DD236773A5 - Verfahren zur herstellung einer weichstahl-zylinderauskleidung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Zylinderauskleidungen fuer Verbrennungsmotoren. Waehrend es Ziel der Erfindung ist, die Gebrauchswerteigenschaften derartiger Zylinderauskleidungen auf kostenguenstige Weise zu erhoehen, besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Weichstahl-Zylinderauskleidung zu finden, mit dem die Abriebfestigkeit und die Oelspeicherung von Zylinderauskleidungen verbessert werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass eine Zylinderauskleidung in eine Endform aus einem Weichstahl geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird, eine Gasmischung aus einem Aufkohlungsgas und einem stickstoffhaltigen Gas im Verhaeltnis von 25:75 bis 75:25 (Vol.-%) bei einer Temperatur von 500C bis 650C der Kammer zugefuehrt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitrokarburieren.
Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Zylinderauskleidungen für Verbrennungsmotoren der Art, die ein Behandeln einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche der Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen.
In vielen Verbrennungsmotoren bewegen sich der oder jeder Kolben hin und her in einem Zylinder, gebildet durch eine im allgemeinen zylindrische Trockenauskleidung, üblicherweise im Preßsitz angepaßt, geschrumpft oder auf andere Weise in den Motorblock eingesetzt. Die Innenoberfläche (oder „Bohrung") der Zylinderauskleidung kontaktiert den assoziierten Kolben und ist somit Abrieb und Abnutzung ausgesetzt. Zusätzlich können sich Trockenauskleidungen gegen den assoziierten Motorblock abscheuern, und deshalb sollte eine zufriedenstellende Trockenzylinderauskleidung in der Lage sein, solchem Abrieb zu widerstehen und gleichzeitig in der Lage sein, leicht im Preßsitz angepaßt zu werden oder in den assoziierten Motorblock hineingeschoben und daraus entfernt zu werden.
Ein Material, das üblicherweise für solche Auskleidungen verwendet wird, ist kohlenstoffarmer Weichstahl; dieser hat jedoch keine zufriedenstellenden Abriebeigenschaften. Aus diesem Grund wurden verschiedene Techniken angewandt, um die Abriebeigenschaften zu verbessern. Eine dieserTechniken ist die Verwendung eines Materials, das härter und abriebbeständiger als Weichstahl ist. Beispielsweise können Gußeisen oder Stähle, die einen hohen Nickel-, Chrom- und Molybdängehalt aufweisen, verwendet werden, insbesondere, wenn sie gehärtet oder getempert werden. Obwohl diese Materialien sehr abriebbeständig sind, besitzen sie jedoch den Nachteil, daß ihre Duktilität bzw. Biegsamkeit viel geringer als die von Weichstählen ist, so daß sie entsprechend schwierig zu einer benötigten Endform zu verarbeiten sind. Eine Endzylinderauskleidung aus solch einem Material kann zusätzlich spröde sein, und dies kann zu Rissen führen, wenn die Auskleidung in einem Zylinderblock im Preßsitz angepaßt wird.
Eine zweite Technik ist das Vorsehen einer harten Oberflächenschicht auf einer aus einem Weichstahl oder einem Gußeisen geformten Zylinderauskleidung. Eine solche Schicht ist eine harte Chromplatte bzw. ein harter Chromüberzug auf der Bohrung der Auskleidung. Eine Verchromung besitzt jedoch die Nachteile, daß sie ein teures Verfahren ist, wodurch die Kosten der Auskleidung steigen, und daß ein solcher Überzug sehr schwer Öl speichert und deshalb bei Gebrauch zu einer Abnutzung neigt. Zusätzlich kann sich eine Verchromung bei Temperaturen über 3000C erweichen, wodurch ihre Abriebbeständigkeit verringert wird, und sie erfordert eine Endbearbeitung, die zusätzliche Kosten verursacht. Alternative Hartoberflächenbehandlungen sind entsprechend teuer in der Anwendung.
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Ziel der Erfindung ist es, die Gebrauchswerteigenschaften von Zylinderauskleidungen für Verbrennungsmotoren auf kostengünstige Weise zu erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Weichstahl-Zylinderauskleidung zu finden, mit dem die Abriebfestigkeit und die Ölspeicherung von Zylinderauskleidungen verbessert werden kann.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das das Behandeln wenigstens einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Zylinderauskleidung aus einem Weichstahl in eine Endform geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird und eine Gasmischung aus einem Aufkohlungsgas bzw. einem karburierenden Gas und einem stickstoffhaltigen Gas im Verhältnis von 25:75 bis 75:25 (Vol.-%) bei einer Temperatur von 5000C bis 6500C der Kammer zugeführt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitrokarburieren. Erfindungsgemäß ist auch, daß das stickstoffhaltige Gas Ammoniak ist und das Aufkohlungsgas ein exothermes Kohlenwasserstoffgas ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß das Verhältnis der Gase 50:50 bis 60:40 (Vol.-%) beträgt. Ebenso ist erfindungsgemäß, daß die Temperatur 5500C beträgt. Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß die Zylinderauskleidung über solch eine Zeit behandelt wird, daß die Gesamteindringtiefe der nitrokarburierten Schicht in die Oberfläche der Zylinderauskleidng zwischen 0,1 und 0,3mm liegt mit einer Epsilon-Oberflächenschicht von 0,005 bis 0,020mm Dicke. Erfindungsgemäß ist auch, daß die Behandlungszeit 2 bis 4 Stunden beträgt. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß vor dem Nitrokarburieren ein im allgemeinen röhrenförmiges Zylinderrohstück aus Weichstahl gebildet und bearbeitet wird, um eine endgeformte Zylinderauskleidung zu bilden und die endgeformte Zylinderauskleidung dann nitrokarburiert wird. Erfindungsgemäß ist ebenso, daß das röhrenförmige Zylinderrohstück durch ein Extrusions- oder Preßverfahren oder durch Tiefziehen gebildet wird
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.
Eine Trockenzylinderauskleidung wird aus einem kohlenstoffarmen Stahl gebildet. Das Material kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung besitzen: Weichstahl (Gew.-%)
Kohlenstoff: 0,05 bis 0,030
Silizium: 0,10bis0,35
Mangan: 0,40 bis 1,4
Schwefel: 0,050 max.
Nickel:
Chrom: können entweder als Spurenelemente oder
Molybdän: als geringe Legierungszusätze vorliegen
Rest: Eisen
Ein Block eines solchen Materials wird zunächst ausgestanzt, gezogen oder extrudiert durch einen zweckmäßig geformten Ziehstein, um ein im allgemeinen zylindrisches Rohstück zu bilden. Dieses Rohstück wird dann zur Endform der Zylinderauskleidung, wenn benötigt, durch Herstellen eines Schlußflansches und Formen zu erforderlichen Dimensionen der zylindrischen Innen- und Außenoberflächen bearbeitet.
Die geformte Zylinderauskleidung wird dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben. Anschließend werden ein stickstoffhaltiges Gas, wie Ammoniak, und ein Aufkohlungsgas, wie ein exothermes Kohlenwasserstoffgas, in die Kammer bei einer Temperatur zwischen 5000C und 6500C eingespeist. Das Verhältnis der zwei Gase, stickstoffhaltiges zu karburierendem Gas, kann zwischen 25:75 (Vol.-%) und 75:25 (Vol.-%) liegen, obwohl Tests mit Ammoniak und exothermem Kohlenwasserstoffgas gezeigt haben, das Verhältnisse von 50:50 (Vol.-%) oder 60:40 (Vol.-%) bessere Ergebnisse liefern. Die Gase kontaktieren die Oberflächen der Zylinderauskleidung, und Kohlenstoff und Stickstoff aus den Gasen diffundieren aus diesen Oberflächen in den Weichstahl der Auskleidung und bilden eine dünne Schicht (sogenannte „Epsilon"-Schicht) zwischen 25 und 20/xm Dicke, aus der Diffusion in den Auskleidungskörper stattfindet. Für ein bestimmtes Material hängt die Gesamteindringtiefe von der Zeit ab, über die die Gase zugeführt werden, und dies kann reguliert werden, um beispielsweise eine „Epsilon"-Schicht von 10μΐη Dicke und eine Gesamtdurchdringung von 0,1 mm bis 0,3 mm zu ergeben. Beispielsweise kann die Zeit zwei bis vier Stunden betragen. Eine Oberflächenhärte von 800 HV oder mehr ist erreichbar, stetig, aber nicht gleichmäßig abnehmend zu der Härte des Basismaterial. Diese Härte bleibt bei nachfolgenden Betriebstemperaturen der Auskleidung von bis zu 5500C erhalten.
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Die Zylinderauskleidung wird dann aus der Kammer entfernt, und ist sofort gebrauchsfertig ohne weitere Nacharbeitungsstufen. Die Zylinderauskleidung besitzt eine harte, abriebbeständige Außenoberfläche und eine duktilen Kern. Zusätzlich erhöht die Behandlung die Biegefestigkeit der Auskleidung beträchtlich. Dies kann von besonderer Bedeutung sein, wenn ein Flansch auf der Auskleidung vorgesehen ist und beträchtlich über die Auskleidung hinausragt, weil die hohe Biegefestigkeit die Biegefestigkeit des Flansches erhöht und so das Auftreten eines Flanschbruches und das Auftreten von Rissen in dem Flanschbereich reduziert.
Eine Trockenzylinderauskleidung wurde aus einem Weichstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,18% auf eine der vorstehend beschriebenen Weisen mit Bezug auf Beispiel 1 gebildet. Die geformte Auskleidung wurde dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen war, gegeben, und wie vorstehend mit Bezug auf Beispiel 1 beschrieben, nitrokarburiert. DieTemperatur betrug 57O0C und die Behandlungszeit drei Stunden.
Nach der Behandlung wurde die Auskleidung schnell gasgekühlt und dann aus der Kammer entfernt und untersucht. Es wurde gefunden, daß die innere und äußere Oberfläche der Auskleidung gleiche nitrokarburierte Schichten besaßen. Eine weiße Oberflächen-„Epsilon"-Schichtvon 0,04mm Dicke bedeckte eine komplexe Strukturvon Eisennitridnadeln in Ferritkörnern bis zu einer Tiefe von mehr als 0,2 mm mit einer Gesamtdurchdringung von 0,3 mm. In der Bulk-bzw. Hauptmassestruktur nahm die Härte von 540 HV gerade unter der Oberflächenschicht auf 380HV in 0,15 mm Tiefe ab. Die Kernhärte des Materials betrug 160/178 HV bei 0,35 mm unter der Oberfläche.
Die wie vorstehend beschrieben behandelten Zylinderauskleidungen wurden dann in einem turbogeladenen Dieselmotor verwendet. Nach 300 Stunden Betriebszeit war der Abrieb auf der Oberfläche der Auskleidung vernachlässigbar. Der Ölverbauch lag akzeptabel bei 0,5% des Kraftstoffverbrauchs, und das Leistungvermögen war etwa 1 % größer als'bei unbehandelten Zylinderauskleidungen wegen der geringen Friktion der Auskleidungsoberfläche, die nach dem Betrieb ein glasartiges Aussehen hatte. Nach 550 Stunden stieg der Ölverbrauch langsam aufO,7% des Kraftstoffverbrauchs wegen des Einschabens der Kolbenringe, war aber immer noch akzeptabel. Das Leistungsvermögen war um 1,3% gestiegen, ohne erhöhte Kraftstoffaufnahme.
Die vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren und die so hergestellten Zylinderauskleidungen besitzen eine Vielzahl von wichtigen Vorteilen. Da die Auskleidung aus einem duktilen Weichstahl hergestellt wird und sämtliche Bearbeitung vor dem Nitrokarburieren durchgeführt wird, kann das Formen der Zylinderauskleidung leicht und schnell erreicht werden. Geeignete Weichstähle und Gußeisen sind billig, wodurch die Kosten der Zylinderauskleidungen verringert werden. Der Nitrokarburierungsschritt versieht die Zylinderauskleidung mit einer Oberflächenfertigbearbeitung, die sehr abriebbeständig ist, bei erhöhten Temperaturen (bis zu 550°C) wirksam bleibt und die Oberfläche bis zu einer wirklichen Tiefe (0,01 mm bis 0,3mm) durchdringt.
Solch eine Auskleidung kann in einen MotorblockohneGefahrvorspröden Rissen eingepreßt werden, weil ein duktiler zentraler Kern verbleibt. Die Außenoberfläche ist abriebbeständig gegenüber Reibung mit dem Motorblock. Die innere, kolbenaufnehmende Oberfläche ist beständig gegen Abrieb und Abnutzung des assoziierten Kolbens und der Kolbenringe, weil die Oberfläche durch einen Ölfilm gut befeuchtet ist. Es ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Kolbenringe ebenfalls nitrokarburiert werden. Die harte Oberfläche der Kolbenringe wurde in Abwesenheit einer entsprechend harten Oberfläche auf der Auskleidung dazu neigen, die Zylinderauskleidung abzureiben. Es wurde gefunden, daß die Außenoberfläche einer Kavitationserosion gut widersteht, wenn die Auskleidung eine nasse Zylinderbuchse ist.
Es sollte ebenfalls bemerkt werden, daß die vorstehend beschriebenen Zylinderauskleidungen eine erhöhte Beständigkeit gegen atmosphärische Oxydation besitzen, wodurch die Verpackungs- und Transportkosten verringert werden.
Claims (8)
- -1- 670 21Erfindungsanspruch:1. Verfahren zur Herstellung einer Weichstahl-Zylinderauskleidung für einen Verbrennungsmotor derart, daß es das Behandeln wenigstens einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen, gekennzeichnet dadurch, daß eine Zylinderauskleidung in eine Endform aus einem Weichstahl geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird, eine Gasmischung aus einem Aufkohlungsgas und einem stickstoffhaltigen Gas im Verhältnis von 25:75 bis 75:25 (Vol.-%) bei einer Temperaturvon 5000C bis 65O0C der Kammer zugeführt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitrokarburieren.
- 2. Verfahren nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das stickstoffhaltige Gas Ammoniak ist und das Aufkohlungsgas ein exothermes Kohlenwasserstoffgas ist.
- 3. Verfahren nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das Verhältnis der Gase 50:50 bis 60:40 (Vol.-%) beträgt.
- 4. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Temperatur 55O0C beträgt.
- 5. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Zylinderauskleidung über solch eine Zeit behandelt wird, daß die Gesamteindringtiefe der nitrokarburierten Schicht in die Oberfläche der Zylinderauskleidung zwischen 0,1 und 0,3 mm liegt mit einer Epsilon-Oberflächenschicht von 0,005 bis 0,020 mm Dicke.
- 6. Verfahren nach Punkt 5, gekennzeichnet dadurch, daß die Behandlungszeit 2 bis 4 Stunden beträgt.
- 7. Verfahren nach einem der Punkte 1 bis 6, gekennzeichnet dadurch, daß vor dem Nitrokarburieren ein im allgemeinen röhrenförmiges Zylinderrohstück aus Weichstahl gebildet und bearbeitet wird, um eine endgeformte Zylinderauskleidung zu bilden und die endgeformte Zylinderauskleidung dann nitrokarburiert wird.
- 8. Verfahren nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß das röhrenförmige Zylinderrohstück durch ein Extrusions- oder Preßverfahren oder durch Tiefziehen gebildet wird.
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