Zylinder oder Zylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren; Verfahren zur Herstellung eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbüchse

Abstract

 Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen (1) für Verbrennungsmotoren lassen sich im Druckgussverfahren aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit 18 - 20 % Silizium und 200 - 500 ppm Phosphor herstellen. Die ausgeschiedenen Primär-Siliziumkristalle haben eine mittlere Korngröße von 20 - 50 µm. Der relativ hohe Anteil von Phosphor führt zu einer gleichmäßigen Verteilung der primär aus der Legierungsschmelze ausgeschiedenen Siliziumkristalle.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen für Verbrennungsmotoren, welche aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung im Druckgussverfahren herstellt sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbüchse aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung.

[0002] Moderne Verbrennungsmotoren, insbesondere Motoren für Kraftfahrzeuge und Kleinmaschinen, bestehen immer häufiger zum überwiegenden Teil aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium. Bei kleinen Motoren, beispielsweise für Motorsägen, kann der komplette Zylinder einschließlich Kurbelgehäuse aus einem einzigen Druckgussteil bestehen. Bei größeren Motoren, beispielsweise für Automobile, können einzelne Zylinderlaufbüchsen oder ein Verbund aus mehreren Laufbüchsen in den aus Leichtmetall gegossenen Motorblock eingesetzt oder eingegossen sein.

[0003] Sollen nicht nur der Motorblock, sondern auch Zylinder bzw. Zylinderlaufbüchsen eines Verbrennungsmotors aus Leichtmetall sein, so müssen die Zylinderlaufflächen besonders präpariert sein, um mit dem oder den Kolben optimal zusammenzuarbeiten. Sind Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung gegossen, so lassen sich die beim Erstarren der Legierungsschmelze ausgeschiedenen Primär-Siliziumkristalle an den Zylinderlaufflächen durch mechanisches Nachbearbeiten oder Ätzen freilegen. Die aus der Zylinderlauffläche herausragenden Siliziumkristalle bilden dann eine äußerst widerstandsfähige Gleitbahn für den Kolben bzw. für die Kolbenringe.

[0004] Die DE 44 34 576 beschreibt Zylinderblöcke oder Verbundgusszylinder aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung für Verbrennungskraftmaschinen mit umgossener Laufbüchse aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung, die im Schleudergussverfahren hergestellt oder pressgegossen ist. Für die Laufbüchse wird eine Aluminium-Silizium-Legierung des Typs A1 Si17 Cu4 Mg, A1 Si20-25 Cu4 Mg, A1 Si30-40, Al Si17 Cu4 oder A1 Si17 Cu4 Ni3 Mn Mg vorgeschlagen.

[0005] Die US 5 303 682 beschreibt Zylinderlaufbüchsen, die aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung im Schleudergussverfahren hergestellt sind.

[0006] Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung wurden bisher nicht im Druckgussverfahren hergestellt. Die hohen Anforderungen moderner Hochleistungs-Verbrennungsmotoren hinsichtlich Laufeigenschaften und Verschleißfestigkeit konnten nicht erfüllt werden. Andere Herstellverfahren wie z. B. Kokillenguss, Schleuderguss, pulvermetallurgische Verfahren oder thermisches Spritzen sind erheblich teurer.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt also das technische Problem zugrunde, Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung im Druckgussverfahren so herzustellen, dass die hohen Anforderungen moderner Leichtmetall-Verbrennungsmotoren erfüllt werden.

[0008] Die gestellte Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 dadurch gelöst, dass die übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung einen Siliziumanteil zwischen 18 und 20 % sowie zusätzlich einen relativ hohen Anteil von Phosphor, zwischen 200 und 500 ppm, enthält. Es hat sich gezeigt, dass sich mit einer solchen Legierung Zylinder oder Zylinderlaufbüchsen kostengünstig im Druckgussverfahren herstellen lassen, welche sich durch eine optimale Einbindung und Verteilung der Primär-Siliziumkristalle in die Aluminium-Grundmatrix auszeichnen und damit die gestellten Anforderungen erfüllen. Der relativ hohe Anteil von Phosphor in der Legierungsschmelze ist verantwortlich für die gleichmäßige Verteilung der Primär-Siliziumkristalle.

[0009] Besonders gute Ergebnisse werden erzielt, wenn die Legierung ungefähr 18,5 % Silizium enthält und/oder der Phosphorgehalt zwischen 350 und 450 ppm beträgt. Vorteilhaft enthält die Legierung zusätzlich 3 - 5 %, vorzugsweise 4 % Kupfer sowie Natrium, Calcium und Strontium mit einem Anteil von jeweils maximal 10 ppm und Antimon bis maximal 25 ppm.

[0010] Durch die Verwendung der Aluminium-Silizium-Legierung des vorgeschlagenen Typs lässt sich eine mittlere Korngröße der primär aus der Schmelze ausgeschiedenen Siliziumkristalle zwischen 20 und 50 µm erzielen. Nach dem Bohren und Honen beträgt der Zerstörungsgrad der Siliziumkristalle in der Zylinderlauffläche unter 50 %. Zylinder bzw. Zylinderlaufbüchsen, welche diese Spezifikationen erfüllen, zeichnen sich durch überragende Laufeigenschaften und sehr hohe Verschleißfestigkeit aus.

[0011] Die gestellte Aufgabe wird ferner gelöst durch das im Patentanspruch 7 angegebene Verfahren, bei dem zunächst eine Aluminium-Silizium-Legierung mit einem Siliziumanteil zwischen 18 und 20 % aufgeschmolzen und so viel Phosphor zugesetzt wird, dass die Legierungsschmelze einen Gehalt zwischen 200 und 500 ppm Phosphor aufweist. Die geschmolzene Legierung wird anschließend in eine Gießform bei einer Temperatur von mindestens 720 ° C eingespritzt. In der Gießform lässt man die Legierung unter einem Druck von 500 bis 1200 bar erstarren. Das erkaltete Gussstück wird am Ende einer spanabhebenden Bearbeitung oder einem Ätzprozess im Bereich der Zylinderlaufflächen unterzogen, wodurch die aus der Schmelze ausgeschiedenen Primär-Siliziumkristalle freigelegt werden.

[0012] Die sich in der aufgeschmolzenen Legierung bildenden Aluminium-Phosphide neigen dazu, sich in der flüssigen Schmelze zu konglomerieren und/oder nach unten abzusetzen. Eine gleichmäßige Verteilung der Phosphide ist jedoch wichtig. Es muss sorgfältig darauf geachtet werden, dass die Phosphide in der Schmelze möglichst gleichmäßig verteilt bleiben. Die somit notwendige Homogenisierung kann beispielsweise durch ein Rührwerk im Warmhalte-/Vorgießofen erreicht werden.

[0013] Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1

einen Verbund von Zylinderlaufbüchsen, in einer vereinfachten perspektivischen Ansicht;

Fig. 2 a

eine der Zylinderlaufbüchsen von Fig. 1, in einem Vertikalschnitt;

Fig. 2 b

den Ausschnitt X aus dem Schnittbild von Fig. 2 a, in stark vergrößertem Maßstab.

[0014] Der in Fig. 1 beispielhaft dargestellte Verbund besteht aus drei Zylinderlaufbüchsen 1, die in Reihe angeordnet und durch Stege 2 miteinander verbunden sind. Ein solcher Verbund von Zylinderlaufbüchsen 1 wird in einen Leichtmetall-Motorblock eingegossen oder nachträglich eingesetzt.

[0015] Gemäß Fig. 2 a ist die Zylinderlaufbüchse 1 als dünnwandiges Druckgussteil hergestellt. Es besteht aus einer Aluminium-Silizium-Legierung des Typs A1 Si18,5 Cu4 mit einem Phosphorgehalt von ca. 400 ppm.

[0016] In Fig. 2 b lässt sich erkennen, wie die einzelnen Primär-Siliziumkristalle 3 in die Aluminium-Matrix eingebettet sind. Im Bereich der geschliffenen Lauffläche 5 sind die Primär-Siliziumkristalle ganz oder teilweise freigelegt. Die freigelegten Siliziumkristalle, die aus der Aluminium-Matrix 4 herausragen, bilden die Zylinderlaufbahn, auf welcher der (nicht dargestellte) Kolben auf- und abgleitet.

Zusammenstellung der Bezugszeichen

[0017] 

1

Zylinderlaufbüchse

2

Steg

3

Primär-Siliziumkristalle

4

Aluminium-Matrix

5

Zylinderlauffläche

Ansprüche

1. Zylinder oder Zylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren, aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung im Druckgussverfahren hergestellt, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 18 - 20 % Silizium und 200-500 ppm Phophor enthält.

2. Zylinder oder Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ungefähr 18,5 % Silizium enthält.

3. Zylinder oder Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 350 - 450 ppm Phosphor enthält.

4. Zylinder oder Zylinderlaufbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 3 - 5 % Kupfer enthält.

5. Zylinder oder Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 4 % Kupfer enthält.

6. Zylinder oder Zylinderlaufbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , dass die ausgeschiedenen Primär-Siliziumkristalle (3) eine mittlere Korngröße von 20 - 50 µm haben.

7. Verfahren zur Herstellung eines Zylinders oder einer Zylinderlaufbüchse aus übereutektischer Aluminium-Silizium-Legierung, umfassend die Schritte:

- Aufschmelzen einer Legierung des Typs A1 Si18-20;

- Zugabe von Phosphor, so dass die Legierungsschmelze einen Gehalt von 200-500 pm Phosphor aufweist;

- Einspritzen der geschmolzenen Legierung in eine Gussform bei einer Temperatur von mindestens 720 ° C;

- Erstarrenlassen der Legierung unter einem Druck von 500 - 1200 bar;

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung ungefähr 18,5 % Silizium enthält

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Legierung 350 - 450 ppm Phosphor zugesetzt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die geschmolzene Legierung homogenisiert wird.

Zeichnung