CH659300A5

CH659300A5 - Zylinderlaufbuechse.

Info

Publication number: CH659300A5
Application number: CH1494/82A
Authority: CH
Inventors: Gerard Barbezat
Original assignee: Sulzer Ag
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1982-03-11
Publication date: 1987-01-15
Also published as: EP0102963A1; IT1160512B; IT8319944A0; PL240966A1; WO1983003261A1

Description

**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.

PATENTANSPRÜCH E
1. Zylinderlaufbüchse aus Gusseisen mit Lamellen- und/ oder Vermikular-Graphit für eine Kolbenbrennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbüchse einen Mindestdurchmesser von 200 mm und eine Mindestwandstärke von 20 mm hat. dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche aus einem karbidischen Grundgefüge mit einer Tiefe von mindestens 2 und höchstens 8 mm besteht.

2. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1 aus Gusseisen mit Lamellen- und/oder Vermikular-Graphit und einem perlitischen Gefüge, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung in Gew.%: C 2,8-3,6 P 0,01-0,5 Smax. 0,1 Si 0,5-3 Mn 0,2-1 wobei der Sättigungsgrad des Gusseisens 0,7 bis 0,95 beträgt.

3. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen zusätzlich mindestens eines der nachstehenden Elemente enthält in Gew.%: Ni 0,1-3 Cu 0,1-2 Mo 0,1-1 Sn 0,01-0,2 Cr 0,01-0,4
4. Zylinderlaufbüchse nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung in Gew.%: C 3,1 P 0,03 S 0,02 Si 1,2 Mn 0,4 Ni 0,8 Mo 0,4 Cu 1,5 wobei der Sättigungsgrad 0,79 berträgt.

5. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbüchse mit einer Aufheizgeschwindigkeit von maximal 100"C/h auf eine Temperatur zwischen 450 und 600"C vorgewärmt wird, dass die vorgewärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fortschreitend in der vorgesehenen Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes rasches Abkühlen unter den An-Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Grundgefüge wieder erstarrt wird, und dass schliesslich die Zylinderlaufbüchse mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit von 50"C/h auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Werkstücks in einem Ofen vorgenommen wird.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche mit einem Metall Inertgas-Schweissbrenner durchgeführt wird.

Die Erfindung betrift eine Zylinderlaufbüchse aus Gusseisen mit Lamellen- und/oder Vermikular-Graphit für eine Kolbenbrennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbüchse einen Mindestdurchmesser von 200 mm und eine Mindestwanddicke von 20 mm hat, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Verschleissbeanspruchungen der Zylinderlaufbüchsen von Brennkraftmaschinen werden immer grösser, da z.B. die Qualität des Brennstoffes, insbesondere bezüglich des Schwefelgehaltes und bezüglich abrasiver Rückstände nach der Verbrennung, im Laufe der Zeit immer weiter verschlechtert worden ist. Dabei wächst nicht nur die Abrasionsbeanspruchung, sondern auch, durch die Bildung von Schwefelsäure in der Verbrennungskammer z.B. bei zu tiefen Betriebstemperaturen, der Korrosionsangriff.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, den Abrasionswiderstand sowie die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schwefelsäure von Zylinderlaufbüchsen der genannten Art, insbesondere für Dieselmotoren, zu erhöhen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lauffläche aus einem karbidischen Grundgefüge mit einer Tiefe von mindestens 2 mm und höchstens 8 mm besteht;

ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lauffläche in einer Zylinderlaufbüchse ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbüchse mit einer Aufheizgeschwindigkeit von maximal 100"C/h auf eine Temperatur zwischen 450" und 600"C vorgewärmt wird, dass die vorgewärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fortschreitend in der vorgesehenen Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes rasches Abkühlen unter den An-Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Grundgefüge wieder erstarrt wird, und dass schliesslich die Zylinderlaufbüchse mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit von 50"C/h auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

Durch die rasche Erwärmung der betroffenen Teile bis über die Liquidus-Temperatur der verwendeten Legierung, d.h. bis mindestens etwa 1200"C, und die nachfolgende rasche Erstarrung und Abkühlung bis unter den Punkt An des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, also bis unter 730"C, entsteht auf der Lauffläche ein feines karbidisches, insbesondere ein ledeburitisches Gefüge; denn durch diese Behandlung wird der Kohlenstoff im geschmolzenen Tiefenbereich in Lösung gebracht. Infolge der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit und Abkühlungsgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff dann in Form von Eisenkarbid vor (Fe3C).

Aus fabrikationsteschnischen Gründen ist die Erfindung dabei auf Zylinderlaufbüchsen mit einem Durchmesser von
200 mm und grösser beschränkt; weiterhin kann die notwen dige Umschmelztiefe nur erreicht werden, wenn die Wand stärke mindestens 20 mm beträgt, da anderenfalls eine genü gend rasche Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen Tiefenbereichs nicht gewährleistet ist.

Da die Oberfläche der Zylinderlaufbüchse nach der erfin dungsgemässen Behandlung noch mechanisch bearbeitet werden muss, muss die Mindesttiefe des aufgeschmolzenen und karbidisch erstarrten Oberflächenbereichs mindestens
2 mm betragen. Die obere Grenze von 8 mm ist vor allem durch die Rissanfälligkeit betimmt; auch aus wirtschaft lichen Gründen erweist sie sich als sinnvoll.

Als vorteilhaftes Grundmaterial für eine Zylinderlauf büchse haben sich Gusseisen mit Lamellen- und/oder Vermi kular-Graphit erwiesen, deren Zusammensetzungen in
Gew.% folgende Bereiche umfassen:
C 2,8-3,6
P 0,01-0,5 Smax. 0,1 Si 0,5-3 Mn 0,2-1 wobei der Sättigungsgrad des Gusseisens 0,7 bis 0,95 beträgt.

Der Sättigungsgrad errechnet sich dabei in bekannter Weise nach der Beziehung SC= Cgesamt
4,3 - (Si/3 + P/3)
Weiterhin hat sich als günstig herausgestellt, wenn dem vorstehend genannten Gusseisen fakultativ zusätzlich mindestens eines der nachstehenden Elemente zulegiert wird in Gew.%: Ni 0,1-3 Cu 0,1-2 Mo 0,1-1 Sn 0,01-0,2 Cr 0,01-0,4
Besonders bewährt für erfindungsgemässe Laufbüchsen hat sich ein Gusseisen der Zusammensetzung (in Gew.%): C 3,1 P 0,03 S 0,02 Si 1,2 Mn 0,4 Ni 0,8 Mo 0,4 Cu 1,5
Der Sättigungsgrad dieses Gusseisens beträgt 0,79.

Das Vorwärmen - beispielsweise in einem Ofen, induktiv oder mit Hilfe einer Anzahl von Vorwärmbrennern - vor dem Aufschmelzen und das Abkühlen - vorteilhafterweise in einem Ofen - nach dem karbidischen Erstarren der aufgeschmolzenen Schicht sind in der vorgeschriebenen Weise notwendig, um Risse besonders im Übergangsbereich zwischen Grundmaterial und karbidischer Lauffläche zu vermeiden.

Als Energiequelle für das Aufschmelzen eignen sich besonders elektrische Lichtbogen, wobei Schweissbrenner - vor allem solche mit einer Wolframelektrode - mit Energiedichten von 2-6 KW/cm2 wegen der relativ einfachen Handhabung und aus wirtschaftlichen Gründen besonders geeignet sind. Da man das Aufschmelzen vorteilhafterweise unter Schutzgasatmosphäre durchführt, verwendet man als Energiequelle vorzugsweise z.B. TIG-Schweissbrenner. Es ist jedoch auch möglich, das Aufschmelzen mit Laser- oder Elektronenstrahlen durchzuführen.

Die rasche Erstarrungsabkühlung auf Temperaturen unter 730"C erfolgt an ruhender Luft, wobei - wie bereits erwähnt - die geforderte Mindestwandstärke eine genügend rasche Wärmeabfuhr gewährleistet. Das schrittweise fortschreitende örtliche Aufschmelzen erreicht man am einfachsten durch eine rotierende und/oder longitudinale Relativbewegung zwischen dem Brenner und der vorgewärmten Zylinderlaufbüchse. Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, die Zylinderlaufbüchse in axialer Richtung zeilenweise fortschreitend um den feststehenden Brenner rotieren zu lassen.

Um eine fehlerfreie Lauffläche mit karbidisch erstarrtem Grundgefüge zu erreichen, ist es weiterhin zweckmässig, die Zylinderlaufbüchse vor der erfindungsgemässen Behandlung mechanisch von der Gusshaut zu befreien. Nach der Behandlung wird die Lauffläche mechanisch in üblicher Weise fertig bearbeitet, wobei dann die karbidischen Laufflächen zwischen beispielsweise 0,5 bis 5 mm vorhanden sind. Verschleiss- und Korrosionsversuche haben ergeben, dass die Verschleissfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der neuen Zylinderlaufbüchse deutlich höher sind als bei bisherigen Zylinderlaufbüchsen aus Gusseisen mit Lamellengraphit. Beispielsweise ist die Korrosionsbeständigkeit gegenüber 80% HSO4 (bei 1700C) um einen Faktor 5 bis 10 verbessert.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die einzige Figur in einem Diagramm die Mikrohärte in Abhängigkeit vom Abstand a vom Rand, d.h. von der Oberfläche, der Lauffläche wiedergibt.

Ein Zylinder von 400 mm Innendurchmesser und 80 mm Wanddicke aus Gusseisen mit Lamellengraphit folgender chemischer Zusammensetzung in Gew.% C 3,1 ; P 0,03; S 0,02;Si l,2;Mn0,4;Ni0,8;Mo0,4;Cu 1,5;und Rest Fe, das einen Sättigungsgrad von 0,79 hat, wird langsam rotierend zunächst durch zwei Gasbrenner mit einer Aufheizgeschwindigkeit von höchstens 100"C/h überall gleichmässig auf eine Vorwärmtemperatur von 500"C vorgewärmt. In ihrem Innern ist ein TIG(Tungsten-Inert-Gas)-Schweissbrenner mit einer Wolframelektrode von 3,2 mm Durchmesser fest montiert.

An dieser Elektrode wird die Zylinderlauffläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 cm/min vorbeigeführt, wobei von der Elektrode zum Werkstück aufgrund einer Spannung U = 20,5 V ein Lichtbogen gezogen ist, in dem eine Stromstärke von I = 200 A herrscht. Durch einen Heliumstrom von 7 I/min, der aus dem Brenner austritt, wird der Aufschmelzbereich des Brennerlichtbogens in einer Schutzgasatmosphäre gehalten.

Unmittelbar hinter dem Brenner kühlt der aufgeschmolzene Bereich sofort wieder unter den Punkt Arl des Eisen Kohlenstoff-Diagramms ab.

Nach Abschluss der Umschmelzbehandlung wird die Laufbüchse in einen auf 500"C vorgeheizten Ofen gebracht und langsam mit einer maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit von 50"C/h abgekühlt.

Im vorliegenden Beispiel erreicht man auf diese Weise eine Umschmelztiefe von etwa 6 mm.

In der Figur sind für verschiedene Abstände a (in mm) von der Laufflächen-Oberfläche die Mikrohärte nach einem üblichen Verfahren gemessen und gegen diesen Abstand a aufgetragen worden. Die gemessenen Härten sind dabei in Mikro-Vickers (MV) angegeben, wobei die Messbelastung 200 g beträgt.

Die Figur zeigt den schraffierten Streubereich der gemessenen Härtewerte. Im Abstand a von 0-6 mm von der Lauffläche (Bereich 1) ergeben sich die hohen Härtewerte des karbidischen Grundgefüges; daran schliesst im Bereich 2, der in etwa 6-12 mm Tiefe oder Abstand a von der Oberfläche verläuft, eine wärmebeeinflusste Zone mit einem Vergütungsgefüge und abnehmender Mikrohärte an. Diese Zone geht auf den nächsten 2-3 mm des Abstandes a schliesslich in das perlitische Grundgefüge des Werkstoffes über, dessen Mikrohärte noch etwa die Hälfte derjenigen des karbidischen Gefüges beträgt.

Claims

PATENTANSPRÜCH E 1. Zylinderlaufbüchse aus Gusseisen mit Lamellen- und/ oder Vermikular-Graphit für eine Kolbenbrennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbüchse einen Mindestdurchmesser von 200 mm und eine Mindestwandstärke von 20 mm hat. dadurch gekennzeichnet, dass die Lauffläche aus einem karbidischen Grundgefüge mit einer Tiefe von mindestens 2 und höchstens 8 mm besteht.
2. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1 aus Gusseisen mit Lamellen- und/oder Vermikular-Graphit und einem perlitischen Gefüge, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung in Gew.%: C 2,8-3,6 P 0,01-0,5 Smax. 0,1 Si 0,5-3 Mn 0,2-1 wobei der Sättigungsgrad des Gusseisens 0,7 bis 0,95 beträgt.
3. Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen zusätzlich mindestens eines der nachstehenden Elemente enthält in Gew.%: Ni 0,1-3 Cu 0,1-2 Mo 0,1-1 Sn 0,01-0,2 Cr 0,01-0,
4 4. Zylinderlaufbüchse nach den Ansprüchen 2 und 3, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung in Gew.%: C 3,1 P 0,03 S 0,02 Si 1,2 Mn 0,4 Ni 0,8 Mo 0,4 Cu 1,5 wobei der Sättigungsgrad 0,79 berträgt.
5. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbüchse mit einer Aufheizgeschwindigkeit von maximal 100"C/h auf eine Temperatur zwischen 450 und 600"C vorgewärmt wird, dass die vorgewärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fortschreitend in der vorgesehenen Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes rasches Abkühlen unter den An-Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Grundgefüge wieder erstarrt wird, und dass schliesslich die Zylinderlaufbüchse mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit von 50"C/h auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Werkstücks in einem Ofen vorgenommen wird.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche mit einem Metall Inertgas-Schweissbrenner durchgeführt wird.

Die Erfindung betrift eine Zylinderlaufbüchse aus Gusseisen mit Lamellen- und/oder Vermikular-Graphit für eine Kolbenbrennkraftmaschine, wobei die Zylinderlaufbüchse einen Mindestdurchmesser von 200 mm und eine Mindestwanddicke von 20 mm hat, sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Die Verschleissbeanspruchungen der Zylinderlaufbüchsen von Brennkraftmaschinen werden immer grösser, da z.B. die Qualität des Brennstoffes, insbesondere bezüglich des Schwefelgehaltes und bezüglich abrasiver Rückstände nach der Verbrennung, im Laufe der Zeit immer weiter verschlechtert worden ist. Dabei wächst nicht nur die Abrasionsbeanspruchung, sondern auch, durch die Bildung von Schwefelsäure in der Verbrennungskammer z.B. bei zu tiefen Betriebstemperaturen, der Korrosionsangriff.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, den Abrasionswiderstand sowie die Korrosionsbeständigkeit gegenüber Schwefelsäure von Zylinderlaufbüchsen der genannten Art, insbesondere für Dieselmotoren, zu erhöhen. Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lauffläche aus einem karbidischen Grundgefüge mit einer Tiefe von mindestens 2 mm und höchstens 8 mm besteht;

ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lauffläche in einer Zylinderlaufbüchse ist dadurch gekennzeichnet, dass die Zylinderlaufbüchse mit einer Aufheizgeschwindigkeit von maximal 100"C/h auf eine Temperatur zwischen 450" und 600"C vorgewärmt wird, dass die vorgewärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fortschreitend in der vorgesehenen Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes rasches Abkühlen unter den An-Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Grundgefüge wieder erstarrt wird, und dass schliesslich die Zylinderlaufbüchse mit einer maximalen Abkühlgeschwindigkeit von 50"C/h auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

Durch die rasche Erwärmung der betroffenen Teile bis über die Liquidus-Temperatur der verwendeten Legierung, d.h. bis mindestens etwa 1200"C, und die nachfolgende rasche Erstarrung und Abkühlung bis unter den Punkt An des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, also bis unter 730"C, entsteht auf der Lauffläche ein feines karbidisches, insbesondere ein ledeburitisches Gefüge; denn durch diese Behandlung wird der Kohlenstoff im geschmolzenen Tiefenbereich in Lösung gebracht. Infolge der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit und Abkühlungsgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff dann in Form von Eisenkarbid vor (Fe3C).

Aus fabrikationsteschnischen Gründen ist die Erfindung dabei auf Zylinderlaufbüchsen mit einem Durchmesser von 200 mm und grösser beschränkt; weiterhin kann die notwen dige Umschmelztiefe nur erreicht werden, wenn die Wand stärke mindestens 20 mm beträgt, da anderenfalls eine genü gend rasche Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen Tiefenbereichs nicht gewährleistet ist.

Da die Oberfläche der Zylinderlaufbüchse nach der erfin dungsgemässen Behandlung noch mechanisch bearbeitet werden muss, muss die Mindesttiefe des aufgeschmolzenen und karbidisch erstarrten Oberflächenbereichs mindestens 2 mm betragen. Die obere Grenze von 8 mm ist vor allem durch die Rissanfälligkeit betimmt; auch aus wirtschaft lichen Gründen erweist sie sich als sinnvoll.

Als vorteilhaftes Grundmaterial für eine Zylinderlauf büchse haben sich Gusseisen mit Lamellen- und/oder Vermi kular-Graphit erwiesen, deren Zusammensetzungen in Gew.% folgende Bereiche umfassen: C 2,8-3,6 P 0,01-0,5 **WARNUNG** Ende CLMS Feld konnte Anfang DESC uberlappen**.