Kolben für Verbrennungskraftmaschinen und Verfahren zum Herstellen der Oberflächenarmierung eines Kolbens

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem zumindest ein Ringnutbereich mit einer Eloxalbeschichtung versehen ist; um den Verschleiß zu reduzieren, ist der Kolben so ausgebildet, dass in die oberflächenoffene Spalte der Eloxalbeschichtung ein Festschmierstoff eingelagert ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Kolben aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem zumindest ein Ringnutbereich mit einer Eloxalbeschichtung versehen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenarmierung eines Kolbens aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, wobei zumindest ein Ringnutbereich des Kolbens mit einer Eloxalbeschichtung versehen wird.

[0002] Bei Kolben aus Aluminiumlegierung werden Eloxaloberflächen eingesetzt, die als Schutz gegen Verschleiß und gegen Reibschweißerscheinungen insbesondere zwischen einem Kolbenring und der Oberfläche des zugeordneten Ringnutbereichs des Kolbens dienen sollen. Man versteht hierunter die infolge Relativbewegung zwischen Kolbenring und Ringnut hervorgerufenen Verschleißerscheinungen. Derartige Kolben sind beipielsweise in der DE 26 26 131 C2 beschrieben. Mit dem stetigen Bestreben, die Schadstoffemission des Verbrennungsmotors zu reduzieren, wird außerdem das im Bereich der ersten Ringnut zur Verfügung stehende Schmiermittelangebot zunehmend verringert.

[0003] Bei den abgeschiedenen Eloxalschichten handelt es sich um eine durch anodische Oxidation des Aluminiumwerkstoffs aufgebaute oder auf gewachsene Aluminumoxidschicht (z. B. in der Korundstruktur). Aluminiumoxidschichten besitzen gegenüber Stahl und anderen Werkstoffen relativ höhere Reibungskoeffizienten und sind daher für gleitenden bzw. reibenden Kontakt unter Mangelschmierung nicht geeignet. Es kann daher im Besonderen unter Mangelschmierung zu abrasiver Schädigung der Kolbenringe infolge der vorstehend erwähnten Kolbensekundärbewegung (zwischen Ring und Kolben) aber auch zu lokalen Ausbrechungen der Eloxalschicht kommen. Es kann ferner zur Schädigung der unter der Eloxalschicht befindlichen Kolbenlegierung infolge hoher reibungsbedingter Scherkräfte kommen.

[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kolben der vorausgehend beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass die vorstehend beschriebenen Nachteile nicht oder zumindest in geringerem Maße auftreten.

[0005] Diese Aufgabe wird bei einem Kolben der genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in oberflächenoffene Poren und Spalte der Eloxalbeschichtung ein Festschmierstoff eingelagert ist.

[0006] Hierbei handelt es sich vorteilhafterweise um Graphit, Molybdändisulfid (MoS₂) oder PTFE, wobei den beiden zuerst genannten Festschmierstoffen der Vorzug zu geben ist, da sie eine bessere Ölanhaftung zeigen als PTFE.

[0007] DE 692 17 321 T2 beschreibt zwar ein Verfahren zum elektrolytischen Aufbringen einer gleichmäßig monomolekularen PTFE-Schicht auf die Oberfläche einer Harteloxalschicht eines Aluminiumbauteils. Eine Einbringung in Spalte ist aber ebensowenig erwähnt wie die Anwendung des Verfahrens auf Kolben für Verbrennungskraftmaschinen.

[0008] Mit der Erfindung wurde erkannt, dass solche Spalte, Risse bzw. Poren einer Eloxalbeschichtung, die oberflächenoffen sind und sich im Wesentlichen in Wachstumsrichtung der Eloxalschicht erstrecken, hervorragend zur Aufnahme von Festschmierstoffen geeignet sind. Die mit Festschmierstoffen gefüllten Spalte der Eloxalbeschichtung stellen Festschmierstoffdepots dar, die im Wesentlichen über die gesamte Betriebsdauer, d. h. bis zu einem vollständigen Abtrag der Eloxalschicht infolge Verschleißes zur Verfügung stehen, da sie sich quasi bis zu der Aluminiumlegierung des Kolbens erstrecken. Der Grund für die Ausbildung dieser oberflächenoffenen Spalte, Risse bzw. Poren ist, wie rasterelektronenmikroskopische Schliffbildaufnahmen zeigen, das Aufwachsen der Eloxalschicht ausgehend von der Oberfläche der Aluminiumlegierung des Kolbens. Es handelt sich dabei um "Wachstumsstörungen" der Eloxalschicht, die sich, ausgehend und oberhalb von in der Oberfläche befindlichen Siliziumausscheidungen oder intermetallischen Phasen, wie z. B. Nickel-Aluminiden, befinden. Diese Spalte, Risse bzw. Poren werden nun nach der Erfindung gezielt zur Aufnahme, Bereithaltung und zur gleichmäßigen Freigabe von Festschmierstoffen während der Lebensdauer des Kolbens genutzt.

[0009] Der Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenarmierung eines erfindungsgemäßen Kolbens anzugeben.

[0010] Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, dass der Festschmierstoff in Suspension gebracht wird und unter Ausnutzung kapillarer Kräfte in Suspension befindlich in oberflächenoffene Spalte der Eloxalbeschichtung eingebracht wird, indem ein Oberflächenbereich der Eloxalbeschichtung mit der Suspension benetzt wird. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist an sich jede Flüssigkeit geeignet, in der die zu verwendenden Festschmierstoffe als feine Partikel mit einem Durchmesser von < 15 bzw. < 10 µm und in besonders vorteilhafter Weise mit einer Partikelgröße von 2 - 10 µm suspendierbar sind. Es kann sich hierbei um wasserverdünnbare Lacke oder um Leichtöl handeln. Die Flüssigkeit muss selbstverständlich die Eloxaloberfläche benetzen.

[0011] Es wurde ferner festgestellt, dass ein kurzzeitiges Eintauchen des Kolbens in eine Suspension oder ein Aufsprühen der Suspension auf den erfindungsgemäß zu behandelnden Oberflächenbereich des Kolbens hinreichend ist, um unter Ausnutzung der Kapillarkraft die Suspension und damit die Festschmierstoffe in die Spalte, Risse oder Poren der Eloxalschicht hineinzuziehen.

[0012] Unabhängig von dem vorstehend beschriebenen Verfahren besteht ein weiterer Erfindungsgedanke darin, dem Elektrolytbad zur Herstellung der Eloxalbeschichtung Festschmierstoffpartikel zuzugeben, die in dem Elektrolytbad in Schwebe gehalten werden und infolgedessen beim Abscheiden bzw. Aufwachsen der Eloxalbeschichtung in dieser gekammert werden und so alternative oder zusätzliche Festschmierstoffdepots bilden. Diese Festschmierstoffdepots werden dann beim kontinuierlichen Abtragen der Eloxalschicht freigesetzt und können den Reibwert und damit den Verschleiß reduzieren.

[0013] Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den beigefügten Ansprüchen sowie aus der zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1

eine schematische Darstellung eines eloxierten und erfindungsgemäß behandelten Oberflächenbereichs aus Aluminiumlegierung;

Fig. 2

ein Sekundärelektronenbild eines Schliffs durch die Oberfläche einer eloxierten ersten Ringnut eines erfindungsgemäßen Kolbens;

Fig. 3

ein EDX-Spektrum, welches an der mit "X" gekennzeichneten Stelle der Fig. 2 genommen wurde.

[0014] Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines eloxierten Oberflächenbereichs einer Aluminiumlegierung 2. Auf eine Oberfläche 4 der Aluminiumlegierung 2 wurde durch anodische Oxidation des Aluminiums eine Eloxalschicht 6 aufgewachsen. Infolge von Oberflächenbestandteilen 8 aus bspw. primär ausgeschiedenem Silizium oder intermetallischen Phasen, wie z. B. Nickelaluminiden, findet an dieser Stelle kein Wachstum der Aluminiumoxid-Beschichtung statt, sondern es bilden sich unregelmäßige Risse, Poren, Spalte 10, die wenigstens zum großen Teil zur Oberfläche 11 der Eloxalschicht 6 hin offen sind. In diese Spalte wird nach der Erfindung ein Festschmierstoff 12, vorteilhafter Weise in Form von Graphit oder Molybdändisulfit (MoS₂) eingebracht.

[0015] Die Einbringung des Festschmierstoffes erfolgt vorteilhafterweise unter Ausnutzung kapillarer Kräfte, indem der Festschmierstoff in Partikeln, die deutlich kleiner sein sollten als der Querschnitt der Spalte 10 in eine Flüssigkeitssuspension gebracht wird, wobei die Suspension die Eloxalschicht benetzt. Als derartige Flüssigkeit kommt bspw. ein Lack, bspw. auf Wasserbasis mit einem Polymerbinder, oder ein Leichtöl in Frage. Es genügt, wenn die die Festschmierstoffpartikel in einer Größe von 2 - 10 µm umfassende Suspension auf die Eloxaloberfläche 11 gesprüht wird oder der Kolben kurzzeitig in die Suspension eingetaucht wird. Zusätzlich kann es sich als vorteilhaft erweisen, die so behandelte Oberfläche abzuwischen oder abzurakeln, bspw. unter Verwendung eines Kunststoffwerkzeugs, um überschüssiges Material zu entfernen.

[0016] Fig. 2 zeigt ein Sekundärelektronenbild eines Schliffs durch einen eloxierten Oberflächenbereich der ersten Ringnut eines Kolbens aus Aluminiumlegierung. Man erkennt die Kolbenlegierung 14 und die darauf aufgebrachte Eloxalschicht 16. Über der Eloxalschicht 16 ist eine lediglich Präparationszwecken dienende Einbettmasse 18 abgebildet. Die Kolbenoberfläche wurde mit einem wasserverdünnbaren MoS₂-haltigen Lack benetzt. Der Lack wurde unter Ausnutzung kapillarer Kräfte in die Spalte hineingezogen, und es wurde auf diese Weise Festschmierstoff in die Spalte eingebracht. An der mit "X" gekennzeichneten Stelle wurde ein EDX-Spektrum angefertigt, das in Fig. 3 dargestellt ist. Man erkennt die Schwefel-K-α-Linie 30, die etwa deckungsgleich ist mit der Molybdän-L-Linie. Auch die Molybdän-K-α und -K-β-Linien sind ersichtlich. Dies stellt den Nachweis dafür dar, dass Molybdändisulfit als Festschmierstoff unter Ausnutzung kapillarer Kräfte in die oberflächenoffenen Risse, Spalte der Eloxalschicht eingebracht wurde.

Ansprüche

1. Kolben aus Aluminiumlegierung für Verbrennungskraftmaschinen, bei dem zumindest ein Ringnutbereich mit einer Eloxalbeschichtung (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass in oberflächenoffene Poren und Spalte (10) der Eloxalbeschichtung (6) ein Festschmierstoff (12) eingelagert ist.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Festschmierstoff (12) Graphit, MoS₂ oder PTFE umfasst.

3. Kolben nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Festschmierstoff (12) in Form von Partikeln zwischen 2 und 10 µm Größe in den Spalten (12) vorliegt.

4. Verfahren zum Herstellen einer Oberflächenarmierung eines Kolbens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Festschmierstoff (10) in Suspension gebracht wird und unter Ausnutzung kapillarer Kräfte in Suspension befindlich in oberflächenoffene Spalte (10) der Eloxalbeschichtung (6) eingebracht wird, indem ein Oberflächenbereich (11) der Eloxalbeschichtung (6) mit der Suspension benetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Suspension auf den Oberflächenbereich (11) aufgesprüht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben in die Suspension eingetaucht wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Elektrolytbad Festschmierstoffpartikel in Schwebe gehalten werden, die infolgedessen beim Abscheiden der Eloxalbeschichtung in dieser gekammert werden und so Festschmierstoffdepots bilden.

Zeichnung