DE2654474A1

DE2654474A1 - Zylinderlaufbuchse

Info

Publication number: DE2654474A1
Application number: DE19762654474
Authority: DE
Inventors: Rolf Ing Grad Milbach; Reinhard Dipl Ing Dr I Mueller; Gerhard Ing Grad Schwarz
Original assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Current assignee: Teves Thompson and Co GmbH
Priority date: 1976-12-01
Filing date: 1976-12-01
Publication date: 1978-06-08

Description

Zylinderlaufbuchse Die Erfindung betrifft eine Zylinderlaufbuchse aus Schleuderguß für VerbrennungskraftmaEchinen.
Es ist allgemein bekannt, Zylinderlaufbuchsen für Verbrennungskraftmaschinen im Schleudergußverfahren aus Grauguß mit lamellarem Graphit (GGL) herzustellen. Das Gefüge der Buchsen ist vorwiegend perlitisch. Der in Lamellenform vorliegende Graphit hat sich ähnlich wie bei Kolbenringen aus GGL, als ausgezeichneter Reibpartner bewährt. Das Verschleißverhalten von Zylinderlaufbuchsen aus GGL kann demnach als optimal angesehen werden. Grauguß mit lamellarem Graphit ist dafür bekannt, daß keine hohe Zug-, Biegefestigkeit und Duktilität vorliegt. Diese Eigenschaften machen sich insbesondere immer dann sehr unangenehm bemerkbar, wenn Wechselbeanspruchungen in konstruktiv besonders gefährdeten Bereichen wie Hinterschneidungen, Radien, Bünden, Flanschen usw. eine Rißanfälligkeit hervorrufen. Die Rißanfälligkeit wird durch die Kerbwirkung des Lamellengraphits noch verstärkt0 Bei Motoren mit Leichtmetallgehäusen, in denen die Zylinderlaufbuchsen angeordnet sind, wird die Rißgefahr durch die geringe Steifigkeit dieser Konstruktionen sowie die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten noch verstärkt.
Der Einsatz von monometallischen Zylinderlaufbuchsen aus duktilen hochfesten Werkstoffen wie belspielsweise Grauguß mit kugelförmigem Graphit oder Stahl ist bekannt und hat den Nachteil, daß die Laufeigen schaften dieses Werkstoffs im Vergleich zum GGL wesentlich schlechter sind. Deswegen müssen diese Werkstoffe häufig verchromt werden, was außerordentlich teuer ist.
Es ist allgemein bekannt, Verbundgußkörper im Schleudergußverfahren so herzustellen, daß in einem kalten oder angewärmten Außenkörper flüssiges Metall eingebracht wird und erstarrt. Auf diese Weise werden Lagerkörper, korrosionsbeständige Rohre, Katalysatorrohre, verschleißbeständige Mischerkörper und ähnliche Teile hergestellt Es ist weiterhin bekannt, Verbundgußkörper im statischen Verfahren herzustellen, bei denen die Außenhaut erstarrt, der noch flüssige Innenkern abgelassen wird und durch eine andere Eisen- oder Stahllegierung ersetzt wird.
Eine solche Herstellweise wird für Walzen angewendet, die außen eine sehr verschleififeste harte Oberfläche haben müssen, innen dagegen einen duktilen Kern besitzen.
Es ist auch bekannt, nacheinander in einer Hitze in eine Schleudergußkokille Werkstoffe einzugießen, die für besondere Anwendungsfälle wie z.B. Rohrleitungen, Masten usw. geeignet sind. In diesem Falle werden ähnliche Legierungen verwendet, die nur zu einem Konzentrationsgefälle in dem Fertigteil in bestimmten Legierungsbestandteilen führen, die den statischen Festigkeitserfordernissen entspricht. Es ist auch vorgeschlagen worden, mehr als zwei Schichten zu verwenden, um die Haltbarkeit von Geschützrohren zu verbessern.
Alle bisher bekannten Verfahren lehren hingegen nicht, wie eine Zylinderlaufbuchse für moderne Dieselmotoren mit hohen Zünddrücken mit hohen Frequenzen herzustellen wäre, die die extrem hohen Anforderungen an die hohe Dauerfestigkeit des radial äußeren Bereichs, insbesondere der Flanschen, Radien, Freidrehungen usw. und höchste Verschleißbeständigkeit des radial inneren Bereichs, insbesondere ferritfreies Gefüge, lamellare Graphitausbildung und Verschleißfeste Grundmasse erfüllt.
Aufgabe der Erfindung ist es also, eine Zylinderlaufbuchse für Verbrennungsmotoren zu schaffen, die sowohl ein günstiges Verschleißverhalten zeigt als auch wenig rißanfällig bei Wechselbeanspruchungen, insbesondere auch bei einem Einsatz im Gehäuse mit einem vom Zylinderwerkstoff verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten ist.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinderlaufbuchse aus an sich bekannten, aus zwei konzentrischen Teilen bestehenden zylindrischen Körpern mit stark unterschiedlichen Gleit-, Duktilitäts- und Festigkeitseigenschaften gebildet ist, wobei der äußere aus einem hochfesten, rein ferritischen Grauguß mit Kugelgraphit (GGG) und der innere aus Grauguß mit Lamellengraphit (GGL) besteht und beide Teile eine innige metallische Bindung aneinander aufweisen.
datluScb Dies wird/erreicht, daß in eine Schleudergußkolille nacheinander die verschiedenen Werkstoffe eingegossen werden. Durch eine besondere, hier nicht näher zu beschreibende Technik wird bewirkt, daß die beiden verschiedenen Werkstoffe einen innigen hochfesten Verbund miteinander eingehen.
Eine solche bimetallische Verbundgußbuchse ist von besonderem technishen Wert. Dort wo erfahrungsgemäß die höchsten Spannungen auf treten, nämlich am Außendurchmesser, dem Flansch, den Radien usw. und die Ausgangspunkte der Dauerbrüche zu suchen sind, steht ein duktiler hochfester Werkstoff zur Verfügung, der wesentlich hohere Spannungen erträgt als lamellarer Grauguß.
Somit sind höhere Belastungen ertragbar.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Konstruktion ist die geringere elastische Dehnung unter den Verbrennungsdrücken. Gerade die Spitzendrücke moderner Dieselmotoren sind in letzter Zeit erheblich gesteigert worden und von einem Bereich von 100 bis 120 bar auf 140 bis 160 bar gestiegen. Hierbei sind auch konventionelle Konstruktionen monometallischer GGL Zylindern laufbüchsenbis an die Grenze des Ertragbaren belastet.
Insbesondere die zyklischen Vergrößerungen der oberen Partie jeder hochbelasteten Zylinderlaufbuchse werfen hinsichtlich der Sp:.elgebung und Abdichtung der Kolbenkrone und Kolbenringe immer wieder Probleme auf, die häufig nicht gelöst werden können. Hierbei handelt es sich nicht nur um die Wirkungen der gleichmäßigen Dehnung und Durchmesservergrößerung, sondern auch um Formveränderungen, d.h., Abweichungen von der Rundheit. Diese zyklischen Verformungen schaffen Voraussetzungen für einen zeitweiligen Kollaps des obersten Kolbenrings mit all seinen verherenden Folgen.
Als besonders vorgeilhaft hat sich eine Zylinderlaufbuchse mit einer Außenschale aus einem rein ferritischen Grauguß mit-Kugelgraphit (GG6) folgender Zusammensetzung erwiesen: C 2,50 - 3,00 % Si 4,60 - 5,10 % Mn 0,10 max.
P 0,10 max.
S 0,04 max.
Mg 0,10 max.
Cu 0,5 - 0,8 % Eine solche Außenschale kann vorteilhafterweise mit einer Innenschale aus einem Grauguß mit Lam-ellengraphit der nachstehenden Zusammensetzungen versehen werden: a.) C 3,20 - 3,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,30 - 0,50 S 0,07 max.
Cr 0,20 - 0,50 b.) C 3,20 - 3,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,40 - 0,80 S 0,07 max.
Cr 0,20 - 5,50 c.) C 3,20 - 3,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,30 - 0,50 S 0,07 max.
Cr 0,20 - 0,50 Ni 0,50 - 0,80 d.) C 3,20 - 3,50 Si 1,-80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,30 - 0,50 S 0,07 max.
Cr 0,20 - 0,50 Mo 0,30 - 0,60 Cu 0,5 max.
e.) C 3,80 - 4,30 Si 1,00 - 1,40 Mn 0,10 - 0,60 P 0,15 - 0,40 S 0,04 max.
Cr 0,20 - 0,40 Mo 0,40 - 0,80 Cu 0,40 - 0,80 Sn 0,10 - 0,30 Graphit 3 3,00 Der Übergangsbereich zwischen den beiden Werkstoffen muß frei von Porositäten bzw. Oxyden sein. Das bedeutet, daß die Zeit zwischen dem Abguß der Außenschale und dem Einguß der Innenschale so kurz wie möglich zu halten ist, damit eine einwandfreie metallische Verbindung der beiden Werkstoffe gewährleistet werden kann. Andererseits muß die Erstarrung des Materials der Außenschale bereits beendet sein, um eine Durchmischung mit dem flüssigen Werkstoff der Innenschale zu vermeiden. Es ist außerdem wichtig, die Wandstärke der Außenschale so gering wie möglich zu halten, um ein zu langes und zu intensives Ausgasen, welches wiederum die Bindung wischen den beiden Werkstoffen nachteilig beeinträchtigen würde, zu vermeiden.
Außerdem müssen die Verweilzeiten bei dem jeweiligen Einguß bzw. die Kühlzeiten bei den Kokillen dem Gewicht der zu gießenden Buchsen angepaßt werden.
In der bildlichen Darstellung sind Einzelheiten über die Gefügeausbildung einer erfindungsgemäß hergestellten Zylinderlaufbuchse aus Verbundguß zu entnehmen.
Es zeigen: Bild 1 die Graphitausbildung am Innendurchmesser in lOOfacher Vergrößerung, Bild 2 + die Graphitausbildung im Ubergangs-Bild 3 bereich zwischen der Außen- und der Innenschale in 40 bzw. iOOfacher Vergrößerung, Bild 4 die Graphitausbildung des Werkstoffs am Außendurchmesser in l00facher Vergrößerung, Bild 5 das perlitische Gefüge des Werkstoffs am Innendurchmesser, und ßild 6 die Gefügeausbildung des Werkstoffs am Außendurchmesser.
Aus den Bilddarstellung ist der Unterschied zwischen dem lamellarem Graphit der Innenschale und dem Kugelgraphit der Außenschale einschließlich der Übergangsbereiche zu erkennen. Die innige metallische Verbindung zwischen den beiden Schalen wird hierbei ohne besondere Zusätze - beispielsweise Schlacken - erreicht, was als besonderer gießtechnischer Vorteil erwähnt werden darf. Die Außenschale kann Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten zwischen Zylinderlaufbuchse und Motorengehäuse weitaus besser kompensieren, als das Material der Innenschale, deren Stärke im günstigen Verschleißverhalten liegt.
Unter Umständen wäre es vielleicht naheliegend, eine beliebige der bekannten GGG Sorten zu verwenden. Die Erfindung bezieht sich aber bevorzugt auf eine ferritische hochfeste Güte, weil perlitische Güten bei den besonderen technologischen Daten des Herstellungsprozesses unbrauchbare harte Außenschalen ergeben. Von besonderer Wichtigkeit ist daher die Kombination einer hochfesten, ferritischen, unlegierten GGG 70 Güte mit einer der bewährten, lamellaren Graphit enthaltenden gleitfreundlichen Güte auf der Innenseite.
Nur eine derartige Kombination erlaubt einen Herstellprozeß mit der notwendigen starken Abkühlung des Außenkörpers ohne unerwünschte Gefügeausbildung und gleichzeitig sicheres Eneichen des in engen Spezifikationen gehaltenen Gefüges des Innenmantes;-

Claims

PATENTANSPRÜCHE 1. Zylinderlaufbuchse aus Schleuderguß für Verbrennungsl kraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus an sich bekannten, aus zwei konzentrischen Teilen bestehenden zylindrischen Körpern mit unterschiedlichen Gleit-, Duktilitäts- und Festigkeitseigenschaften gebildet ist, wobei der äußere Teil aus einem ferritischen, hochfesten Grauguß mit Kugelgraphit (GGG) und der innere aus einem Grauguß mit Lamellengraphit (GGL) besteht und beide Teile eine innige metallische Bindung aneinander aufweisen.

2. Verfahren zur Herstellung einer Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beide Teile in kurzer zeitlicher Aufeinanderfolge in einer Hitze gegossen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar nach beendeter Erstarrung der Außenschale die Innenschale gegossen wird.

4. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus GGG 70 besteht.

5. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenmantel aus einem Kugelgraphitgrauguß folgender chemischer Zusammensetzung besteht: C 2,50 - 3,00 Si 4,60 - 5,10 Mn 0,10 max0 P 0,10 max.

S 0,04 max.

Mg 0,10 max.

Cu 0,5 - 0,8 6. Zylinderlaufbuchse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus einem Grauguß mit Lamellengraphit folgender chemischer Zusamrensetzung besteht: C 3,20 - ,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,30 - 0,50 S 0,07 max.

Cr 0,20 - 0,50 7. Zylinderlaufbuchse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus einem Grauguß mit Lamellengraphit folgender chemischer Zusammensetzung besteht: C 3,20 - 3,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,40 - 0,80 S 0,07 max.

Cr 0,20 - 0,50 8. Zylinderlaufbuchse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus einem Grauguß mit Lamellengraphit folgender chemischer Zusammensetzung besteht: C 3,20 " 3,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,30 - 0,50 S 0,07 max.

Cr 0,20 - 0,50 Ni 0,50 - 0,80 a. Zylinderlaufbuchse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus einem Grauguß mit Lamellengraphit folgender chemischer Zusammensetzung besteht: C 3,20 - 3,50 Si 1,80 - 2,20 Mn 0,60 - 1,00 P 0,30 - 0,50 S 0,07 max.

Cr 0,20 - 0,50 Mo 0,30 - 0,60 Cu 0,5 max.

10. Zylinderlaufbuchse nach einem oder mehreren der Ansprüche 1, 4, 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenschicht aus einem Grauguß mit Lamellengraphit folgender chemischer Zusammensetzung besteht: C 3,80 - 4,30 Si ,00 " 1,40 Mn 0,10 - 0,60 P 0,15 - 0,40 S 0,04 max.

Cr 0,20 - 0,40 Mo 0,40 - 0,80 Cu 0,40 - 0,80 Sn 0,10 - 0,30 Graphit > 3,00