[0001] 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.
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] 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.
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
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.