DE10355685B4

DE10355685B4 - Workpiece with a tribologically stressable surface designed as a cylinder and method for the production thereof

Info

Publication number: DE10355685B4
Application number: DE2003155685
Authority: DE
Inventors: Gerhard Flores; Tobias Dr. Abeln
Original assignee: Gehring GmbH and Co KG
Current assignee: Gehring Technologies GmbH and Co KG
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-11-29
Also published as: DE10355685A1

Abstract

Werkstück mit einer als Zylinder ausgebildeten einstückigen tribologisch beanspruchbaren Oberfläche (2), die als mittels eines Zwischenstoffs geschmierte Gleitfläche für einen sich relativ dazu bewegenden Gegenkörper ausgebildet ist und zwei Bereiche (3, 4) aufweist, von denen der erste Bereich (3) derjenige einer hohen Relativgeschwindigkeit des Gegenkörpers (11) zu der Oberfläche (2) und der zweite Bereich (4) derjenige einer geringen Relativgeschwindigkeit des Gegenkörpers gegenüber der Oberfläche (2) ist und den Bereich (5) des oberen Totpunktes (OT) und den Bereich (6) des unteren Totpunktes (UT) umfasst, und bei dem die Oberfläche (2) eine Vielzahl von Taschen mit geschlossenem Umfangsrand (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Taschen (9) zumindest entweder im Bereich (5) des oberen Totpunktes (OT) oder sowohl im Bereich (5) des oberen Totpunktes (OT) als auch im Bereich (6) des unteren Totpunktes (UT) vorgesehen sind und dass der genannte Bereich (5) bzw. die genannten Bereiche (5, 6) ferner als verschleißfeste Schicht...Workpiece with a formed as a cylinder integral tribologically stressable surface (2), as by means of a Zwischenstoffs lubricated sliding surface for a relatively moving against body is formed and two areas (3, 4), of which first region (3) that of a high relative velocity of the against body (11) to the surface (2) and the second area (4) that of a low relative speed of the counter body opposite the surface (2) and the area (5) of top dead center (TDC) and the area (6) of the bottom dead center (UT), and in which the surface (2) a Having a plurality of pockets with a closed peripheral edge (15), characterized in that the pockets (9) at least either in the range (5) of top dead center (TDC) or both in the range (5) top dead center (TDC) as well as in the area (6) of the bottom Totpunktes (UT) are provided and that said area (5) or the said areas (5, 6) also as a wear-resistant layer ...

Description

Die Erfindung betrifft ein Werkstück mit einer als Zylinder ausgebildeten tribologisch beanspruchbaren Oberfläche der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sowie ein Verfahren zur Herstellung der Kolbenlauffläche eines Zylinders.The Invention relates to a workpiece with a designed as a cylinder tribologically claimable surface the type specified in the preamble of claim 1 and a method for producing the piston running surface a cylinder.

Aus der EP 1 275 864 A1 ist ein Werkstück mit einer tribologisch beanspruchbaren Oberfläche und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Die Oberfläche des Werkstücks weist eine Taschenstruktur auf. Die Taschen besitzen nicht unterbrochene Umfangsränder und bilden somit Mikrodruckkammern für den Schmierstoff. Durch die Taschenstruktur wird die Reibung zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper vermindert. Die Taschen werden nach einer Vorbearbeitung der Oberfläche durch Laserstrukturierung in die Oberfläche eingebracht. Nach der Laserstrukturierung werden die Strukturkanten entgratet und zwischen den Taschen die Funktionsrauhigkeit erzeugt.From the EP 1 275 864 A1 is a workpiece with a tribologically demanding surface and a method for its preparation known. The surface of the workpiece has a pocket structure. The pockets have uninterrupted peripheral edges and thus form micro-pressure chambers for the lubricant. The pocket structure reduces the friction between the workpiece and the mating body. The pockets are introduced into the surface after pre-machining the surface by laser structuring. After laser structuring, the structure edges are deburred and the function roughness is created between the pockets.

Aus der DE 198 33 646 C1 und der DE 196 14 328 A1 sowie aus dem Aufsatz von U. Klink und G. Flores, Laser-Strukturieren von Zylinderlaufbahnen in: 9. Internationales Braunschweiger Feinbearbeitungskolloquium, 12.–14. Oktober 1999, Vulkan-Verlag, Braunschweig, Essen, 1999 sind mit einer Laserstrukturierung versehene zylindrische tribologisch beanspruchte Flächen bekannt. Allerdings lässt sich auf diese Weise die Reibleistung im Haft- und im Mischreibungsfall zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper, die das Produkt aus Reibkraft und Relativgeschwindigkeit ist, in den Bereichen mit geringer Relativgeschwindigkeit zwischen Werkstück und Gegenkörper, d. h. zwischen Zylinder und Kolben im Bereich der Totpunkte, nur wenig beeinflussen.From the DE 198 33 646 C1 and the DE 196 14 328 A1 and from the article by U. Klink and G. Flores, Laser Structuring of Cylinder Runways in: 9th International Brunswick Finishing Colloquium, 12.-14. October 1999, Vulkan-Verlag, Braunschweig, Essen, 1999 are provided with a laser structuring cylindrical tribologically stressed surfaces. However, in this way, the friction in the case of adhesion and in mixed friction between the workpiece and the counterpart body, which is the product of frictional force and relative speed, in the areas with low relative speed between the workpiece and counter-body, ie between cylinder and piston in the dead center , only a little influence.

Aus der DE 43 16 012 C2 ist es auch bekannt, durch Strahlbehandlung in der Werkstückoberfläche Riefen und in den von den Riefen begrenzten Flächen Rillen geringerer Tiefe zu erzeugen, wobei die Riefen und die Rillen kommunizierende Kanäle sind. Diese, sowie die eingangs erwähnte Struktur der tribologisch beanspruchbaren Flächen durch längliche Taschen mit nicht unterbrochenem Umfangsrand gemäß der EP 1 275 864 A1 sichern zwar eine verbesserte Schmierung, lösen aber noch nicht das Problem der Mischreibung und somit der höheren Temperaturen in den Bereichen geringerer Relativgeschwindigkeit zwischen den Körpern bei ungünstigen Betriebsbedingungen.From the DE 43 16 012 C2 It is also known to produce grooves by blast treatment in the workpiece surface and grooves of lesser depth in the surfaces delimited by the grooves, wherein the grooves and grooves are communicating channels. This, as well as the above-mentioned structure of tribologically stressable surfaces by elongated pockets with uninterrupted peripheral edge according to the EP 1 275 864 A1 Although they ensure improved lubrication, they still do not solve the problem of mixed friction and thus of higher temperatures in the areas of lower relative speed between the bodies in unfavorable operating conditions.

Es sind verschiedentlich verschleißfeste Schichten in Zylindern für Verbrennungsmotoren bekannt geworden, so aus der DE 42 38 525 C1 für den die Lage der Kolbenringe im oberen Totpunkt umfassenden sog. Zwickelverschleißbereich ( DE 42 38 525 C1 , DE 21 46 153 A ). Aus der DE 35 20 984 C1 ist bekannt, eine solche Schicht auf Mittel- bzw. Hochfrequenz-induktivem Weg oder mittels eines Hochleistungs-Lasers zu erzeugen.There are various wear-resistant layers in cylinders known for internal combustion engines, so from the DE 42 38 525 C1 for the so-called Zwickelverschleißbereich the position of the piston rings at top dead center ( DE 42 38 525 C1 . DE 21 46 153 A ). From the DE 35 20 984 C1 It is known to produce such a layer on medium or high-frequency inductive path or by means of a high-power laser.

Aus der DE 35 10 393 C1 geht hervor, dass man diese Schicht auch durch Umschmelzen der Zylinderlauffläche oder Teilen davon in einem Ledeburitgefüge erzeugen kann. Die Ausbildung verschleißfester Schichten hat jedoch das Problem der Überhitzung der Endbereiche der Zylinder noch nicht lösen können.From the DE 35 10 393 C1 shows that this layer can also be produced by remelting the cylinder surface or parts thereof in a Ledeburitgefüge. However, the formation of wear resistant layers has not yet solved the problem of overheating the end portions of the cylinders.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Werkstück der gattungsgemäßen Art zu schaffen, bei dem die Reibungsverhältnisse in den Bereichen relativ geringer Relativgeschwindigkeiten zwischen Werkstück und Gegenkörper weiter verbessert werden. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Oberfläche anzugeben, das einfach und mit wenigen Prozessschritten durchgeführt werden kann.Of the Invention is based on the object, a workpiece of the generic type to create, in which the friction conditions in the areas relative low relative speeds between the workpiece and the mating body on be improved. Furthermore, the invention is based on the object to provide a method for producing such a surface, that can be done easily and with few process steps can.

Diese Aufgabe wird durch ein Werkstück mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.These Task is performed by a workpiece with the features of claim 1 and by a method with the Characteristics of claim 17 solved.

Um sowohl in Bereichen mit hoher als auch in Bereichen mit geringer Relativgeschwindigkeit zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper eine geringe Reibung zu erreichen, ist vorgesehen, dass die als Mikrodruckkammern für den Schmierstoff wirkenden Taschen, die mindestens im Bereich des oberen oder im Bereich und des oberen und des unteren Totpunktes vorgesehen sind, zusätzlich als verschleißfeste Schicht ausgebildet sind.Around in both high and low ranges Relative speed between the workpiece and the counter body a small To achieve friction, it is envisaged that as micro-pressure chambers for the Lubricant-acting pockets that are at least near the top or provided in the area and the top and bottom dead center are, in addition as wear-resistant Layer are formed.

Diese Kombination ist offenbar bisher deshalb noch nicht versucht worden, weil man die Ausbildung verschleißfester Schichten und Einbringung von Mikrodruckkammern in die Oberflächen als Alternativen angesehen hat, die sich gegenseitig ausschließen. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, dass mit dieser Kombination eine deutliche Verbesserung der Reibungsverhältnisse insbesondere in den Bereichen des oberen und gegebenenfalls des unteren Totpunktes erreicht werden kann.These Combination has obviously not been tried so far because of the formation of wear-resistant layers and introduction of Micro-pressure chambers in the surfaces considered alternatives that are mutually exclusive. It However, it has surprisingly been found that with this combination a significant improvement in the friction conditions especially in the areas of the upper and, where appropriate, the bottom dead center can be achieved.

Im Bereich der Taschen kann sich zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper ein hydrodynamischer Druck aufbauen, der die Reibung zwischen dem Werkstück und dem Gegenkörper verringert. Im Bereich geringer Relativgeschwindigkeit baut sich nicht immer ein ausreichender hydrodynamischer Druck auf, so dass eine Mischreibung entsteht. In diesen Mischreibungsbereichen verändern sich die Material- und Oberflächeneigenschaften, es erfolgt eine sog. Tribomutation. Das bedeutet, dass durch die Reibung und die damit verbundene Einbringung von mechanischer Energie und deren Umsetzung in Wärme die Werkstoffoberfläche in großem Maße auch das oberflächennahe Volumen verändert wird. Dadurch können sich die Werkstoffzusammensetzung, chemische Bindungen und Gitterstrukturen in dünnen, nur wenige Nanometer in die Tiefe reichenden Bereichen verändern. Durch die Tribomutation werden die Kontaktpartner verschleißresistenter. Durch die gezielte Materialumwandlung bei der Endbearbeitung und die dadurch veränderte Werkstoffpaarung kann die Tribomutation positiv beeinflusst werden. Diese kann dadurch beispielsweise schneller oder mit geringerem Energieeintrag ablaufen. Des weiteren kann sich dadurch die Oberfläche noch verschleißresistenter ausbilden. Der Verschleiß in diesem Bereich wird somit vermindert.In the area of the pockets, a hydrodynamic pressure can build up between the workpiece and the counter body, which reduces the friction between the workpiece and the counter body. In the range of low relative velocity, a sufficient hydrodynamic pressure does not always build up, so that a mixed friction arises. In these mixed friction ranges, the material and surface properties change, so there is a so-called tribo mutation. This means that through the friction and the associated contribution of mechanical energy and their Umset In heat the material surface is changed to a large extent also the near-surface volume. As a result, the material composition, chemical bonds and lattice structures can change in thin areas that reach only a few nanometers deep. The tribo mutation makes the contact partners more resistant to wear. Due to the targeted material conversion during finishing and the resulting changed material pairing, the tribo mutation can be positively influenced. For example, this can be done faster or with less energy input. Furthermore, this can make the surface even more resistant to wear. The wear in this area is thus reduced.

Vorteilhaft ist die verschleißfeste Schicht durch Materialumwandlung gebildet, die auch durch eine Laserbehandlung erzeugt werden kann. Die verschleißfeste Schicht kann vorteilhaft eine Nitritschicht sein. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, als verschleißfeste Schicht eine gehärtete Schicht vorzusehen. Auch die gehärtete Schicht kann durch Laserbehandlung hergestellt sein. Die verschleißfeste Schicht kann jedoch auch durch Induktion gehärtet sein.Advantageous is the wear-resistant Layer formed by material transformation, which also by a laser treatment can be generated. The wear-resistant layer may be advantageous to be a nitrite layer. However, it may also be appropriate as wear-resistant Layer a hardened Provide layer. Also the hardened Layer can be made by laser treatment. The wear-resistant layer however, it can also be hardened by induction.

Vorteilhaft ist das Werkstück eine Zylinderlaufbahn aus Gusseisen oder einer thermisch gespritzten oder galvanisch aufgetragenen Schicht. Um ein geringeres Gewicht des Werkstücks zu erreichen, kann man vorsehen, dass das Werkstück aus einer Aluminium-Silizium-Legierung besteht, bei der die Siliziumkristalle in eine Aluminium-Matrix eingebettet sind. Für die verschleißfeste Schicht in der Aluminium-Silizium-Legierung ist vorgesehen, dass die Aluminiummatrix um 0,5 μm bis 1,0 μm in der verschleißfesten Schicht zurückgesetzt ist. Hierdurch wird zwischen den Siliziumkristallen ein Ölhaltevolumen geschaffen. Gleichzeitig wird vermieden, dass das Silizium vom Aluminium zugeschmiert wird. Vorteilhaft ist die Aluminiummatrix mechanisch, beispielsweise durch Honen, zurückgesetzt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, dass die Aluminiummatrix thermisch oder chemisch zurückgesetzt ist.Advantageous is the workpiece a cylinder liner made of cast iron or a thermally sprayed or electroplated layer. For a lower weight of the workpiece To achieve this, one can provide that the workpiece is made of an aluminum-silicon alloy where the silicon crystals are in an aluminum matrix are embedded. For the wear-resistant Layer in the aluminum-silicon alloy is provided that the aluminum matrix by 0.5 μm up to 1.0 μm in the wear-resistant Layer reset is. As a result, an oil holding volume between the silicon crystals created. At the same time it prevents the silicon from the aluminum is smeared. Advantageously, the aluminum matrix is mechanical, for example, by honing, reset. However, it may also be appropriate that the aluminum matrix is thermally or chemically reset is.

Das Werkstück ist insbesondere ein Zylinder eines Verbrennungsmotors. Als erster Bereich wird dabei der Bereich zwischen dem oberen Totpunkt und dem unteren Totpunkt eines im Zylinder auf und ab bewegten Kolbens bezeichnet. Der zweite Bereich umfasst den Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens. Der Kolben erreicht im Bereich zwischen den Totpunkten eine hohe Relativgeschwindigkeit zum Zylinder, während sie im Bereich der Totpunkte gering und in den Totpunkten null ist. Dabei ist der Kolben insbesondere im oberen Totpunkt durch den Verbrennungsprozess hohen Belastungen ausgesetzt, so dass. die verschleißfeste Schicht vorteilhaft gerade im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens vorgesehen ist. Zweckmäßig umfasst der zweite Bereich aber auch den Bereich des unteren Totpunkts des Zylinders, so dass auch in diesem Bereich eine verschleißfeste Schicht angeordnet ist. Der Kolben besitzt mindestens einen Kolbenring, wobei der Kolbenring im oberen Totpunkt des Kolbens im zweiten Bereich angeordnet ist. Die Erstreckung des zweiten Bereichs in Richtung der Zylinderlängsachse ist damit größer als die Breite des Kolbenrings. Dadurch wird erreicht, dass die Reibung zwischen dem Kolbenring und dem Zylinder im Bereich des oberen Totpunkts des Kolbens gering ist.The workpiece is in particular a cylinder of an internal combustion engine. First Range is the area between top dead center and the bottom dead center of a piston moved up and down in the cylinder designated. The second area includes the area of top dead center of the piston. The piston reaches in the area between the dead centers a high relative speed to the cylinder while low in the area of the dead center and zero in the dead centers. In this case, the piston is particular At top dead center by the combustion process high loads exposed so that the wear-resistant layer is advantageously straight is provided in the region of top dead center of the piston. Appropriately includes the second area but also the area of bottom dead center of the Cylinder, so that even in this area a wear-resistant layer is arranged. The piston has at least one piston ring, wherein the piston ring at top dead center of the piston in the second region is arranged. The extent of the second area in the direction the cylinder longitudinal axis is bigger than that the width of the piston ring. This will ensure that the friction between the piston ring and the cylinder in the region of top dead center of the piston is low.

Ein Verfahren zur Herstellung einer tribologisch beanspruchbaren Kolbenlauffläche eines Zylinders, umfasst die Vorbearbeitung der Oberfläche und die Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung. Durch die Verwendung einer Ultrakurzpulsstrahlquelle, also einer Strahlquelle, deren Pulsdauer im Bereich von Piko- und Femtosekunden liegt, können die beim Einsatz von Nanosekunden-Pulsen zu beobachtenden Schmelzgrate an den Strukturkanten vermieden werden. Dadurch kann das Entgraten der Strukturkanten entfallen. Durch die Taschenstruktur und der damit erreichten hydrodynamischen Effekte ergibt sich eine verbesserte Schmierung. Dadurch ist ein Einfahren der Oberfläche auch ohne ein vorheriges Zurücksetzen der Aluminiummatrix möglich. In Bereichen geringer Relativgeschwindigkeit, insbesondere im oberen und im unteren Totpunkt des Kolbens, ergibt sich eine Mischreibung. Eine Mangelschmierung und damit ein Fressen des Kolbens wird durch die Taschenstruktur vermieden. Durch den Kontakt des Werkstücks mit dem Gegenkörper erfolgt auch ein gewisser Grad an Freilegung der Siliziumkristalle. Dadurch kann der Arbeitsschritt des Freilegens der Siliziumkristalle entfallen.One Process for producing a tribologically stressable piston running surface of a Cylinder, includes the pre-machining of the surface and the formation of a Pocket structure by laser structuring. By use an ultrashort pulse beam source, that is to say a beam source whose pulse duration in the range of picoseconds and femtoseconds, can be observed when using nanosecond pulses Melt burrs are avoided at the structural edges. This can do that Deburring of the structure edges omitted. Through the bag structure and the hydrodynamic effects achieved with it results in a improved lubrication. This is a retraction of the surface without a previous reset the aluminum matrix possible. In areas of low relative velocity, especially in the upper and at the bottom dead center of the piston, there is a mixed friction. A Lack lubrication and thus seizure of the piston is caused by the Pocket structure avoided. By the contact of the workpiece with the opposite body There is also some degree of exposure of the silicon crystals. Thereby, the operation of exposing the silicon crystals omitted.

Das Verfahren zur Herstellung einer Kolbenlauffläche eines Zylinders umfasst die Prozessschritte der Vorbearbeitung der Oberfläche, der Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung eines Bereichs der Oberfläche und die Ausbildung einer verschleißfesten Schicht in mindestens einem Bereich der Oberfläche. Die Ausbildung der verschleißfesten Schicht kann dabei vor oder nach der Ausbildung der Taschenstruktur erfolgen.The Method for producing a piston running surface of a cylinder comprises the process steps of the pre-processing of the surface, the Formation of a pocket structure by laser structuring of a Area of the surface and the formation of a wear-resistant layer in at least one Area of the surface. The training of wear-resistant Layer can be before or after the formation of the pocket structure respectively.

Die Laserstrukturierung kann mit einer Ultrakurzpulsstrahlquelle erfolgen. Dadurch kann ein anschließendes Entgraten der Strukturkanten entfallen. Die Vorbearbeitung erfolgt vorteilhaft durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln. Durch die Vorbearbeitung erhält die tribologische Oberfläche ihre geometrische Genauigkeit. Die Rauheit der Oberfläche nach der Vorbearbeitung muss dabei geringer sein als die vorgesehene Tiefe der Taschenstruktur, damit die Taschen geschlossene Druckkammern bilden können.The Laser structuring can be done with an ultrashort pulse beam source. This can be a subsequent Deburring of the structure edges omitted. The pre-processing takes place advantageous by honing, roughing or fine spindles. By the Pre-processing receives the tribological surface their geometric accuracy. The roughness of the surface after The pre-processing must be less than the intended Depth of the bag structure, so that the pockets closed pressure chambers can form.

Es ist vorgesehen, dass die verschleißfeste Schicht durch Nitrieren oder Härten erzeugt wird. Das Nitrieren kann mittels Laser durchgeführt werden. Das Härten kann dabei mittels Laser oder durch Induktion erfolgen. Bei einem Werkstück aus einer Aluminium-Silizium-Legierung ist vorgesehen, dass in die nicht freigelegte Zylinderlaufbahn Schmiertaschen eingebracht werden. Durch die verbesserte Schmierung und die hydrodynamischen Effekte ist die Oberfläche auch beim Einfahren lauffähig.It it is envisaged that the wear-resistant layer by nitriding or hardening is produced. The nitriding can be carried out by means of laser. The hardening can be done by laser or induction. At a workpiece made of an aluminum-silicon alloy is provided in the not exposed cylinder liner lubrication pockets are introduced. Due to the improved lubrication and the hydrodynamic effects is the surface also executable when retracting.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:embodiments The invention will be explained below with reference to the drawing. Show it:

1 eine schematische Schnittdarstellung des Zylinders eines Verbrennungsmotors mit einer Darstellung des Verlaufs der Relativgeschwindigkeit zwischen Kolben und Zylinder, 1 FIG. 2 a schematic sectional view of the cylinder of an internal combustion engine with a representation of the course of the relative speed between piston and cylinder, FIG.

2 eine Tasche in Draufsicht, 2 a bag in plan view,

3 einen Schnitt durch die Tasche aus 2 entlang der Linie III-III in 2, 3 a cut through the bag 2 along the line III-III in 2 .

4 eine schematische Schnittdarstellung eines Zylinders mit darin angeordnetem Kolben. 4 a schematic sectional view of a cylinder with arranged therein piston.

Der in 1 gezeigte Zylinder 1 ist der Zylinder eines Verbrennungsmotors, in dem ein in 1 nicht gezeigter Kolben auf und ab bewegt ist. Der Zylinder besitzt eine Oberfläche 2, die die Kolbenlauffläche darstellt, an der der Kolben geführt ist. Der Kolben bewegt sich im Zylinder 1 zwischen dem oberen Totpunkt OT und dem unteren Totpunkt UT. Der Verlauf der Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Kolben und der Oberfläche 2 des Zylinders ist in 1 schematisch durch die Kurve 17 dargestellt. Die Geschwindigkeit des Kolbens ist im oberen Totpunkt OT null und nimmt bei einer Bewegung des Kolbens entlang der Zylinderlängsachse 10 in Richtung auf den unteren Totpunkt UT bis zu einer maximalen Relativgeschwindigkeit 20 zu. Die maximale Relativgeschwindigkeit 20 erreicht der Kolben nach der Hälfte des Wegs zwischen oberem Totpunkt OT und unterem Totpunkt UT. Bei weiterer Bewegung des Kolbens in Richtung auf den unteren Totpunkt UT nimmt die Relativgeschwindigkeit v ab, bis sie im unteren Totpunkt UT null ist und sich die Richtung des Kolbens umkehrt. Bei der Bewegung des Kolbens vom unteren Totpunkt UT zum oberen Totpunkt OT ergibt sich ein entsprechendes Geschwindigkeitsprofil.The in 1 shown cylinder 1 is the cylinder of an internal combustion engine in which an in 1 not shown piston is moved up and down. The cylinder has a surface 2 , which represents the piston running surface on which the piston is guided. The piston moves in the cylinder 1 between top dead center OT and bottom dead center UT. The course of the relative velocity v between the piston and the surface 2 the cylinder is in 1 schematically through the curve 17 shown. The velocity of the piston is zero at top dead center TDC and increases with the piston moving along the cylinder longitudinal axis 10 in the direction of bottom dead center UT up to a maximum relative speed 20 to. The maximum relative speed 20 reaches the piston after halfway between top dead center OT and bottom dead center UT. Upon further movement of the piston in the direction of the bottom dead center UT, the relative velocity v decreases until it is zero at bottom dead center UT and the direction of the piston reverses. During the movement of the piston from bottom dead center UT to top dead center OT, a corresponding velocity profile results.

Der Zylinder 1 besitzt einen ersten Bereich 3, der sich in einem Zylinderabschnitt zwischen dem unteren Totpunkt UT und dem oberen Totpunkt OT erstreckt, in dem die Relativgeschwindigkeit v zwischen dem Kolben und der Oberfläche 2 des Zylinders 1 relativ gross ist. In dem ersten Bereich 3 besitzt die Oberfläche 2 des Zylinders 1 eine Struktur aus einer Vielzahl von Taschen 9, die sich in Umfangsrichtung des Zylinders 1 erstrecken und die gegenüber der Horizontalen geneigt sein können. Der Neigungswinkel beträgt dabei vorteilhaft weniger als 1°. Die Abstände zwischen den Taschen 9 sind vorteilhaft gleichmäßig, so dass sich eine regelmäßige Struktur ergibt. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, dass die Anzahl der Taschen 9 in unterschiedlichen Bereichen variiert. Insbesondere können in Bereichen geringerer Relativgeschwindigkeit mehr Taschen 9 vorgesehen sein. Die Taschen 9 können auch rund ausgebildet sein. Auch andere Formen können vorteilhaft sein.The cylinder 1 owns a first area 3 which extends in a cylinder portion between the bottom dead center UT and the top dead center OT, in which the relative velocity v between the piston and the surface 2 of the cylinder 1 is relatively large. In the first area 3 owns the surface 2 of the cylinder 1 a structure of a variety of bags 9 extending in the circumferential direction of the cylinder 1 extend and which may be inclined relative to the horizontal. The angle of inclination is advantageously less than 1 °. The distances between the pockets 9 are advantageously uniform, resulting in a regular structure. However, it may also be appropriate that the number of pockets 9 varies in different areas. In particular, in pockets of lower relative speed more pockets 9 be provided. The bags 9 can also be designed around. Other shapes may be advantageous.

Der Zylinder 1 besitzt einen zweiten Bereich 4, in dem der Kolben zur Oberfläche 2 des Zylinders 1 eine geringe Relativgeschwindigkeit v besitzt. Dieser kann auch mit Taschen versehen sein. Der zweite Bereich 4 umfasst einen Abschnitt 5, der den Bereich des oberen Totpunkts OT bezeichnet und einen Abschnitt 6, der den unteren Totpunkt UT umfasst. Die Abschnitte 5 und 6 schließen an den ersten Bereich 3 an und erstrecken sich auch auf die dem ersten Bereich 3 abgewandte Seite des oberen bzw. unteren Totpunkts OT, UT. Dadurch ist sichergestellt, dass der Kolben im oberen bzw. unteren Totpunkt OT bzw. UT mit seinen Kolbenringen nur im zweiten Bereich 4 anliegt. Im zweiten Bereich 4 ist die Oberfläche 2 als verschleißfeste Schicht 7, 8 ausgebildet. Dabei ist im Abschnitt 5 eine verschleißfeste Schicht 7 und im Abschnitt 6 eine verschleißfeste Schicht 8 ausgebildet.The cylinder 1 owns a second area 4 in which the piston to the surface 2 of the cylinder 1 has a low relative velocity v. This can also be provided with pockets. The second area 4 includes a section 5 , which denotes the area of top dead center OT and a section 6 which includes the bottom dead center UT. The sections 5 and 6 close to the first area 3 and extend to the first area 3 opposite side of the top and bottom dead center OT, UT. This ensures that the piston in the top or bottom dead center OT or UT with its piston rings only in the second area 4 is applied. In the second area 4 is the surface 2 as a wear-resistant layer 7 . 8th educated. It is in the section 5 a wear-resistant layer 7 and in the section 6 a wear-resistant layer 8th educated.

Die verschleißfeste Schicht 7, 8 ist durch Materialumwandlung erzeugt und bei einem Zylinder 1 aus Gusseisen eine nitrierte Schicht, die insbesondere mittels Laser hergestellt ist, oder eine gehärtete Schicht, die mittels Laser oder durch Induktion hergestellt ist. Bei einem Zylinder 1 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung ist die verschleißfeste Schicht 7, 8 durch nitrieren, insbesondere mittels Laser, hergestellt. Die verschleißfeste Schicht 7, 8 kann auch durch chemisches, thermisches oder mechanisches Zurücksetzen der Aluminiummatrix und Freilegen der Siliziumkristalle hergestellt sein. Das mechanische Freilegen ist dabei vorteilhaft durch Honen erfolgt.The wear-resistant layer 7 . 8th is produced by material conversion and in a cylinder 1 made of cast iron, a nitrided layer, which is made in particular by means of laser, or a hardened layer, which is made by laser or by induction. With a cylinder 1 made of an aluminum-silicon alloy is the wear-resistant layer 7 . 8th by nitriding, in particular by means of lasers. The wear-resistant layer 7 . 8th may also be prepared by chemical, thermal or mechanical resetting of the aluminum matrix and exposure of the silicon crystals. The mechanical exposure is advantageously carried out by honing.

In den 2 und 3 ist eine Tasche 9 vergrößert dargestellt. Wie 2 zeigt, besitzt die Tasche 9 eine längliche Form mit einem geschlossenen Umfangsrand 15. Durch den geschlossenen Umfangsrand 15 wirkt die Tasche 9 als Mikrodruckkammer und vermindert die Reibung zwischen der Oberfläche 2 und den Kolbenringen bzw. dem Kolbenhemd des Kolbens. Wie 3 zeigt, geht die Tasche 9 mit einem verrundeten Übergang 16 in die Oberfläche 2 über.In the 2 and 3 is a bag 9 shown enlarged. As 2 shows owns the bag 9 an elongated shape with a closed peripheral edge 15 , Through the closed peripheral edge 15 the bag works 9 as a micro-pressure chamber and reduces the friction between the surface 2 and the piston rings and the piston skirt of the piston. As 3 shows, the bag goes 9 with a rounded transition 16 in the surface 2 above.

In 4 ist in dem Zylinder 1 ein Kolben 11 im oberen Totpunkt OT dargestellt. Die Bezeichnung oberer Totpunkt OT bezieht sich dabei auf die Position der dem Brennraum 22 zugewandten Oberkante 18 des ersten, dem Brennraum 22 zugewandten Kolbenrings 12 Der Kolben 11 besitzt insgesamt drei Kolbenringe 12, 13, 14. Die Bezeichnung unterer Totpunkt UT bezieht sich auf die Position der unteren, dem Brennraum 22 abgewandten Unterkante 19 des dritten, dem Brennraum 22 abgewandten Kolbenrings 14. Die in Richtung der Zylinderlängsachse 10 gemessene Breite b der verschleißfesten Schicht 7 im ersten Abschnitt 5 ist grösser als der Abstand a der Oberkante 18 des ersten Kolbenrings 12 zur Unterkante 19 des dritten Kolbenrings 14. Dadurch sind im oberen Totpunkt OT des Kolbens 11 alle Kolbenringe 12, 13, 14 im Abschnitt 5 angeordnet und können nur in Kontakt mit der verschleißfesten Schicht 7 kommen. Vorteilhaft entspricht die Breite einer verschleißfesten Schicht 8 in einem Abschnitt 6 im Bereich des unteren Totpunkts UT der Breite b der verschleißfesten Schicht 7. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Breite b einer verschleißfesten Schicht 7, 8 geringer auszubilden. Die Breite b sollte jedoch mindestens der Breite eines Kolbenrings 12, 13, 14 entsprechen. In dem an den Abschnitt 5 angrenzenden ersten Bereich 3 sind in 4 nicht dargestellte Taschen 9 in der Oberfläche 2 angeordnet. Die Taschen 9 vermindern sowohl die Reibung der Oberfläche 2 zu den Kolbenringen 12, 13, 14 als auch die Reibung zum Kolbenhemd 21 des Kolbens 11.In 4 is in the cylinder 1 a piston 11 shown in top dead center OT. The term top dead center OT refers to the positives on the combustion chamber 22 facing upper edge 18 the first, the combustion chamber 22 facing piston ring 12 The piston 11 has a total of three piston rings 12 . 13 . 14 , The term bottom dead center UT refers to the position of the lower, the combustion chamber 22 opposite lower edge 19 the third, the combustion chamber 22 remote piston ring 14 , The in the direction of the cylinder axis 10 measured width b of the wear-resistant layer 7 in the first part 5 is greater than the distance a of the top edge 18 of the first piston ring 12 to the lower edge 19 of the third piston ring 14 , As a result, at top dead center OT of the piston 11 all piston rings 12 . 13 . 14 in the section 5 arranged and can only be in contact with the wear-resistant layer 7 come. Advantageously, the width corresponds to a wear-resistant layer 8th in a section 6 in the region of the bottom dead center UT of the width b of the wear-resistant layer 7 , However, it may also be advantageous, the width b of a wear-resistant layer 7 . 8th to train less. However, the width b should be at least the width of a piston ring 12 . 13 . 14 correspond. In the to the section 5 adjacent first area 3 are in 4 not shown bags 9 in the surface 2 arranged. The bags 9 reduce both the friction of the surface 2 to the piston rings 12 . 13 . 14 as well as the friction to the piston skirt 21 of the piston 11 ,

Bei der Herstellung der Oberfläche 2 des Zylinders 1 wird zunächst eine Vorbearbeitung der Oberfläche 2 durchgeführt. Die Vorbearbeitung kann durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln erfolgen. Anschließend wird im ersten Bereich 5 und alternativ auch im zweiten Bereich 6 eine Taschenstruktur ausgebildet. Dabei wird eine Vielzahl von Taschen 9 durch Laserstrukturierung in die Oberfläche 2 eingebracht. Ist der Zylinder 1 aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, so werden die Siliziumkristalle beim Einfahren des Kolbens 11 freigelegt, so dass auch die Erzeugung einer verschleißfesten Schicht als separater Bearbeitungsschritt entfallen kann.In the production of the surface 2 of the cylinder 1 First, a pre-processing of the surface 2 carried out. The pre-machining can be done by honing, roughing or fine spindles. Subsequently, in the first area 5 and alternatively in the second area 6 a bag structure formed. There will be a variety of bags 9 by laser structuring in the surface 2 brought in. Is the cylinder 1 made of an aluminum-silicon alloy, so are the silicon crystals when retracting the piston 11 exposed, so that the generation of a wear-resistant layer can be omitted as a separate processing step.

Das Verfahren zur Herstellung der Oberfläche 2 des Zylinders 1 sieht nach der Vorbearbeitung der Oberfläche 2, die durch Honen, Schrupphonen oder Feinspindeln erfolgen kann, die Ausbildung einer Taschenstruktur durch Laserstrukturierung oder auf mechanischem oder chemischem Wege und die Ausbildung einer verschleißfesten Schicht 7, 8 in mindestens einem Bereich 5 der Oberfläche 2 vor. Die Laserstrukturierung kann dabei vor oder nach der Erzeugung der verschleißfesten Schicht 7, 8 erfolgen.The process for the preparation of the surface 2 of the cylinder 1 looks after the pre-processing of the surface 2 which can be done by honing, roughing or fine spindles, the formation of a pocket structure by laser structuring or by mechanical or chemical means and the formation of a wear-resistant layer 7 . 8th in at least one area 5 the surface 2 in front. The laser structuring can be done before or after the generation of the wear-resistant layer 7 . 8th respectively.

Claims

Workpiece with a one-piece tribologically stressable surface designed as a cylinder ( 2 ), which is designed as an intermediate material lubricated sliding surface for a relatively moving counter-body and two areas ( 3 . 4 ), of which the first area ( 3 ) that of a high relative speed of the counter body ( 11 ) to the surface ( 2 ) and the second area ( 4 ) that of a low relative velocity of the counter body relative to the surface ( 2 ) and the area ( 5 ) of the top dead center (OT) and the area ( 6 ) of the bottom dead center (UT) and in which the surface ( 2 ) a plurality of pockets with closed peripheral edge ( 15 ), characterized in that the pockets ( 9 ) at least either in the area ( 5 ) of top dead center (TDC) or both in the range (T) 5 ) of top dead center (TDC) as well as in the range ( 6 ) of the bottom dead center (UT) are provided and that said area (UT) 5 ) or the named areas ( 5 . 6 ) as a wear-resistant layer ( 7 . 8th ) are formed.

Workpiece according to claim 1, characterized in that the pockets ( 9 ) on the entire surface ( 2 ) are provided.

Workpiece according to claim 1 or 2, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is formed by material conversion.

Workpiece according to claim 3, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is a nitrite layer.

Workpiece according to claim 3, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is a hardened layer.

Workpiece according to claim 5, characterized in that the layer ( 7 . 8th ) is cured by induction.

Workpiece according to one of claims 2-5, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is generated by a laser treatment.

workpiece according to one of the claims 1-7, by characterized in that the workpiece made of cast iron.

Workpiece according to one of claims 1-8, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is a thermally sprayed layer.

Workpiece according to one of claims 1-8, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is formed by electroplating.

Workpiece according to one of claims 1-3, characterized in that the workpiece from egg ner aluminum-silicon alloy consists.

workpiece according to claim 11, characterized in that in the wear-resistant Layer the aluminum matrix is mechanically reset.

workpiece according to claim 11, characterized in that the aluminum matrix thermally reset is.

workpiece according to claim 11, characterized in that the aluminum matrix chemically reset is.

Workpiece according to one of claims 1-14, characterized in that the cylinder ( 1 ) in the engine block of an internal combustion engine and the counter body of the piston moved up and down therein ( 11 ).

Workpiece according to claim 15, characterized in that the piston ( 11 ) at least one piston ring ( 12 . 13 . 14 ) and the piston ring ( 12 . 13 . 14 ) at top dead center (TDC) of the piston (OT) 11 ) completely in the second area ( 4 ) is arranged.

Method for producing the piston running surface of a cylinder ( 1 ), which comprises the following process steps: - pre-processing of the surface ( 2 ), - formation of a pocket structure by laser structuring of at least the surface ( 2 ) in the area ( 5 ) of the upper dead center (TDC) or both in the region of the upper (OT) 5 ) as well as the lower ( 6 ) Dead center (UT), - formation of a wear-resistant layer (UT) 7 . 8th ) at least the surface ( 2 ) in the area ( 5 ) of the upper dead center (TDC) or both in the region of the upper (OT) 5 ) as well as the lower ( 6 ) Dead center (UT).

Method according to claim 17, characterized in that that the laser structuring with a ultrashort pulse beam source he follows.

Method according to one of claims 17 or 18, characterized Pre-machining is done by honing, roughing or fine spindles.

A method according to claim 17, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is produced by nitriding by means of laser.

Method according to one of claims 17-19, characterized in that the workpiece is made of cast iron and the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is prepared by curing.

A method according to claim 21, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is cured by laser.

A method according to claim 21, characterized in that the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) is cured by induction.

Method according to one of claims 17-20, characterized in that the workpiece consists of an aluminum-silicon alloy and in the wear-resistant layer ( 7 . 8th ) the aluminum matrix is reset.

Method according to Claim 24, characterized that the aluminum matrix is thermally reset.

Method according to Claim 24, characterized that the aluminum matrix is chemically reset.

Method according to Claim 24, characterized that the aluminum matrix is mechanically reset.

Method according to Claim 27, characterized that the aluminum matrix is reset by honing.