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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Gleitflächen von
Eisen-Werkstücken, insbesondere
Grauguss-Werkstücken
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Die
Laufbahnen eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine werden üblicherweise
durch Honen bearbeitet. Hierbei führt das Honwerkzeug eine rotatorische
sowie translatorische Bewegung aus. Durch diese sich überlagernden
Werkzeugbewegungen entsteht auf der Zylinderlaufbahn eine Kreuzriefenstruktur.
Diese ist aufgrund der in den Honleisten gebundenen Schleifkörner mit
ihren unbekannten negativen Schnittwinkeln „durchfurcht". Dadurch werden
Grafitausscheidungen, die zur Laufbahnfläche offene Poren bilden können, zugeschmiert.
Solche Poren steigern im Brennkraftmaschinen-Betrieb die Ölhaltefähigkeit der Zylinderlaufbahn
und geben der Zylinderlaufbahn eine Mikrohydrodynamik-Oberflächenstruktur.
Die guten tribologischen Eigenschaften einer an der Zylinderlaufbahn-Oberfläche offenen Struktur
der Grafitausscheidungen werden somit durch den Honverarbeitungsvorgang
beeinträchtigt. Der
Motorenbauer spricht hier von einer sogenannten Blechmantelbildung.
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Aus
der
DE 39 22 377 C2 ist
ein gattungsgemäßes Verfahren
zum Behandeln von gehonten Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen
aus Metall bekannt. Hierbei werden die Zylinderlaufbahnen mittels
einer Kurzpuls-Laserbe lichtung behandelt. Die Energiedichte der
Laserstrahlung reicht dabei, um die Oberfläche der Zylinderlaufbahn anzuschmelzen.
Zur Laserbelichtung wird als ein Kurzpulslaser ein Excimer-Laser
mit einer Pulsdauer von ca. 30 ns verwendet.
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Die
Photonen eines Laserpulses haben folgende Wirkungen auf die Zylinderlaufbahn-Topographie:
Zum einen wird Oberflächenmaterial
verdampft, wodurch die Grafitausscheidungen freigelegt werden. Außerdem wird
die Oberfläche
aufgeschmolzen mit nachfolgender schlagartiger Erstarrung. Die schlagartige
Erstarrung führt
zu einem nanokristallinen Gefüge
der Erstarrungsschicht.
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Grafit
ist ein sehr schlechter Wärmeleiter
und zeichnet sich durch eine äußerst mangelhafte
Benetzungsfähigkeit
gegenüber
flüssigem
Metall aus. Dies hat zur Folge, dass im Umfangsbereich der Grafitausscheidungen
gegenüber
den anderen Bereichen der Gleitfläche die Metallschmelze länger erhalten bleibt.
Dadurch kann sich das flüssige
Metall aufgrund seiner Oberflächenspannung
seitlich der Grafitausscheidungen „zusammenrollen". Dies führt wiederum
zu Materialaufwürfen
beidseitig der geöffneten Grafitausscheidungen.
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Solche
Materialaufwürfe
beidseitig der geöffneten
Grafitausscheidungen bilden während
des Einlaufens der Brennkraftmaschine den Flächentraganteil für die Kolbenringe.
Der sich dabei ergebende feine Spalt zwischen den Kolbenringen und
der Laufbahnoberfläche
führt nachteilhaft
zu einem erhöhten „Blowby", d. h. einer erhöhten Durchströmung von Verbrennungsgasen
durch den Spalt.
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Aus
der
DE 197 06 833
A1 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Zylinderlaufbahn
bekannt, bei dem als Endbearbeitungsschritt ein Feinspindeln der Zylinderbohrung
erfolgt. Aus der
DE
101 31 703 A1 ist ein weiteres Verfahren zur Behandlung
einer Zylinderlaufbahn bekannt, bei der durch eine Laserbehandlung,
beispielsweise mittels eines Nd-YAG-Lasers eine Ringstruktur in
der Zylinderoberfläche
bereitgestellt wird, und zwar mit einer Tiefe zwischen 1 und 20 μm und einer
Rinnen-Breite zwischen 3 und 50 μm.
Aus der
DE 198 36
330 A1 ist ebenfalls ein Verfahren zum Behandeln von Gleitflächen bekannt, bei
der Strahlung eines Nd-YAG-Lasers bei einer Pulsfrequenz von 8 kHz
eingesetzt wird. Aus der
DE 198
6 390 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbahn
bekannt, bei dem anstelle eines Honens die Zylinderlaufbahnoberfläche mit
einem Laser bearbeitet wird. In dem Verfahren erfolgt eine großflächige Laser-Bearbeitung,
bei der sich Belichtungsflecke der Laserstrahlen überlappen.
Die
DE 39 32 328 A1 betrifft
ein weiteres Verfahren zur Bearbeitung einer Zylinderlaufbahn, bei
dem Honriefen in einer Zylinderlaufbahn mittels der Strahlung eines
Excimer-Lasers erfolgt.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Behandeln
von Gleitflächen
von Eisen-Werkstücken,
insbesondere von Grauguss-Werkstücken
bereitzustellen, bei dem die tribologischen Eigenschaften der Gleitflächen verbessert sind.
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Die
Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen offenbart.
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Gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Patentanspruches 1 wird die Gleitfläche eines Eisen-Werkstückes, insbesondere
eines Grauguss-Werkstückes
mit der Strahlung eines Festkörperlasers
belichtet. Im Gegensatz zu Gaslasern, wie etwa einem Excimerlaser,
ist es beim Festkörperlaser möglich, die
Pulsdauer an den Bearbeitungsprozess anzupassen. Mit einer längeren Pulsdauer
wird mehr Energie zum Aufschmelzen der Oberfläche zur Verfügung gestellt.
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Die
nach dem Laserpuls-Aufschmelzen erfolgende schlagartige Erstarrung
führt zu
einem nanokristallinen Gefüge
der Erstarrungsschicht. Dadurch erhöht sich die Verschleißbeständigkeit
der Gleitfläche
mit einer entsprechend reduzierten Reibverlustleistung.
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Mit
der erfindungsgemäß erhöhten Energiebeaufschlagung
der Gleitfläche
ist ein längeres
Anstehen der Schmelze verbunden. Dies ermöglicht bei einer Gleitfläche eines
Grauguss-Werkstückes,
dass die Materialaufwürfe
längs von
geöffneten
Grafitausscheidungen besser verlaufen können. Die größere Pulsdauer
wirkt dabei auch positiv hinsichtlich der Glättung von Honriefen. Auf diese
Weise können
topographische Unruhen auf der Zylinderlaufbahnoberfläche, etwa
die oben genannten Aufwürfe,
beseitigt werden. Die Zylinderlaufbahnoberfläche zeichnet sich daher durch
einen außerordentlich
hohen Flächentraganteil
aus, so dass ein „Blowby"-Wert bis nahezu
auf 0 reduziert ist.
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Im
Gegensatz zu der erfindungsgemäßen Festkörperlaser-Belichtung
sind die aus dem Stand der Technik bekannten UV-Laserpulse von Gaslasern
aufgrund der geringeren Energiebeaufschlagung der Gleitfläche nicht
in der Lage, beim Anschmelzen die Materialaufwürfe gänzlich auszugleichen.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Laserbelichtung unter Verwendung einer Festkörper-Laserstrahlung mit einer
Pulsdauer zwischen 50 ns und 150 ns. Auf diese Weise wird die Gleitfläche bei
jedem Laserpuls mit einer ausreichend großen Energiedichte beaufschlagt,
deren Höhe
als ein integraler Wert von der Pulsdauer abhängt. Vorteilhaft erfolgt dabei
die Laserbelichtung bei einer Energiedichte von 20 bis 100 mJ/mm2.
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Um
zu vermeiden, dass die Oberflächenbereiche
zwischen den Grafitausscheidungen keine von den Honriefen ausgehende
topographische Unruhe aufweisen, ist es bevorzugt, wenn die Energiedichte
bei einer Pulsdauer von 50 ns zwischen 30 und 33 mJ/mm2 liegt.
Alternativ kann bei einer Pulsdauer von 100 ns die Energiedichte
zwischen 40 bis 70 mJ/mm2 liegen. Längere Pulsdauern
bedeuten automatisch eine höhere
Energiedichte. Die Energiedichte ist hierbei ein integral gemessener
Wert über die
Zeit. D. h., je länger
die Pulsdauer, umso mehr Energie steht zum Aufschmelzen der Oberfläche zur Verfügung.
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Einen
weiteren relevanten Verfahrensparameter bei der Festkörperlaser-Belichtung
stellt die Pulsfrequenz dar. Erfindungsgemäß liegt die Pulsfrequenz bei
der Festkörperlaser-Belichtung
zwischen 4 bis 15 kHz. Bei Pulsfrequenzen unterhalb von 4 kHz steigt
entsprechend die Pulsenergie, wodurch die optischen Systeme der
Belichtungsvorrichtung unverhältnismäßig hoch
belastet werden. Bei einer Pulsfrequenz von über 15 kHz wird der Belichtungsfleck auf
der Gleitfläche
zu klein. Zusätzlich
ist die, für
die nanokristalline Oberflächenstruktur
erforderliche Erstarrung der Anschmelzschicht nach erfolgtem Laserpuls
nicht mehr gewährleistet.
Die Festkörperlaser-Belichtung
würde in
diesem Fall wie bei einem Bohrvorgang wirken.
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Die
oben genannten Pulsfrequenzbereiche stellen zusammen mit der erfindungsgemäß längeren Pulsdauer
des Festkörperlasers
eine gegenüber einem
Excimerlaser beschleunigte und quantitativ bessere „Energienachlieferung" auf die zu bearbeitende
Gleitfläche
bereit.
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Für eine besonders
vorteilhafte Glättung
ist es bevorzugt, wenn Gleitflächen
bis zu einer Anschmelztiefe von 3 μm angeschmolzen werden.
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Bei
einer Mehrfachbelichtung der Gleitfläche mit dem Festkörperlaser
kann eine besonders gleichmäßige Oberflächenbearbeitung
durch sich teilweise überlappende
Belichtungsflecke bereitgestellt werden. Der von dem Festkörperlaser
auf der Gleitfläche erzeugte
Belichtungsfleck wird dabei um einen vorgegebenen Versatzabstand
entlang der Gleitfläche versetzt.
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Im
Gegensatz zu Excimer-Lasern mit ihrem rechteckigen Strahlquerschnitt
erzeugen Festkörperlaser
mit ihrem runden Strahlquerschnitt runde Belichtungsflecke, bei
der eine gleichmäßige Belichtung der
Gleitfläche
schwierig zu gestalten ist.
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Um
trotz des runden Strahlquerschnitts eine gleichmäßige Belichtung zu gewährleisten,
kann die Laserbelichtungsvorrichtung einen Homogenisierer aufweisen,
der den runden Strahlquerschnitt in einen rechteckigen Strahlquerschnitt
umwandelt. Auf diese Weise ergibt sich die gleiche Belichtungsstruktur
wie bei einem Excimerlaser auf dem Target (d. h. der Werkstückoberfläche), jedoch
mit erheblich kleineren Seitenlängen
des Belichtungsfleckes. Der Homogenisierer führt als optisches Element im
Strahlengang nachteilig zu einem Energieverlust, der durch die bereits
genannte Reduzierung der Belichtungsfeldgröße, d. h. der Seitenlängen des
Belichtungsfleckes, ausgeglichen wird. Dadurch ergibt sich eine
für die Gleitfläche längere, erforderliche
Belichtungszeit, wodurch sich die Taktzeit der Laserbelichtungsvorrichtung
nachteilig erhöhen
kann.
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Alternativ
zur Anwendung eines Homogenisierers können die aufgrund der höheren Pulsfrequenz
sowie der längeren
Pulsdauer im Vergleich zum Excimerlaser wesentlich günstigeren
Wärmeleitungsverhältnisse
für eine
gleichmäßigere Energieaufnahme
des Belichtungsfleckes genutzt werden, um einen vergleichmäßigten Energieeintrag
in die Gleitfläche
zu erzielen. Hierbei kann bei einem Durchmesser des Belichtungsfleckes
zwischen 1 mm und 2 mm der bei einer Mehrfachbelichtung erforderliche
Versatz benachbarter Belichtungsflecke bei 1/4–¾, insbesondere 3/8 bis 5/8
des Belichtungsfleckradius liegen.
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Als
serientauglich hat sich der Einsatz eines Nd:YAG-Lasers als Festkörperlaser
mit einer Wellenlänge
von 1064 nm erwiesen. Die Serientauglichkeit des Festkörperlasers
ist dabei gewährleistet,
wenn der Festkörperlaser
mit einer mittleren Ausgangsleistung in der Größenordnung von 500 W arbeitet.
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Nachfolgend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der beigefügten
Figuren beschrieben.
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Es
zeigen:
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1 den
zeitlichen Verlauf eines Laserpulses bei einem Excimerlaser und
bei einem Festkörperlaser;
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2 in
einer Teilansicht eine Zylinderlaufbahn einer Brennkraftmaschine
mit teilweise belichteter Gleitfläche; und
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3 die
Energieverteilung auf einem Belichtungsfleck über dessen Durchmesser nach
einem Laserpuls.
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In
der 1 ist ein Laserpuls eines erfindungsgemäßen Festkörperlaser
im Vergleich zum Laserpuls eines üblichen Excimerlasers gezeigt.
Der Festkörperlaser
belichtet die in der 2 grob schematisch gezeigte
Zylinderlaufbahn 1 eines Zylinderblocks einer Brennkraftmaschine
aus Grauguss im Rahmen einer Kurzpuls-Laserbelichtung. Gemäß der 1 weist
beispielsweise der Laserpuls eines Nd:YAG-Lasers eine Pulsdauer
T von 70 ns auf. Die Laserbelichtung mit dem Nd:YAG-Laser erfolgt
bei einer Wellenlänge
von 1064 nm, d. h. mit Infrarot-Strahlen, sowie bei einer Pulsfrequenz
fP zwischen 4 bis 15 kHz. Dadurch kann sich
bei der Pulsdauer T von 70 ns eine Energiedichte in der Größenordnung
von ca. 50 mJ/mm2 ergeben. Die Energiedichte
ist hierbei ein integraler Wert, der bei längerer Pulsdauer T zunimmt.
Bevorzugt wird erfindungsgemäß die Energiedichte
derart gewählt,
dass die Zylinderlaufbahn 1 bis zu einer Anschmelztiefe
von 3 μm angeschmolzen
wird.
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In
Kombination mit der längeren
Pulsdauer von 70 ns stellt der Festkörperlaser bei der Pulsfrequenz
in einem Bereich zwischen 4 und 15 kHz erfindungsgemäß eine im
Vergleich zu einer Excimer-Laserbehandlung beschleunigte und quantitativ
gesteigerte „Energienachlieferung" bereit. Dadurch
kann die Zylinderlaufbahn 1 mit einer im Vergleich zu der Excimerlaserbehandlung
größeren Energiemenge beaufschlagt
werden, wodurch Materialaufwürfe
seitlich der Grafitausscheidungen vermieden werden.
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Die
Laserbelichtung der Zylinderlaufbahn 1 erfolgt in der 2 durch
Mehrfachbelichtung. Bei der Mehrfachbelichtung sind die durch zeitlich
nacheinander auftreffende Laserpulse entstehenden Belichtungsflecke 3, 4 teilweise
in den schraffiert angedeuteten Flächenabschnitten 5 überlappt,
wie es in der 2 dargestellt ist.
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Die
in der 2 gezeigten Belichtungsflecke 3, 4 weisen
dabei aufgrund des bei Festkörperlasern runden
Strahlenquerschnitts eine Kreisform mit einem Durchmesser im Bereich
von 1–2
mm auf. Die Belichtungsflecke 3, 4 sind über einen
Belichtungsfleckradius d/2 sowohl in Radialrichtung y als auch in Höhenrichtung
z zueinander versetzt. Der vom Festkörperlaser erzeugte Laserpuls
bewegt sich dabei schrittweise um einen Versatzabstand a in den
angedeuteten y- oder z-Richtungen. Die jeweils benachbarten Belichtungsflecke 3, 4 sind
daher um einen Versatzabstand a zueinander versetzt, der in der 2 beispielhaft
dem Belichtungsfleckradius d/2 entspricht.
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Ein
Versatz a von 3/8–5/8
des Belichtungsfleckradius d/2 ist hierbei besonders vorteilhaft,
um eine vergleichmäßigte Energieaufnahme
auf der zu behandelnden Zylinderlaufbahn 1 zu gewährleisten. In
diesem Fall bilden die in der 2 schraffiert
gezeigten Flächenabschnitte 5,
die mit vier Laserpulsen belichtet sind, ein enges Raster. Aufgrund
dieses Rasters und der durch den Festkörperlaser wesentlich günstigeren
Wärmeleitungsverhältnisse
auf der be lichteten Laufbahn 1 kann die Energieaufnahme über die
belichtete Gleitfläche 1 vergleichmäßigt werden.
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In
der 3 ist die Energieverteilung als Gauß'sche Glockenkurve über den
Belichtungsfleck 3 in einer zweidimensionalen Ansicht angedeutet. Demzufolge
ergibt sich über
dem Mittelpunkt M des kreisrunden Belichtungsfleckes 3 ein
Energiemaximum, während
die Energieverteilungskurve kreisumfangsseitig gegen 0 geht. Die
mit gestrichelter Linie angedeutete Glockenkurve zeigt die Energieverteilung über den
benachbarten Belichtungsfleck 4, der zeitlich nach dem
Belichtungsfleck 3 erzeugt wird.