DE10321391B3 - Centrifugal casting process for producing cylinder liners comprises inserting a first alloy in the liquid state into a rotating mold to produce an outer casing for a cast piece - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleuderguss, insbesondere von rotationssymmetrischen Gussstücken wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Gusseisenlegierungen, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Zylinderlaufbuchsen mit im Abnutzungsbereich erhöhtem Verschleißwiderstand der Legierung zur Vermeidung von lokaler Abnutzung.The The invention relates to a method for centrifugal casting, in particular of rotationally symmetrical castings such as cylinder liners from at least two different cast iron alloys, in particular a method for producing cylinder liners with increased wear resistance in the wear area the alloy to avoid local wear.
Zylinderlaufbuchsen werden meist in großen Motoren eingesetzt, wobei sie, – insbesondere bei schlechter Schmier- oder Treibstoffkonsistenz, wie es bei Schiffs- und stationären Motoren häufig vorkommen kann –, starkem Abrieb ausgesetzt sind. Insbesondere im Bereich des oberen Umkehrpunkts des ersten Kolbenrings wird die Laufbuchseninnenfläche erheblich beansprucht, so dass sich dort zuerst Abnutzungserscheinungen ergeben.Cylinder liners are mostly in big engines used, in which they - in particular with poor lubricant or fuel consistency, as is the case with ships and stationary Motors often can occur -, are exposed to heavy abrasion. Especially in the area of the upper Inversion point of the first piston ring, the liner inner surface considerably claimed so that there are first signs of wear and tear.
Naheliegenderweise würde man zur Vermeidung von Abnutzungen eine verschleißfestere Gusseisenlegierung für die – üblicherweise im Schleuderguss hergestellten – Zylinderlaufbuchsen wählen. Mit der Verwendung einer verschleißfesteren Legierung ergibt sich jedoch der Nachteil, dass die Duktilität abnimmt und daher die Zylinderlaufbuchsen leichter zur Rissbildung neigen.Obviously, you would To avoid wear a more wear-resistant cast iron alloy for the - usually produced by centrifugal casting - cylinder liners choose. With the use of a more wear resistant alloy results However, the disadvantage that the ductility decreases and therefore the cylinder liners more likely to crack.
Fast noch schwerer wiegt, dass eine solche Legierung sich nur extrem schwer bearbeiten läßt. Die Bearbeitung der Legierung mit spanender Technik, bei der bei im Schleuderguss gefertigten Gussstücken bis zu 50 % des Rohlings entfernt werden, ist jedoch ein wesentliches Kostenkriterium bei der Herstellung von Zylinderlaufbuchsen.Nearly even more serious, such an alloy is extremely rare hard to edit. The Machining of the alloy with cutting technology, in which at Centrifugally cast castings However, up to 50% of the blank to be removed, is an essential Cost criterion in the production of cylinder liners.
Es muß immer, da eine leicht konische Laufbuchse aus einer einstöckigen zylindrischen Kokille zu entfernen ist, sehr viel Material an der Außen- aber auch an der Innenseite entfernt werden, da sämtliche äußeren Profilierungen, insbesondere Hinterschneidungen nicht anders hergestellt werden können.It must always, as a slightly conical liner made of a single-story cylindrical Mold is to remove, a lot of material on the outside though also be removed on the inside, since all external profiles, in particular Undercuts can not be made differently.
Weiter wäre es möglich, eine Oberflächenbehandlung durch Härtung eines entsprechenden Bereiches vorzunehmen. Diese ist jedoch kostenträchtig und führt nur zu einer dünnen verschleißfesten Schicht.Further would it be possible, a surface treatment by hardening a corresponding area. This is however costly and only leads to a thin one wear-resistant layer.
Im
Stand der Technik, so z. B.
Die
technologischen Probleme, die beim Giessen von Eisen auf bereits
abgekühlte
Teilgüsse auftreten,
sind weiter in der
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen kostengünstigeren Weg zu finden, lokal den Verschleißwiderstand zu erhöhen.The Invention has set itself the task of a cost-effective To find a way to locally increase the wear resistance.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder. Es wird vorgeschlagen, im Schleuderguss eine Legierung mit höherem Verschleißwiderstand in nur einen zuvor definierten Bereich der Zylinderlaufbuchse einzubringen, so dass die übrigen Bereiche, insbesondere die verbleibende Innenseite, einfach zu bearbeiten ist, und die Zylinderlaufbuchse weiter die gewünschten mechanischen Eigenschaften beibehält. Der gewünschte Bereich kann zwischen ca. 5% der Länge der Buchse bis über 40% variiert werden. Meist wird jedoch schon eine Länge von weniger als 10%, die verschleißbeständiger ist, ausreichen.According to the invention this is solved by a method having the features of the main claim. The under claims give advantageous embodiments again. It is proposed in centrifugal casting an alloy with higher wear resistance in just one pre-defined area of the cylinder liner, so the rest Areas, especially the remaining inside, easy to edit is, and the cylinder liner further the desired mechanical properties maintains. The desired Range can be between about 5% of the length of the jack to over 40% be varied. Usually, however, is already a length of less than 10%, the is more resistant to wear, suffice.
Insbesondere wird lediglich in dem oberen, stark belasteten Bereich in der Nähe des oberen Umkehrpunktes des obersten Kolbenrings Material in einen in der Kokille schon abkühlenden (Teil-)Guss hinzugefügt, das sich während der Drehung der bevorzugt mit horizontaler Achse gelagerten Kokille, da es nachträglich zugeführt wurde, insbesondere in diesem Zuführ-Bereich, aber – durch die Zentrifugalkraft bedingt – auch über die gesamte Innen-Erstreckung auslaufend, axial verteilt.In particular is only in the upper, heavily loaded area near the top Turning point of the uppermost piston ring material in one in the Chilling mold already cooling (Partial) casting added, that is during the rotation of the mold, which is preferably mounted with a horizontal axis, as it is subsequently supplied was, especially in this feeder area, but - by the centrifugal force conditioned - even over the entire inner extension leaking, axially distributed.
Nun wird das deutlich heißere, weil noch nicht abgekühlte Eisen der zweiten Legierung insbesondere an seinem Auftreffring auf die Innenseite des mit dem ersten (Teil-)guss erzeugten Außenmantels mehr Material aufschmelzen, als ein Stück davon entfernt. Diesen Effekt macht man sich zunutze, indem man punktuell, vorzugsweise radial nach außen gerichtet, das Material der zweiten Legierungszusammensetzung einbringt. Soll eine dickere Innenschicht erzeugt werden, wird man die Temperatur und/oder die Materialmenge des zweiten Gusses erhöhen oder die Abkühlung des Materials des ersten Gusses schon bei höheren Temperaturen beenden können.Now, the much hotter, because not yet cooled iron of the second alloy, especially at its impingement on the inside of the with the first (partial) cast outer sheath melt more material than a piece of it away. This effect is exploited by selectively introducing the material of the second alloy composition, preferably radially outward. If a thicker inner layer is to be produced, it will be possible to increase the temperature and / or the amount of material of the second casting or to be able to finish the cooling of the material of the first casting even at relatively high temperatures.
Bei der Verdrängung der ersten Legierung und dem „Fließen" an der Oberfläche der ersten Legierung (auf die Innenseite der Buchse) wird sich die zweite Legierung mit der darunter liegenden ersten Legierung vermischen und kann in den Bereichen, in denen es nicht die erwünschte Dicke zum Verbleib erreicht, beim Bearbeiten (Ausbohren) als gemischte Legierung entfernt werden. Es ist möglich, nicht nur zwei, sondern drei oder mehr Legierungen nacheinander einzubringen, falls noch komplexere Gussstücke erzielt werden sollen.at of repression the first alloy and the "flow" at the surface of the first alloy (on the inside of the socket) will become the second Mix alloy with underlying first alloy and may be in areas where it is not the desired thickness obtained to the whereabouts when machining (drilling) as a mixed alloy be removed. It is possible, not just two but three or more alloys in succession to bring in, if even more complex castings to be achieved.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens dringt die verschleißfestere Legierung sehr zielgenau, d. h. mit steilen Übergangswinkeln bezüglich der Längserstreckung oder der Innenoberfläche des Gussstücks in das bereits zuvor schon erstarrte Material der ersten Legierungszusammensetzung ein, so dass vermieden wird, dass dünne Schichten während des Laufens des Motors – der Bewegung der Kolbenringe über die Materialgrenze – hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.In a particularly preferred embodiment of the method penetrates the more wear-resistant Alloy very accurately, d. H. with steep transition angles with respect to longitudinal extension or the inner surface of the casting in the already solidified material of the first alloy composition a, so that is avoided that thin layers during the Running the engine - the Movement of the piston rings over the material limit - high are exposed to mechanical loads.
Weiter wird bevorzugt, dass die Legierung des Innenbereichs, also der später zu erstellenden Lauffläche, ein beliebiger Eisen-Kohlenstoff Werkstoff ist, während die Außenseite aus Gusseisen anderer Zusammensetzung besteht, wobei Gusseisen im Sinne der Ansprüche eine beliebige Eisen-Kohlenstoff-Legierung sein kann, u.a. auch ein Stahl.Further is preferred that the alloy of the inner region, so the later to be created tread, a Any iron-carbon material is, while the outside made of cast iron of a different composition, with cast iron in the Meaning of the claims may be any iron-carbon alloy, i.a. also a steel.
Vorteilhafterweise wird die zweite Legierung zugegeben, nachdem die erste, äußere Legierung begonnen hat, zu erstarren, so dass durch die zugeführte Wärme der (flüssigen) zweiten Legierungszugabe ein Teilbereich der ersten Legierung aufgeschmolzen wird und das dort befindliche Material durch nachdrängendes flüssiges Gusseisen aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit beim Schleuderguss verdrängt wird. Durch hohe Zentrifugalkraft und Temperatur wird sichergestellt, dass das Material der zweiten Legierungszugabe innig ohne Einschlüsse mit demjenigen der ersten Legierungszusammensetzung verschmolzen wird.advantageously, The second alloy is added after the first, outer alloy has begun has to solidify, so that by the added heat of the (liquid) second alloy addition a portion of the first alloy is melted and the there located material by nachdrängendes liquid cast iron due to high rotational speed is displaced during centrifugal casting. By high centrifugal force and temperature is ensured that the material of the second alloy addition intimately with no inclusions is fused to that of the first alloy composition.
Ein Beispiel einer zweiten Legierung, die zur Hartphasenbildung und damit zur Erhöhung des Verschleißwiderstands neigt, ist eine Legierung, die sich durch Zusätze an Molybdän und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder einen erhöhtem Anteil an Vanadium und/oder Chrom auszeichnet.On Example of a second alloy used for hard phase formation and thus to increase the wear resistance is an alloy characterized by additions of molybdenum and / or Phosphorus and / or boron and / or an increased proportion of vanadium and / or Chrome distinguishes.
Die auf diese Weise gefertigten Zylinderlaufbuchsen werden nach einem Ausbohren wie üblich an Innen- und Außenseite auf Dimension gebracht, geglüht und abschließend in einem Honverfahren bearbeitet. Die erhöhte Verschleißfestigkeit ist von Vorteil, da die durch das Honen erzeugte Oberflächenstruktur länger erhalten bleibt.The manufactured in this way cylinder liners are after a Bore out as usual Inside and outside brought to dimension, annealed and finally processed in a honing process. The increased wear resistance is advantageous because the surface structure created by the honing longer preserved.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zeigt nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:Further Advantages and features of the invention will be described below a preferred embodiment with the attached Drawings. Showing:
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schleuderguss insbesondere von rotationssymmetrischen Gussstücken wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Gusseisenlegierungen im Verbundguss, wird mit einem ersten Einbringen einer ersten Gusseisenlegierung im flüssigen Zustand in eine rotierende Kokille zur Erzeugung wenigstens des Außenmantels des Gussstücks, und anschließendes ggf. mehrmals stattfindendes Abkühlenlassen des bisher erzeugten Gussstücks im wesentlichen wie herkömmlich durchgeführt. Allerdings wird nun bei einsetzender Verfestigung der ersten oder der bis dahin eingebrachten Legierung(en), eine zweite oder auch eine weitere Gusseisenlegierung in flüssigem Zustand auf einen definierten Teilbereich der Innenfläche unter Beibehaltung der Rotation der Kokille eingebracht, wobei die zweite oder weitere Gusseisenlegierung in einem Grenzbereich mit dem abgekühlten Material aus erster oder zuvor eingebrachter Gusseisenlegierung verschmilzt und beim Erstarren ein Gusseisen mit anderen Materialeigenschaften ausbildet.The inventive method for centrifugal casting in particular of rotationally symmetrical castings such Cylinder liners made of at least two different cast iron alloys in composite casting, with a first introduction of a first cast iron alloy in the liquid state in a rotating mold for producing at least the outer shell of the casting, and subsequent if necessary, allow to cool several times of the previously produced casting essentially as conventional carried out. However, when the solidification of the first or the previously introduced alloy (s), a second or even another cast iron alloy in a liquid state to a defined Part of the inner surface while maintaining the rotation of the mold introduced, the second or further cast iron alloy in a border area with the cooled Material from first or previously introduced cast iron alloy melts and solidifies a cast iron with other material properties formed.
Zur Herstellung von lokal mit erhöhtem Verschleißwiderstand versehenen rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere Zylinderlaufbuchsen, aus wenigstens zwei Legierungen, wird also ein Innenbereich des Gussstückes mit der weiteren Gusseisenlegierung unter Wiederaufschmelzen eines definierten Bereichs in Teildicke des dort befindlichen Mantels aus erster oder vorangehender Gusseisenlegierung mit der weiteren Gusseisenlegierung beaufschlagt.For the production of locally provided with increased wear resistance rotationally symmetrical workpieces, in particular cylinder liners, from at least two alloys, so is a Interior of the casting with the other cast iron alloy with re-melting of a defined area in part thickness of the existing there coat of first or previous cast iron alloy with the other cast iron alloy acted upon.
Dazu
wird der Bereich des oberen Umkehrpunktes des obersten Kolbenrings
in der Zylinderlaufbuchse mit einer zweiten Gusseisenlegierung unter
Wiederaufschmelzen eines Bereiches der dort befindlichen schon kühleren ersten
Gusseisenlegierung mit zweiter Gusseisenlegierung solange beaufschlagt,
bis in dem Bereich in einer gewünschten Schichtdicke
die erste Gusseisenlegierung verdrängt ist, wobei bevorzugt Bereiche
des Gussstücks,
in denen sich vermischtes Material (
Die
in
Eine
derart hergestellte Zylinderlaufbuchse (
Als Material des Außenbereiches wird Gusseisen mit Lamellengrahit (GJL) oder Kugelgraphit (GJS) und als Material des Innenbereichs Gusseisen mit Lamellengrahit mit hohem Anteil an Hartphase gewählt. Tabelle 1 zeigt beispielhafte Grenzen der Bestandteile.As Outdoor material is cast iron with lamellar graphite (GJL) or nodular graphite (GJS) and as a material of interior cast iron with lamellar graphite selected with a high proportion of hard phase. Table 1 shows exemplary Limits of the ingredients.
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