Reibungs- und Verschleißuntersuchungen am tribologischen System Kolbenring/Aluminium-Silizium-Zylinderlaufbahn

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In der vorliegenden Arbeit wurde das Reibungs- und Verschleißverhalten im tribologischen System Kolbenring/AlSi-Zylinderlauffläche eines Verbrennungsmotors experimentell erfasst und diskutiert. Dabei handelte es sich zum einen um außermotorische Reibungs- und Verschleißmessungen an einem Kolbenring/Zylinderlauffläche-Tribometer mit Hilfe der Radio-Nuklid-Technik. Zum anderen wurden zum ersten Mal die AlSi-Zylinderlaufflächen im Rahmen der befeuerten kurbelwinkelaufgelösten Reibkraftmessungen an einem 1-Zylindermotor nach dem Floating-Liner-Prinzip untersucht. Im Fokus der Untersuchungen standen Topographien der Zylinderlaufflächen aus AlSi17Cu4Mg. Dabei wurden die Zylinderlaufflächen mit mechanisch freigelegten Primärsiliziumkristallen mit den strukturgehonten Zylinderlaufflächen verglichen. Die RNT-Verschleißanalyse an AlSi-Zylinderlaufflächen offenbarte an der mechanisch freigelegten AlSi-Zylinderlauffläche nach 90 Stunden Tribometerbetrieb ein linear ansteigendes Verschleißverhalten mit einer großen Verschleißgeschwindigkeit von 0, 75 nm/h. Die Verschleißergebnisse der strukturgehonten AlSi-Zylinderlaufflächen zeigten ein günstigeres Einlaufverhalten mit Verschleißgeschwindigkeit von 0, 39 nm/h. Die Vorteile der strukturgehonten AlSi-Zylinderlauffläche konnten auch anhand von Reibkraftuntersuchungen im 1-Zylindermotor nachgewiesen werden. Das Kolbensystem basierend auf einer mechanisch freigelegten AlSi-Zylinderlauffläche wies nach einer Einlaufzeit von 22 Stunden eine Reibmitteldruckreduktion um ca. 19 % auf. In der gleichen Zeit reduzierte sich der Reibmitteldruck im Versuch mit der strukturgehonten AlSi-Zylinderlauffläche um ca. 25 %. Das relativ hohe Reibmitteldruckniveau beim Einsatz der Zylinderlauffläche mit freigelegtem Primärsilizium deutete trotz der Stabilisierung der Reibung nach der Einlaufprozedur auf einen nicht vollständig abgeschlossenen tribologischen Einlauf hin. Weitere Hinweise auf das noch nicht eingelaufene Kolbensystem lieferten Konfokalaufnahmen mit gut sichtbarem und bis zu 0, 5 µm erhabenem Primärsilizium an der Oberfläche des Zwickelbereichs im oberen Totpunkt. Ferner zeigten die chemischen Tiefenprofile eine teilweise um 10 At.-% reduzierte Siliziumkonzentration der strukturgehonten Oberfläche und lieferten einen Hinweis für den reduzierten Scherwiderstand infolge des fehlenden Siliziums im umgeformten Oberflächenvolumen. Auch die stärkere plastische Deformation im oberflächennahen Bereich durch die Änderung der Anordnung und der Größe der Kupferausscheidungen an der strukturgehonten AlSi-Oberfläche konnte durch Focused Ion Beam-Analysen belegt werden. Mit Hilfe der gewonnenen Erkenntnisse wurde ein Reibungs- und Verschleißmodell mit Berücksichtigung des Scherwiderstands im Kontakt Kolbenring/Zylinderlauffläche vorgestellt. Dieses erleichtert das Verständnis der tribologischen Vorgänge im Kolbensystem und erlaubt eine Ableitung von Maßnahmen zur Reibungs- und Verschleißreduktion an Aluminium-Zylinderlaufbahnen.