DE102007041519A1 - Zylinderlaufbuchse und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse mit den folgenden Verfahrensschritten: - Herstellen eines zylinderförmigen Vorprodukts aus einem Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% und einem ferritischen oder ferritisch/perlitischen Gefüge; - Anreichern der Randschicht der inneren Mantelfläche des zylinderförmigen Vorprodukts mit Kohlenstoff in Form von sich an den Korngrenzen ablagernden Carbiden mittels Aufkohlen; - langsames Abkühlen des zylinderförmigen Vorprodukts, derart, dass in der Randschicht ein perlitisches Gefüge mit einem Netzwerk aus Carbiden gebildet wird; - Fertigbearbeiten des zylinderförmigen Vorprodukts zu einer Zylinderlaufbuchse. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine mit diesem Verfahren herstellbare Zylinderlaufbuchse.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse sowie eine derartige Zylinderlaufbuchse.
  • Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungsmotoren werden heute in der Regel aus dem Werkstoff Gusseisen mit Lamellengraphit hergestellt. Das für diesen Zweck verwendete Gusseisen mit Lamellengraphit besteht aus den Gefügebestandteilen Perlit und Graphit und ist häufig mit 0,1 bis 1,2% Phosphor legiert, um die Verschleißbeständigkeit dieses Werkstoffs zu steigern. Der Verschleiß an einer Zylinderlaufbuchse wird im Motorbetrieb zum einen durch die Kolbenringe und zum anderen durch den Kolbenschaft hervorgerufen, die beide mit der inneren Mantelfläche (oder Lauffläche) der Zylinderlaufbuchse zusammenwirken. Durch die Zulegierung von Phosphor entsteht im Werkstoff eine Phase, die aus Eisen, Kohlenstoff und Phosphor besteht und als Steadit bezeichnet wird. Diese Phase ist im Werkstoffgefüge netzförmig um die eutektischen Zellen des Gusseisens herum verteilt und zeichnet sich durch eine hohe Härte aus. Als Alternative können dem Gusseisen Elemente zulegiert werden, welche die Karbidbildung in starkem Maße begünstigen, bspw. Niob oder Bor. Daraus resultieren Carbide, die eine dem Steadit vergleichbare Netzstruktur bilden. Im Übrigen trägt der im Gusseisen enthaltene Perlit mit zu einem hohen Verschleiß- und Fresswiderstand bei, da in Perlit Carbide in einer Lamellenstruktur enthalten sind.
  • Für moderne Motoren, insbesondere moderne Dieselmotoren, sind Zylinderlaufbuchsen aus dem Werkstoff Gusseisen mit Lamellengraphit nur bedingt geeignet. Insbesondere der in modernen Dieselmotoren geforderte Zünddruck erfordert eine Umstellung auf hochfeste Werkstoffe. Zu diesen hochfesten Werkstoffen zählen auch Stähle. In diesem Zusammenhang ist es wünschenswert, die aus den Gusseisen-Werkstoffen bekannten Gefüge aus Perlit mit Carbiden in einer Netzstruktur in den für die Zylinderlaufbuchsen verwendeten Stählen zu realisieren, um einen guten Ver schleiß- und Fresswiderstand zu erzielen. Dies ist jedoch nicht möglich, da hierfür Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von mehr als 0,8 Masse-% benötigt werden. Derartige Stähle sind aufgrund ihrer hohen Härte und Festigkeit äußerst schwer umformbar, können nur mit zusätzlicher Behandlung geschweißt und nur unter hohem Werkzeugverschleiß spanend bearbeitet werden. Die Verwendung derartiger Stähle ist also ausgeschlossen, weil damit ein unvertretbar hohen Aufwand verbunden ist.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen sowie derart hergestellte Zylinderlaufbuchsen bereitzustellen, die den Anforderungen moderner Motoren gerecht werden und sich insbesondere durch einen hohen Verschleiß- und Fresswiderstand auszeichnen.
  • Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in mittels dieses Verfahrens hergestellten Zylinderlaufbuchsen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst ein zylinderförmiges Vorprodukt aus einem Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% und einem ferritischen oder ferritisch/perlitischen Gefüge hergestellt wird, dann die Randschicht der inneren Mantelfläche des zylinderförmigen Vorprodukts mit Kohlenstoff in Form von sich an den Korngrenzen ablagernden Carbiden mittels Aufkohlen angereichert wird, anschließend das zylinderförmige Vorprodukts langsam abgekühlt wird, derart, dass in der Randschicht ein perlitisches Gefüge mit einem Netzwerk aus Carbiden gebildet wird und schließlich das zylinderförmige Vorprodukt zu einer Zylinderlaufbuchse fertigbearbeitet wird.
  • Die erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchsen zeichnen sich insbesondere durch einen Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% und einem ferritischen oder ferritisch/perlitischen Gefüge aus, wobei mindestens die innere Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse ein perlitisches Gefüge mit einem Netzwerk aus Carbiden aufweist.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können Zylinderlaufbuchsen aus Stählen mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% einfach, effektiv und kostengünstig hergestellt werden. Dennoch weisen die erfindungsgemäßen Zylinderlauf buchsen entlang ihrer inneren Mantelfläche, d. h. im Bereich ihrer Lauffläche, ein perlitisches Gefüge mit einem Netzwerk aus Carbiden auf. Diese Gefügestruktur verleiht der inneren Mantelfläche einen ausgezeichneten Verschleiß- und Fresswiderstand. Es ist also möglich, mit geringem Aufwand eine Zylinderlaufbuchse aus einem Stahlwerkstoff herzustellen und mit geringem Werkzeugverschleiß spanend zu bearbeiten, die im Bereich ihrer Laufflächen dennoch eine Gefügestruktur aufweist, die der von Gusseisen mit Lamellengraphit ähnlich ist und bisher ausschließlich mit extrem harten und festen, d. h. nicht wirtschaftlich zu bearbeitenden Stählen erzielt werden konnte. Darüber hinaus wird beim Aufkohlen die Dauerfestigkeit des Werkstoffgefüges insgesamt verbessert, was sich positiv auf die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse auswirkt.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Vorzugsweise wird ein Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 Masse-% bis 0,6 Masse-% verwendet. Ein derartiger Stahlwerkstoff lässt sich aufgrund seines relativ niedrigen Kohlenstoffgehalts besonders einfach umformen bzw. spanend bearbeiten. Als besonders zweckmäßig hat sich ein Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25 Masse-% erwiesen.
  • Da bei der Zerspanung eines derartigen Stahlwerkstoffs mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% das Risiko besteht, dass Fließspäne entstehen können, kann es ggf. ratsam sein, dem Stahlwerkstoff Zusätze beizufügen, welche die Spanbrechung begünstigen. Derartige Zusätze, bspw. Mangan und/oder Schwefel und/oder Blei, sind dem Fachmann an sich bekannt.
  • Zur besonders einfachen Herstellung des zylinderförmigen Vorprodukts kann ein aus dem Stahlwerkstoff hergestelltes Blech gebogen und an der Nahtstelle zu einem Rohr verschweißt werden, bspw. mittels Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Induktivschweißen oder Schmelzschweißen.
  • Während des Herstellens des zylinderförmigen Vorprodukts, insbesondere während des Umformvorgangs, kann bspw. mindestens ein Flansch und/oder mindestens eine Außenkontur vorgeformt werden. Damit verringert sich der Aufwand der nachgelagerten, insbesondere spanenden Bearbeitung des zylinderförmigen Vorprodukts zur fertigen Zylinderlaufbuchse.
  • Das Aufkohlen erfolgt grundsätzlich mittels dem Fachmann bekannter Verfahren unter Verwendung eines festen, flüssigen oder gasförmigen Kohlungsmittels. Das Kohlungsmittel kann ggf. Stickstoff enthalten, so dass ein dem Carbonitrieren vergleichbarer Prozess resultiert.
  • Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse 10 aus einem Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-%, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt wurde. Entlang der inneren Mantelfläche, d. h. entlang der Lauffläche, wurde mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Randschicht 11 mit einem ein Netzwerk aus Carbiden enthaltenden perlitischen Gefüge erzeugt.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: – Herstellen eines zylinderförmigen Vorprodukts aus einem Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% und einem ferritischen oder ferritisch/perlitischen Gefüge; – Anreichern der Randschicht, mindestens der inneren Mantelfläche des zylinderförmigen Vorprodukts mit Kohlenstoff in Form von sich an den Korngrenzen ablagernden Carbiden mittels Aufkohlen; – langsames Abkühlen des zylinderförmigen Vorprodukts derart, dass in der Randschicht ein perlitisches Gefüge mit einem Netzwerk aus Carbiden gebildet wird; – Fertigbearbeiten des zylinderförmigen Vorprodukts zu einer Zylinderlaufbuchse.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,1 Masse-% bis 0,6 Masse-% verwendet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,25 Masse-% verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff verwendet wird, der Zusätze enthält, welche die Spanbrechung begünstigen.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff verwendet wird, der als Zusätze Mangan und/oder Schwefel und/oder Blei enthält.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung des zylinderförmigen Vorprodukts ein aus dem Stahlwerkstoff hergestelltes Blech gebogen und an der Nahtstelle zu einem Rohr verschweißt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Nahtstelle mittels Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen, Induktivschweißen oder Schmelzschweißen verschweißt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Herstellens des zylinderförmigen Vorprodukts mindestens ein Flansch und/oder mindestens eine Außenkontur vorgeformt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufkohlen mittels eines festen, flüssigen oder gasförmigen Kohlungsmittels erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlungsmittel Stickstoff enthält.
  11. Zylinderlaufbuchse, herstellbar mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
  12. Zylinderlaufbuchse aus einem Stahlwerkstoff, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff einen Kohlenstoffgehalt von höchstens 0,8 Masse-% und ein ferritisches oder ferritisch/perlitisches Gefüge aufweist, und dass die innere Mantelfläche der Zylinderlaufbuchse ein perlitisches Gefüge mit einem Netzwerk aus Carbiden aufweist.
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