DE102010010991A1

DE102010010991A1 - Motorblock

Info

Publication number: DE102010010991A1
Application number: DE201010010991
Authority: DE
Inventors: Eric Fritsche
Original assignee: BRUEHL EISENWERK; Eisenwerk Bruehl GmbH
Current assignee: BRUEHL EISENWERK; Eisenwerk Bruehl GmbH
Priority date: 2010-03-10
Filing date: 2010-03-10
Publication date: 2011-09-15

Abstract

Es wird ein Motorblock umfassend zumindest ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderblock und/oder ein Zylinderkurbelgehäuse vorgeschlagen, wobei der Motorblock ein Gusseinsenwerkstoff umfasst. Der Gusseisenwerkstoff weist eine Gefügematrix auf, die nadeliges, karbidfreies Ferrit und kohlenstoffangereichertes isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Carbide umfasst. Insbesondere umfasst der Gusseisenwerkstoff ausferritisches Gusseisen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Motorblock umfassend zumindest ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderblock und/oder ein Zylinderkurbelgehäuse, wobei der Motorblock ein Gusseinsenwerkstoff umfasst.
Aus dem Stand der Technik sind Motorblöcke allgemein bekannt. Unter dem Begriff Motorblock wird im Allgemeinen sowohl ein Zylinderkurbelgehäuse als auch ein Kurbelgehäuse ohne Zylinder und ein Zylinderblock ohne Kurbelgehäuse verstanden.
Aus Wikipedia, Die freie Enzyklopädie, Seite „Motorblock”, Bearbeitungsstand: 11. Dezember 2009, 23:24 UTC; URL:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Motorblock&oldid=67898278 geht hervor, dass der Großteil aller hergestellten Motorblöcke kleiner und mittlerer Baugröße aus einem Gussteil besteht, wobei Gusseisen, Sphäroguss – für höhere Beanspruchung – und Leichtmetall, beispielsweise Aluminium als Material Verwendung finden. Bei manchen mittleren und bei fast allen großen Motoren werden wegen auftretender Gießprobleme der Motorblock in zwei oder auch mehr Gussteile getrennt. Am häufigsten sind in diesem Falle die Zylinder vom Kurbelgehäuse separat gefertigt und mit Dehnschrauben anmontiert. Um die mit zunehmender Gussteilgröße auftretenden Schwierigkeiten zu umgehen, werden für größte Motoren wie beispielsweise Wärmekraftwerke und große Schiffsantriebe Schweißkonstruktionen aus Stahl oder Stahlguss bevorzugt.
Motorblöcke, beispielsweise für Dieselanwendungen, unterliegen vor allem in hochbeanspruchten Motoren einer zunehmender Belastung, wie beispielsweise Kompressionsspitzendruck, Verbrennungstemperatur, Abgasrückführung und Schmierfilmreduzierung, die deren Funktionseigenschaften, wie beispielsweise Festigkeit, und Verschleiß maßgeblich beeinflussen. Um diesem Beanspruchungsprofil zu entsprechen, ist eine Lösung gefragt, die ein Versagensrisiko eines Motorblocks minimiert und bei hoher mechanisch-dynamischer Belastung das weitere Funktionsverhalten über eine lange Lebensdauer garantiert.
Die Aufgabe ist es daher einen Motorblock zu verbessern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mittels eines Motorblocks nach Anspruch 1 und einem Verfahren zur Vergütung eines Motorblocks nach Anspruch 6. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind aus der nachfolgenden Beschreibung sowie den Unteransprüchen zu entnehmen. Die einzelnen Merkmale der beschriebenen Ausgestaltungen sind jedoch nicht auf diese beschränkt, sondern können mit anderen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen verknüpft werden.
Es wird ein Motorblock umfassend zumindest ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderblock und/oder ein Zylinderkurbelgehäuse vorgeschlagen, wobei der Motorblock ein Gusseinsenwerkstoff umfasst. Der Gusseisenwerkstoff weist eine Gefügematrix auf, die nadeliges, karbidfreies Ferrit und kohlenstoffangereichertes isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Carbide umfasst. Vorzugsweise umfasst der Gusseisenwerkstoff ausferritisches Gusseisen auf.
Bisher waren lediglich Motorblöcke für Motoren bekannt, die aus eisenbasierten Werkstoffen wie beispielsweise Gusseisen mit Lamellengraphit – GJL 250 – hergestellt sind. Bei hohen Anforderungen an die Bauteilfestigkeit wird beispielsweise Gußeisen mit Vermikulargraphit verwendet. Der vorgeschlagene Motorblock hat gegenüber einem Motorblock aus Vermikulargraphit wesentlich bessere Wärmeleitfähigkeit, wesentlich bessere tribologische Eigenschaften im Motorenbetrieb sowie bei der Herstellung eine signifikant verbesserte Gießbarkeit, so dass die Herstellungskosten wesentlich geringer ausfallen.
In einer Ausgestaltung wird ein Motorblock aus einem Gusseisenwerkstoff mit lamellaren Graphit – GJL – vorgeschlagen, welches eine Gefügematrix umfasst, die aus nadeligem, karbidfreiem Ferrit und kohlenstoffangereicherten isothermisch stabilisierten Restaustenit ohne Carbide besteht. Ein solcher Gusseisenwerkstoff wird als Austempered grey iron – AGI bezeichnet. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Motorblock ausferritisches Gusseisen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Gusseisenwerkstoff zu 99 Vol.-% bis 100 Vol.-% eine Gefügematrix aus nadeligem, karbidfreiem Ferrit und kohlenstoffangereichertem isothermisch stabilisierten Restaustenit ohne Carbide aufweist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass nahezu 100 Vol.-% des Gusseisenwerkstoffs die obengenannte Gefügematrix umfasst. Der Gusseisenwerkstoff kann gemäß verschiedener Ausgestaltungen sowohl Lamellengraphit, Kugelgraphit oder Vermiculargraphit aufweisen. Wird beispielsweise Kugelgraphit verwendet, nennt sich der Gusseisenwerkstoff, der die erfinderische Ausgestaltung aufweist, Austempered ductile iron – ADI.
Das Graphit kann in den ASTM-Typen A E und/oder D beliebiger Größenklassen vorliegen. In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die chemische Analyse des Gusseisenwerkstoffs des Motorblockes in folgenden Grenzen liegt:
C 2,8 Vol.-% bis 3,8 Vol.-%
Nn 0,2 Vol.-% bis 1,2 Vol.-%
S ≤ 0,15 Vol.-%
Cr < 1 Vol.-%
Cu < 1,2 Vol.-%
Sn < 0,25 Vol.-%
Si 1,6 Vol.-% bis 2,8 Vol.-%
P < 0,3 Vol.-%, vorzugsweise < 0,05 Vol.-%
Mo < 1,2 Vol.-%
Ti < 0,2 Vol.-%
Ni < 1,2 Vol.-%.
In einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Gusseisenwerkstoff vorzugsweise zusätzlich zumindest Kupfer, Molybdän, Mangan und/oder Nickel umfasst. Eine Schmelze des Gusseisenwerkstoffs wird insbesondere dann mit geringen Mengen von Kupfer-Molybdän, Mangan und/oder Nickel legiert, um eine Lage einer Perlitnase und/oder einer Bainitnase in einem Zeit-Temperatur-Umwandlungs-Diagramm zu beeinflussen und dadurch die isothermische Umwandlung ohne Perlitbildung oder Bainitbildung zu erreichen. Auch wenn im Folgenden beispielhaft unlegiertes GJL als Gusseisenmaterial beschrieben wird, so ist der erfindungsgemäße Motorblock prinzipiell aus jedem eisenbasierten Gussmaterial mit verschiedensten Festigkeitsgraden als FE-Basiswerkstoff für das Zylinderkurbelgehäuse einsetzbar. So kann beispielsweise Gusseisen mit Vermikulargraphit – GJV, Gusseisen mit Kugelgraphit – GJS, Gusseisen mit laminarem Graphit – GJL, weißer Temperguss – GJMW, schwarzer Temperguss – GJMB, oder Stahlguss – GS eingesetzt werden.
Bei einer beispielhaften Ausgestaltung mit AGI als Gusseisenwerkstoff für einen Motorblock sind die Eigenschaften gegenüber anderen hochfesten Materialien wesentlich verbessert. Beispielsweise weist der Gusseisenwerkstoff eine Wärmeleitfähigkeit von 44 W/mK auf. Weiterhin ist in einer Ausgestaltung vorgesehen, dass der Gusseisenwerkstoff einen Dämpfungsfaktor von 800·10^–6 bis 1200·10^–6 aufweist. Aufgrund einer erhöhten Mikrohärte ergibt sich bei dem vorgeschlagenen Gusseisenwerkstoff für einen Motorblock eine verbesserte Eigenschaft als Gleitpartner insbesondere zum Kolbenring, so dass ein geringerer Verschleiß beispielsweise der Zylinderlaufflächen und/oder der Kolben als bei bisher bekannten Werkstoffen erzeugt wird. Auch weist der vorgeschlagene Werkstoff für einen Motorblock eine verbesserte chemische Resistenz gegenüber Einflüssen von rückgeführtem Abgas im Rahmen von einer Abgasrückführung auf. Ein solcher geringer Verschleiß wird somit insbesondere bei Motorgenerationen für die Abgasnorm EU 6 vorteilhaft erreicht. In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der vorgeschlagene Gusseisenwerkstoff keine werkstofftechnischen Limitierungen bei einer Wandstärkenreduzierung wie beispielsweise bei einem Ultraleichtbau bezüglich der Gießbarkeit aufweist. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine hohe Fließfähigkeit des geschmolzenen Gusseisens bei der Herstellung des Motorblocks vorliegt.
Ein weiterer Gedanke der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Austempern eines Motorblocks, umfassend zumindest ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderblock und/oder ein Zylinderkurbelgehäuse, wobei ein Motorblock aus einem Gusseisenwerkstoff gegossen wird. Der Motorblock wird auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 850°C bis etwa 950°C aufgeheizt, wobei nach vollständiger Austenitisierung der Motorblock in einem Abschreckmedium auf etwa 220°C bis etwa 450°C abgeschreckt wird, wobei der Motorblock zumindest eine Stunde auf einer Temperatur von etwa 220°C bis etwa 450°C gehalten wird, bis der Gusseisenwerkstoff eine Gefügematrix aufweist, die nadeliges, karbidfreies ferrit- und kohlenstoffangereichertes isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Karbide umfasst. Vorzugsweise wird der Motorblock so lange auf einer Temperatur von etwa 220°C bis etwa 450°C gehalten, bis 99 Vol.-% bis 100 Vol.-% des Gusseisenwerkstoffes eine Gefügematrix aufweist, die nadeliges, karbidfreies ferrit- und kohlenstoffangereichertes isothermisch stabiles Restaustenit ohne Karbide umfasst.
In einer Ausgestaltung wird als Abschreckmedium ein Salzbad verwendet. Weiterhin ist in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass die Austenitisierung im Abschreckmedium oder in weiteren Ausgestaltung in einem Ofen vorgenommen wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen gehen aus den nachfolgenden Zeichnungen hervor. Die dort dargestellten Weiterbildungen sind jedoch nicht beschränkend auszulegen, vielmehr können die dort beschriebenen Merkmale untereinander und mit den oben beschriebenen Merkmalen zu weiteren Ausgestaltungen kombiniert werden. Des Weiteren sei darauf verwiesen, dass die in der Figurenbeschreibung angegebenen Bezugszeichen den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung nicht beschränken, sondern lediglich auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele verweisen. Gleiche Teile oder Teile mit gleicher Funktion weisen im Folgenden die gleichen Bezugszeichen auf. Es zeigen:
1 eine Skizze eines Motorblocks aus einem Gusseisenwerkstoff;
2 ein Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm und
3 ein AGI-Gefüge.
1 zeigt skizzenhaft einen beispielhaften Motorblock 1 umfassend ein Zylinderkurbelgehäuse. Der gezeigte Motorblock 1 weist vorzugsweise zu 100% eine Gefügematrix auf, die aus nadeligem karbidfreiem ferrit- und kohlenstoffangereichertem isothermisch stabilisierten Restaustenit ohne Karbide besteht. Insbesondere handelt es sich hierbei um ausferritisches Gusseisen, vorzugsweise AGI.
2 zeigt ein beispielhaftes Zeit-Temperatur-Umwandlungsdiagramm, wobei die Abszisse die Zeit t und die Ordinate die Temperatur T angibt. Der Verlauf der Temperatur über die Zeit, die in diesem Diagramm angegeben ist, zeigt beispielhaft einen Vergütungsvorgang eines Motorblocks, nachdem dieser gegossen und gegebenenfalls nachbearbeitet worden ist. M_P gibt die Lage der sogenannten Perlitnase an, bei deren Durchschreitung des Temperaturverlaufes eine Perlitbildung stattfindet. M_B gibt die sogenannte Bainitnase wieder, bei deren Durchschreitung im Zeit-Temperatur-Verlauf eine Bainitbildung erreicht wird. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, wird der Motorblock ausgehend von beispielsweise Raumtemperatur vorzugsweise unter Schutzatmosphäre auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 760°C bis etwa 980°C aufgeheizt. In der Zeitspanne t_βγ wird das Gefüge des Gusseisenwerkstoffes des Motorblocks austenitisiert. Danach wird in einer sehr kurzen Zeitspanne t_γδ der Motorblock auf Ausferritisierungstemperatur abgeschreckt. Die Ausferritisierungstemperatur ist vorzugsweise zwischen 220°C und 450°C. Insbesondere wird eine Abschreckung dadurch erzielt, dass der Motorblock in ein Salzbad eingetaucht beziehungsweise umgehängt wird. Eine Ausferritisierung des Motorblocks, insbesondere des vollständigen Motorblocks dauert die Zeitspanne t_δε, wobei diese zumindest eine Dauer von vorzugsweise mehr als 2 Stunden umfasst. Die Umwandlung des Gusseisenmaterials in nadeliges karbidfreies ferrit- und kohlenstoffangereichertes isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Karbide kann entweder in einem Salzbad oder in einem Ofen durchgeführt werden. Die genaue Umwandlungszeit ist abhängig von der Wandstärke des Motorblocks sowie der chemischen Zusammensetzung des Materials des Motorblocks. Ein zu geringes Halten in der Ausferritisierungstemperatur führt zu metastabilem Restaustenit, wohingegen zu langes Halten zur Umwandlung in Bainit, das heißt sogenanntes Ferrit mit integrierter Karbidausscheidung führt. Die Temperatur der isothermischen Umwandlung beeinflusst ebenfalls das Gefüge, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Gussstücke beeinflusst werden. Je geringer die Temperatur, desto höher die Härte und Festigkeit des resultierenden Materials. Nach der Zeitspanne t_δε wird der Motorblock ausgekühlt. Bis dieser beispielsweise weiterbearbeitet werden kann, vergeht die Zeitspanne t_εϕ.
3 zeigt ein beispielhaftes Gefüge 2 eines Gusseisenwerkstoffes eines Motorblocks aus AGI. Das Gefüge weist neben nadeligem Ferrit 3, und Grafit 4 auch stabilisiertes Restaustenit 5 auf. Auch ist dem Gefüge zu entnehmen, dass die Legierung Mangan-Sulfit 6 umfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Motorblock&oldid=67898278 [0003]

Claims

Motorblock umfassend zumindest ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderblock und/oder ein Zylinderkurbelgehäuse, wobei der Motorblock ein Gusseinsenwerkstoff umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff eine Gefügematrix aufweist, die nadeliges, karbidfreies Ferrit und kohlenstoffangereichertes isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Carbide umfasst.
Motorblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff ausferritisches Gusseisen umfasst.
Motorblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff zu 99 Vol.-% bis 100 Vol.-% die Gefügematrix aus nadeligem, kabidfreiem Ferrit und kohlenstoffangereichertem isothermisch stabilisierten Restaustenit ohne Carbide aufweist.
Motorblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gusseisenwerkstoff Lamellengrafit, Kugelgrafit oder Vermikulargrafit aufweist.
Motorblock nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gusseisenwerkstoff zumindest Kupfer, Molybdän, Mangan und/oder Nickel umfasst.
Verfahren zum Austempern eines Motorblocks umfassend zumindest ein Kurbelgehäuse, einen Zylinderblock und/oder ein Zylinderkurbelgehäuse, wobei ein Motorblock aus einem Gusseisenwerkstoff gegossen wird, wobei der Motorblock auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 850°C bis etwa 950°C aufgeheizt wird, wobei nach vollständiger Austenitisierung der Motorblock in einem Abschreckmedium auf etwa 220°C bis etwa 450°C abgeschreckt wird, wobei der Motorblock zumindest eine Stunde auf einer Temperatur von etwa 220°C bis etwa 450°C gehalten wird bis der Gusseisenwerkstoff eine Gefügematrix aufweist, die nadeliges, kabidfreies Ferrit und kohlenstoffangereichertem isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Carbide umfasst.
Verfahren nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Motorblock so lange auf einer Temperatur von etwa 220°C bis etwa 450°C gehalten wird, bis 99 Vol.-% bis 100 Vol.-% des Gusseisenwerkstoffes eine Gefügematrix aufweist, die nadeliges, kabidfreies Ferrit und kohlenstoffangereichertem isothermisch stabilisiertes Restaustenit ohne Carbide umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Abschreckmedium ein Salzbad verwendet wird.