CH661476A5

CH661476A5 - Verbundzylinderlaufbuechse fuer verbrennungsmotoren.

Info

Publication number: CH661476A5
Application number: CH4116/83A
Authority: CH
Inventors: Masahiro Fukuda; Akitoshi Okabayashi
Original assignee: Kubota Ltd
Priority date: 1982-07-31
Filing date: 1983-07-27
Publication date: 1987-07-31
Also published as: DK162177C; DE3327490A1; DK348183D0; FR2531140A1; NO832761L; FR2531140B1; DE3327490C2; DK348183A; DK162177B

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Verbundzylinderlaufbüchse mit grossem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, die insbesondere für Schiffe eingesetzt werden.

Die in Verbrennungsmotoren verwendeten Zylinderlaufbüchsen müssen im wesentlichen eine hohe Verschleissfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, Festgehen bzw. Klemmen aufweisen, da die Laufbüchse gleichzeitig im Gleitkontakt mit den Kolbenringen steht und die Luftdichtigkeit sicherstellen muss. Aus diesem Grund wird üblicherweise als Material für solche Zylinderlaufbüchsen ein Spezi-algusseisen verwendet, welches die Verschleissfestigkeit verbessernde Elemente, wie Cr, B, P, V, Mo, Nb oder dergleichen enthält und ein Gefüge mit A-Graphit aufweist.

Aufgrund der jüngeren Entwicklungen im Hinblick auf die Vergrösserung und die Verminderung des Gewichts der Zylinderlaufbüchsen für Verbrennungsmotoren ist erkannt

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

3

661 476

worden, dass aus den herkömmlichen Materialien gefertigte Laufbüchsen nicht die erforderliche Festigkeit aufweisen, so dass ein Bedürfnis dafür besteht, die Festigkeit zu steigern.

Zur Steigerung der Festigkeit der Zylinderlaufbüchsen wird üblicherweise versucht, die Laufbüchse aus einem Material höherer Festigkeit herzustellen, ein Versuch, der in der Praxis im allgemeinen vergeblich ist, da andererseits die Ver-schleisseigenschaften und die Gleiteigenschaften, die die Zylinderlaufbüchse aufweisen muss, beeinträchtigt werden oder verlorengehen, wenn man ein Material höherer Festigkeit einsetzt. Es ist weiterhin versucht worden, die Wandstärke der Laufbüchse zu steigern, was jedoch dem Erfordernis der Gewichtsverminderung der Verbrennungsmaschine entgegensteht.

Bei Zylinderlaufbüchsen, die für grosse Verbrennungsmotoren verwendet werden, können die Betriebsbedingungen und die Bruchursachen der Laufbüchsen wie folgt analysiert werden:

(a) Der innere Oberflächenbereich der Zylinderlaufbüchse steht in Gleitkontakt mit den Kolbenringen, so dass hier eine hohe Verschleissfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen notwendig ist.

(b) Der Bruch der Zylinderlaufbüchse beginnt an ihrer äusseren Oberfläche.

Bei Zylinderlaufbüchsen mit relativ grosser Wandstärke ist die Bruchursache überwiegend in den hohen thermischen Spannungen zu sehen. Insbesondere ist die Innenseite der Zylinderlaufbüchse während des Verbrennungs- und Explosions-Prozesses sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, während die Aussenseite der Laufbüchse einer niedrigen Temperatur ausgesetzt ist, da der Zylinder in wirksamer Weise mit Wasser gekühlt wird. Dieser Temperaturgradient zwischen der Innenseite und der Aussenseite der Laufbüchse erzeugt thermische Spannungen, die Druckspannungen bzw. Zugspannungen in den Innenbereichen bzw. in den Aussenbereichen verursachen. Somit ist es sehr wahrscheinlich, dass Brüche an der Aussenseite der Laufbüchse beginnen.

Die äusseren Bereiche der Zylinderlaufbüchse, die für Schiffsverbrennungsmotoren verwendet werden sollen, muss daher eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen, um grosse Wandstärken der Laufbüchse zu vermeiden. Andererseits müssen normale Zylinderlaufbüchsen geringer Grösse im allgemeinen keine grosse Wandstärke besitzen und weisen daher die durch die Temperaturunterschiede verursachten Probleme nicht auf, die oben im Hinblick auf grosse Zylinderlaufbüchsen angesprochen wurden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Verbundzylinderlaufbüchse zu schaffen, welche zufriedenstellende Verschleisseigenschaften und eine gute Beständigkeit gegen Festfressen bzw. Festgehen oder Klemmen auf der Innenseite aufweist und eine zufriedenstellende Festigkeit und Duktilität auf der Aussenseite besitzt.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die Verbundzylinderlaufbüchse gemäss Anspruch 1. Die abhängigen Ansprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegenstandes.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Verbundzylinderlaufbüchse mit grossem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Laufbüchse 1 zwei Schichten umfasst, nämlich eine Aussenschicht 2 aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und eine Innenschicht 3 aus einem Spezialgusseisen mit hoher Verschleissfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, wobei die Aussenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen an der Grenzfläche miteinander verbunden sind. Infolgedessen hat die erfindungsgemässe Zylinderlaufbüchse die erforderliche Festigkeit, ohne dass die Verschleisseigenschaften und die Gleiteigenschaften bzw. die Beständigkeit gegen Festfressen beeinträchtigt werden, die eine solche Laufbüchse im allgemeinen aufweisen muss.

Gemäss einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse aus Gusseisen mit Kugelgraphit mit einem Gefüge aus Kugelgraphit und einer Matrix, die überwiegend Perlit umfasst.

Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zufolge besteht die Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse aus Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit bzw. Gusseisen mit Pseudo-Kugelgraphit mit einem Gefüge aus verdichtetem Vermiculargraphit und einer Matrix, die überwiegend Perlit umfasst.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse aus Stahlguss mit Kugelgraphit mit einem Gefüge aus Kugelgraphit und einer Matrix, die überwiegend Perlit umfasst.

Weiterhin kann erfmdungsgemäss eine Zwischenschicht zwischen der Aussenschicht und der Innenschicht angeordnet werden und einen dreischichtigen Aufbau mit verbesserten Eigenschaften ergeben, wobei die äusseren und inneren Schichten integral miteinander verbunden sind.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse mit zweischichtigem Aufbau;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau;

Fig. 3 bis 6 Photographien, die das Mikrogefüge des Beispiels Nr. 1 von Tabelle I verdeutlichen, wobei die Fig. 3 und 4 das Mikrogefüge (mit einer Vergrösserung von 50 bzw. 400) des Materials der Aussenschicht und die Fig. 5 und 6 das Mikrogefüge (mit einer Vergrösserung von 50 bzw. 400) des Materials der Innenschicht zeigen;

Fig. 7 bis 10 Photographien, die das Mikrogefüge des Beispiels Nr. 6 der Tabelle III verdeutlichen, wobei die Fig. 7 und 8 das Mikrogefüge (mit einer Vergrösserung von 50 bzw. 400) des Materials der Aussenschicht und die Fig. 9 und 10 das Mikrogefüge (mit einer Vergrösserung von 50 bzw. 400) des Materials der Innenschicht zeigen; und

Fig. 11 eine Kurvendarstellung, die die Härteverteilung der in der Tabelle V angegebenen Beispiele der Nr. 11 und 12 verdeutlicht.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Aufbaus der erfindungsgemässen Verbundzylinderlaufbüchse. Die Laufbüchse 1 umfasst eine Aussenschicht 2 und eine Innenschicht 3, wobei die Aussenschicht 2 eine hohe Zähigkeit oder hohe Festigkeit und Duktilität aufweist, wie es nachfolgend erläutert werden wird, und aus Gusseisen mit Kugelgraphit, Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit oder Stahlguss mit Kugelgraphit besteht, während die Innenschicht 3 eine hohe Verschleissfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen aufweist und aus einem üblicherweise verwendeten Spezialgusseisen besteht. Die Aussenschicht und die Innenschicht sind metallurgisch durch Verschmelzen an den Grenzflächen miteinander verbunden.

Die erfindungsgemässe Verbundzylinderlaufbüchse kann mit Hilfe eines Schleudergiessverfahrens hergestellt werden. Hierbei werden zunächst die geschmolzenen Materialien für die Aussenschicht in eine sich drehende Form eingebracht und zu der Aussenschicht vergossen, wonach das geschmolzene Material für die Innenschicht in entsprechender Zeitabhängigkeit vergossen wird, so dass man die Zylinderlaufbüchse erhält, bei der die beiden Schichten metallurgisch miteinander verbunden sind.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

661476

4

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, bildet sich wahrscheinlich eine Schmelzschicht (Zwischenschicht) 5 mit einer gemischten Zusammensetzung zwischen der der Aussenschicht 2 und der der Innenschicht 3, da die Materialien der Aussenschicht und der Innenschicht unter Bildung eines integral vereinigten Körpers miteinander verschmolzen sind. An der Grenzfläche der aneinander angrenzenden Schichten dringen die Legierungselemente des Materials der Aussenschicht unvermeidbar in die Innenschicht 3 ein, wenn man die Innenschicht unter Ausbildung eines zweischichtigen Aufbaus mit der Aussenschicht 2 verschmilzt. Um die Eigenschaften der integral miteinander verbundenen Innenschicht und Aussenschicht weiterhin zu verbessern, ist es weiterhin möglich, eine dreischichtige Verbundzylinderlaufbüchse zu bilden, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, bei der eine Zwischenschicht 4 zwischen der Aussenschicht 2 und der Innenschicht 3 vorgesehen ist, die nachfolgend näher erläutert werden wird. Dabei kann man die Zylinderlaufbüchse mit einer Zwischenschicht zwischen der Innenschicht und der Aussenschicht in der oben beschriebenen Weise ebenfalls unter Anwendung eines Schleudergiessverfahrens herstellen, indem man bei Anwendung eines entsprechenden Zeitprogramms die geschmolzenen Giessmaterialien nacheinander vergiesst.

Für die Durchführung des Schleudergiessverfahrens kann man die Form beliebig horizontal, geneigt oder senkrecht anordnen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen für geeignete Materialien zur Bildung der Aussenschicht der erfindungsgemässen Verbundzylinderlaufbüchse näher erläutert.

Die Aussenschicht, die eine hohe Zähigkeit oder hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität aufweist, wird aus einem Material gebildet, welches aus der Gruppe ausgewählt ist,

die

(i) Gusseisen mit Kugelgraphit,

(ii) Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit (com-pacted vermicular graphite cast iron) bzw. Gusseisen mit Pseudo-Kugelgraphit und

(iii) Stahlguss mit Kugelgraphit umfasst. Die Materialien werden nachfolgend einzeln näher erläutert. Die nachfolgend angegebenen Mengen sind sämtlich auf das Gewicht bezogen (Gew.-%).

(i) Gusseisen mit Kugelgraphit

Das zur Bildung der Aussenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse geeignete Gusseisen mit Kugelgraphit enthält 2,8 bis 4,0% C, 1,5 bis 3,5% Si, 0,2 bis 1,0% Mn, bis zu 0,3% P, bis zu 0,04% S, 0,03 bis 0,1% Mg und unvermeidbare Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fe, wobei dieses Gusseisen Kugelgraphit und eine Perlitmatrix aufweist (wobei eine geringe Menge kristallinen Zementits zulässig ist). Zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen können gewünschtenfalls eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe, die bis zu 2,5% Ni, bis zu 0,8% Cr, bis zu 0,6% Mo, bis zu 0,05% Seltene Erdelemente, bis zu 0,3% Sn und bis zu 1,0% Cu umfasst, in das Gusseisen eingearbeitet werden.

Im folgenden sei die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung dieses Gusseisens näher erläutert.

C: 2,8 bis 4,0%

Wenn der C-Gehalt weniger als 2,8% beträgt, besitzt das Material einen hohen Schmelzpunkt und erfordert somit hohe Schmelztemperaturen und zeigt ein schlechtes Giess-verhalten, was zu einer gesteigerten Kristallisation von Ze-mentit führt, wodurch das Material versprödet. Wenn jedoch mehr als 4,0% C vorhanden sind, können Gussfehler auftreten.

Si: 1,5 bis 3,5%

Si fördert die Kristallisation des Graphits. Bei einem Si-Gehalt von weniger als 1,5% ergibt sich eine Steigerung der Menge des kristallinen Zementits, wodurch das Material spröde wird. Wenn der Si-Gehalt 3,5% übersteigt, wird die Matrix ferritisch, was die Dehngrenze verschlechtert, wobei weiterhin das Element Si in Form einer festen Lösung in dem Ferrit enthalten ist, wodurch der Ferrit als solcher versprödet.

Mn: 0,2 bis 1,0%

Mn vereinigt sich im allgemeinen mit S und beseitigt dessen schädliche Effekte und stabilisiert die Perlitmatrix und führt damit zu einer erhöhten Festigkeit des Materials.

Wenn der Gehalt weniger als 0,2% beträgt, kann dieser günstige Effekt nicht erreicht werden. Wenn die Menge 1,0% übersteigt, wird das Material andererseits spröde.

P: bis zu 0,3%

P erhöht die Fliessfähigkeit der Schmelze, bildet jedoch ein Phosphoreutektikum in dem Material, wodurch dieses spröde wird. Wenngleich die Fliessfähigkeit mit zunehmendem P-Gehalt ansteigt, sollte die Obergrenze bei 0,3% festgelegt werden, um nachteilige Effekte zu vermeiden. Je geringer der P-Gehalt, um so grösser ist die Festigkeit und die Duktilität des Materials, wobei es aus wirtschaftlichen Gründen schwierig ist, in der Praxis den P-Gehalt auf 0,01% oder weniger zu vermindern.

S: bis zu 0,04%

S ist im allgemeinen ebenso wie P als Verunreinigungselement anzusehen und beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften. S inhibiert auch die Kugelformbildung des Graphits und ist daher auf eine Menge von 0,04% begrenzt.

Mg: 0,03 bis 0,1%

Mg fördert die Kugelbildung des Graphits. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 0,03% wird jedoch dieser Effekt nicht in ausreichendem Masse erreicht. Wenn andererseits mehr als 0,1% Mg vorhanden sind, verursacht dies Abkühlprobleme, kann Schlacke und Gussfehler erzeugen und ist daher nachteilig.

Das Gusseisen mit Kugelgraphit, welches die Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse bildet, enthält, wie oben erwähnt, im wesentlichen C, Si, Mn, P,S, Mg und andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als Rest.

Zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen können gewünschtenfalls zu einer weiteren Verbesserung der Materialeigenschaften bis zu 2,5% Ni, bis zu 0,8% Cr, bis zu 0,6% Mo, bis zu 0,05% Seltene Erdelemente, bis zu 0,3% Sn oder bis zu 1,0% Cu in das Gusseisen mit Kugelgraphit eingearbeitet werden.

Ni: bis zu 2,5%

Ni fördert die Graphitbildung und die Verstärkung der Matrix. Wenn seine Menge jedoch 2,5% übersteigt, lässt sich keine weitere Steigerung des Effekts mehr erreichen, so dass dies wirtschaftlich nachteilig ist. Andererseits können gehärtete Gefüge (Bainit, Martensit) und nichtumgewandelte Gefüge auftreten, was zu einer Versprödung des Materials führt.

Cr: bis zu 0,8%

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn die Cr-Menge jedoch mehr als 0,8% beträgt, kristallisiert Zementit ausserhalb der Steuerung durch den C- und Si-Gehalt, so dass das Material spröde wird und nicht mehr für die Aussenschicht geeignet ist.

5

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

5

661 476

Mo: bis zu 0,6%

Mo verstärkt die Matrix. Wenn die Menge des Materials jedoch mehr als 0,6% beträgt, lässt dieser Effekt nach, so dass grössere Mengen wirtschaftlich nachteilig sind. Weiterhin kann das Material härter und spröde werden. Die Obergrenze des Mo-Gehalts beträgt daher 0,6%.

Seltene Erdelemente: bis zu 0,05%

Wenn Seltene Erdelemente zusammen mit Mg eingesetzt werden, bewirken sie die Kugelbildung des Graphits und steigern die Festigkeit des Materials. Die Obergrenze dieser Elemente sollte bei 0,05% liegen, da grössere Mengen dieser Elemente keine weitere Steigerung des Effekts auf das Material ausüben.

Sn: bis zu 0,3%

In Abhängigkeit von den Giessbedingungen kann das oben beschriebene Material für die Aussenschicht einen übermässigen Anteil von Ferrit in der Matrix aufweisen und daher verschlechterte Eigenschaften im Hinblick auf die Dehngrenze und die Ermüdungsbeständigkeit zeigen. Zur Überwindung solcher Probleme kann Sn in einer Menge von bis zu 0,3% in das Material eingearbeitet werden, um den Perlit zu stabilisieren. Es wird jedoch keine weitere Steigerung des Effekts erreicht, wenn grössere Sn-Mengen vorhanden sind.

. Cu: bis zu 1,0%

Cu kann aus den gleichen Gründen wie Sn in einer Menge von bis zu 1,0%) in dem Material enthalten sein.

Das Animpfen ist im allgemeinen zur Verfeinerung des Giessgefüges und zur Förderung der Graphitbildung wirksam. Somit kann man durch Animpfen ein feineres Gefüge mit gleichmässig verteiltem Graphit bilden. Zu diesem Zweck ist es geeignet, das Material mit 0,05 bis 1,0% Si an-zuimpfen, da bei einer Si-Menge von weniger als 0,05% der günstige Impfeffekt nicht erreicht werden kann, während bei einem Gehalt von 1,0% keine weitere Steigerung des Effekts mehr möglich ist. Als geeignete Impfmittel sind beispielsweise CaSi und FeSi geeignet. Wenn ein solcher Impfvorgang durchgeführt wird, wird der kombinierte Si-Gehalt des Materials auf den oben angesprochenen Bereich von 1,5 bis 3,5% eingestellt.

Mikroskopisch zeigt das Gefüge des oben beschriebenen Gusseisens mit Kugelgraphit Kugelgraphit und eine Matrix, die überwiegend aus Perlit besteht. Eine geringe Menge Zementit kann in dem Gefüge ausgeschieden sein, wobei dieser Zementit jedoch das Material spröde macht und daher erfin-dungsgemäss in einer möglichst geringen Menge gebildet werden sollte. Im Hinblick auf die Dehngrenze und die Ermüdungsbeständigkeit sollte die Matrix aus Perlit bestehen, wobei die erwünschten Eigenschaften um so besser sind, je geringer der Ferritgehalt ist. Wenn teilweise Bainit oder Martensit gebildet werden, so führt dies eher zu einer Verstärkung des Materials als zu einer unerwünschten Versprö-dung des Materials. Zur Erzeugung von Bainit oder Martensit in der Matrix ist es notwendig, dem Material eine Reihe von Legierungselementen zuzusetzen oder eine spezielle Wärmebehandlung durchzuführen, was in beiden Fällen aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig ist. Wenn Bainit oder Martensit in übermässig grossen Mengen gebildet werden, wird das Material jedoch spröde und kann nicht in der angestrebten Weise für grosse Zylinderlaufbüchsen verwendet werden.

(ii) Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit oder Pseudo-Kugelgraphit Das für die Aussenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse geeignete Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit enthält 2,8 bis 4,0% C, 1,0 bis 3,0% Si, 0,2 bis 1,0% Mn, bis zu 0,3% P, bis zu 0,06% S, 0,01 bis 0,05% Mg und andere unvermeidbare Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fe, wobei dieses Gusseisen ein Gefüge mit verdichtetem Vermiculargraphit und einer Matrix aus überwiegend Perlit umfasst (wobei eine geringe Menge kristallisierten Zementits zulässig ist). Zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen können gewünschtenfalls eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe, die bis zu 2,5% Ni, bis zu 0,8% Cr, bis zu 0,6% Mo, bis zu 0,05% Seltene Erdelemente, bis zu 0,3% Sn, bis zu 1,0% Cu und bis zu 0,1% Ti umfasst, in das Gusseisen eingearbeitet werden.

Die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung des Gusseisens sei im folgenden lediglich für Si, S, Mg und Ti erläutert, da die Signifikanz der anderen chemischen Bestandteile und deren Mengen bereits im vorausgehenden Abschnitt erläutert wurden, der sich mit der Verwendung von Gusseisen mit Kugelgraphit als Material für die Aussenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse befasst.

Si: 1,0 bis 3,0%

Si fördert die Kristallisation des Graphits. Bei einer Si-Menge von weniger als 1,0% führen gesteigerte Mengen von kristallinem Zementit zu einer Versprödung des Materials. Bei einer Menge von mehr als 3,0% nimmt die Matrix ein ferritisches Gefüge an, wodurch die Dehngrenze verschlechtert wird und darüber hinaus eine Versprödung des Materials dadurch bewirkt wird, dass das Si in Form einer festen Lösung in den Ferrit eingebracht wird.

S: bis zu 0,06%

S wird im allgemeinen ebenso wie P als ein Verunreinigungselement angesehen. S verschlechtert die mechanischen Eigenschaften und ist daher auf eine Höchstmenge von 0,06% begrenzt.

Mg: 0,01 bis 0,05%

Mg ist zur Bildung des verdichteten Vermiculargraphits nützlich. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 0,01% wird die Form des Graphits flockig, wodurch die Festigkeit des Materials verschlechtert wird. Es ist jedoch nicht notwendig, dass das Material mehr als 0,05% Mg enthält. Vielmehr diffundiert dann, wenn übermässige Mengen Mg vorhanden sind, das Magnesium in die Innenschicht und führt zu einer Änderung der Eigenschaften des Materials der Innenschicht. Demzufolge ist bei dem erfindungsgemäss verwendeten Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit oder Pseudo-kugelgraphit die Obergrenze des Mg-Gehalts auf 0,05% festgelegt.

Das zur Ausbildung der Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse verwendete Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit enthält, wie oben bereits erwähnt wurde, als Hauptbestandteile C, Si, Mn, P, S, Mg und andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als Rest.

Neben den oben angesprochenen Bestandteilen kann man gewünschtenfalls bis zu 2,5% Ni, bis zu 0,8% Cr, bis zu 0,6% Mo, bis zu 0,05% Seltene Erdelemente, bis zu 0,3% Sn, bis zu 1,0% Cu oder bis zu 0,1% Ti in das Gusseisen einarbeiten, um die Materialeigenschaften in gleicher Weise zu verbessern, wie es oben bereits im Hinblick auf das Gusseisen mit Kugelgraphit beschrieben wurde. Die Signifikanz solcher ausgewählter Elemente wurde bereits im Hinblick auf die Verwendung von Gusseisen mit Kugelgraphit als Material für die Aussenschicht erläutert, mit Ausnahme des Elements Ti. Demzufolge wird lediglich das Element Ti im folgenden näher erläutert.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

661476

Ti: bis zu 0,1%

In Abhängigkeit von den Giessbedingungen kann das oben angesprochene Material zur Ausbildung der Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse ein Gefüge mit Kugelgraphit aufweisen. Natürlich ist ein Kugelgraphitgefüge als Material für die Aussenschicht der Laufbüchse geeignet, wie es oben bereits näher erläutert wurde. Um einen verdichteten Vermiculargraphit zu bilden, ist Ti geeignet, da es die Kugelbildung des Graphits inhibiert. Wenn jedoch Ti in zu grossen Mengen eingesetzt wird, kann flockiger Graphit auskristallisieren, so dass die Maximalmenge von Ti auf 0,1 % begrenzt ist.

Ebenso wie im Fall des Gusseisens mit Kugelgraphit ist zur Verfeinerung des Gefüges und zur Förderung der Graphitbildung ein Animpfen wirksam. Somit kann man durch Animpfen ein Material mit feinerem Gefüge, in dem der Graphit gleichmässig verteilt ist, bilden. Dazu ist es geeignet, das Material mit 0,05 bis 1,0% Si anzuimpfen. Als Beispiele für geeignete Impfmittel können CaSi und FeSi genannt werden. Die Si enthaltenden Bestandteile werden derart eingestellt, dass das angeimpfte Material 1,0 bis 3,0% Si enthält.

Mikroskopisch umfasst das Gefüge aus dem Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit verdichteten Vermiculargraphit oder vermicularen Graphit und eine überwiegend Perlit umfassende Matrix. Eine geringe Menge Zementit kann in der struktur kristallisiert vorliegen, dabei sollte jedoch der Zementit, der das Material spröde macht, erfin-dungsgemäss in der geringstmöglichen Menge vorhanden sein. Vorzugsweise besteht die Matrix im Hinblick auf die Dehngrenze und die Ermüdungsfestigkeit aus Perlit, wobei die Eigenschaften um so besser sind, je geringer der Ferritgehalt ist. Bainit oder Martensit tragen, wie sie zum Teil gebildet werden, eher zur Verstärkung des Materials als zur Versprödung des Materials bei. Zur Erzeugung von Bainit oder Martensit in der Matrix ist es notwendig, dem Material eine Reihe von Legierungselementen zuzusetzen oder eine spezielle Wärmebehandlung durchzuführen, was aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig ist. Wenn jedoch Bainit und Martensit in übermässig grossen Mengen gebildet werden, wird das Material spröde und kann daher nicht in der angestrebten Weise für grosse Zylinderlaufbüchsen verwendet werden.

(iii) Stahlguss mit Kugelgraphit Der zur Ausbildung der Aussenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse geeignete Stahlguss mit Kugelgraphit enthält 1,0 bis 2,0% C, 0,6 bis 3,0% Si, 0,2 bis 1,0% Mn, bis zu 0,1% P, bis zu 0,1% S und andere übliche Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fe, wobei der Stahlguss ein Gefüge mit annäherndem Kugelgraphit und einer Matrix aus überwiegend Perlit umfasst (wobei eine geringe Menge kristallinen Zementits zulässig ist). Neben den oben angesprochenen Bestandteilen kann man eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe, die bis zu 2,5% Ni, bis zu 1,0% Cr, bis zu 1,0%) Mo und Ti, Al und Zr in einer kombinierten Gesamtmenge von bis zu 0,1% umfasst, gewünschtenfalls in den Stahlguss einarbeiten.

Die Wirkung der chemischen Zusammensetzung des Stahlgusses sei im folgenden näher erläutert.

C: 1,0 bis 2,0%

Wenn das Material weniger als 1,0% C enthält, steigt der Schmelzpunkt stark an, so dass höhere Temperaturen für das Schmelzen und Vergiessen notwendig sind, was die Kosten steigert, während bei einem C-Gehalt von mehr als 2,0% eine Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass der graphit nicht kugelförmig wird, was die Zähigkeit verschlechtert.

Si: 0,6 bis 3,0%

Si steht in inniger Beziehung zu der Kristallisation des Graphits. Wenn weniger als 0,6% Si vorhanden sind, ist es schwierig, eine Kristallisation des Graphits zu bewirken, während bei einer Si-Menge von mehr als 3,0% das in der Matrix in Form einer festen Lösung enthaltene Si eine bemerkenswerte Neigung dafür besitzt, das Material zu verspröden.

Mn: 0,2 bis 1,0%

Mn kombiniert sich mit S und beseitigt die nachteiligen Wirkungen von S. Dieser Effekt kann nicht erreicht werden, wenn Mn in einer Menge von weniger als 0,2% vorhanden ist, während das Material dann härter und spröder wird, wenn es mehr als 1,0% Mn enthält.

P: bis zu 0,1%

P erhöht die Fliessfähigkeit der geschmolzenen Materialien, versprödet jedoch das Material, so dass seine Gesamtmenge auf 0,1 % begrenzt ist.

S: bis zu 0,1%

Ebenso wie P führt S zu einer Versprödung des Materials, so dass seine Maximalmenge 0,1% beträgt.

Der Stahlguss mit Kugelgraphit, der die Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse bildet, enthält im wesentlichen die oben angesprochenen Bestandteile sowie andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als Rest.

Neben den oben angesprochenen Bestandteile kann man zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften des Materials noch die folgenden Bestandteile in den Stahlguss mit Kugelgraphit zur Bildung der Aussenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse einarbeiten:

Ni: bis zu 2,5%

Ni fördert die Graphitbildung und die Verstärkung der Matrix. Wenn jedoch seine Menge 2,5% übersteigt, kann keine weitere Verbesserung des Effekts erreicht werden und ist damit wirtschaftlich nachteilig. Weiterhin kann ein gehärtetes Gefüge aus Bainit oder Martensit oder ein Nichtum-wandlungsgefüge auftreten, was zu einer Versprödung des Materials führt.

Cr: bis zu 1,0%

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn die Cr-Menge jedoch mehr als 1,0% beträgt, ist es nicht wahrscheinlich, dass der Graphit kristallisiert, so dass eine Beeinträchtigung der Festigkeit und der Duktilität des Materials verursacht wird.

Mo: bis zu 1,0%

Ebenso wie Ni stellt Mo ein wichtiges Element zur Sicherstellung der Festigkeit und der Duktilität dar. Die Verwendung von mehr als 1,0% Mo macht jedoch das Material andererseits härter und spröde.

Ti, Al und Zr: in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 % Wenn eines oder mindestens zwei dieser Elemente in den Stahlguss mit Kugelgraphit eingearbeitet werden, kann das Material frei von Hohlräumen vergossen werden, so dass sich Gussstücke mit grösserer Qualität ergeben. Da diese Elemente sämtlich starke Desoxidationsmittel darstellen, führt die Anwendung dieser Elemente im Überschuss zu einer übermässigen Oxidation, was das Fliessen des Materials in geschmolzenem Zustand beeinträchtigt. Diese Elemente sind daher auf eine Gesamtmenge von bis zu 0,1% begrenzt.

Auch im Fall des Stahlgusses mit Kugelgraphit ist das Animpfen dazu geeignet, das Gefüge feiner zu machen und

6

5

10

IS

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

7

661 476

die Graphitbildung zu fördern. Hierzu ist es geeignet, das Material mit 0,1 bis 1,0% Si anzuimpfen. Beispiele für geeignete Impfmittel sind CaSi und FeSi. Wenn ein Animpfvor-gang durchgeführt wird, wird der gesamte Si-Gehalt des Materials auf den oben angesprochenen Bereich von 0,6 bis 3,0% eingestellt.

Mikroskopisch umfasst der Stahlguss mit Kugelgraphit annähernd kugelförmigen Graphit und eine Perlitmatrix, wobei geringe Mengen freien Zementits enthalten sein können. Erfindungsgemäss ist es jedoch bevorzugt, die Ausscheidung des Zementits möglichst gering zu machen, da Zementit spröde ist. Die Matrix sollte überwiegend aus Perlit bestehen und kann zum Teil Ferrit, Bainit, Martensit oder Restaustenit enthalten. Es ist auch möglich, gewünschtenfalls Ferrit in der Matrix auszuscheiden, da Ferrit gute Wirkungen im Hinblick auf die Festigkeit und die Duktilität ausübt. Der Gehalt an Bainit, Martensit oder Restaustenit sollte jedoch möglichst niedrig sein, da sie die Materialeigenschaften beeinträchtigen.

Bei der erfindungsgemässen Verbundzylinderlaufbüchse kann als Material für die Innenschicht das üblicherweise verwendete Spezialgiesseisen eingesetzt werden, welches die notwendigen Eigenschaften im Hinblick auf das Verschleissver-halten und die Beständigkeit gegen Festgehen bzw. Festfressen aufweist.

Die erfindungsgemässe Verbundzylinderlaufbüchse sollte einer Entspannungs-Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 600 °C unterworfen werden, um die restlichen Spannungen nach dem Vergiessen zu beseitigen. Wenngleich zur Verbesserung der Festigkeit und der

Duktilität des Materials für die Aussenschicht eine Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb des Transformationspunkts Ai wirksam ist, sollte eine solche Behandlung vermieden werden, da es im Hinblick auf die Kosten nachtei-5 lig ist und auch die Eigenschaften des Materials zur Ausbildung der Innenschicht beeinträchtigen kann.

Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

io Ausführungsform A

Die Ausführungsform A umfasst bevorzugte Beispiele, bei denen als Material zur Bildung der Aussenschicht Gusseisen mit Kugelgraphit verwendet wird. Die zweischichtigen Zylinderlaufbüchsen werden mit Hilfe eines Schleudergiess-i5 Verfahrens mit horizontaler Form unter Anwendung der folgenden Giessbedingungen hergestellt:

20

Innendurchmesser der Gussform: Gussdicke der Aussenschicht: Gussdicke der Innenschicht:

720 mm 90 mm 60 mm

Die chemische Zusammensetzung der Materialien für die Innenschicht und die Aussenschicht der Zylinderlaufbüchse sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben. Die Beispiele der Nr. 1 bis 3 stellen erfindungsgemässe Laufbüchsen dar. 25 während die Beispiele der Nr. 4 und 5 Vergleichslaufbüchsen betreffen, deren chemische Zusammensetzung der Aussenschicht ausserhalb des erfindungsgemäss definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das Material des Beispiels Nr. 4 eine geringere Menge Si, während das Material des Beispiels 30 Nr. 5 eine zu grosse Menge Mo enthält.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.-%)

Nr.

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Mg

Sn V

B

1

Ausenschicht Innenschicht

2,92 3,08

3,11 1,22

0,38 0,81

0,032 0,381

0,003 0,012

__

0,038

_ _

0,032

2

Aussenschicht Innenschicht

3,82 2,92

1,78 1,53

0,61 0,77

0,078 0,511

0,021 0,068

2,08

0,21 0,37

0,48

0,059

_ _

-

3

Aussenschicht Innenschicht

3,28 3,21

2,62 1,38

0,88 0,91

0,102 0,235

0,011 0,022

0,18

0,05 0,23

0,08

0,071

0,201

-

4

Aussenschicht Innenschicht

3,42 3,03

1,26 1,46

0,62 0,86

0,010 0,408

0,002 0,052

1,26

0,32

0,06

0,066

0,052 -

0,041

5

Aussenschicht Innenschicht

3,02 3,20

3,26 1,52

0,88 0,98

0,002 0,230

0,013 0,077

1,85 0,12

0,21 0,31

0,82 0,02

0,052

0,245

-

(Rest im wesentlichen Fe)

Bemerkung: Das Symbol (—) bedeutet, dass keine spezifische Menge dieses Bestandteils enthalten ist.

Das Mikrogefüge des Materials des Beispiels Nr. 1 der obigen Tabelle I ist in den Fig. 3 bis 6 dargestellt. Insbesondere zeigen die Fig. 3 und 4 das Mikrogefüge (mit 50-facher bzw. 400-facher Vergrösserung) des Materials der Aussenschicht, während die Fig. 5 und 6 das Mikrogefüge (mit einer 50-fachen bzw. 400-fachen Vergrösserung) des Materials der Innenschicht zeigen.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, dass die Graphitkörnchen gut abgerundet sind. Daher besitzt das Material eine hohe Festigkeit mit geringstem Kerbeffekt. Die Fig. 4 verdeutlicht das Gefüge mit feinverteiltem Perlit.

Die mechanischen Eigenschaften der Aussenschicht der oben angesprochenen Verbundzylinderlaufbüchse sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.

55 Tabelle II

Beispiel Nr. Zufgestigkeit Dehnung (%)

(kg/mm2)

60 1 52,2 6,09

2 63,8 1,80

3 58,2 2,53

4 45,6 0,33

5 60,4 0,38

Aus der Tabelle II geht hervor, dass die Laufbüchsen der Vergleichsbeispiele der Nr. 4 und 5 den erfindungsgemässen Laufbüchsen unterlegen sind. Insbesondere führt bei dem

65

661476

8

Beispiel Nr. 4 der kristallisierte Zementit zu Problemen im Hinblick auf die Festigkeit und die Duktilität. Bei dem Material des Beispiels Nr. 5 sind Bainit und Martensit in übermässigem Umfang in der Matrix enthalten, was zu einer Versprödung des Materials führt.

Ausführungsform B

Die Ausführungsform B umfasst bevorzugte Beispiele, bei denen als Material zur Bildung der Aussenschicht Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit bzw. Gusseisen mit Pseudo-Kugelgraphit verwendet wird. Die zweischichtiDie Mikrogefüge des Beispiels Nr. 6 der Tabelle III sind in den Fig. 7 bis 10 dargestellt. Insbesondere zeigen die Fig. 7 und 8 das Mikrogefüge (bei einer 50-fachen bzw. 400-fachen Vergrösserung) des Materials der Aussenschicht, während die Fig. 9 und 10 das Mikrogefüge (mit einer 50-fachen bzw. 400-fachen Vergrösserung) des Materials der Innenschicht zeigen. Es ist aus der Fig. 7 zu erkennen, dass das Graphit in verdichteter vermicularer Form gebildet wird. Im Hinblick auf den Kerbeffekt ist verdichteter Vermiculargraphit dem Kugelgraphit gemäss der Ausführungsform A unterlegen, jedoch einem flockigen Graphit, wie er allgemein in üblichem Gusseisen vorliegt, überlegen. Die Fig. 8 verdeutlicht das Gefüge mit feinverteiltem Perlit.

Die mechanischen Eigenschaften der Aussenschicht der oben beschriebenen Verbundzylinderlaufbüchse sind in der folgenden Tabelle IV angegeben.

Tabelle IV

Beispiel Nr. Zugfestigkeit Dehnung (%)

(kg/mm2)

6 37,2 2,04

7 45,8 0,92

8 41,3 1,22

9 32,5 0,38

10 52,3 0,45

gen Zylinderlaufbüchsen werden in gleicher Weise gebildet wie bei der Ausführungsform A. Die chemische Zusammensetzung der Innenschichten und der Aussenschichten der Zylinderlaufbüchse sind in der nachfolgenden Tabelle III ange-s geben. Die Beispiele der Nr. 6 bis 8 stellen erfindungsgemässe Laufbüchsen dar, während die Beispiele der Nr. 9 und 10 Vergleichslaufbüchsen betreffen, deren chemische Zusammensetzung der Aussenschichten ausserhalb des erfindungsgemäss definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das io Material des Beispiels Nr. 9 eine zu geringe Menge C, während das Material des Beispiels Nr. 10 eine zu grosse Menge Ni aufweist.

,038

,021 ,036

Die Tabelle IV lässt erkennen, dass die Vergleichslauf-40 büchsen der Beispiele der Nr. 9 und 10 insbesondere im Hinblick auf die Dehnungseigenschaften unterlegen sind, ebenso wie im Fall der obigen Beispiele der Nr. 4 und 5. Dies bedeutet, dass das Material des Beispiels Nr. 9 eine übermässig grosse Menge Zementit enthält, während das Material des 45 Beispiels Nr. 10 eine zu grosse Menge Bainit und Martensit in der Matrix aufweist.

so Ausführungsform C

Die Ausführungsform C umfasst bevorzugte Beispiele, bei denen als Material zur Bildung der Aussenschicht ein Stahlguss mit Kugelgraphit eingesetzt wird. Die zweischichtigen Zylinderlaufbüchsen werden in gleicher Weise gebildet 55 wie im Falle der Ausführungsform A. Die chemischen Zusammensetzungen der Innenschichten und Aussenschichten der Zylinderlaufbüchsen sind in der nachfolgenden Tabelle V angegeben. Die Beispiele der Nr. 11 und 12 betreffen erfindungsgemässe Laufbüchsen, während die Beispiele der 60 Nr. 13 und 14 Vergleichslaufbüchsen betreffen, deren chemische Zusammensetzung der Aussenschicht ausserhalb des erfindungsgemäss definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das Material des Beispiels Nr. 13 eine zu grosse Menge Cr, während das Material des Beispiels Nr. 14 eine zu grosse 65 Menge Mn und Ni enthält.

Die Härteverteilung der Verbundzylinderlaufbüchsen mit der chemischen Zusammensetzungen der Beispiele 11 und 12 der Tabelle V sind in der Fig. 11 dargestellt.

. Tabelle III

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.-%)

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Mg

Ti

V

Aussenschicht

3,08

2,71

0,47

0,042

0,004

0,11

0,07

_

0,027

_

Innenschicht

3,12

1,29

0,86

0,325

0,036

-

Aussenschicht

3,77

1,98

0,81

0,015

0,016

1,89

0,68

0,51

0,041

0,038

_

Innenschicht

2,81

1,66

0,91

0,500

0,051

-

0,41

-

Aussenschicht

3,48

1,30

0,31

0,138

0,036

_

—

0,08

0,019

_

Innenschicht

3,30

1,52

0,77

0,208

0,022

-

0,19

-

0,170

Aussenschicht

2,42

1,88

0,56

0,028

0,012

1,01

0,25

0,31

0,018

-

Innenschicht

3,20

1,09

0,81

0,320

0,070

0,16

0,20

0,12

-

Aussenschicht

3,30

1,86

0,61

0,056

0,032

2,75

0,30

0,42

0,030

—

Innenschicht

3,02

1,30

0,95

0,352

0,041

0,07

0,02

-

(Rest im wesentlichen Fe)

9

Tabelle V

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.- %)

661 476

Nr.

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Ti

V

B

11

Aussenschicht Innenschicht

1,73 3,30

2,21 1,32

0,31 0,92

0,012 0,349

0,008 0,036

0,28

0,12

:

0,051

-

0,029

12

Aussenschicht Innenschicht

1,29 2,99

1,02 1,38

0,51 0,69

0,041 0,238

0,012 0,051

-

0,20

0,22

-

0,201

-

13

Aussenschicht Innenschicht

1,62 2,98

1,60 1,62

0,34 1,03

0,021 0,405

0,006 0,012

0,20

1,35

0,12

0,050

-

0,035

14

Aussenschicht Innenschicht

1,48 3,38

2,30 1,48

1,25 0,88

0,034 0,275

0,018 0,079

3,25 0,06

0,25 0,05

0,41 0,02

0,032

0,230

-

(Rest im wesentlichen Fe)

Die mechanischen Eigenschaften der Aussenschicht der Verbundzylinderlaufbüchsen der Beispiele der Nr. 11 bis 14 sind in der folgenden Tabelle VI zusammengestellt.

Tabelle VI

Beispiel Nr. Zugfestigkeit Dehnung (%)

(kg/mm2)

11 56,2 1,22

12 62,9 2,03

13 40,6 0,32

14 62,8 0,40

Aus der Tabelle VI geht hervor, dass die Vergleichslaufbüchsen der Beispiele der Nr. 13 und 14 den erfindungsgemässen Laufbüchsen der Beispiele der Nr. 11 und 12 insbesondere im Hinblick auf die Dehnungseigenschaften unterlegen sind. Das Material des Beispiels Nr. 14 weist einen zu grossen Gehalt an Bainit und Martensit in der Matrix auf. Die Aussenschicht des Beispiels Nr. 14 zeigt daher eine grosse Härte, jedoch eine geringe Dehnung und somit eine Versprödung des Materials.

Andererseits zeigt das Material, das üblicherweise für Zylinderlaufbüchsen mit einschichtigem Aufbau verwendet wird, eine Zugfestigkeit von 18 bis 25 kg/mm2 und eine Dehnung von 0,2 bis 0,8%. Somit ist die Aussenschicht der erfindungsgemässen Verbundzylinderlaufbüchse dem Aussenab-schnitt einer üblicherweise verwendeten Zylinderlaufbüchse mit einschichtigem Aufbau im Hinblick auf die Festigkeit und die Duktilität überlegen.

Wie oben genauer ausgeführt worden ist, wird erfindungsgemäss eine Verbundzylinderlaufbüchse mit einer Aussenschicht und einer Innenschicht geschaffen, wobei die Aussenschicht eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen muss, da der Bruch der Laufbüchse an der äusseren Oberfläche beginnt, während die Innenschicht eine hohe Verschleissfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, Festgehen oder Klemmen aufweisen muss. Dabei besteht die Aussenschicht vorzugsweise aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe, die Gusseisen mit Kugelgraphit, Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit und Stahlguss mit Kugelgraphit umfasst, während die Innenschicht aus einem Spezialgusseisen besteht, welches üblicherweise eingesetzt wird, um die gewünschten Eigenschaften zu ergeben, wobei die Aussenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen in

Form eines zweischichtigen Aufbaus miteinander verbunden sind. Somit besitzt die erfindungsgemässe Laufbüchse die gewünschte Festigkeit im Aussenbereich, ohne dass die Eigen-25 Schäften an der inneren Oberfläche der Laufbüchse beeinträchtigt werden.

Bei einer Zylinderlaufbüchse, deren Aussenschicht aus dem Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit gebildet ist, ist die Festigkeit geringer als die einer Zylinderlaufbüch-30 se, deren Aussenschicht aus Gusseisen mit Kugelgraphit oder Stahlguss mit Kugelgraphit besteht. Andererseits ist das Gefüge der erstgenannten Aussenschicht ähnlicher demjenigen des Spezialgusseisens (mit flockigem Graphit), welches zur Ausbildung der Innenschicht eingesetzt wird. Daher 35 ist die Zylinderlaufbüchse, deren Aussenschicht aus Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit besteht, vorteilhaft insofern, als es im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeausdehnung, die Spannung oder dergleichen ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche einschichtigen Zylinder-40 laufbüchsen aufweist.

Bei der zweischichtigen Zylinderlaufbüchse können die Eigenschaften der Innenschicht durch das Material der Aussenschicht beeinflusst werden, da die Legierungselemente des Materials der Aussenschicht in geringem Umfang mit jenen 45 des Materials der Innenschicht vermischt werden und ineinander diffundieren. Wenngleich keine besonderen Nachteile bei der praktischen Anwendung dieser Zylinderlaufbüchse verursacht werden, kann eine Zwischenschicht, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, zwischen der Aussenschicht und der so Innenschicht angeordnet werden, so dass eine geringere Wahrscheinlichkeit dafür besteht, dass die Innenschicht durch die Aussenschicht beeinflusst wird, so dass eine Zylinderlaufbüchse mit verbesserten Festigkeitseigenschaften und verbesserter Wärmeleitfähigkeit an der Verschmelzungs-55 Schicht erzeugt werden kann. Weiterhin ist es auch im Hinblick auf die Lunkerfreiheit oder Fehlerfreiheit des Materials der Innenschicht von Vorteil, eine zusätzliche Zwischenschicht vorzusehen, wenngleich diese zusätzliche Zwischenschicht wirtschaftlich nachteilig sein kann. Die Anwesenheit 60 oder Abwesenheit der Zwischenschicht oder der zusätzlichen Zwischenschichten hängt daher von verschiedenen Faktoren, wie der Wirtschaftlichkeit oder den Eigenschaften der Laufbüchse ab.

Es ist weiterhin erwünscht, als Zwischenschicht ein Mats terial zu verwenden, dessen chemische Zusammensetzung möglichst jener der Innenschicht entspricht, da das Material auch dazu dient, die Fehlerfreiheit oder Lunkerfreiheit des Materials der Innenschicht zu verbessern.

661476

10

Die Dicke der Zwischenschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, wobei diese Dicke als Dicke des Giessverfahrens angesprochen wird, was auch auf die Dicke der fertigen Zylinderlaufbüchse zutrifft. Zur Erläuterung dieses Sachverhalts ist daraufhinzuweisen, dass der innerste Bereich der Aussenschicht beim Vergiessen des Materials der Zwischenschicht einen Bereich von 10 bis 30 mm schmilzt und anschliessend der innerste Bereich der Zwischenschicht beim Vergiessen des Materials der Innenschicht in einem Umfang von 10 bis 30 mm schmilzt. Die Zwischenschicht führt daher zu keiner besonderen Verbesserung, wenn ihre Dicke weniger als 5 mm beträgt. Weiterhin ist es auch nicht notwendig, eine Dicke der Zwischenschicht von mehr als

50 mm anzuwenden. In dem Fall, da die Zylinderlaufbüchse für Schiffsverbrennungsmotoren verwendet wird, ist die Dikke der Zwischenschicht im allgemeinen auf bis zu 50 mm begrenzt, wobei zu berücksichtigen ist, dass die maximale Dikke der Laufbüchse in der Innenschicht 80 mm beträgt. Wie bereits erwähnt, sollte das Material der Zwischenschicht vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung aufweisen, die möglichst derjenigen des Materials der Innenschicht entspricht, wenngleich es nicht möglich ist, eine Zwischenschicht zu bilden, die die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Innenschicht aufweist, selbst wenn zur Bildung der Zwischenschicht das gleiche Material wie es auch für die Innenschicht verwendet worden ist, vergossen wird, da die Legierungselemente der Zwischenschicht unvermeidbar mit jenen der Aussenschicht vermischt werden.

Das zur Bildung der Zwischenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse geeignete Material enthält 2,0 bis 4,0% C, 0,8 bis 3,0% Si, 0,4 bis 1,2% Mn, bis zu 0",6% P, bis zu 0,1 % S sowie übliche unvermeidbare Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fe. Neben den oben angesprochenen Bestandteilen können eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die bis zu 2,5% Ni, bis zu 1,0% Cr, bis zu 1,0% Mo, bis zu 0,05% Mg, bis zu 0,05% Seltene Erdelemente, bis zu 0,3% Sn, bis zu 1,0% Cu und Ti, Al und Zr in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 % gewünschtenfalls in das Material eingearbeitet werden.

Die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung des Materials sei im folgenden näher erläutert.

C: 2,0 bis 4,0%

Bei einem C-Gehalt von weniger als 2,0% ist die Graphitbildung des Materials nicht ausreichend, was zu verschlechterten Eigenschaften sowohl im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit als auch die Zähigkeit führt. Wenn jedoch mehr als 4,0% C vorhanden sind, ergibt sich eine übermässige Graphitbildung, was andererseits zu einer Versprödung des Materials führt.

Si: 0,8 bis 3,0%

Wenn der Si-Gehalt weniger als 0,8% beträgt, wird keine ausreichende Graphitbildung erreicht, so dass das Material Probleme im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und die Zähigkeit aufweist. Wenn der Si-Gehalt 3,0% übersteigt, ergibt sich eine starke Ausscheidung von Ferrit, was zu einer verminderten Festigkeit des Materials führt, wobei weiterhin

51 in Form einer festen Lösung in dem Ferrit enthalten ist und das Material spröde macht.

Mn: 0,4 bis 1,2%

Mn verbindet sich mit S und beseitigt dessen nachteilige Wirkungen und stabilisiert das Perlit in der Matrix, wodurch die Festigkeit erhöht wird. Es ergibt sich jedoch kein günstiger Effekt, wenn der Gehalt unter 0,4% liegt, während bei Anwendung von mehr als 1,2% Mn das Material andererseits spröde wird.

P: bis zu 0,6%

P steigert das Fliessvermögen der Schmelze, bildet jedoch eutektische Phosphorbestandteile in dem Material, wodurch dieses spröde wird. Wenngleich die Fliessfähigkeit mit zunehmendem P-Gehalt ansteigt, ist der obere Gehalt auf 0,6% begrenzt, ein Wert, der im allgemeinen innerhalb des unschädlichen Bereichs für ein Material für die Zwischenschicht liegt.

S: bis zu 0,1%

S bildet Schwefelverbindungen an den Korngrenzen, wodurch das Material spröde wird. Die Obergrenze ist demzufolge auf 0,1% festgelegt, da ein S-Gehalt von bis zu 0,1% innerhalb jenes Bereichs liegt, welcher für ein Material zur Ausbildung der Zwischenschicht unschädlich ist.

Das Material zur Ausbildung der Zwischenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse enthält im wesentlichen die oben angesprochenen Bestandteile sowie andere Verunreinigungen und als Rest im wesentlichen Fe.

Zusätzlich zu den oben angesprochenen Bestandteilen können die folgenden Bestandteile in das Material zur Bildung der Zwischenschicht eingearbeitet werden, um dessen Materialeigenschaften weiter zu verbessern:

Ni: bis zu 2,5%

Ni begünstigt die Graphitbildung und verstärkt die Matrix. Wenn die Menge jedoch 2,5% übersteigt, ergibt sich keine weitere Steigerung dieses Effekts, so dass grössere Mengen wirtschaftlich nachteilig sind. Weiterhin kann ein gehärtetes Gefüge oder ein Nichttransformationsgefüge auftreten, was das Material spröde macht.

Cr: bis zu 1,0%

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn es in einer Menge von mehr als 1,0% vorhanden ist, führen erhöhte Mengen von Zementit zu einer Versprödung des Materials.

Mo: bis zu 1,0%

Mo verstärkt die Matrix. Wenn der Mo-Gehalt jedoch 1,0% übersteigt, lässt dieser Effekt nach, so dass zusätzliche Mo-Mengen wirtschaftlich nachteilig sind. Auch ist die Verwendung von mehr als 1,0% Mo nachteilig, da das Material härter und spröde wird.

Mg: bis zu 0,05%

Es ist nicht absolut notwendig, die Ausscheidung des Graphits in dem Material für die Zwischenschicht in Kugelform zu bewirken, da das Material der Zwischenschicht die Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften nicht in dem Masse aufweisen muss wie das Material der Aussenschicht. Die Ausscheidung des Graphits in Kugelform oder in Pseudoku-gelform ist natürlich im Hinblick auf die Erzeugung solcher Eigenschaften erwünscht. Andererseits beeinflusst Mg die Qualität des Materials der Innenschicht und kann daher Probleme im Hinblick auf die Form des Graphits, im Hinblick auf Segregationen oder dergleichen verursachen. Andererseits ist Mg unvermeidbar in dem Material der Zwischenschicht enthalten, wenn ein Magnesium enthaltendes Material, wie Gusseisen mit Kugelgraphit oder Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit zur Bildung der Aussenschicht verwendet wird. Im Hinblick darauf ist die Obergrenze des Mg-Gehalts auf 0,05% festgelegt, welches innerhalb des Bereichs liegt, bei dem keine solchen nachteiligen Effekte des Mg auftreten.

Seltene Erdelemente: bis zu 0,05%

Es ist nicht absolut notwendig, dass das Material der Zwischenschicht Seltene Erdelemente enthält, wenngleich

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

diese Elemente im allgemeinen das Material fehlerfreier machen. Wenn ein Seltene Erdelemente enthaltendes Material zur Ausbildung der Aussenschicht verwendet wird, sind diese Elemente unvermeidbar auch in der Zwischenschicht enthalten. Aufgrund dieser Tatsache ist die Obergrenze des Gehalts der Seltenen Erdelemente auf 0,05% festgelegt.

Sn: bis zu 0,3%

Wenn das Material der Aussenschicht Sn enthält, wird ebenfalls unvermeidbar Sn in das Material der Zwischenschicht eingebracht, so dass der Höchstgehalt auf bis zu 0,3% begrenzt ist.

Cu: bis zu 1,0%

Der Cu-Gehalt ist in gleicher Weise wie der von Sn auf bis zu 1,0% begrenzt.

Ti, Al und Zr: in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 % Aus den gleichen Gründen wie der Anwendung von Sn kann man eines oder mindestens zwei dieser Elemente in das Material für die Zwischenschicht einarbeiten.

11 661 476

Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsformen einer Zylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau beschrieben.

Ausführungsform D 5 Die Ausführungsform D betrifft die bevorzugten Beispiele einer Verbundzylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau, wobei zwischen der Innenschicht und der Aussenschicht eine Zwischenschicht angeordnet ist. Diese Zylinderlaufbüchsen wurden mit Hilfe eines Schleudergiessverfah-io rens unter Anwendung der folgenden Giessbedingungen hergestellt:

Innendurchmesser der Giessform: 1040 mm

Gussdicke der Aussenschicht mit der vergossenen Oberfläche: 70 mm

15 Gussdicke der Zwischenschicht mit der vergossenen Oberfläche: 25 mm

Gussdicke der Innenschicht mit der vergossenen Oberfläche: 50 mm

Die chemischen Zusammensetzungen der Aussenschicht, 20 der Zwischenschicht und der Innenschicht der erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchse sind in der nachfolgenden Tabelle VII zusammengestellt.

Tabelle VII

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.-%)

Nr.

C

Si

Mn

P

S

Ni

Cr

Mo

Mg

Ti

V

B

Aussenschicht

3,75

1,95

0,72

0,008

0,030

0,43

0,34

_

0,075

_

15

Zwischenschicht

3,58

1,56

0,89

0,185

0,052

0,28

0,12

-

0,038

-

Innenschicht

3,40

1,08

1,24

0,426

0,074

-

0,01

-

0,038

Aussenschicht

2,89

3,40

0,30

0,120

0,002

-

0,02

0,04

0,042

—

-

16

Zwischenschicht

2,98

2,62

0,62

0,185

0,010

0,05

0,15

0,02

0,004

-

Innenschicht

2,96

0,74

0,85

0,210

0,021

-

0,25

-

0.204

-

Aussenschicht

3,26

1,49

0,60

0,135

0,042

_

0,03

0,24

0,035

0,047

—

17

Zwischenschicht

3,15

1,30

0,70

0,230

0,058

-

0,10

0,004

-

0,015

Innenschicht

3,01

1,18

0,92

0,340

0,070

-

0,040

18

Aussenschicht

2,99

2,27

0,20

0,008

0,002

0,34

—

_

0,016

-

Zwischenschicht

3,15

1,85

0,56

0,012

0,009

0,18

0,25

-

Spuren

-

_

Innenschicht

3,30

1,09

0,78

0,016

0,015

-

0,52

-

Aussenschicht

1,16

2,35

0,20

0,004

0,040

1,62

0,02

-

0,056

-

19

Zwischenschicht

2,02

1,90

0,62

0,200

0,058

0,72

0,01

-

0,025

-

_

Innenschicht

3,40

1,52

1,06

0,405

0,080

-

0,028

Aussenschicht

1,88

0,95

0,52

0,051

0,002

-

0,26

0,12

-

20

Zwischenschicht

2,69

0,92

0,58

0,120

0,006

-

0,26

0,06

-

0,102

-

Innenschicht

3,20

0,89

0,60

0,200

0,010

0,02

0,26

0,02

-

0,230

-

(Rest im wesentlichen Fe)

Die in den Beispielen der Nr. 15 bis 20 angegebenen Zylinderlaufbüchsen mit dreischichtigem Aufbau zeichnen sich durch eine integrale Vereinigung der Eigenschaften aus.

So besitzen die Verbundzylinderlaufbüchsen mit zweischichtigem oder dreischichtigem Aufbau eine hohe Zähigkeit oder Festigkeit und Duktilität in den Aussenbereichen der Zylinderlaufbüchsen, so dass lange Betriebsdauern ohne die Wahrscheinlichkeit von Brüchen oder ähnlichen Beein-

55 trächtigungen möglich sind, während der Innenbereich, der mit den Kolbenringen in gleitenden Kontakt steht, eine hohe Verschleissfestigkeit und eine Beständigkeit gegen Festfressen aufweist.

Die erfindungsgemässen Zylinderlaufbüchsen können ohne weiteres unter Anwendung von Schleudergiessverfah-ren hergestellt werden und erfüllen die angestrebten Erfordernisse.

60

65

s

1 Blatt Zeichnungen

Claims

661476

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Verbundzylinderlaufbüchse mit grossem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbüchse (1) zwei Schichten umfasst, nämlich eine Aus-senschicht (2) aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und eine Innenschicht (3) aus einem Spezialgussei-sen mit hoher Verschleissfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, wobei die Aussenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen an der Grenzfläche miteinander verbunden sind.
2. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschicht (2) aus einem Gusseisen mit Kugelgraphit mit hoher Festigkeit und Duktilität besteht, welches im wesentlichen aus

2,8 bis 4,0 Gew.-% C,

1,5 bis 3,5 Gew.-% Si,

0,2 bis 1,0 Gew.-% Mn,

bis zu 0,3 Gew.-% P,

bis zu 0,04 Gew.-% S,

0,03 bis 0,1 Gew.-% Mg,

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und ein Gefüge mit Kugelgraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.
3. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen mit Kugelgraphit weiterhin eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die bis zu 2,5 Gew.-% Ni,

bis zu 0,8 Gew.-% Cr,

bis zu 0,6 Gew.-% Mo,

bis zu 0,05 Gew.-% Seltene Erdelemente,

bis zu 0,3 Gew.-% Sn und bis zu 1,0 Gew.-% Cu umfasst.
4. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschicht (2) aus einem Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit mit hoher Festigkeit und Duktilität besteht, welches im wesentlichen aus

2,8 bis 4,0 Gew.-% C,

1,0 bis 3,0 Gew.-% Si,

0,2 bis 1,0 Gew.-% Mn,

bis zu 0,3 Gew.-% P,

bis zu 0,06 Gew.-% S,

0,01 bis 0,05 Gew.-% Mg,

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und ein Gefüge mit verdichtetem Vermiculargraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.
5. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gusseisen mit verdichtetem Vermiculargraphit zusätzlich eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die bis zu 2,5 Gew.-% Ni,

bis zu 0,8 Gew.-% Cr,

bis zu 0,6 Gew.-% Mo,

bis zu 0,05 Gew.-% Seltene Erdelemente,

bis zu 0,3 Gew.-% Sn,

bis zu 1,0 Gew.-% Cu und bis zu 0,1 Gew.-% Ti umfasst.
6. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenschicht (2) aus einem Stahl-guss mit Kugelgraphit mit hoher Festigkeit und Duktilität besteht, welcher im wesentlichen aus

1,0 bis 2,0 Gew.-% C,

0,6 bis 3,0 Gew.-% Si,

0,2 bis 1,0 Gew.-% Mn,

bis zu 0,1 Gew.-% P,

bis zu 0,1 Gew.-% S,

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und ein Gefüge mit Kugelgraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.
7. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlguss mit Kugelgraphit weiterhin eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die bis zu 2,5 Gew.-% Ni,

bis zu 1,0 Gew.-% Cr und bis zu 1,0 Gew.-% Mo umfasst.
8. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlguss mit Kugelgraphit weiterhin eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die Ti, Al und Zr in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 Gew.-% umfasst.
9. Verbundzylinderlaufbüchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Aussenschicht (2) und der Innenschicht (3) eine Zwischenschicht (4) vorgesehen ist, wobei die Aussenschicht (2), die Zwischenschicht (4) und die Innenschicht (3) durch Verschmelzen an den aneinander angrenzenden Grenzflächen miteinander verbunden sind und wobei das Material für die Zwischenschicht (4) im wesentlichen aus

2,0 bis 4,0 Gew.-% C,

0,8 bis 3,0 Gew.-% Si,

0,4 bis 1,2 Gew.-% Mn,

bis zu 0,6 Gew.-% P,

bis zu 0,1 Gew.-% S,

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
10. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Zwischenschicht (4) zusätzlich eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die bis zu 2,5 Gew.-% Ni,

bis zu 1,0 Gew.-% Cr,

bis zu 1,0 Gew.-% Mo,

bis zu 0,05 Gew.-% Mg,

bis zu 0,05 Gew.-% Seltene Erdelemente,

bis zu 0,3 Gew.-% Sn und bis zu 1,0 Gew.-% Cu umfasst.
11. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Material der Zwischenschicht (4) zusätzlich eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die Ti, Al und Zr in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 Gew.-% umfasst.