DE102005051148A1

DE102005051148A1 - Verfahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Oberflächen

Info

Publication number: DE102005051148A1
Application number: DE200510051148
Authority: DE
Inventors: Harald Dipl.-Ing. Tober
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2007-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Oberflächen, bei welchem die metallische Oberfläche abschließend mit einem reinigungswirksamen und mehrere 100 bar aufweisenden Flüssigkeitsstrahl bestrichen wird. Als Flüssigkeitsstrahl wird ein Hochdruckwasserstrahl mit einem Druck höher 1000 bar gewählt, mit dem Werkstoffbestandteile, insbesondere Partikel, aus der metallischen Oberfläche entfernt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Oberflächen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es bspw. aus der gattungsbildend zugrunde gelegten DE 44 40 713 C2 als bekannt hervorgeht.

Die DE 44 40 713 C2 betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Gleitflächen an Bauteilen aus Gusseisen, insbesondere von Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen, bei dem die betreffenden Flächen während eines Honens mit einer vorzugsweise als Kühlschmiermittel verwendbaren Flüssigkeit beaufschlagt und bearbeitet werden. Hierdurch werden Metallflitter von der Zylinderlauffläche entfernt. Der Druck ist hierbei insbesondere nicht größer 100 bar, damit Gleichzeitig wird die Bildung von Metallflittern verringert. Anschließend wird die Zylinderlauffläche reibplattiert; d.h. die Reibfläche wird erneut mit einer sehr feinen Körnung gehont. Durch die Kombination dieser Verfahrensschritte, also Honen mit Flüssigkeitsbeaufschlagung und anschließendem Reibplattieren, werden Schmiertaschen, die beim Honen entstanden sind offen gelegt und insbesondere auch offen gehalten.

Aus der EP 169 984 ist ein Verfahren bekannt, dass zur Bearbeitung von Zylinderlaufflächen vorgesehen ist. Bei diesem Verfahren erfolgt nach dem Honen eine Flüssigkeitsstrahlbehandlung mit ca. 600–800 bar. An diese Flüssigkeitsbehandlung schließt sich ebenfalls eine Reibplattierung an. Hierbei ist die Körnung ebenfalls sehr fein, so dass zuvor beim Hochdruckstrahlen erhaltene Poren nicht mehr verschlossen werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Fertigu8ngsprozess zur Herstellung einer strukturierten Oberfläche einer Zylinderlauffläche zu verbessern.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit Verfahren mit den Verfahrensschritten des Anspruchs 1 gelöst. Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise, insbesondere durch ein gezieltes Einstellen der Drücke beim Hochdruckwasserstrahlen und der anderen Parameter wie Düsenform, insbesondere Flachstrahldüsen, Abstand der Düse von der Zylinderlauffläche, Vorschub usw. werden gezielt Werkstoffbestandteile aus der Oberfläche der Zylinderlauffläche herausgelöst. Die heraus gelösten Werkstoffbestandteile, insbesondere Partikel und/oder Materialinseln im sonstigen Gefüge, hinterlassen eine porige Oberfläche, wobei die Poren vorzugsweise im unteren μm-Bereich und besonderes innerhalb der ersten Dekade, angeordnet sind. Dies kann bspw. bei Grauguss durch Herauslösen der Graphitlamellen erfolgen.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können diese Poren mit neuen (Fremd-) Werkstoffen, wie Öl, Trockenschmierstoffe usw. befüllt werden.

Durch ein erfindungsgemäßes Vorgehen können so auf einfache Weise die Reibung von Bauteilen bei bewegten Teilen bei bspw. Motoren, Getrieben und Wellen usw. vermindert werden, indem die offenen Poren bspw. mit Trockenschmierstoffen und/oder Öl befüllt werden. Von besonderem Vorteil ist dies bei Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen, da hier insbesondere die Schadstoffemission reduziert werden kann.

Des Weiteren können durch die vorliegende Erfindung auch andere tribologisch beanspruchte Oberflächen von Bauteile, wie insbesondere Zahnrädern, dahingehend optimiert werden, dass deren Geräuschemission vermindert ist.

Prinzipiell werden bei der vorliegende Erfindung durch ein gezieltes Einstellen von Druck und ggf. weiteren Parametern gezielt Werkstoffbestandteile aus der Oberfläche heraus gewaschen bzw. herausgelöst, wodurch Hohlräume in der Oberfläche erzeugt werden. Die entsprechenden Werkstücke können ebenso wie die zugehörigen Oberflächen eben oder gekrümmt sein, wobei die zu bestrahlenden Oberflächen innen oder außen angeordnet sein können.

In die geschaffenen Räume können andere Werkstoffe und/oder Teilchen eingebracht werden, wobei die Einbringung dauerhaft und/oder kontinuierlich (bspw. bei Öl im Betrieb einer Brennkraftmaschine) vorgenommen werden kann. Ferner können diese Räume auch als Haltevolumen für Öle oder andere Schmiermittel dienen.

Durch die gezielte Einbringung von neuen (Fremd-) Werkstoffen oder Werkstoffbestandteilen können des Weiteren unterschiedlichste Modifikationen der Oberfläche realisiert werden.

Als Flüssigkeit für den Flüssigkeitsstrahl kommt insbesondere Wasser in Betracht, dem ggf. andere Stoffe, wie Säuren, Laugen Reiniger usw. beigegeben werden können. Ferner kann das Verfahren auch mit anderen chemischen Verfahren wie Ätzen, Freilegen usw.) kombiniert werden, wodurch u.a. Einfluss auf die Größe und die Form der Hohlräume genommen werden kann.

In einer weiterführenden Ausgestaltung kann mit dem Verfahren die Oberfläche auch nur teilweise und/oder in verschiedenen Abschnitten bearbeitet werden, um unterschiedliche Herauslösungen und/oder Einbringungen zu realisieren.

Im den folgenden Beispielen werden diverse erfindungsgemäße Versuchsdurchführungen beschrieben:
Beispiel 1:
Es wurde mit einem Fluiddruck von ca. 1000 bar gearbeitet. Als Düsen wurden Flachstrahldüsen verwendet. Die Düsen wurden in einem Abstand von ca. 5 mm von der beaufschlagten Oberfläche vorbeigeführt. Der Vorschub der an einer Strahllanze geführten Flachstrahldüse betrug ca. 5 mm/s.
Diese Versuche ergaben eine Zylinderlauffläche, bei der im Rasterelektronenmikroskop nach Sandreste vorlagen. Des Weiteren wurden bei Graugussmotoren Graphitlamellen aus der Oberfläche herausgelöst.
Insgesamt war dieser Prozess zwar sicher, allerdings noch weiter verbesserungswürdig.
Beispiel 2:
Es wurde mit einem Fluiddruck von ca. 1500 bar gearbeitet. Als Düsen wurden Flachstrahldüsen verwendet. Die Düsen wurden in einem Abstand von ca. 5 mm von der beaufschlagten Oberfläche vorbeigeführt. Der Vorschub der an einer Strahllanze geführten Flachstrahldüse betrug ca. 5 mm/s.
Diese Versuche ergaben eine Zylinderlauffläche, bei der im Rasterelektronenmikroskop nach Sandreste vorlagen. Des Weiteren wurden bei Graugussmotoren Graphitlamellen aus der Oberfläche herausgelöst.
Insgesamt war dieser Prozess zwar sicher, aber hinsichtlich der Arbeitsgeschwindigkeit noch weiter verbesserungswürdig.
Beispiel 3:
Es wurde mit einem Fluiddruck von ca. 1500 bar gearbeitet. Als Düsen wurden Flachstrahldüsen verwendet. Die Düsen wurden in einem Abstand von ca. 5 mm von der beaufschlagten Oberfläche vorbeigeführt. Der Vorschub der an einer Strahllanze geführten Flachstrahldüse betrug ca. 10 mm/s.
Diese Versuche ergaben eine Zylinderlauffläche, bei der im Rasterelektronenmikroskop nach Sandreste vorlagen. Des Weiteren wurden bei Graugussmotoren Graphitlamellen aus der Oberfläche herausgelöst.
Insgesamt war dieser Prozess sicher.
Beispiel 4:
Es wurde mit einem Fluiddruck von ca. 1500 bar gearbeitet. Als Düsen wurden Flachstrahldüsen verwendet. Die Düsen wurden in einem Abstand von ca. 10 mm von der beaufschlagten Oberfläche vorbeigeführt. Der Vorschub der an einer Strahllanze geführten Flachstrahldüse betrug ca. 10 mm/s.
Diese Versuche ergaben eine Zylinderlauffläche, bei der im Rasterelektronenmikroskop nach Sandreste vorlagen. Des Weiteren wurden bei Graugussmotoren Graphitlamellen aus der Oberfläche herausgelöst.
Insgesamt war dieser Prozess zwar sicher, allerdings ist das Resultat im Randbereich der Laufflächen fraglich.
Beispiel 5:
Es wurde mit einem Fluiddruck von ca. 1500 bar gearbeitet. Als Düsen wurden Flachstrahldüsen verwendet. Die Düsen wurden in einem Abstand von ca. 10 mm von der beaufschlagten Oberfläche vorbeigeführt. Der Vorschub der an einer Strahllanze geführten Flachstrahldüse betrug ca. 10 mm/s. Abweichend zu dem Beispiel 4 wurden hier jedoch die Strahlbahnen überlappend geführt.
Diese Versuche ergaben eine Zylinderlauffläche, bei der im Rasterelektronenmikroskop nach Sandreste vorlagen. Des Weiteren wurden bei Graugussmotoren Graphitlamellen aus der Oberfläche herausgelöst.
Insgesamt war dieser Prozess sicher.
Als weitere Verbesserung der Apparatur können mehrere Düsen an der Strahllanze angeordnet werden.

Claims

Verfahren zur Mikrostrukturierung von metallischen Oberflächen bei welchem die metallische Oberfläche abschließend mit einem reinigungswirksamen und mehrere 100 bar aufweisenden Flüssigkeitsstrahl bestrichen wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Flüssigkeitsstrahl ein Hochdruckwasserstrahl mit einem Druck höher 1000 bar gewählt und dass mit dem Hochdruckwasserstrahl wird Werkstoffbestandteile, insbesondere Partikel, aus der metallischen Oberfläche entfernt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Oberfläche Zylinderlaufflächen von Zylinderkurbelwellengehäusen gewählt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als metallische Oberfläche Zylinderlaufflächen von aus Grauguss gefertigten Zylinderkurbelwellengehäusen gewählt werden und dass aus der Oberfläche Graphitlamellen herausgelöst werden.