem Titel "Die Überholung eines Alusil-Motorblocks", die anläßlich des KS-Kolloguiums 1987 erarbeitet und zuletzt 1991 neu aufgelegt wurde, ist nach dem Einschrumpfen neuer Aluminium-Zylinderlaufbüchsen ein mit Silizium-Läppen bezeichneter letzter Bearbeitungsgang beschrieben, der sich an die vorausgehenden Schritte des Vorhonens, Fertighonens und Polierens anschließt. Bei diesem Vorgang werden die Honsteine durch Filzleisten ersetzt, und die Zylinderbohrung und die Filzleisten werden mit einer Silizium-Paste bestrichen. Mit diesem Bearbeitungsgang soll vor Ort beim Überholen eines Aluminium-Motorblocks eine Freilegung der Silizium-Kristalle in der Lauffläche der Laufbüchse erreicht werden. Dieses Verfahren eignet sich jedoch nicht für einen Serieneinsatz bei der Herstellung von Motorblöcken. Der Einsatz von Filzleisten sowie das manuelle Aufbringen einer Silizium-Paste gewährleistet keine hinreichende Reproduzierbarkeit. Es wurde auch daran gedacht, Filzleisten in Verbindung mit einer Mischung aus feinkörnigem Siliziumcarbid und Honöl zur Oberflächenbearbeitung der Laufflächen einzusetzen. Dieser schon Ende der 80er Jahre in Fachkreisen diskutierte Gedanke, der auch in der DE 44 38 550 A1 beschrieben ist, bringt jedoch den Nachteil mit sich, daß Abrasivstoffe in der Trägerflüssigkeit die Maschinen in ganz erheblichem Maße gefährden. Die Reproduzierbarkeit des Verfahrens ist für eine Erstherstellung eines Motorblocks nicht hinreichend, und das Verfahren erweist sich als zu teuer, da eine separate Bearbeitungsvorrichtung für die Filzleisten verwendet werden muß.

[0007] Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art bereitzustellen, das umweltfreundlicher aber auch kostengünstiger ausführbar ist als das vorstehend beschriebene Verfahren, bei dem das Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix mittels eines Ätzprozesses erreicht wird. Es sollen desweiteren die Nachteile des Silizium-Läppens vermieden werden.

[0008] Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zum Freilegen der Hartstoffphasen durch Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix anstelle eines Ätzprozesses die zu bearbeitende Zylinderlauffläche gehont wird, und daß hierfür ein Honwerkzeug verwendet wird, dessen Schneidstoff in einer derart nachgiebigen Matrix eingelagert ist, daß die Schneidstoffpartikel zwischen die Hartstoffphasen gedrückt werden und dabei eine Freilegung sowie eine Verrundung der Hartstoffphasen bewirken können.

[0009] Es wurde also erfindungsgemäß erkannt, daß zur Freilegung der Hartstoffphasen auf die Ausführung eines umweltbelastenden Ätzvorgangs verzichtet werden kann und stattdessen eine Honung unter Verwendung eines geeigneten Honwerkzeugs durchgeführt werden kann. Es ist hierbei wichtig, daß die Schneidstoffpartikel des Honwerkzeugs in einer derart nachgiebigen Matrix eingelagert sind, daß sie sich gewissermaßen zwischen den Hartstoffen in die Leichtmetallmatrix eingraben und so die Matrix zurücksetzen können, wie dies in bekannter Weise durch Ätzen erreicht wurde. In vorteilhafter Weise wird bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens im Gegensatz zu dem bekannten Ätzverfahren aber auch eine Verrundung der Hartstoffphasen und damit eine Verbesserung der tribologischen Eigenschaften, d.h. eine Verringerung der Abrasivität der behandelten Zylinderlauffläche erreicht.

[0010] Bei dem zum Freilegen der Hartstoffphasen verwendeten Honwerkzeug ist der Schneidstoff bei einer vorteilhaften Verfahrensführung beispielsweise in einer porösen und daher nachgiebigen Matrix eingelagert.

[0011] Nach der erfindungsgemäßen Freilegung der Hartstoffphasen durch Honen der bereits vorgehonten Zylinderlauffläche werden Rautiefen R_z der freigelegten Hartstoffphasen von 1,0 bis 3,0 µm erzeugt. Es wird vorteilhafterweise ein Mittenrauhwert R_a von 0,1 bis 0,3 µm erzeugt. Der entsprechende Mittenrauhwert R_a beträgt nach der Durchführung eines Ätzvorgangs 0,3 bis 0,6 µm.Die reduzierte Spitzenhöhe R_pk, die ein Maß für den Kornüberstand der Hartstoffe über die zurückgesetzte Matrix darstellt, beträgt 0,3 bis 0,8 µm.

[0012] Auch bei der Bearbeitung von aus Leichtmetallegierungen hergestellten Zylinderlaufflächen kann zunächst eine Formhonung unter Verwendung von Diamanthonleisten und sodann eine Zwischenhonung zum Abtragen der zerstörten Oberflächenschichten durchgeführt werden, bevor die vorstehend erwähnte Honung zum Freilegen der Hartstoffphasen ausgeführt wird. Die Zwischenhonung wird dabei vorteilhafterweise unter Verwendung einer Siliziumcarbid-Honleiste, deren Schneidstoffpartikel einer Größe von 600 bis 800 mesh nach DIN 69101 entsprechen (5 bis 10 µm) und in einem aushärtbaren Kunstharz eingelagert sind. Demgegenüber sind die vorzugsweise aus Korund (Al₂O₃) oder Siliziumcarbid (SiC) bestehenden Schneidstoffpartikel, die ebenfalls eine Korngröße von 600 bis 800 mesh aufweisen, in einer derart elastisch nachgiebigen, beispielsweise aus einem porösen thermoplastischen Material gebildeten Matrix eingelagert, daß sie von den Hartstoffen unter elastischer Verformung der Honleisten-Matrix zurückgedrückt werden, so daß sie die Hartstoffe der Aluminium-Legierung nicht abrasiv abtragen, sondern nur an den Kanten verrunden. Die Schneidstoffpartikel werden aber in die Aluminium-Legierungsmatrix zwischen die Hartstoffe gedrückt und graben sich dort unter Abtrag der weicheren Legierungsmatrix ein und bewirken so die Zurücksetzung der Matrix bzw. die Freilegung der Hartstoffe.

[0013] Bei der Ausführung dieses dreistufigen Verfahrens werden bei der Diamantformhonung etwa 50 bis 70 µm, bei der Zwischenhonung etwa 30 bis 40 µm und beim Freilegen der Hartstoffphasen etwa 3 bis 5 µm abgetragen. Der Abtrag bei der Zwischenhonung ist jedoch sinnvollerweise abhängig von der Zerstörungstiefe der Oberflächenschicht, die ihrerseits von der Korngröße der Hartstoffe beeinflußt wird. D.h., bei einer geringeren Korngröße der Hartstoffe kann ein geringerer Abtrag beim Zwischenhonen ausreichend sein.

[0014] In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, aber auch in einem hiervon losgelöst zu betrachtenden Erfindungsgedanken von eigenständiger Bedeutung wird vorgeschlagen, das Bearbeitungsverfahren so durchzuführen, daß nach einem Feinbohren der Zylinderbohrung und vor dem Freilegen der Hartstoffphasen die Zylinderlauffläche in einem ersten Honvorgang unter Verwendung eines Honwerkzeugs, dessen Schneidstoff im wesentlichen unnachgiebig in einem metallischen Verbund oder einem Harz gehalten ist, bearbeitet wird, so daß eine Oberflächenschicht der Zylinderlauffläche abgetragen wird, in der die Hartstoffphasen durch das Feinbohren zerstört wurden.

[0015] Gemäß diesem ansich selbstständigen Erfindungsgedanken wird die Zylinderbohrung mit einem geringeren Untermaß ausgebildet, so daß gegenüber dem bekannten Verfahren weniger abgetragen werden muß, um den schlußendlichen Bohrungsdurchmesser zu erreichen. Es wurde also gewissermaßen der Schritt des Formhonens durch die Anbringung einer genaueren Bohrung ersetzt. Dies bereitet durch die Verfügbarkeit von polykristalline Diamantschneiden oder -schneidplatten aufweisenden Bohr- oder Fräswerkzeugen, insbesondere Mehrschneidenbohrer, keine Probleme.

[0016] Es wird dann in einem ersten Honvorgang beim Beseitigen der zerstörte Hartstoffphasen aufweisenden Oberflächenschicht der Zylinderlauffläche mehr Material abgetragen als beim vorausgehend beschriebenen Zwischenhonen, da beim Feinbohren im Gegensatz zum Formhonen von einer etwas größeren Zerstörungstiefe auszugehen ist. Es wird vorzugsweise mehr als 50 µm, insbesondere zwischen 50 und 70 µm, der Oberflächenschicht abgetragen. Es hat sich gezeigt, daß dies unter Verwendung desselben Honwerkzeugs, das auch bei dem vorstehend beschriebenen dreistufigen Honverfahren bei der Zwischenhonung verwendet wurde, erreicht werden kann. Es kann also auf den Einsatz teurer Diamanthonleisten verzichtet werden, und der Zeitaufwand für die Bearbeitung der Zylinderlauffläche wird beträchtlich reduziert.

[0017] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Patentansprüchen. Einzelheiten und Verfahrensparameter zur Durchführung des beschriebenen dreistufigen Honverfahrens ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle, wobei die Leichtmetallegierung eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung ist.

	Formhonen	Beseitigen der Si-Zerstörung		Freilegen der Si-Ausscheidungen (Hartstoffphasen
Schneidstoffpartikel	Diamant	Diamant	Siliziumcarbid	Korund oder Siliziumcarbid
Schneidstoffpartikelgröße	46 - 60 µm	15 bis 30 µm	600/800 mesh	600/800 mesh
Bindung	starr (Metall)	im wesentlichen unnachgiebig (Kunststoff)		nachgiebig (Kunststoff)
Abtrag	50 - 70 µm	50 - 70 µm		3 - 5 µm
Rz	4 - 7 µm	0,6 -1,2 µm		1,0 - 3,0 µm
Ra	0,6-0,8 µm	0,06 -0,15 µm		0,10 - 0,3 µm
Rpk	-	0,15 -0,30 µm		0,30 - 0,80 µm

[0018] In der Zeichnung zeigt:

Figur 1

ein analysiertes Oberflächenprofil, und

Figur 2

eine photographische Darstellung einer Zylinderlaufbahn.

[0019] In der Figur 1 ist ein analysiertes Oberflächenprofil einer Zylinderlauffläche dargestellt, die in einem zweitstufigen Honverfahren bearbeitet wurde. Zur Herstellung der Zylinderlauffläche wurde eine Verbundwerkstofftechnik genutzt; es wurde ein mit Siliziumpulver beladener zylinderförmiger Faserkörper, der aus Al₂O₃-Kurzfasern hergestellt wird, und in einem Druckguß- oder Druckguß-ähnlichem Gießvorgang mit einer untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung gefüllt wird, verwendet. Nach dem Gießvorgang wird die Zylinderöffnung feingebohrt, wobei ein sehr geringfügiges Untermaß im Bereich von weniger als 100 µm, vorzugsweise weniger als 70 µm, belassen wird. Dieses Untermaß wird dann in einem ersten Honvorgang abgetragen. In der ersten Stufe wurden 50 bis 70 µm der Oberflächenschicht abgetragen, und zwar unter Verwendung einer von der in Deutschland ansässigen Firma Atlantic angebotenen Honleiste SC/9/600/22-115-BLF. In diesem ersten Honvorgang wird die Zylinderlauffläche soweit abgetragen, etwa 50 bis 70 µm, bis die durch den Feinbohrvorgang zerstörten Bereiche beseitigt sind. Anschließend wird in einer zweiten Stufe fertiggehont, wobei in dein dargestellten Fall ein Honwerkzeug der in Deutschland ansässigen Firma Dolderer des Typs AS-800-P-PVA verwendet wird. In dieser zweiten Honstufe, die ausschließlich dem Freilegen der Siliziumphasen an der Oberfläche der Laufbahn dient, werden nur noch 3 bis 5 µm des Aluminium-Matrix-Metalls der Zylinderlaufbahn abgetragen.

[0020] Figur 2 zeigt eine photographische Darstellung einer nach dem Verfahren bearbeiteten Oberfläche einer Zylinderlaufbahn.

Ansprüche

1. Verfahren zur Bearbeitung von aus Leichtmetallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, hergestellten Zylinderlaufflächen bei der Herstellung von Motorblöcken und Kurbelgehäusen für Verbrennungskraftmaschinen, mit eingelagerten körnigen oder faserigen Hartstoffphasen, wie insbesondere Silizium, Aluminiumoxid oder Carbiden, zur Erzeugung tribologisch geeigneter Eigenschaften, dadurch gekennzeichnet, daß zum Freilegen der Hartstoffphasen durch Zurücksetzen der Leichtmetallmatrix anstelle eines Ätzprozesses die zu bearbeitende Zylinderlauffläche gehont wird und daß hierfür ein Honwerkzeug verwendet wird, dessen Schneidstoff in einer derart nachgiebigen Matrix eingelagert ist, daß die Schneidstoffpartikel zwischen die Hartstoffphasen gedrückt werden und dabei eine Freilegung sowie eine Verrundung der Hartstoffphasen bewirken können.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei dem zum Freilegen der Hartstoffphasen verwendeten Honwerkzeug der Schneidstoff in einer porösen Matrix eingelagert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Freilegen der Hartstoffphasen eine gemittelte Rauhtiefe Rz von 1,0 bis 3,0 µm erzeugt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Freilegen der Hartstoffphasen ein Mittenrauhwert R_a von 0,1 bis 0,3 µm erzeugt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Freilegen der Hartstoffphasen eine reduzierte Spitzenhöhe R_pk von 0,3 bis 0,8 µm erzeugt wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach einem Feinbohren der Zylinderbohrung und vor dem Freilegen der Hartstoffphasen die Zylinderlauffläche in einem ersten Honvorgang unter Verwendung eines Honwerkzeugs, dessen Schneidstoff im wesentlichen unnachgiebig in einem metallischen Verbund oder einem Harz gehalten ist, bearbeitet wird, so daß eine Oberflächenschicht der Zylinderlauffläche abgetragen wird, in der die Hartstoffphasen durch das Feinbohren zerstört wurden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beseitigen der zerstörte Hartstoffphasen aufweisenden Oberflächenschicht der Zylinderlauffläche mehr als 50 µm, vorzugsweise zwischen 50 und 70 µm, abgetragen werden.

Zeichnung