Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer tribologischen Schicht

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer tribologischen Schicht aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff mit einem Schichtgefüge, wobei die Oberfläche im Anschluß an die Herstellung der Schicht nachbearbeitet wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren ohne Schmierstoff trocken zerspant wird, wobei ein Schneidwerkzeug mit einem Diamant enthaltenden Schneidstoff verwendet wird. Daran kann sich ein weiteres Bearbeitungsverfahren anschließen. Vorzugsweise ist eine Verfahrenskombination von Trockenzerspanung und einstufigem Fertighonen bzw. einstufigen Strukturieren durch Strahlen vorgesehen.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer tribologischen Schicht aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff mit einem Schichtgefüge, wobei die Oberfläche nach der Herstellung der Schicht nachbearbeitet wird.

[0002] Verfahren zur Bearbeitung von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen sind an sich bekannt. Diese Legierungen dienen insbesondere zur Herstellung von Werkstücken mit Oberflächen aus verschleißfesten, reibarmen tribologischen Schichten. Derartige Werkstücke bzw. Schichten werden z. Bsp. im Automobilbau zur Herstellung von Zylinderlaufflächen in Kurbelgehäusen bzw. Zylinderlaufbuchsen verwendet.

[0003] Künftige Leichtbau-Kurbelgehäuse für Hubkolbenmaschinen bestehen aus Kostengründen aus untereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, die im Druckgußverfahren hergestellt werden. Dieses Material zeigt jedoch ein unbefriedigendes Reibungs- und Verschleißverhalten. Die Zylinderlaufbüchsen oder zumindest deren Zylinderlaufflächen müssen daher aus einem verschleißfesten, reibarmen, tribologischen Material bestehen.

[0004] Aus der DE 44 38 550 A1 ist eine Zylinderlaufbüchse aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bekannt, die feine Silizium-Primärkristalle und intermetallische Phasen in Form harter Partikel aufweist. Ein derartiges Material muß anschließend noch oberflächenbearbeitet werden. Dabei wird in einem ersten Schritt eine Feinbohrung vorgenommen. Anschließend wird die Oberfläche durch Honen geglättet. Dies erfolgt in der Serienfertigung in mindestens zwei Arbeitsschritten, die man als Vorhonen und Fertighonen bezeichnet. In einem letzten Schritt werden die in der Legierung enthaltenen Silizium-Partikel, welche die eigentliche Lauffläche bilden, freigelegt, indem Aluminium mit Hilfe einer wässrigen Lösung einer Säure herausgeätzt wird.

[0005] Aus der EP 0 565 742 A1 ist ein Honverfahren zur Feinbearbeitung von Werkstückoberflächen mit mindestens zwei Verfahrensschritten bekannt. In einem der Verfahrensschritte wird die Oberfläche des Werkstücks auf das Endmaß fertiggehont. Dabei wird eine sehr feine Honstruktur in der Oberfläche erzeugt. In einem anderen Verfahrensschritt, der vor oder nach dem Fertighonen ausgeführt werden kann, werden mittels einer Strahlvorrichtung, insbesondere mittels eines Lasers, einander überschneidende Riefen erzeugt. Die Endoberfläche weist in diesem Fall sowohl Hon- als auch Strahlriefen auf.

[0006] Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Zylinderlaufflächen der Zylinderlaufbüchsen nach dem Gießen des Kurbelgehäuses zu beschichten. Dies geschieht zum Beispiel durch Plasmaspritzen wie es in der DE 195 08 687 C2 beschrieben ist. Mit diesem Verfahren kann eine Schicht aus einer Eisen- oder Stahl-Legierung aufgebracht werden, welche sich durch befriedigendes Reibungs- und Verschleißverhalten auszeichnet.

[0007] Aus den prioritätsälteren, noch nicht veröffentlichten deutschen Patentanmeldungen 197 33 204.8-45 und 197 33 205.6-45, eingereicht am 01. August 1997, ist eine thermisch gespritzte Beschichtung aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff bekannt, die sich durch ein heterogenes Schichtgefüge aus Aluminium-Mischkristall, einem groben bis sehr feinem Netzwerk aus eutektischem Silizium, Silizium-Ausscheidungen bzw. -Partikeln, intermetallischen Phasen und extrem fein verteilten Oxiden auszeichnet. Diese Beschichtung weist charakteristische primäre Aluminium-Mischkristall-Dendrite auf, bei denen die Dendritenarme von eutektischem Silizium umhüllt sind. Die Schliffaufnahmen derartiger Beschichtungen zeigen ein charakteristisches schwammartiges Aussehen. Silizium-Primärausscheidungen und Siliziumpartikel liegen nur in einem kleinen Anteil vor und weisen einen kleinen Durchmesser auf. Bei der Oberflächenbearbeitung dieser Schichten werden die an der Oberfläche liegenden Dendritenarme angeschliffen, so daß beim nachfolgenden Freilegen das Aluminium weggeätzt wird und aluminiumfreie Silizium-Gerüste zurückbleiben, welche die eigentliche Lauffläche bilden.

[0008] Die Oberflächenbearbeitung von übereutektischen Aluminium-Silizium-Schichten, gleich welcher Zusammensetzung und Struktur ist jedoch recht aufwendig. Es müssen Schmierstoffe eingesetzt werden, die ggf. anschließend, vor dem Freilegen der harten Partikel, erst wieder vollständig entfernt werden müssen.

[0009] Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der oben genannten Art bereitzustellen, welches weniger aufwendig und weniger kostspielig ist.

[0010] Die Lösung besteht darin, daß die Oberfläche zur Nachbearbeitung in einem einstufigen Verfahren ohne Schmierstoff trocken zerspant wird, wobei ein Schneidwerkzeug mit mindestens einem diamanthaltigen Schneidstoff verwendet wird.

[0011] Der Erfindungsgedanke besteht also darin, die üblichen aufwendigen Naßbearbeitungsverfahren wie z. Bsp. Honen durch eine trockenes Nachbearbeitungsverfahren zu ersetzen, bei dem ein Schneidwerkzeug mit mindestens einem diamanthaltigen Schneidstoff eingesetzt wird. Überraschenderweise wurde festgestellt, daß die Güte einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bearbeiteten Oberfläche mit der Güte einer gehonten Oberfläche vergleichbar ist und sogar besser sein kann.

[0012] Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Das Schneidwerkzeug kann ein- oder mehrschneidig sein. Geeignete Schneidwerkzeuge sind z. Bsp. eine Wendeschneidplatte oder eine mit mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspindel. Insbesondere beschichtete Bohrungen, wie mit einer Zylinderlauffläche beschichtete Zylinderlaufbüchsen, werden vorzugsweise durch trockenes Ausspindeln nachbearbeitet. Dabei wird das ein- oder mehrschneidige Werkzeug, bspw. eine mit einer oder mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspindel in die stehende, innen beschichtete Zylinderlaufbüchse eingeführt. Die Zerspanung erfolgt dabei ohne Kühlschmierstoff bzw. unter Minimalschmierbedingungen. Umgekehrt ist es natürlich auch möglich, daß das Werkstück bewegt wird, während ein stehendes Werkzeug verwendet wird.

[0013] Geeignete Schneidstoffe sind bspw. polykristalliner Diamant, Einkristalldiamant oder mit einer CVD-Diamantschicht beschichtetes Hartmetall.

[0014] Im Schichtgefüge der tribologischen Schicht können harte Schichtbestandteile enthalten sein. Dabei handelt es sich in der Regel um harte, primäre bzw. eutektische Siliziumpartikel. Die an der Oberfläche liegenden harten Schichtbestandteile können im Anschluß an die Trockenbearbeitung sofort freigelegt werden.

[0015] Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß eine Kombination aus dem Trockenzerspanen und einem weiteren Verfahren angewendet wird, wobei im Anschluß an das Trockenzerspanen die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren durch Strahlen strukturiert, insbesondere mit Strahlriefen versehen wird. Vorzugsweise wird eine Laserstrukturierung der Oberfläche vorgenommen. Diese Laserstrukturierung kann man bei Zylinderlaufbüchsen vorzugsweise auf den Bereich des oberen Totpunktes beschränken, das heißt desjenigen Punktes, an dem sich die Laufrichtung des Zylinderkolbens umkehrt und seine Geschwindigkeit gleich Null wird. Durch die Laserstrukturierung werden Taschen in die Oberfläche eingebracht, in denen sich später beim Betrieb Schmiermittel sammeln kann. Diese Lösung verbindet in einer Verfahrenskombination die Verfahrensoperation Trockenzerspanung mit einer nachgeschalteten Verfahrensoperation zur Strukturierung der Oberfläche mittels eines Strahles. Die Endoberfläche weist in diesem Fall sowohl eine trockenzerspante Rillenstruktur, hergestellt mit geometrisch bestimmter Schneide bzw. Schneiden, als auch überlagerte Strahlriefen auf.

[0016] Die zu bearbeitende Schicht ist vorzugsweise eine Beschichtung, die mittels Plasmaspritzverfahren hergestellt wird. Eine bevorzugte Aluminium-Silizium-Legierung ist im wesentlichen kupferfrei, d. h. sie enthält weniger als 1 Gew.-% Kupfer.

[0017] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand der beigefügten Abbildungen näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1

Eine Schliffaufnahme einer durch Plasmaspritzen aufgebrachten Schicht aus einer im wesentlichen kupferfreien, übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung vor der Oberflächenbearbeitung;

Figur 2

diesselbe Schicht nach der Trockenbearbeitung mit einer Wendeschneidplatte aus polykristallinem Diamantmit einem bearbeiteten Bereich (rechts) und einem unbearbeiteten Bereich (links;

Figur 3

diesselbe Schicht wie Figur 2, jedoch vollständig bearbeitet.

[0018] Zur Herstellung einer Beschichtung aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung kann eine beliebige Aluminium-Silizium-Legierung verwendet werden, zum Beispiel AlSi25 Ni4 1,2Fe 1,2Mg 0,6Cu. In der Legierung können auch Festschmierstoffe wie hexagonales Bornitrid, Titandioxid, Molybdänsulfid und andere enthalten sein.

[0019] Besonders bevorzugt sind plasmagespritzte Schichten aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen bzw. übereutektischen Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoffen, wie sie im folgenden beschrieben werden.

Ausführungsbeispiel 1

[0020] Es wurde eine übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung mit der folgenden Zusammensetzung verwendet:

Legierung A

[0021] 

Silizium: 23,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 25 Gew.-%

Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%

Eisen: maximal 0,25 Gew.-%

Mangan, Nickel, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-%

Rest Aluminium.

[0022] Aus dieser Legierung wurde ein Spritzpulver hergestellt, mit dem im Plasmaspritzverfahren eine Beschichtung auf die Zylinderlauffläche einer Zylinderlaufbüchse aus untereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung aufgetragen wurde. Die Zylinderlaufbüchse hatte einen Durchmesser von 88 cm, eine Länge von 150 mm und eine Wandstärke von 5 mm.

[0023] Die unbearbeitete Beschichtung ist in Figur 1 dargestellt. Man erkennt deutlich die typische schwammartige Struktur. Sie ist auf die Bildung von Aluminium-Mischkristall-Dendriden zurückzuführen, deren Dendritenarme mit einer Schicht aus eutektischem Silizium umhüllt sind. Ferner sind kleine Silizium-Primärausscheidungen zu erkennen.

[0024] Der Oberflächenzustand der Beschichtung konnte wie folgt charakterisiert werden:
R_max = 21,5 µm; R_t = 24,2 µm; R_z = 17,7 µm; R_a = 3,5 µm.

[0025] Als Zerspanwerkzeug wurde eine Wendeschneidplatte mit einem Schneidstoff aus polykristallinem Diamant vom Typ TCMW 16 T3 08 F (CDIO) gewählt. Der Halter war vom Typ Tizit NVR 16-3. Zum trockenen Feindrehen wurden die folgenden Parameter eingestellt:
Vorschub = 0,021 m/min; V_C = 158,42 m/min; N = 575 min^-1; a_p = 0,05.

[0026] Die derart bearbeitete Oberfläche ist in Figur 2 abgebildet. Die Oberflächengüte nach der Trockenfeinzerspanung konnte wie folgt charakterisiert werden:
R_max = 0,98 µm; R_t = 0,99 µm; R_z = 0,84 µm; R_a = 0,125 µm.

[0027] Diese Werte sind besser als die durch die üblichen Honbearbeitung erzielbaren Werte.

[0028] Es kann auch folgende Legierung verwendet werden, die wie oben beschrieben nachgearbeitet werden kann und zu vergleichbar guten Ergebnissen führt:

Legierung B

[0029] 

Silizium: 23,0 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 25 Gew.-%

Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%

Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%

Mangan, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-%

Rest Aluminium.

[0030] Es können ferner gleichermaßen Verbundwerkstoffe verwendet werden, die mittels Plasmspritzen unter Verwendung eines speziellen Spritzpulvers hergestellt werden. Bei diesem Spritzpulver handelt es sich um ein agglomeriertes Verbundpulver aus feinen Silizium-Partikeln und feinen metallischen Partikeln mindestens einer Aluminium-Silizium-Legierung, die miteinander anhand von anorganischen oder organischen Bindern gebunden sind. Der Anteil an Silizium-Partikeln beträgt 5 bis 95 Gew.-%, der Anteil an Legierungspartikeln beträgt 95 bis 50 Gew.-%. Die Silizium-Partikel haben eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 10µm, vorzugsweise etwa 5µm.

[0031] Die Legierungspartikel haben eine mittlere Korngröße von 0,1 bis 50µm, vorzugsweise etwa 5µm.

[0032] Die Legierungspartikel bestehen vorzugsweise aus einer Mischung aus untereutektischen Legierungspartikeln und übereutektischen Legierungspartikeln. Durch die Verwendung von übereutektischen Legierungspartikeln wird der Anteil an Aluminium-Mischkristall im Schichtgefüge beibehalten, während durch die Verwendung von untereutektischen Legierungspartikeln die Bildung des Aluminium-Mischkristalls unterdrückt wird. Im folgenden sind je zwei Beispiele für geeignete untereutektische bzw. übereutektische Legierungen genannt.

Untereutektische Legierungen:

Legierung 1

[0033] 

Silizium: 0 bis 11,8 Gew.-%, vorzugsweise etwa 9 Gew.-%

Eisen: maximal 0,25 Gew.-%

Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%

Mangan, Nickel, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-%

Rest Aluminium.

Legierung 2

[0034] 

Silizium: 0 bis 11,8 Gew.-%, vorzugsweise etwa 9 Gew.-%

Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%

Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%

Mangan, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-%

Rest Aluminium.

Übereutektische Legierungen:

Legierung 3:

[0035] 

Silizium: 11,8 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 17 Gew.-%

Eisen: maximal 0,25 Gew.-%

Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%

Mangan, Kupfer, Nickel und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-%

Rest Aluminium.

Legierung 4:

[0036] 

Silizium: 11,8 bis 40,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 17 Gew.-%

Nickel: 1,0 bis 5,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 4 Gew.-%

Eisen: 1,0 bis 1,4 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Magnesium: 0,8 bis 2,0 Gew.-%, vorzugsweise etwa 1,2 Gew.-%

Zirkon: maximal 0,6 Gew.-%

Mangan, Kupfer und Zink: maximal jeweils 0,01 Gew.-%

Rest Aluminium.

Ansprüche

1. Verfahren zur Oberflächenbearbeitung einer tribologischen Schicht aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff mit einem Schichtgefüge, wobei die Oberfläche im Anschluß an die Herstellung der Schicht nachbearbeitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren ohne Schmierstoff trocken zerspant wird, wobei ein Schneidwerkzeug mit mindestens einem Diamant enthaltenden Schneidstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Schneidwerkzeug ein einschneidiges Werkzeug, vorzugsweise eine Wendeschneidplatte, verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Schneidwerkzeug ein mehrschneidiges Werkzeug, vorzugsweise eine mit mehreren Wendeschneidplatten bestückte Schneidspindel, verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Schneidwerkzeug mit einem Schneidstoff aus polykristallinem Diamant und/oder Einkristalldiamant und/oder mit einer CVD-Diamantschicht beschichteten Hartmetall verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Anschluß an die Trockenzerspanung sofort im Schichtgefüge enthaltene, an der nachbearbeiteten Oberfläche liegende harte Schichtbestandteile freigelegt werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kombination aus dem Trockenzerspanen und einem weiteren Verfahren angewendet wird, wobei im Anschluß an das Trockenzerspanen die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren fertiggehont wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Kombination aus dem Trockenzerspanen und einem weiteren Verfahren angewendet wird, wobei im Anschluß an das Trockenzerspanen die Oberfläche in einem einstufigen Verfahren durch Strahlen, bspw. durch Laser strukturiert, insbesondere mit Strahlriefen versehen wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine mit der übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. dem übereutektischen Aluminium-Silizium-Werkstoff beschichtete Zylinderlauffläche eines Kurbelgehäuses für eine Hubkolbenmaschine nachbearbeitet wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zylinderlauffläche nur im Bereich des oberen Totpunkts nachbehandelt wird bzw. daß die in der Zylinderlauffläche liegenden harten Schichtbestandteile nur im Bereich des oberen Totpunkts freigelegt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu bearbeitende Schicht mittels Plasmaspritzverfahren hergestellt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zu bearbeitende Schicht aus einer im wesentlichen kupferfreien übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung bzw. einem im wesentlichen kupferfreien übereutektischen Aluminium-Silizium-Verbundwerkstoff hergestellt wird, wobei der Kupferanteil jeweils kleiner als 1 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 0,1 Gew.-% und besonders bevorzugt kleiner als 0,01 Gew.-% ist.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Herstellung der zu bearbeitenden Schicht eine Legierung verwendet wird, die ein heterogenes Schichtgefüge aus einem primären Aluminium-Mischkristall, einem groben bis sehr feinen Netzwerk aus eutektischem Silizium, primären Silizium-Ausscheidungen sowie intermetallischen Phasen wie Mg₂Si und Oxiden aufweist, wobei die mittlere Größe der primären Silizium-Ausscheidungen kleiner als 10µm und die mittlere Größe der Oxide kleiner als 5 µm ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Herstellung der zu bearbeitenden Schicht ein Verbundwerkstoff verwendet wird, der ein heterogenes Schichtgefüge aus einem primären Aluminium-Mischkristall, einem groben bis sehr feinen Netzwerk aus eutektischem Silizium, primären Silizium-Ausscheidungen und/oder eingebetteten Siliziumpartikeln und intermetallischen Phasen wie Mg₂Si und Oxiden aufweist, wobei die mittlere Größe der primären Silizium-Ausscheidungen bzw. der eingebetteten Silizium-Partikel kleiner als 10µm und die mittlere Größe der Oxide kleiner als 5 µm ist.

Zeichnung