DE3631096A1

DE3631096A1 - Gleitteil aus einer aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE3631096A1
Application number: DE19863631096
Authority: DE
Inventors: Hideaki Ushio; Tadayoshi Hayashi; Kazuo Shibata; Yoshikazu Fujisawa
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1985-09-14
Filing date: 1986-09-12
Publication date: 1987-03-26
Also published as: GB2183785B; CA1287240C; GB8621993D0; GB2183785A; US4757790A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gleitteil aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere ein Gleitteil aus einer Aluminiumlegierung, bei dem ein Gleitabschnitt aus einer faserverstärkten Aluminiumlegierung gefertigt ist, die als Verstärkungsmaterial wenigstens eine Aluminiumfaser ent hält.

Bei einem solchen Gleitteil aus einer Aluminiumlegierung ist das Verhältnis zwischen der Alpha-Rate und dem Volumen inhalt einer Aluminiumfaser nicht speziell in Betracht ge zogen worden.

Die Alpha-Rate der Aluminiumfaser übt jedoch einen beträcht lichen Einfluß auf die Festigkeit und Härte der Faser aus und deshalb ist es erforderlich, die Alpha-Rate auf einen geeigneten Wert zu setzen. Wenn der Volumeninhalt der Alumi niumfaser ungeeignet ist, obgleich die Festigkeit der Alumi niumfaser geeignet ist, tritt das Problem auf, daß nicht nur die Faserverstärkung des Gleitabschnitts nicht zufriedenstel lend erbracht werden kann, sondern daß auch eine Erhöhung der Größe des Verschleißes des Gleitabschnitts und des Verbin dungsmaterials verursacht wird und darüber hinaus eine Redu zierung des Widerstands gegen ein Fressen oder Zusammenbacken und der Wärmeleitfähigkeit herbeigeführt wird.

Wenn außerdem das genannte Gleitteil ein Zylinderblock für eine Brennkraftmaschine ist, der einen Zylinderblock eines Verbundtyps mit einer äußeren Zylinderblockwand, die mit einem Wassermantel versehen ist, und einem Verbund-Zylinder büchsenabschnitt, dessen äußerer Umfang dem Wassermantel zuge kehrt ist, darstellt, wobei der Verbund-Zylinderlaufbüchsen abschnitt mehrere Zylinderlaufbüchsen aufweist, von denen jede eine Zylinderbohrung hat und die durch Verbindungen in Reihe miteinander verbunden sind, wobei die Dicke jeder Zy linderlaufbüchse so bemessen ist, daß sie längs ihres Umfangs gleichmäßig ist, und wobei der Gleitabschnitt die Innenwand der Zylinderbohrung ist, treten folgende Probleme auf.

Das Kühlwasser im Wassermantel tendiert in der Nähe der Ver bindung der benachbarten Zylinderlaufbüchsen zu stagnieren, strömt jedoch von der Nähe einer solchen Verbindung ruhig oder gleichmäßig allmählich zu einem Punkt, der auf einer zur Richtung der angeordneten Zylinderlaufbüchsen senkrech ten diametralen Linie liegt.

Da jede Zylinderlaufbüchse aus einer Aluminiumlegierung ge fertigt ist, damit sie eine gute Wärmeleitfähigkeit hat, ist das Kühlvermögen in einem Abschnitt außerhalb der Verbindung jeder Zylinderlaufbüchse besser als in der Nähe der Verbin dung und folglich wird die Temperatur eines solchen Abschnitts niedriger als die in der Nähe der Verbindung.

Wenn ein solches Phänomen erzeugt wird, nimmt die Größe der Wärmeausdehnung in der Nähe der Verbindung jeder Zylinderlauf büchse zu, so daß das Spiel zwischen der Innenwand der Zylin derbohrung und des Kolbenrings in einem solchen Abschnitt zu nimmt, was eine Erhöhung einer Durchblasgasmenge und des Öl verbrauchs zur Folge hat.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gleitteil der genannten Art anzugeben, bei welchem die Alpha-Rate und der Volumeninhalt einer Aluminiumfaser so spezifiziert sind, daß eine hohe Festigkeit und eine gute Gleitcharakteristik für das Gleitteil gegeben sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß nach dem kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 die Alpha-Rate der Aluminium faser auf einen Wert im Bereich von 10,0 bis 50,0% und der Volumenanteil der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 8,0 bis 20,0% gesetzt ist.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Ansprüchen 2 bis 8 hervor.

Ein Gleitteil der eingangs genannten Art kann hinsichtlich der Gleiteigenschaft weiter verbessert werden, wenn gemäß Anspruch 9 das Verstärkungsmaterial aus einer Aluminiumfaser und einer Kohlenstoffaser besteht, die Alpha-Rate der Alumi niumfaser auf einen Wert von 10,0 bis 50,0% gesetzt ist, der Volumenanteil der Aluminiumfaser auf einen Wert von 50,0% oder weniger gesetzt ist, und der Volumenanteil der Kohlenstoff faser auf einen Wert von 20,0% oder weniger gesetzt ist. Die ses Verstärkungsmaterial kann aus einer Mischung einer Alumi niumfaser und einer Kohlenstoffaser erzeugt werden.

Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Gleitteils gehen aus den Ansprüchen 10 bis 17 hervor.

Darüber hinaus ist erfindungsgemäß ein einen Verbundtyp dar stellender Zylinderblock geschaffen, der eine mit einem Was sermantel versehene äußere Zylinderblockwand und einen dem Wassermantel zugekehrten oder diesem gegenüberliegenden Zylin derlaufbüchsenabschnitt vom Verbundtyp aufweist, wobei der Zy linderlaufbüchsenabschnitt vom Verbundtyp mehrere Zylinder laufbüchsen umfaßt, von denen jede eine Zylinderbohrung auf weist und die durch Verbindungen in Reihe miteinander ver bunden sind, wobei die variierenden Dicken zwischen der Verbin dung und einem Punkt, der auf einer zur Richtung der Anord nung der Zylinderlaufbüchse senkrechten Linie liegt, von der Verbindung in Richtung dieses Punktes graduell zunehmen.

Das obenbeschriebene Setzen der Alpha-Rate der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 10,0-50,0% verleiht der Aluminium faser eine höhere Festigkeit und eine für ein Gleitelement geeignete Kratzhärte. Wenn jedoch die Alpha-Rate kleiner als 10,0% ist, nimmt die Kratzhärte ab, wohingegen die Kratzhärte dann, wenn die Alpha-Rate die 50,0% überschreitet, die Kratz härte zunimmt, was zur Folge hat, daß die Aluminiumfaser für ein Gleitelement ungeeignet wird. Auch besteht dann, wenn die Alpha-Rate die 50,0% überschreitet, der Nachteil, daß die Alu miniumfaser brüchig wird. Außerdem kann, wenn der Volumenanteil der Aluminiumfaser, der in Alpha-Raten in den vorstehenden Bereich fällt, wie oben beschrieben, einen Wert im Bereich von 8,0 bis 20,0% aufweist, der Gleitabschnitt des Gleitteils aus der Aluminiumlegierung zufriedenstellend faserverstärkt wer den und die Widerstände gegen Fressen und Verschleiß des Gleit abschnitts können verbessert werden und darüber hinaus kann die Masse des verschlissenen Verbindungsmaterials reduziert werden. Wenn jedoch der Volumenanteil bzw. -inhalt kleiner als 8,0% ist, ist die Fähigkeit der Faser, den Gleitabschnitt zu verstärken, kleiner und die Widerstände gegen Fressen und Ver schleiß des Gleitabschnitts nehmen ab. Wenn andererseits der Volumenanteil 20,0% überschreitet, wird die Füllfähigkeit der Aluminiumlegierung, die eine Matrix ist, verschlechtert, so daß die zufriedenstellende Faserverstärkung ausbleibt. Außer dem nimmt die Härte des Gleitabschnitts zu, wodurch eine Erhöhung der Masse des verschlissenen angepaßten Materials verursacht und darüber hinaus auch die Wärmeleitfähigkeit reduziert wird.

Außerdem kann durch die Konstruktion des Gleitteils als Hy bridtyp durch Verwendung eines Verstärkungsmaterials, das aus der Mischung einer einen Volumenanteil bzw. -inhalt von 50,0% oder weniger aufweisenden Aluminiumfaser mit einer einen Vo lumenanteil bzw. -inhalt von 20,0% oder weniger aufweisenden Kohlenstoffaser erzeugt ist, die Grenzcharakteristik des Gleitteils für Fressen und Kratzen im Vergleich zu dem erzeug ten Gleitteil, das eine Aluminiumfaser allein verwendet, ver bessert werden. Wenn jedoch in dem gewünschten Verstärkungsma terial der Volumenanteil der Aluminiumfaser 50,0% überschrei tet, wächst der totale Volumenanteil bzw. -inhalt von dem Ver hältnis mit der Menge der Kohlenstoffaser, was eine verschlech terte Füllfähigkeit der Matrix zur Folge hat. Wenn der Volumen inhalt der Carbon- bzw. Kohlenstoffaser 20,0% überschreitet, nimmt der totale Volumenanteil bzw. -inhalt von dem Verhältnis mit der Menge der Aluminiumfaser zu und folglich kann bei der Erzeugung eines Gußproduktes, welches das resultierende Ver stärkungsmaterial verwendet, die Gußfähigkeit verschlechtert werden.

Wenn außerdem in dem Zylinderblock vom Verbundtyp die Dicken jeder Zylinderlaufbüchse wie oben beschrieben festgelegt wer den, ist der Abschnitt jeder Zylinderlaufbüchse, der nicht in der Nähe der Verbindung liegt, aufgrund der Zunahme der Dicke schwer zu kühlen, wodurch die Umfangsverteilung der Temperatur jeder Zylinderlaufbüchse im wesentlichen gleich förmig sein kann, so daß die Größe jeder thermisch ausge dehnten Zylinderlaufbüchse in Umfangsrichtung im wesentlichen gleichförmig sein kann.

Folglich ist es möglich, eine Erhöhung in der Menge eines Durchblasgases und im Ölverbrauch mit einer Erhöhung in der Größe jeder teilweise thermisch expandierten Zylinderlauf büchse zu verhindern. Die Menge eines Durchblasgases und der Ölverbrauch können reduziert werden.

Die obigen und andere Eigenschaften, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher aus der folgenden Be schreibung der bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung anhand der Figuren. Von den Figuren zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Verbundtyp- Zylinderblocks;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Verbundtyp-Zylinderblock;

Fig. 3 einen längs der Linie III-III in Fig. 2 genomme nen Schnitt;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, welche das Verhält nis zwischen der Alpha-Rate und der Zugspannung einer Aluminiumfaser darstellt;

Fig. 5 eine graphische Darstellung, welche die Gleiteigen schaften im Verhältnis zwischen der Alpha-Rate der Aluminiumfaser und dem auf ein Ende oder eine Spitze wirkenden Oberflächendruck darstellt;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, welche die Gleit eigenschaft bzw. -charakteristik im Verhältnis zwischen dem Volumenanteil bzw. -inhalt der Alu miniumfaser und dem auf das Ende oder die Spitze wirkenden Oberflächendruck darstellt;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, welche das Ver hältnis zwischen dem Volumenanteil bzw. -in halt der Aluminiumfaser und der Masse des ver schlissenen Endes oder der verschlissenen Stütze darstellt;

Fig. 8 eine graphische Darstellung, welche die Gleit eigenschaft im Verhältnis zwischen der Ober flächenrauhigkeit oder dgl. des Endes bzw. der Spitze oder dgl. und des auf das Ende oder die Spitze wirkenden Oberflächendruckes dar stellt;

Fig. 9 eine Draufsicht auf einen anderen Verbundtyp- Zylinderblock, bei der Details im Schnitt ge zeigt sind; und

Fig. 10 einen längs der Linie X-X der Fig. 9 genommenen Schnitt.

Die Fig. 1 bis 3 zeigen einen Zylinderblock 1 vom Verbund typ als ein aus einer Aluminiumlegierung gefertigtes Gleit teil. Der Zylinderblock 1 umfaßt eine äußere Zylinderblock wand 2, einen in der äußeren Wand 2 vorgesehenen Wassermantel 3 und einen Verbund-Zylinderlaufbüchsenabschnitt 5, dessen äußerer Umfang bzw. Rand dem Wassermantel 3 zugekehrt ist. Der Verbund-Zylinderlaufbüchsenabschnitt 5 ist aus mehre ren, in der dargestellten Ausführungsform beispielsweise vier Zylinderbüchsen 5 a-5 d gebildet, von denen jede eine Zylinderbohrung 4 aufweist und die durch Verbindungen 6 in Reihe miteinander verbunden sind.

An dem Seitenende derjenigen Oberfläche des Wassermantels 3, die mit einem Zylinderkopf zu verbinden ist, sind die äußere Zylinderblockwand 2 und die einzelnen Zylinderlaufbüchsen 5 a-5 d teilweise durch mehrere verstärkende Deckabschnitte 7 verbunden, wobei der Zylinderblock 1 vom geschlossenen Decktyp ist. Ein Abschnitt zwischen den benachbarten ver stärkenden Deckabschnitten dient als ein Verbindungsloch 8. Der untere Abschnitt des Zylinderblocks 1 bildet ein Kurbel gehäuse 9.

Die Innenwand 4 a jeder Zylinderbohrung 4, die als ein Gleit abschnitt dient, ist aus einer faserverstärkten Aluminium legierung 13 gebildet, wobei eine Aluminiumfaser als ein Verstärkungsmaterial verwendet ist.

Der Zylinderblock 1 wird gegossen, indem eine zylinderförmige, auf eine Temperatur von 300°C vorgeheizte Aluminiumfaser in den Hohlraum einer auf eine Temperatur von 200°C vorgeheizte Guß form plaziert wird und ein geschmolzenes Metall aus einer durch JIS ADC 12 spezifierte Aluminiumlegierung in den Hohlraum bei einer Temperatur von 730-740°C unter einem Fülldruck von 260 kp/ cm² bzw. 260 · 9,81 · 104 Pa gegossen wird. Während des Giessens des Zylinderblocks wird die Aluminiumlegierung eingefüllt und mit der geformten Faser verbunden, so daß die faserverstärkte Aluminiumlegierung 13 gebildet wird.

In die Zylinderbohrung 4 ist gleitend ein aus einer Aluminium legierung gefertigter Kolben 10 eingesetzt, auf dem zwei zu sammengedrückte Ringe 11 und ein einziger Ölabstreifring 12 befestigt sind.

Die bei der vorliegenden Erfindung benutzbaren Aluminiumfasern sind lange und kurze Fasern und kurze Faserstückchen, die bei spielsweise das von der ICI Corp. im Handel erhältliche Sunfil® und das von E.I., du Pont de Nemours and Company im Handel erhältliche Fiber FP® umfassen.

Die Fig. 4 zeigt ein Verhältnis der Alpha-Rate zum Elastizitäts modul (I), zur Zugfestigkeit (II) und zur Moh′schen Härte skala (III) für die Aluminiumfaser.

Wenn die Alpha-Rate der Aluminiumfaser einen Wert im Bereich von 10,0 bis 50,0% annimmt, kann eine für das Gleitteil geeignete hohe Festigkeit und eine Kratzhärte, d.h. Moh′sche Härte in der Aluminiumfaser erhalten werden. In diesem Fall hat die Aluminiumfaser bei einer Alpha-Rate im Bereich von 30 bis 40% eine weniger erniedrigte Zugfestigkeit und eine höhere Kratz härte und folglich ermöglicht die Verwendung dieser Art Alu miniumfaser eine optimale Gleitcharakteristik.

Die Fig. 5 stellt die Ergebnisse eines Gleittests von einem En de oder einer Spitze aus einer Scheibe für faserverstärkte Alu miniumlegierungen dar, die Aluminiumfasern mit einem auf einen Wert von 12% festgelegten Volumenanteil bzw. -inhalt und mit verschiedenen Alpha-Raten sowie einen durch JIS FCD 75 spezi fizierten kugelartigen Graphiteisenguß als angepaßtes bzw. ein fließendes Material enthalten, wobei eine Linie (IV) eine Grenz charakteristik für Fressen und eine Linie (V) eine Grenzcharak teristik für Kratzen bezeichnet.

In diesem Fall entspricht die genannte Legierung einem Mate rial, das die Innenwand 4 a der Zylinderbohrung 4 bildet, und ein derartiges Material wird als Ende bzw. Spitze verwendet. Der genannte Eisenguß entspricht einem Material, das die zu samnengedrückten Ringe 11 bildet und ein derartiges Material wird als Scheibe verwendet.

Ein Testverfahren umfaßt das Drehen der Scheibe mit einer Ge schwindigkeit von 9,5 m/s und das Pressen der Gleitfläche des Endes bzw. der Spitze auf die Gleitfläche der Scheibe mit einer vorbestimmten Preßkraft ohne Schmierung um das Verhältnis zwischen der Alpha-Rate der in jeder Spitze oder jedem Ende enthaltenen Aluminiumfaser und dem auf die Spitze oder das Ende bei einer Grenze für Fressen und für Kratzen wirkenden Oberflächendruck zu bestimmen.

Nach Fig. 5 beträgt bei einer Alpha-Rate der Aluminiumfaser im Bereich von 10,0 bis 50,0% der Oberflächendruck an der Spitze bei der Kratzgrenze Kp/cm², d.h. 9,81 · 35 · 10⁴ bis 9,81 · 40 · 10⁴ Pa, und der Oberflächendruck bei der Grenze für Fres sen beträgt 70 bis 90 Kp/cm², d.h. 9,81 · 70 · 10⁴ bis 9,81 · 90 · 10⁴ Pa. In diesem Fall ist bei einer Alpha-Rate der Aluminiumfaser im Bereich von 30,0 bis 40,0% der Oberflächen druck an dem Ende bzw. der Spitze bei der Kratzgrenze am höchsten und der Oberflächendruck bei der Grenze für Fressen ist ebenfalls höher, und folglich kann für die praktische Anwendung ein Optimum der Gleitcharakteristik erhalten wer den.

Bei dem genannten Gleittest ist festgestellt worden, daß dann, wenn die Alpha-Rate der Aluminiumfaser die 50,0% überschreitet, die Menge der aus der eine Matrix bildenden Aluminiumlegie rung ausfallenden Aluminiumfaser dazu tendiert, zuzunehmen, und daß die ausgefallene Aluminiumfaser den Verschleiß der avancierten Spitze verursacht.

Die Fig. 6 stellt die Ergebnisse des Spitze- auf -Scheibe-Gleit tests für faserverstärkte Aluminiumlegierungen dar, die Alu miniumfasern mit Volumenanteilen bzw. -inhalten von 3%, 33% und 80% und mit in verschiedenen Werten variierenden Alpha- Raten und ein durch JIS FCD 75 spezifiziertes sphäroidisches Graphitgußeisen als einfließendes Material enthält, wobei die Linien (VIa) bis (VIIIa) die Grenzcharakteristiken für Fressen bei den Alpha-Raten von 3%, 33% bzw. 80% darstellen und die Linien (VIb) bis (VIIIb) die Grenzcharakteristiken für Kratzen bei den Alpha-Raten von 3%, 33% bzw. 80% zeigen.

In diesem Fall entspricht die vorstehende Legierung einem die innere Wand 4 a der Zylinderbohrung bildenden Material und ein solches Material wird als Spitze verwendet. Das vor stehend genannte Gußeisen entspricht einem Material, das die genannten zusammengepreßten Ringe 11 bildet, und ein sol ches Material wird als Scheibe verwendet.

Das Testverfahren umfaßt das Drehen der Scheibe mit einer Ge schwindigkeit von 9,5 m/s und das Drücken der Gleitfläche des Endes bzw. der Spitze auf die Gleitfläche der Scheibe mit einer vorbestimmten Preßkraft ohne Schmiermittel, um das Verhältnis zwischen dem Volumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser in jedem Ende bzw. jeder Spitze und den auf das Ende bzw. die Spitze bei einer Grenze für Fressen und einer Grenze für Kratzen wirkenden Oberflächendruck zu bestimmen.

Nach Fig. 6 ist bei einem auf 8,0 bis 20,0% festgelegten Vo lumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser mit einer Alpha- Rate von 33% der Oberflächendruck auf das Ende oder die Spitze bei der Kratzgrenze gleich 30 bis 95 Kp/cm² bzw. 9,81 · 30 · 10⁴ bis 9,81 · 95 · 10⁴ Pa, wie die Linie (VIIb) zeigt, und der Oberflächendruck bei der Grenze für Fressen beträgt 70 bis 170 kp/cm² bzw. 9,81 · 70 · 10⁴ bis 9,81 · 170 · 10⁴ Pa, wie die Linie (VIIa) zeigt.

Wie schon erwähnt, nimmt die Festigkeit gegen Fressen ab, wenn der Volumenanteil oder -inhalt kleiner als 8,0% ist, wohingegen die Füllfähigkeit der Matrix in der Aluminium faser verschlechtert wird, wenn der Volumenanteil oder -inhalt 20,0% überschreitet. Deshalb ist es günstig, die Grenze für Fressen zu prüfen, wenn der Volumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser sich in einem Bereich von 8,0 bis 20,0% befindet, so wie es oben beschrieben ist.

In der Fig. 6 deuten die Linien (XIIIa) und (XIIIb) die Grenzcharakteristik für Fressen bzw. die Grenzcharakteristik für Kratzen eines Endes bzw. einer Spitze an, das bzw. die aus einer hybriden faserverstärkten Aluminiumlegierung ge fertigt ist, welche durch Verwendung einer Aluminiumfaser mit einer Alpha-Rate von 33% erzeugt ist und die eine darunter gemischte Kohlenstoffaser enthält. In diesem Fall ist der Volumenanteil bzw. -inhalt der Kohlenstoffaser, basierend auf dem gesamten Volumen der Spitze, auf 3% festgelegt worden.

Für die Spitze des Hybrid-Typs ist es offensichtlich, daß ihre Grenzcharakteristiken für Fressen und Kratzen im Ver gleich mit dem durch die Linien (VIIa) und (VIIb) angedeu teten Charakteristiken verbessert sind.

Wenn jedoch der Volumenanteil bzw. -inhalt der Kohlenstoff faser kleiner als 0,3% ist, kann sich der vorstehend genannte Effekt nicht einstellen, wohingegen dann, wenn dieser Volumen anteil bzw. -inhalt 20,0% überschreitet, wie schon erwähnt der totale Volumenanteil bzw. -inhalt von dem Verhältnis mit der Quantität der Aluminiumfaser zunimmt bei der Erzeugung eines Gußproduktes unter Verwendung solcher gemischter Fasern die Gußfähigkeit verschlechtert wird. Demgemäß soll der Vo lumenanteil bzw. -inhalt der Kohlenstoffaser 0,3 bis 20,0%, vorzugsweise 3,0 bis 12,0% sein.

Außerdem kann bei dem gemischten Verstärkungsmaterial durch das Mischen der Kohlenstoffaser der Volumenanteil bzw. -in halt der Aluminiumfaser im Vergleich zum Verstärkungsmaterial mit der Aluminiumfaser allein reduziert werden, weil die Kohlenstoffaser die Wirkung hat, daß sie die Verschleißfestig keit und die Festigkeit gegen Fressen verbessert. Wenn je doch der Volumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser kleiner als 5,0% ist, zeigt sich die Eigenschaft der Aluminiumfaser nicht, wohingegen dann, wenn der Volumenanteil bzw. -inhalt 50,0% überschreitet, der totale Volumenanteil bzw. -inhalt von dem Verhältnis mit der Quantität bzw. Menge der Kohlen stoffaser zunimmt, was in einer verschlechterten Füllfähigkeit der Matrix resultiert. Demgemäß sollte der Volumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser 5,0 bis 50,0%, vorzugsweise 10,0 bis 50,0% betragen.

Die vorstehend genannte hybride faserverstärkte Aluminium legierung wird als ein Material zur Bildung der inneren Wand 4 a der Zylinderbohrung 4 verwendet.

Die Fig. 7 stellt die Resultate des Spitze-auf-Scheibe-Gleit testes für faserverstärkte Aluminiumlegierungen dar, die Alu miniumfasern mit einer Alpha-Rate von 35,0% bei variierenden Volumenanteilen bzw. -inhalten und einen durch JIS FCD 75 spezifizierten sphäroidischen Graphiteisenguß als ein Verbin dungsmaterial enthalten, wobei eine Linie (IX) der Menge verschlissener Legierung entspricht und eine Linie (X) der Menge verschlissenen Gußeisens entspricht.

Die vorstehend genannte Legierung ist ein Material, welches die Innenwand 4 a der Zylinderbohrung 4 bildet, und ein solches Material wird zur Bildung des Endes bzw. der Spitze verwendet. Außerdem ist das vorstehend genannte Gußeisen ein Material, wel ches den obenerwähnten zusammengedrückten Ring 11 bildet, und ein solches Material wird zur Bildung der Scheibe verwendet.

Dieses Testverfahren umfaßt das Rotieren der Scheibe mit einer Geschwindigkeit von 2,5 m/s und das Pressen der Gleitfläche des Endes bzw. der Spitze auf die Gleitfläche der Scheibe mit ei ner Preßkraft von 20 Kp bzw. 9,81 · 20N unter Schmierung sowie das Beibehalten dieses Zustandes so lange, bis die Gleitdi stanz einen Wert von 2000 m erreicht. Die Menge des zugeführten Schmieröls beträgt 2 · 3 ml/m.

Wie aus der Fig. 7 hervorgeht, wird dann, wenn der Volumenan teil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser mit einer Alpha-Rate von 35% auf einen Wert im Bereich von 8,0 bis 20,0% gesetzt wird, die Größe der verschlissenen Spitze so klein, daß sie 0,5 bis 0,85 µm beträgt, wie es durch die Linie (IX) ange deutet ist und die Größe der verschlissenen Scheibe wird so klein, daß sie 2,85 bis 5 µm beträgt, wie es durch die Linie (X) angezeigt ist.

Zur Reduzierung des Betrags der verschlissenen Spitze und ver schlissenen Scheibe auf das Äußerste, sollte der Volumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 12,0 bis 14,0% gesetzt werden.

Die Fig. 8 stellt die Resultate des Spitze-auf-Scheibe-Gleit testes für faserverstärkte Aluminiumlegierungen dar, die Alu miniumfasern mit verschiedenen Durchmessern, einer Alpha-Rate von 35% und mit einem Volumenanteil bzw. -inhalt von 8% so wie ein durch JIS FCD 75 spezifiziertes sphäroidisches Graphit gußeisen als ein Verbindungsmaterial enthält, wobei eine Li nie (XI) der Grenzcharakteristik für Fressen entspricht und eine Linie (XII) einer Grenzcharakteristik für Kratzen ent spricht.

Die obige Legierung ist ein Material, welches die Innenwand 4 a der Zylinderbohrung 4 bildet und ein solches Material wird zur Bildung der Spitze verwendet. Außerdem ist das obengenannte Gußeisen ein Material, welches den früher erwähnten zusammenge drückten Ring 11 bildet und ein solches Material wird zur Bil dung der Scheibe verwendet. Die Gleitflächen der Spitze und Scheibe werden einem Schleifprozeß unterworfen, damit sie ver schiedene Oberflächenrauhigkeiten haben, die größer als 1,0 µm sind. In diesem Fall liegt der Grund, warum die Oberflächen rauhigkeiten auf einen Wert größer als 1,0 µm gesetzt werden, darin, daß es schwierig ist, durch Schleifen eine Oberflächen rauhigkeit von weniger als 1,0 µm zu erzeugen.

Das Testverfahren umfaßt das Drehen der Scheibe mit einer Ge schwindigkeit von 9,5 m/s und das Pressen der Gleitfläche der Spitze auf die Gleitfläche der Scheibe mit einer vorbe stimmten Preßkraft ohne Schmierung, um das Verhältnis zwischen der Oberflächenrauhigkeit jeder Spitze und dem Oberflächen druck zu ermitteln, der auf die Spitze bei einer Grenze für Fressen und einer Kratzgrenze wirkt.

Wie aus der Fig. 8 hervorgeht, beträgt dann, wenn die Ober flächenrauhigkeit der Spitze in einem Bereich von 1,0 bis 3,0 µm liegt, der Oberflächendruck bei der Kratzgrenze 12 bis 23 Kp/cm² bzw. 9,81 · 12 · 10⁴ bis 9,81 · 23 · 10⁴ Pa und der Oberflächendruck bei der Grenze für Fressen 66 bis 82 Kp/cm² bzw. 9,81 · 66 · 10⁴ bis 9,81 · 82 · 10⁴ Pa, und folglich kann eine für praktische Anwendungen befriedigende Gleitcharakteristik erzeugt werden.

In dem Gleittest für eine solche Spitze aus faserverstärkter Aluminiumlegierung und eine solche Gußeisenscheibe werden das Kratz- und Freßphänomen durch die aus der Spitzenmatrix während des Gleittestes ausfallende Aluminiumfaser begünstigt. Deshalb ist es notwendig, die Aluminiumfaser fest in der Ma trix zu halten, und zur Befriedigung dieses Erfordernisses soll te die Oberflächenrauhigkeit der Spitze auf einen Wert einge stellt werden, der kleiner als der halbe mittlere Durchmesser der Aluminiumfaser ist. Wenn dem entsprochen wird, wird die Aluminiumfaser, die in der Gleitfläche der Spitze in einer Anordnung verteilt ist, bei der die Achse im wesentlichen pa rallel zu einer solchen Gleitfläche ist, mit im wesentlichen dem halben Abschnitt in der Matrix gehalten, der in der Matrix begraben ist, wodurch das Ausfallen der Aluminiumfaser unter drückt wird. Andererseits ist die Aluminiumfaser, die in ei ner Anordnung verteilt ist, bei der die Achse im wesentlichen senkrecht zu einer solchen Gleitfläche angeordnet ist, zu ei nem höheren Grad in der Matrix vergraben und steht folglich weniger mit der Oberflächenrauhigkeit in Verbindung.

Im Hinblick auf das Vorstehende sollte die Oberflächenrauhig keit auf einen Wert im Bereich von 1,0 bis 3,0 µm gesetzt werden, wenn der Durchmesser der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 2,0 bis 6,0 µm festgelegt ist. Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn das Verstärkungsmaterial eine gemischte Faser aus einer Aluminiumfaser und einer Kohlen stoffaser ist, die Kratzgrenzcharakteristik oder dgl. nicht verloren gehen kann, selbst wenn die Kohlenstoffaser ausge fallen ist, weil die Kohlenstoffaser eine Schmierfähigkeit hat.

Der obenbeschriebene mittlere Durchmesser der Aluminiumfaser ist auf einen Mittelwert der Durchmesser der einzelnen Fila mente bezogen, und zwar wegen deren unterschiedlichen Durch messer. Wenn der Querschnitt des Filamentes der Aluminiumfa ser nicht kreisförmig oder anders als kreisförmig ist, bei spielsweise oval oder polygonal, wird der Durchmesser eines Filaments mit einem nicht-kreisförmigen Querschnitt von der Querschnittsfläche des Filamentes bestimmt.

Die Fig. 9 und 10 zeigen einen anderen Zylinderblock 1 vom Verbundtyp. Bei diesem Zylinderblock nehmen die Dicken be nachbarter Zylinderlaufbüchsen 5 a-5 d zwischen der Verbindung 6 und einen Punkt d der Zylinderlaufbüchse, der auf einer senkrecht zur Richtung der angeordneten Zylinderlaufbüchsen angeordneten diametralen Linie liegt, graduell von der Ver bindung 6 zu diesem Punkt d zu, wie es klar in der Fig. 9 gezeigt ist, wo beispielsweise t 1-t 2 ist.

Die Dicke der außenseitigen Zylinderlaufbüchsen 5 a und 5 d an ihren äußeren Halbumfängen ist auf einen Wert gesetzt, der gleich dem beim Abschnitt d ist, d.h. bei t 2.

Bei einer solchen Konstruktion ist der Abschnitt, der nicht in der Nähe der Verbindung 6 jeder Zylinderlaufbüchse 5 a-5 d liegt, wegen der Zunahme der Dicke schwer zu kühlen. Dies macht es möglich, daß die umfangsmäßige Temperaturverteilung jeder Zylinderlaufbüchse 5 a-5 d im wesentlichen gleichmäßig ist, so daß die Größe oder der Betrag thermisch ausgedehnter Zy linderlaufbüchsen in Umfangsrichtung im wesentlichen gleich mäßig sein kann.

Konsequenterweise ist es möglich, eine Mengenzunahme eines Durchblasgases und eine Zunahme eines Ölverbrauchs mit ei ner Mengenzunahme von partiell thermisch expandierter Zylin derlaufbüchsen 5 a-5 d zu verhindern.

Außerdem nimmt, wenn die Dicken der Zylinderlaufbüchsen 5 a-5 d wie oben beschrieben festgelegt werden, das Volumen jedes ihrer Hohlräume zu. Deshalb ist es möglich, die Temperaturre duktion eines geschmolzenen Metalls aufgrund der Mengenzunahme des geschmolzenen Metalls während des Gusses zu hemmen und die Füllfähigkeit sowie die Verbindbarkeit des geschmolzenen Metalls mit der geformten Faser zu verstärken, wodurch die Qua lität des Gußproduktes verbessert wird.

Wie klar aus der Fig. 10 hervorgeht, hat jede der Zylinderlauf büchsen 5 a-5 d variierende Dicken, die in der axialen Richtung von dem Seitenende der Oberfläche 1 a des Wassermantels 3, die mit dem Zylinderkopf verbunden ist, graduell zunehmen, so daß beispielsweise t 3-t 4 gilt. Dies macht es möglich, die Kühlung dieses Bodenabschnitts des Wassermantels 3 einzudäm men, der während des Betriebs des Motors auf relativ niedriger Temperatur liegt, wodurch es ermöglicht ist, daß die axiale Temperaturverteilung jeder Zylinderlaufbüchse 5 a-5 d im we sentlichen gleichmäßig ist.

In jeder der Zylinderlaufbüchsen 5 a-5 d ist die faserver stärkte Aluminiumlegierung 13, in der mit dem Zylinderkopf zu verbindenden Oberfläche 1 a vergraben, und die obere End fläche der Legierung 13 ist mit einem ringförmigen Abschnitt 14 abgedeckt, der aus einer Aluminiumlegierung allein gefer tigt ist.

Der Grund für eine solche Konstruktion liegt darin, daß dann, wenn die obere Endfläche der geformten Faser beim Gießen des Zylinderblocks 1 auf der gleichen Höhe wie die mit dem Zy linderkopf zu verbindende Oberfläche 1 a liegt, die Tempera tur eines geschmolzenen Metalls aus einer Aluminiumlegierung abnimmt, wenn das geschmolzene Metall den Bereich erreicht hat, wo die mit dem Zylinderkopf zu verbindende Oberfläche ausgebildet wird, weil das geschmolzene Metall von der Seite eines Bereichs in einen Hohlraum geschüttet wird, wo das Kurbelgehäuse ausgebildet wird, und eine Folge davon ist, daß das Füllen des geschmolzenen Metalls in das fasergegosse ne Produkt in der Nähe der mit dem Zylinderkopf zu verbinden den Oberfläche nicht befriedigend erzeugt wird.

Wenn die faserverstärkte Aluminiumlegierung 13 unter die mit dem Zylinderkopf zu verbindende Oberfläche 1 a vergraben wird, wie es oben beschrieben ist, und folglich die obere Endfläche der geformten Faser beim Guß unter dem Bereich angeordnet ist, wo die mit dem Zylinderkopf zu verbindende Oberfläche ausge bildet wird, kann das geschmolzene Metall zuverlässig einge füllt werden und mit dem Ganzen der geformten Faser verbun den werden, ohne daß die vorstehenden Probleme auftreten.

Die Höhe der oberen Endfläche der faserverstärkten Aluminium legierung 13 wird so eingestellt, daß die obere Endfläche näher an der mit dem Zylinderkopf zu verbindenden Oberfläche 1 a liegt als der obere Ring des Kolbens, wenn der Kolben sich im oberen Totpunkt befindet.

Im Hinblick darauf und auf die Füllfähigkeit und Verbind barkeit des geschmolzenen Metalls ist es günstig, wenn die Dicke des genannten ringförmigen Abschnitts 14 1 mm oder mehr beträgt.

Die faserverstärkte Aluminiumlegierung 13 hat eine geringe Wärmeleitfähigkeit und folglich wird, wenn die obere End fläche der Legierung 13 die mit dem Zylinderkopf 2 verbin dende Oberfläche 1 a erreicht, die Kühleffizienz der in der Temperatur zunehmenden Öffnung jeder Zylinderlaufbüchse 5 a-5 d verschlechtert, jedoch macht es das Vorsehen des wie oben beschrieben aus einer Aluminiumlegierung allein gefertigten ringförmigen Abschnitts 14 möglich, die Kühleffizienz in der Nähe der Öffnung jeder Zylinderlaufbüchse 5 a-5 d zu ver bessern.

Die Verbesserung der Kühleffizienz wird durch eine Konstruk tion unterstützt, bei der die Dicke t 5 des verstärkenden Deck abschnitts 7 auf einen Wert gesetzt wird, der im wesentlichen gleich dem des ringförmigen Abschnitts 14 ist, und bei der die im wesentlichen ganze Peripherie der faserverstärkten Alu miniumlegierung 13 von dem Wassermantel 3 umgeben ist.

Es sei darauf hingewiesen, daß dann, wenn das Kühlwasser in dem Wassermantel 3 an dessen Abschnitten zu stagnieren ten diert, denen die äußeren halben Umfangsabschnitte der in den entgegengesetzten äußeren Stellen liegenden Zylinderlauf büchsen 5 a und 5 d gegenüberliegen, die Dicke eines solchen halben äußeren Umfangsabschnitts so festgelegt wird, daß sie kleiner als die Dicke an dem Punkt d ist, der auf der dia metralen Linie der Zylinderlaufbüchsen liegt. Beispielsweise wird Maß genommen, um die Dicken jeder der Zylinderlaufbüchsen 5 a und 5 d von dem Punkt d in Richtung eines Punktes d′ zu erniedrigen, der auf einer diametralen Linie der Zylinderlauf büchsen in der Richtung der Anordnung der Zylinderlaufbüchsen liegt. Wenn im Gegensatz dazu die Kühleffizienz an dem Punkt d′ des äußeren halben Umfangsabschnitts jeder der Zy linderlaufbüchsen 5 a und 5 d besser ist als an dem Punkt d, kann die Dicke an dem Punkt d′größer als die Dicke an dem Punkt d sein.

Claims

1. Gleitteil aus einer Aluminiumlegierung, wobei ein Gleitabschnitt (13) aus einer faserverstärkten Aluminium legierung gefertigt ist, die wenigstens eine Aluminiumfaser als ein Verstärkungsmaterial enthält, dadurch gekenn zeichnet, daß die Alpha-Rate der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 10,0 bis 50,0% und der Volumen anteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 8,0 bis 20,0% festgelegt ist.

2. Gleitteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gleitteils einen Wert hat, der gleich der Hälfte des mittleren Durchmessers der Alu miniumfaser oder geringer ist.

3. Gleitteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gleitteils 3,0 µm oder weniger beträgt.

4. Gleitteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Alpha-Rate auf einen Wert im Bereich von 30,0 bis 40,0% festgelegt ist.

5. Gleitteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil bzw. -inhalt auf einen Wert im Bereich von 12,0 bis 14,0% festgelegt ist.

6. Gleitteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitteil ein Zylinderblock (1) für eine Brennkraftmaschine ist, und daß der Gleitab schnitt (13) eine Innenwand einer Zylinderbohrung (4) ist.

7. Gleitteil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (1) ein Zylinderblock vom Verbund typ ist, der eine mit einem Wassermantel (3) versehene äuße re Zylinderblockwand (2) und einen Zylinderlaufbüchsenab schnitt (5) vom Verbundtyp mit einer dem Wassermantel (3) zugekehrten äußeren Peripherie aufweist, wobei der Zylin derlaufbüchsenabschnitt (5) vom Verbundtyp mehrere Zylin derlaufbüchsen (5 a-5 d) aufweist, von denen jede eine Zylin derbohrung (4) umfaßt und die durch Verbindungen (6) in Reihe miteinander verbunden sind.

8. Gleitteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken jeweils benachbarter Zylinderlaufbüchsen (5 a-5 d) zwischen der Verbindung und einem auf einer diame tralen Linie senkrecht zur Richtung der angeordneten Zylin derlaufbüchsen (5 a-5 d) liegenden Punkt (d) von der Verbin dung (6) in Richtung des Punktes (d) graduell zunimmt.

9. Gleitteil aus einer Aluminiumlegierung, wobei ein Gleitabschnitt aus einer faserverstärkten Aluminiumlegierung gefertigt ist, die wenigstens eine Aluminiumfaser als ein Verstärkungsmaterial enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungsmaterial aus einer Aluminiumfaser und einer Carbonfaser besteht, daß die Alpha-Rate der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 10,0 bis 50,0%, der Volumen anteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser auf 50,0% oder weniger und der Volumenanteil bzw. -inhalt der Carbonfaser auf ei nen Wert von 20,0% oder weniger festgelegt ist.

10. Gleitteil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil bzw. -inhalt der Aluminiumfaser auf einen Wert im Bereich von 10,0-50,0% und der Volumenanteil bzw. -inhalt der Carbonfaser auf einen Wert im Bereich von 3,0 bis 12,0% festgelegt ist.

11. Gleitteil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gleitteils auf einen Wert festgelegt ist, der gleich der Hälfte des mittle ren Durchmessers der Aluminiumfaser oder geringer ist.

12. Gleitteil nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch ge kennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gleitteils auf einen Wert von 3,0 µm oder weniger festgelegt ist.

13. Gleitteil nach Anspruch 9, 10, 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Alpha-Rate auf einen Wert im Bereich von 30,0 bis 40,0% festgelegt ist.

14. Gleitteil nach Anspruch 9, 10, 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenanteil bzw. -inhalt der Alu miniumfaser auf einen Wert im Bereich von 12,0 bis 14,0% fest gelegt ist.

15. Gleitteil nach Anspruch 9, 10, 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitteil ein Zylinderblock (1) für eine Brennkraftmaschine ist, und daß der Gleit abschnitt (13) eine Innenwand einer Zylinderbohrung (4) ist.

16. Gleitteil nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderblock (1) ein Zylinderblock von einem Ver bundtyp ist, der eine mit einem Wassermantel (3) versehene äußere Zylinderblockwand (2) und einen Zylinderlaufbüchsen abschnitt (5) vom Verbundtyp mit einer dem Wassermantel (3) zugekehrten äußeren Peripherie aufweist, wobei der Zylinder büchsenabschnitt (5) vom Verbundtyp mehrere Zylinderlauf büchsen (5 a-5 d) aufweist, von denen jede eine Zylinderboh rung (4) hat und die durch Verbindungen (6) in Reihe mit einander verbunden sind.

17. Gleitteil nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicken jeweils benachbarter Zylinderlaufbüchsen (5 a-5 d) zwischen der Verbindung (6) und einem auf einer zur Richtung der angeordneten Zylinderlaufbüchsen (5 a-5 d) senkrechten diametralen Linie angeordneten Punkt von der Verbindung (6) in Richtung des Punktes (d) graduell zu nimmt.