DE3327490A1 - Verbundzylinderlaufbuechse fuer verbrennungsmotoren - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Zylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren und insbesondere eine verbesserte Zylinderlaufbüchse mit großem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, die insbesondere für Schiffe eingesetzt werden.

Die in Verbrennungsmotoren verwendeten Zylinderlaufbüch^sen müssen im wesentlichen eine hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, Festgehen bzw. Klemmen aufweisen, da die Laufbüchse gleichzeitig im Gleitkontakt mit den Kolbenringen steht und die Luftdichtigkeit sicherstellen muß. Aus diesem Grund wird üblicherweise als Material für solche Zylinderlaufbüchsen ein Spezialgußeisen verwendet, welches die Verschleißfestigkeit verbessernde Elemente, wie Cr, B, P, V, Mo, Nb oder dergleichen enthält und ein Gefüge mit Α-Graphit aufweist.

Aufgrund der jüngeren Entwicklungen im Hinblick auf die Vergrößerung und die Verminderung des Gewichts der Zylinderlaufbüchsen für Verbrennungsmotoren ist erkannt worden, daß aus den herkömmlichen Materialien gefertigte Laufbüchsen nicht die erforderliche Festigkeit aufweisen, so daß ein Bedürfnis dafür besteht, die Festigkeit zu steigern.

Zur Steigerung der Festigkeit der Zylinderlaufbüchsen wird überlicherweise versucht, die Laufbüchse aus einem Material höherer Festigkeit herzustellen, ein Versuch, der in der Praxis im allgemeinen vergeblich ist, da andererseits die Verschleißeigenschaften und die Gleiteigenschaften, die die Zylinderlaufbüchse aufweisen muß, beeinträchtigt werden oder verlorengehen, wenn man ein Material höherer Festigkeit einsetzt. Es ist weiterhin

versucht worden, die Wandstärke der Laufbüchse zu steigern, was jedoch dem Erfordernis der Gewichtsverminderung der Verbrennungsmaschine entgegensteht.

Bei Zylinderlaufbüchsen, die für große Verbrennungsmotoren verwendet werden, können die Betriebsbedingungen und die Bruchursachen der Laufbüchsen wie folgt analysiert werden:

(a) Der innere Oberflächenbereich der Zylinderlaufbuchse steht in Gleitkontakt mit den

Kolbenringen, so daß hier eine hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen notwendig ist.

(b) Der Bruch der Zylinderlaufbüchse beginnt an ihrer äußeren Oberfläche.

Bei Zylinderlaufbüchsen mit relativ großer Wandstärke ist die Bruchursache überwiegend in den hohen thermis.chen Spannungen zu sehen. Insbesondere ist die Innenseite der Zylinderlaufbüchse während des Verbrennungsund Explosions-Prozesses sehr hohen Temperaturen ausgesetzt, während die Außenseite der Laufbüchse einer niedrigen Temperatur ausgesetzt ist, da der Zylinder in wirksamer Weise mit Wasser gekühlt wird. Dieser Temperaturgradient zwischen der Innenseite und der Außenseite der Laufbüchse erzeugt thermische Spannungen, die Druckspannungen bzw. Zugspannungen in den Innenbereichen bzw. in den Außenbereichen verursachen. Somit ist es sehr wahrscheinlich, daß Brüche an der Außenseite der Laufbüchse beginnen.

Die äußeren Bereiche der Zylinderlaufbüchse, die für Schiffsverbrennungsmotoren verwendet werden sollen, muß daher eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen, um

große Wandstärken der Laufbüchse zu vermeiden. Andererseits müssen normale Zylinderlaufbüchsen geringer Größe
im allgemeinen keine große Wandstärke besitzen und weisen daher die durch die Temperaturunterschiede verursachten Probleme nicht auf, die oben im Hinblick auf große Zylinderlaufbüchsen angesprochen wurden.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, eine Verbundzylinderlaufbüchse zu schaffen, welche zufriedenstellende Verschleißeigenschaften und eine gute Beständigkeit gegen Festfressen bzw. Festgehen oder Klemmen auf der Innenseite aufweist und eine zufriedenstellende Festigkeit und Duktilität auf der Außenseite besitzt.

Diese Aufgabe wird nun gelöst durch die Verbundzylinderlaufbüchse gemäß Hauptanspruch. Die Unteransprüche betreffen besonders bevorzugte Ausführungsformen dieses Erfindungsgegonstands.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Zylinderlaufbüchse mit Verbundaufbau aus einer Innenschicht und einer Außenschicht, wobei diese Laufbüchse dadurch gekennzeichnet ist, daß die Innenschicht (in der Nähe der inneren Oberfläche) aus einem Spezialgußeisen mit hoher Verschleißfestigkeit oder Abriebfestigkeit und Beständigkeit gegen

Festgehen oder Festfressen aufweist, wie es üblicherweise verwendet wird, und die Außenschicht (die Schicht in der Nähe der äußeren Oberfläche) aus einem Material mit hoher Zähigkeit oder Festigkeit und Duktilität besteht und die Innenschicht und die Außenschicht unter Bildung eines
zweischichtigen Aufbaus miteinander verschmolzen sind.
In dieser Weise besitzt die erfindungsgemäße Zylinderlaufbüchse die erforderliche Festigkeit, ohne daß die
Verschleißeigcnschaften und Gleiteigenschaften bzw. die

Beständigkeit gegen Festgehen beeinträchtigt werden, die

eine solche Laufbüchse im allgemeinen aufweisen muß.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse aus Gußeisen mit Kugelgraphit mit einem Gefüge aus Kugelgraphit und einer Matrix, die überwiegend Perlit umfaßt.

Einer weiteren bevorzugten Ausführungsform zufolge besteht die Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse aus Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit bzw. Gußeisen mit Pseudo-Kugelgraphit mit einem Gefüge aus verdichtetem Vermiculargraphit und einer Matrix, die überwiegend Perlit umfaßt.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht die Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse aus Stahlguß mit Kugelgraphit mit einem Gefüge aus Kugelgraphit und einer Matrix, die überwiegend Perlit umfaßt.

Weiterhin kann erfindungsgemäß eine Zwischenschicht zwischen der Außenschicht und der Innenschicht angeordnet werden und einen dreischichtigen Aufbau mit verbesserten Eigenschaften ergeben, wobei die äußeren und inneren

25 Schichten integral miteinander verbunden sind.

Die Erfindung sei im folgenden näher unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
30

Fig. 1 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchse mit zweischichtigem Aufbau;

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemä-

ßen Zylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau;

Fig. 3 bis 6 Photographien, die das Mikrogefüge des Beispiels Nr. 1 von Tabelle I verdeutlichen,

wobei die Fig. 3 und 4 das Mikrogefüge (mit einer Vergrößerung von 50 bzw. 400) des Materials der Außenschicht und die Fig. 5 und 6 das Mikrogefüge (mit einer Vergrößerung von 50 bzw. 400) des Materials der Innen

schicht zeigen;

Fig. 7 bis 10 Photographien, die das Mikrogefüge des Beispiels Nr. 6 der Tabelle III verdeutlichen, wobei die Fig. 7 und 8 das Mi

krogefüge (mit einer Vergrößerung von 50 bzw. 400) des Materials der Außenschicht und die Fig. 9 und 10 das Mikrogefüge (mit einer Vergrößerung von 50 bzw. 400) des

20 - Materials der Innenschicht zeigen; und

Fig. 11 eine Kurvendarstellung, die die Härteverteilung der in der Tabelle V angegebenen Beispiele der Nr. 11 und 12 verdeutlicht.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Aufbaus der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchse. Die Laufbüchse umfaßt eine Außenschicht 2 und eine Innenschicht 3, wobei die Außenschicht 2 eine hohe Zähigkeit oder hohe Festigkeit und Duktilität aufweist, wie es nachfolgend erläutert werden wird, und aus Gußeisen mit Kugelgraphit, Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit oder Stahlguß mit Kugelgraphit besteht, während die Innenschicht 3 eine hohe Verschleißfestiykeit und Beständigkeit gegen Festfressen aufweist und aus einem üblicherweise verwendeten

_ -j Λ

Spezialgußeisen besteht. Die Außenschicht und die Innenschicht sind metallurgisch durch Verschmelzen an den
Grenzflächen miteinander verbunden.

Die erfindungsgemäße Verbundzylinderlaufbüchse kann mit
Hilfe eines Schleudergießverfahrens hergestellt werden.
Hierbei werden zunächst die geschmolzenen Materialien für die Außenschicht in eine sich drehende Form eingebracht
und zu der Außenschicht vergossen, wonach das geschmolzene Material für die Innenschicht in entsprechender Zeitabhängigkeit vergossen wird, so daß man die Zylinderlaufbuchse erhält, bei der die beiden Schichten metallurgisch miteinander verbunden sind.

Wie in der Fig. 1 dargestellt ist, bildet sich wahrscheinlich eine Schmelzschicht (Zwischenschicht) 5 mit einer gemischten Zusammensetzung zwischen der der Außenschicht 2 und der der Innenschicht 3, da die Materialien der Außensehicht und der Innenschicht unter Bildung eines integral vereinigten Körpers miteinander verschmolzen sind. An der Grenzfläche der aneinander angrenzenden Schichten dringen die Legierungselemente des Materials der Außenschicht unvermeidbar in die Innenschicht 3 ein, wenn man die Innenschicht unter Ausbildung eines zweischichtigen Aufbaus

mit der Außenschicht 2 verschmilzt. Um die Eigenschaften der integral miteinander verbundenen Innenschicht und
Außenschicht weiterhin zu verbessern, ist es weiterhin
möglich, eine dreischichtige Verbundzylinderlaufbüchse
zu bilden, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, bei der eine Zwischenschicht 4 zwischen der Außenschicht 2 und
der Innenschicht 3 vorgesehen ist, die nachfolgend näher erläutert werden wird. Dabei kann man die Zylinderlaufbüchse mit einer Zwischenschicht zwischen der Innenschicht und der Außenschicht in der oben beschriebenen

Weise ebenfalls unter Anwendung eines Schleudergießver-

fahrens herstellen, indem man bei Anwendung eines entsprechenden Zeitprogramms die geschmolzenen Gießmaterialien nacheinander vergießt.

Für die Durchführung des Schleudergießverfahrens kann man die Form beliebig horizontal, geneigt oder senkrecht anordnen.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen für geeignete Materialien zur Bildung der Außenschicht der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchse näher erläutert.

Die Außenschicht, die eine hohe Zähigkeit oder hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität aufweist, wird aus einem Material gebildet, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die

(i) Gußeisen mit Kugelgraphit,

(ii) Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit (com-" pacted vermicular graphite cast iron) bzw. Gußeisen mit Pseudo-Kugelgraphit und (iii) Stahlguß mit Kugelgraphit

umfaßt. Die Materialien werden nachfolgend einzeln näher erläutert. Die nachfolgend angegebenen Mengen sind sämtlieh auf das Gewicht bezogen (Gew.-%).

(i) Gußeisen mit Kugelgraphit

Das zur Bildung der Außenschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchse geeignete Gußeisen mit Kugelgraphit enthält 2,8 bis 4,0 % C, 1,5 bis 3,5 % Si, 0,2 bis 1,0 % Mn, bis zu 0,3 I P, bis zu 0,04 % S, 0,03 bis 0,1 % Mg und unvermeidbare Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fe, wobei dieses Gußeisen Kugelgraphit und eine Perlitma-Lrix aufweist (wobei eine geringe Menge kristallinen Ze-

mentits zulässig ist). Zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen können gcwünschtcnfalls einos odor mehrere Elemente aus der Gruppe, die bis zu 2,5 % Ni, bis zu 0,8 % Cr, bis zu 0,6 % Mo, bis zu 0,05 % Seltene Erdelemente, bis zu 0,3 % Sn und bis zu 1,0 % Cu umfaßt, in das Gußeisen eingearbeitet werden.

Im folgenden sei die Bedeutung der chemischen Zusammenset zung dieses Gußeisens näher erläutert. 10

Wenn der C-Gehalt weniger als 2,8 % beträgt, besitzt das Material einen hohen Schmelzpunkt und erfordert somit hohe Schmelztemperaturen und zeigt ein schlechtes Gießverhalten, was zu einer gesteigerten Kristallisation von Zementit führt, wodurch das Material versprödet. Wenn jedoch mehr als 4,0 % C vorhanden sind, können Gußfehler auftreten.

Si fördert die Kristallisation des Graphits. Bei einem Si-Gehalt von weniger als 1,5 % ergibt sich eine Steigerung der Menge des kristallinen Zementits, wodurch das Material spröde wird. Wenn der Si-Gehalt 3,5 % übersteigt, wird die Matrix ferritisch, was die Dehngrenze verschlechtert, wobei weiterhin das Element Si in Form einer festen Lösung in dem Ferrit enthalten ist, wodurch der

30 Ferrit als solcher versprödet.

Mn vereinigt sich im allgemeinen mit S und beseitigt dessen schädliche Effekte und stabilisiert die Perlit-

matrix und führt damit zu einer erhöhten Festigkeit des Materials. Wenn der Gehalt weniger als 0,2 % beträgt, kann dieser günstige Effekt nicht erreicht werden. Wenn die Menge 1,0 % übersteigt, wird das Material andererseits spröde.

P erhöht die Fließfähigkeit der Schmelze, bildet jedoch ein Phosphoreutektikum in dem Material, wodurch dieses spröde wird. Wenngleich die Fließfähigkeit mit zunehmendem P-Gehalt ansteigt, sollte die Obergrenze bei 0,3 % festgelegt werden, um nachteilige Effekte zu vermeiden. Je geringer der P-Gehalt, um so größer ist die Festigkeit und die Duktilität des Materials, wobei es aus wirtschaftlichen Gründen schwierig ist, in der Praxis den P-Gehalt auf 0,01 % oder weniger zu vermindern.

§1A-?-5H_ 0., 0 4_ %

20 -

S ist im allgemeinen ebenso wie P als Verunreinigungselement anzusehen und beeinträchtigt die mechanischen Eigenschaften. S inhibiert auch die Kugelformbildung des Graphits und ist daher auf eine Menge von 0,04 % begrenzt.

Mg fördert die Kugelbildung des Graphits. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 0,03 % wird jedoch dieser Effekt nicht in ausreichendem Maße erreicht. Wenn andererseits mehr als 0,1 % Mg vorhanden sind, verursacht dies Abkühlprobleme, kann Schlacke und Gußfehler erzeugen und ist daher nachteilig.

Das Gußeisen mit Kugelgraphit, welches die Außenschicht

der Verbundzylinderlaufbüchse bildet, enthält, wie oben erwähnt, im wesentlichen C₇ Si, Mn, P, S, My und andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als Rest

Zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen können gewünschtenfalls zu einer weiteren Verbesserung der Materialeigenschaften bis zu 2,5 % Ni, bis zu 0,8 % Cr, bis zu 0,6 % Mo, bis zu 0,05 % Seltene Erdelemente, bis zu 0,3 % Sn oder bis zu 1,0 % Cu in das Gußeisen mit Kugelgraphit eingearbeitet werden.

Ni fördert die Graphitbildung und die Verstärkung der Matrix. Wenn seine Menge jedoch 2,5 % übersteigt, läßt sich keine weitere Steigerung des Effekts mehr erreichen, so daß dies wirtschaftlich nachteilig ist. Andererseits können gehärtete Gefüge (Bainit, Martensit) und nichtumgewandelte Gefüge auftreten, was zu einer Versprödung des Materials führt.

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn die Cr-Menge jedoch mehr als 0,8 % beträgt, kristallisiert Zementit außerhalb der Steuerung durch den C- und Si-Gehalt, so daß das Material spröde wird und nicht mehr für die Außenschicht geeignet ist.

Mo verstärkt die Matrix. Wenn die Menge des Materials jedoch mehr als 0,6 % beträgt, läßt dieser Effekt nach, so daß größere Mengen wirtschaftlich nachteilig sind. Weiterhin kann das Material härter und spröde werden.

Die Obergrenze des Mo-Gehalts beträgt daher 0,6 %.

Wenn Seltene Erdelemente zusammen mit Mg eingesetzt werden, bewirken sie die Kugelbildung des Graphits und steigern die Festigkeit des Materials. Die Obergrenze dieser Elemente sollte bei 0,05 % liegen, da größere Mengen dieser Elemente keine weitere Steigerung des Effekts auf das Material ausüben.

In Abhängigkeit von den Gießbedingungen kann das oben beschriebene Material für die Außenschicht einen übermäßigen Anteil von Ferrit in der Matrix aufweisen und daher verschlechterte Eigenschaften im Hinblick auf die Dehngrenze und die Ermüdungsbeständigkeit zeigen. Zur Überwindung solcher Probleme kann Sn in einer Menge von bis zu 0,3 % in das Material eingearbeitet werden, um den Perlit zu stabilisieren. Es wird jedoch keine weitere Steigerung des Effekts erreicht, wenn größere Sn-Mengen vorhanden sind.

Cu kann aus den gleichen Gründen wie Sn in einer Menge von bis zu 1,0 % in dem Material enthalten sein.

Das Animpfen ist im allgemeinen zur Verfeinerung des Gießgefüges und zur Förderung der Graphitbildung wirksam. Somit kann man durch Animpfen ein feineres Gefüge mit gleichmäßig vorteiltem Graphit bilden. Zu diesem Zweck ist es geeignet, das Material mit 0,05 bis 1,0 % Si an-5 zuimpfen, da bei einer Si-Menge von weniger als 0,05 %

der günstige Impfeffekt nicht erreicht werden kann, während bei einem Gehalt von 1,0 % keine weitere Steigerung des Effekts mehr möglich ist. Als geeignete Impfmittel sind beispielsweise CaSi und FeSi geeignet. Wenn ein solcher ImpfVorgang durchgeführt wird, wird der kombinierte Si-Gehalt des Materials auf den oben angesprochenen Bereich von 1,5 bis 3,5 % eingestellt.

Mikroskopisch zeigt das Gefüge des oben beschriebenen Gußeisens mit Kugelgraphit Kugelgraphit und eine Matrix, die überwiegend aus Perlit besteht. Eine geringe Menge Zementit kann in dem Gefüge ausgeschieden sein, wobei dieser Zementit jedoch das Material spröde macht und daher erfindungsgemäß in einer" möglichst geringen Menge gebildet werden sollte. Im Hinblick auf die Dehngrenze und die Ermüdungsbeständigkeit sollte die Matrix aus Perlit bestehen, wobei die erwünschten Eigenschaften um so besser sind, je geringer der Ferritgehalt ist. Wenn teilweise Bainit.oder Martensit gebildet werden, so führt dies eher zu einer Verstärkung des Materials als zu einer unerwünschten Versprödung des Materials. Zur Erzeugung von Bainit oder Martensit in der Matrix ist es notwendig, dem Material eine Reihe von Legierungselementenzuzusetzen oder eine spezielle Wärmebehandlung durchzuführen, was in beiden Fällen aus wirtschaftlichen Gründen nachteilig ist. Wenn Bainit oder Martensit in übermäßig großen Mengen gebildet werden, wird das Material jedoch spröde und kann nicht in der angestrebten Weise für große ZyIinderlaufbüchsen verwendet werden.

(ii) Gußeisen mit verdichtetem Verniiculargraphit oder Pseudo-Kugelqraphit

Das für die Außenschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse geeignete Gußeisen mit verdichtetem Vermicu-

largraphit enthält 2,8 bis 4,0 % C, 1,0 bis 3,0 % Si, 0,2 bis 1,0 % Mn, bis zu 0,3 % P, bis zu 0,06 % S, 0,01 bis 0,05 % Mg und andere unvermeidbare Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fe, wobei dieses Gußeisen ein Gefüge mit verdichtetem Vermiculargraphit und einer Matrix aus überwiegend Perlit umfaßt (wobei eine geringe Menge kristallisierten Zementits zulässig ist). Zusätzlich zu den oben angegebenen Bestandteilen können gewünschtenfalls eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe, die bis zu 2,5 % Ni, bis zu 0,8 % Cr, bis zu 0,6 % Mo, bis zu 0,05 % Seltene Erdelemente, bis zu 0,3 % Sn, bis zu 1,0 % Cu und bis zu 0,1 % Ti umfaßt, in das Gußeisen eingearbeitet worden.

Die Bedeutung der chemischen Zusammensetzung des Gußeisens sei im folgenden lediglich für Si, S, Mg und Ti erläutert, da die Signifikanz der anderen chemischen Bestandteile und deren Mengen bereits im vorausgehenden Abschnitt erläutert wurden, der sich mit der Verwendung von Gußeisen mit Kugelgraphit als Material für die Außenschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchse befaßt.

Si fördert die Kristallisation des Graphits. Bei einer Si-Menge von weniger als 1,0 % führen gesteigerte Mengen von kristallinem Zementit zu einer Versprödung des Materials. Bei einer Menge von mehr als 3,0 % nimmt die Matrix ein ferritisches Gefüge an, wodurch die Dehngrenze verschlechtert wird und darüber hinaus eine Versprödung des Materials dadurch bewirkt wird, daß das Si in Form einer festen Lösung in den Ferrit eingebracht wird.

S wird im allgemeinen ebenso wie P als ein Verunreinigungselement angesehen. S verschlechtert die mechanisehen Eigenschaften und ist daher auf eine Höchstmenge von 0,06 % begrenzt.

Mg ist zur Bildung des verdichteten Vermiculargraphits nützlich. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 0,01 % wird die Form des Graphits flockig, wodurch die Festigkeit des Materials verschlechtert wird. Es ist jedoch nicht notwendig, daß das Material mehr als 0,05 % Mg enthält. Vielmehr diffundiert dann, wenn übermäßige Mengen Mg vorhanden sind, das Magnesium in die Innenschicht und führt zu einer Änderung der Eigenschaften des Materials der Innenschicht. Demzufolge ist bei dem erfindungsgemäß verwendeten Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit oder Pseudokugelgraphit die Obergrenze des Mg-Gehalts auf 0,05 % festgelegt.

Das zur Ausbildung der Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse verwendete Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit enthält, wie oben bereits erwähnt wurde, als Hauptbestandteile C, Si, Mn, P, S, Mg und andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als Rest.

Neben den oben angesprochenen Bestandteilen kann man gewünschtenfalls bis zu 2,5 % Ni, bis zu 0,8 % Cr, bis zu 0,6 % Mo, bis zu 0,05 % Seltene Erdelemente, bis zu 0,3 % Sn, bis zu 1,0 % Cu oder bis zu 0,1 % Ti in das Gußeisen einarbeiten, um die Materialeigenschaften in gleicher Weise zu verbessern, wie es oben bereits im Hinblick auf das Gußeisen mit Kugelgraphit beschrieben wurde. Die Si-

(jnifikanz solcher ausgewählter Elemente wurde bereits im Hinblick auf die Verwendung von Gußeisen mit Kugelgraphit als Material für die Außenschicht erläutert, mit Ausnahme des Elements Ti. Demzufolge wird lediglich das Element Ti im folgenden näher erläutert.

In Abhängigkeit von den Gießbedingungen kann das oben angesprochene Material zur Ausbildung der Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse ein Gefüge mit Kugelgraphit aufweisen. Natürlich ist ein Kugelgraphitgefüge als Material für die Außenschicht der Laufbüchse geeignet, wie es oben bereits näher erläutert wurde. Um einen verdichteten Vermiculargraphit zu bilden, ist Ti geeignet, da es die Kugelbildung des Graphits inhibiert. Wenn jedoch Ti in zu großen Mengen eingesetzt wird, kann flockiger Graphit auskristallisieren, so daß die Maximalmenge von Ti auf 0,1 % begrenzt ist.

Ebenso wie im Fall des Gußeisens mit Kugelgraphit ist zur Verfeinerung des Gcfüges und zur Förderung der Graphitbildung ein Animpfen wirksam. .Somit kann man durch Animpfen ein Material mit feinerem Gefüge, in dem der Graphit gleichmäßig verteilt ist, bilden. Dazu ist es geeignet, das Material mit 0,05 bis 1,0 I Si anzuimpfen. Als Beispiele für goeicjnele Impfmittel können CaSi und FeSi genannt werden. Die Si enthaltenden Bestandteile werden derart eingestellt, daß das angeimpfte Material 1,0 bis

30 3,0 Ϊ Si enthält.

Mikroskopisch umfaßt das Gefüge aus dem Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit verdichteten Vermiculargraphit oder verinicularen Graphit und eine überwiegend Perlit umfassende Matrix. Eine geringe Menge Zementit kann

in der Struktur kr i s ta 11 is i ort. vorliegen, dabei sollte jedoch der Zementit, der das Mciterial sprödo macht;, orfindungsgemäß in der geringstmöglichen Menge vorhanden sein. Vorzugsweise besteht die Matrix im Hinblick auf die Dehngrenze und die Ermüdungsfestigkeit aus Perlit, wobei die Eigenschaften um so besser sind, je geringer der Ferritgehalt ist. Bainit oder Martensit tragen, wenn sie zum Teil gebildet werden, eher zur Verstärkung des Materials als zur Versprödung des Materials bei. Zur Erzeugung von Bainit oder Martensit in der Matrix ist es notwendig, dem Material eine Reihe von Legierungselementen zuzusetzen oder eine spezielle Wärmebehandlung durchzuführen, was aus wirtschaft-. liehen Gründen nachteilig ist. Wenn jedoch Bainit und Martensit in übermäßig großen Mengen gebildet werden, wird das Material spröde und kann daher nicht in der angestrebten Weise für große Zy1inderlaufbüchsen verwendet werden'.

(iii) Stahlguß mit Kuge1graphit

Der zur Ausbildung der Außenschicht der erfindungsgemäßen .Zylinderlaufbüchse geeignete Stahlguß mit Kugelgraphit enthält 1,0 bis 2,0 % C, 0,6 bis 3,0 % Si, 0,2 bis 1,0 % Mn, bis zu 0,1 % P, bis zu 0,1 % S und andere übliche Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Fo, wobei der Stahlguß ein Gefüge mit annäherndem Kugelgraphit und einer Matrix aus überwiegend Perlit umfaßt (wobei eine geringe Menge kristallinen Zementits zulässig ist). Neben den oben angesprochenen Bestandteilen kann man eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe, die bis zu 2,5 % Ni, bis zu 1,0 % Cr, bis zu 1,0 % Mo und Ti, Al und Zr in einer kombinierten Gesamtmenge von bis zu 0,1 V; umfaßt, gewünschtonfalls in den Stahlguß einarbeiten.

Die Wirkung der chemischen Zusammensetzung des Stall] gusses sei im folgenden näher erläutert.

Wonn da.^c; Matorial weniger als 1,0 % C enthält, steigt der Schmelzpunkt stark an, so daß höhere Temperaturen für das Schmelzen und Vergießen notwendig sind, was die Kosten steigert, während bei einem C-Gehalt von mehr als 2,0 % eine Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß der Graphit nicht kugelförmig wird, was die Zähigkeit verschlechtert.

¹⁰ §ii_Qi.6_bis_3,,0_%

Si. steht in inniger Beziehung zu der Kristallisation des Graphits. Wenn weniger als 0,6 % Si vorhanden sind, ist es schwierig, eine Kristallisation des Graphits zu bewirken, während bei einer Si-Mcnge von mehr als 3,0 % das in dor Matrix in Form einer feston Lösung enthaltene Si eine bemerkenswerte Neigung dafür besitzt, das Material zu verspröden.

Mn kombiniert sich mit S und beseitigt die nachteiligen Wirkungen von S. Dieser Effekt kann nicht erreicht werden, wenn Mn in einer Menge von weniger als 0,2 % vorhanden ist, während des Material dann härter und spröder wird, wenn es mehr als 1,0 % Mn enthält.

P erhöht die Fließfähigkeit der geschmolzenen Materialien, vorsprödet jedoch das Material, so daß seine Gesamtmenge auf 0,1 % begrenzt ist.

Ebenso wie P führt S zu einer Vorsprödung des Materials,

so daß seine Maximalinenqo. 0,1 t beträgt.

Der Stahlguß mit Kugelgraphit, dor die Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse bildet, enthä]t im wesentlichen die oben angesprochenen Bestandteile sowie andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als liest.

Neben den oben angesprochenen Bestandteilen kann man zur weiteren Verbesserung der Eigenschaften des Materials noch die folgenden Bestandteile in den Stahlguß mit Kugelgraphit zur Bildung der Außenschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchse einarbeiten:

Ni fördert die Graphitbildung und die Verstärkung der Matrix. Wenn jedoch seine Menge 2,5 % übersteigt, kann keine weitere Verbesserung des Effekts erreicht werden und ist damit wirtschaftlich nachteilig. Weiterhin kann ein gehärtetes Gefüge aus Bainit oder Martensit oder ein Nichtumwandlungsgefüge auftreten, was zu einer Versprödung des Materials führt.

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zement Lt. Wenn die Cr-Menge jcdcch mehr als 1,0 % beträgt, ist es nicht wahrscheinlich, daß der Graphit kristallisiert, so daß eine Beeinträchtigung der Festigkeit und der Duktili

30 tat des Materials verursacht wird.

Moj__bis_zu_l_i0_%

Ebenso wie Ni stellt Mo ein wichtiges Element zur Sicher stellung der Festigkeit und der Duktilität dar. Die Vor-

Wendung von mohr als 1,0 % Mo macht jodoch das Material andererseits härter und spröde.

Wenn eines oder mindestens zwei dieser Elemente in den Stahlguß mit Kugelgraphit eingearbeitet werden, kann das Material frei von Hohlräumen vergossen werden, so daß sich Gußstücke mit größerer Qualität ergeben. Da diese Elemente sämtlich starke Desoxidationsmittel darstellen, führt die Anwendung dieser Elemente im Überschuß zu einer übermäßigen Oxidation, was das Fließen des Materials in geschmolzenem Zustand beeinträchtigt. Diese Elemente sind daher auf eine Gesamtmenge von bis zu 0,1 % begrenzt.

Auch im Kali des Stahlgusses mit Kugelgraphit ist das Animpf on dazu geeignet, das Gefüge feiner zu machen und die Graphitbildung zu fördern. Hierzu ist es geeignet, das Material mit 0,1 bis 1,0 % Si anzuimpfen. Beispiele für geeignete Impfmittel sind CaSi und FeSi. Wenn ein Animpf-Vorgang durchgeführt wird, wird der gesamte Si-Gehalt des Materials auf den oben angesprochenen Bereich von 0,6 bis 3,0 % eingestellt.

Mikroskopisch umfaßt der Stahlguß mit Kugelgraphit annähernd kugelförmigen Graphit und eine Perlitmatrix, wobei geringe Mengen freien Zementits enthalten sein können. Erfindungsgemäß ist es jedoch bevorzugt, die Ausscheidung des Zementits möglichst gering zu machen, da Zementit spröde ist.

Die Matrix sollte überwiegend aus Perlit bestehen und kann •zum Teil Ferrit, Bainit, Martensit oder Restaustenit enthalten. Es ist auch möglich, gewünschtenfalls Ferrit in der Matrix auszuscheiden, da Ferrit gute Wirkungen im Hinblick auf die Feistigkeit, und die Duktilität ausübt. Der Gehalt an Bainit, Martensit oder Restaustenit sollte jedoch möglichst niedrig sein, da sie die Materialeigenschaf-

ten beeinträchtigen.

Bei der erfindungsgemäßon Verbundxylindorlaufbüchse kann als Material für die Tnnenschicht das üblicherweise verwendete Spezialgießeisen eingesetzt werden, welches die notwendigen Eigenschaften im Hinblick auf das Verschleißverhalten und die Beständigkeit gegen Festgehen bzw. Festfressen aufweist.

Die erfindungsgemäße Verbundzylinderlaufbüchse sollte einer Entspannungs-Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 600⁰C unterworfen werden, um die restlichen Spannungen nach dem Vergießen zu beseitigen. Wenngleich zur Verbesserung der Festigkeit und der Duktilität des Materials für die Außenschicht eine Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb des Trans format ion.spunkts A, wirksam ist, sollte eine solche Behandlung vermieden werden, da es im Hinblick auf die Kosten nachteilig ist und auch die Eigenschaften des Materials zur Ausbildung der Innen-

20 schicht beeinträchtigen kann.

Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

25 Ausführungsform A

Die Ausführungsform A umfaßt bevorzugte Beispiele, bei denen als Material zur Bildung der Außenschicht Gußeisen mit Kugelgraphit verwendet wird. Die zweischichtigen Zylinderlaufbüchsen werden mit Hilfe eines Schleudergießverfahrens mit horizontaler Form unter Anwendung der folgenden Gießbedingungen hergestellt:

Innendurchmesser der Gußform: 720 mm

35 Gußdicke der Außenschicht: 90 mm

Gußdicke der Innenschicht: 60 mm

Die chemische Zusammensetzung der Mciterialien für die Innenschicht und die Außenschicht der Zylinderlaufbüchse
sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben. Die Beispiele der Nr. 1 bis 3 stellen erfindungsgemäße Laufbüchsen dar, während die Beispiele der Nr. 4 und 5 Vergleichslaufbüchsen betreffen,deren chemische Zusammensetzung der Außenschicht außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das Material des Beispiels Nr. 4 eine geringere Menge Si, während das Material des Beispiels Nr. "5 eine zu große Menge Mo enthält.

TABELLE I

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbuchse (Gew.-%)

Nr.	1	Auuen- schicht	C	Si	Mn	P	S	Nl	Cr	Mo	Mg	Sn	V	B
2	Innen schicht	2,92	3,11	0,38	0,032	0,003	-	-	- .	0,038	-	-	-
! 3	Außen schicht	3,08	1,22	0,81	0,381	0,012	-	-	-	-	-	-	0,032
4	Innen schicht	3,82	1,78	0,61	0,078	0,021	2,08	0,21	0,48	:,059	-	-	-
5	Außen schicht	2,92	1,53	0,77	3,511	0,068	-	C ,37	-	-	-	-	-
Innen schicht	3,28	2,62	0,88	0,102	OjOIl	0,18	0,05	0,08	C ,071	-	-	-
Außen schicht	3,21	1,38	0,91	0,235	0,022	-	0,23	-	-	-	0,201	-
Innen schicht	3,42	1,26	0,52	0,010	0,002	1,26	0,32	0,06	0,066	0,052	—	—
Außen- =;ahi nht	3fC3	1,46	0,36	0,408	0,052	-	_	_	_	_		0,041
innen- schicht	3,02	3,25	C,38	0,002	0,013	iras	0,21	0,82	0,052	-	-	-
3,20	1,52	0,98	0,230	0,077	0,12	0,31	0,02	-	-	0,245	-

(Rest im wesentlxchen Fe)

Bemerkung: Das Symbol (-) bedeutet, daß keine spezifische Menge dieses Bestandteils enthalten ist.

GO GO

(JD CD

Has Mikrogofügo dos Materials dos Beispiels Nr. 1 der obigen Tabelle I ist in den Fig. 3 bis 6 dargestellt. Insbesondere zeigen die Fig. 3 und 4 das Mikrogefüge (mit 50-facher bzw. 400-facher Vergrößerung) des Materials der Außenschicht, während die Fig. 5 und 6 das Mikrogefüge (mit einer 50-fachen bzw. 400-fachen Vergrößerung) des Materials der Innenschicht zeigen.

Aus der Fig. 1 ist ersichtlich, daß die Graphitkörnchen gut abgerundet sind. Daher besitzt das Material eine hohe Festigkeit mit geringstem Kerbeffekt. Die Fig. 4 verdeutlicht das Gefüge mit feinverteiltem Perlit.

Die mechanischen Eigenschaften der Außenschicht der oben angesprochenen Verbundzylinderlaufbüchse sind in der folgenden Tabelle TI zusammengestellt.

TABELLE II

Beispiel Nr. Zugfestigkeit Dehnung (%)

(kg/mm )

1 52,2 6,09

2 63,8 1,80

3 58,2 2,53 25 4 45,6 0,33

5 60,4 0,38

Aus der Tabelle JI. geht hervor, daß die Laufbüchsen der Vcrgleichsboispiele der Nr. 4 und 5 den erfindungsgemäßen Laufbüchsen unterlegen sind. Insbesondere führt bei dem Beispiel Nr. 4 der kristallisierte Zementit zu Problemen im Hinblick auf die Festigkeit und die Duktilität. Bei dem Material des Beispiels Nr. 5 sind Bainit und Martensit in übermäßigem Umfang in der Matrix enthalten, was zu ei-

35 ner Versprödung des Materials führt.

Ausführungsform B

Die Ausführungsform B umfaßt bevorzugte Beispiele, bei denen als Material zur Bildung der Außenschicht Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit bzw. Gußeisen mit Pseudo-Kugelgraphit verwendet wird. Die zweischichtigen Zylinderlaufbüchsen werden in gleicher Weise gebildet wie bei der Ausführungsform A. Die chemische Zusammensetzung der Innenschichten und der Außenschichten der Zylinderlaufbüchse sind in der nachfolgenden Tabelle IiI angegeben. Die Beispiele der Nr. 6 bis 8 stellen erfindungsgemäße Laufbüchsen dar, während dio Beispiele der Nr. 9 und 10 Vergleichslaufbüchsen betreffen, deren chemische Zusammensetzung der Außenschichten außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das Material des Beispiels Nr. 9 eine zu geringe Menge C, während das Material des Beispiels Nr. 10 eine zu große Menge Ni aufweist.

TABELLE III

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.-%)

Nr.	6	Au ß eis schicht	C	Si	Mn	P	S	I	C,5C0	G, 026	Ni	Cr	Mo	Mg	Ti	V	B
	Innen schicht	3rC8	2,71	0,47		Cr133	0,015	0,11	0,07	-	0,027	-	-	-
8	Hußen- schicht	<-, -^	1,29	0,85		0,208 »	0,051	-	-	-	-	-	-	C,028
9	Innen schicht	3r77	1,98	0,81	0,028	0,036	1 DQ ^ , W-	0,53	0,51	0,041	0, 038	-	-
IC	^ußen- Bchicht	2f 81	1,66	0,91	0,320	0,022	-	0,41	-	-	-	-	-
Innen schicht	3, 48	1,30	0r31	0,055	0,012	-	-	0,08	0,019	-	-	-
Außen- schicht	3,30	1,52	0,77	0,352	0,070	-	0,19	-	-	-	0,170	-
Innen schicht	2,42	1,88	0,56	0,032	1,01	0,25	0,31	0,018	-	-	-
^ußen- schicht	3,20	1,09	0,81	0,041	0,16	0,20	0,12	-	-	-	0,021
Innen schicht	3;30	1,86	0,61	2,75	0,30	0,42	0,030	0,030	-	-
3,02	1,30	0,95	0,07	0,02	0,02	-	-	-	0,036

(Rest im wesentlichen Fe)

Bemerkung: Das Symbol (-) bedeutet, daß keine spezifische Menge dieses Bestandteils
enthalten ist.

Die Mikrogefüge des Beispiels Nr. 6 der Tabelle III sind in den Fig. 7 bis 10 dargestellt. Insbesondere zeigen die Fig. 7 und 8 das Mikrogefüge (bei einer 5ü-fachen bzw. 400-fachen Vergrößerung) des Materials der Außenschicht, während die Fig. 9 und 10 das Mikrogefügo (mit einer 50-fachen bzw. 400-fachen Vergrößerung) des Materials der Innenschicht zeigen. Es ist aus der Fig. 7 zu erkennen, daß das Graphit in verdichteter vermicularer Form gebildet wird. Im Hinblick auf den Kerbeffekt ist verdichteter Vermiculargraphit dem Kugelgraphit gemäß der Ausführungsform A unterlegen, jedoch einem flockigen Graphit, wie er allgemein in üblichem Gußeisen vorliegt, überlegen. Die Fig. 8 verdeutlicht das Gefüge mit feinverteiltem Perlit.

Die mechanischen Eigenschaften der Außenschicht der oben beschriebenen Verbundzylinderlaufbüchse sind in der folgenden Tabelle IV angegeben.

	Beispiel Nr.	TABELLE IV	Dehnung (%)
20	6		2,04
7	Zugfestigkeit (kg/mm2)	0,92
25 8	37,2	1,22
9	45,8	0,38
10	41,3	0,4 5
32,5
52,3

Die Tabelle IV läßt erkennen, daß die Vergleichslaufbüchsen der Beispiele der Nr. 9 und 10 insbesondere im Hinblick auf die Dehnungseigenschaften unterlegen sind, ebenso wie im Fall der obigen Beispiele der Nr. 4 und 5. Dies bedeutet, daß das Material des Beispiels Nr. 9 eine übermäßig große Menge Zementit enthält, während das Material des Beispiels Nr. 10 eine zu große Menge Bainit und Martensit in der Matrix aufweist.

- J2 -

Ausführungsform C

Die Ausführungsform C umfaßt bevorzugte Beispiele, bei denen als Material zur Bildung der Außenschicht ein Stahlguß mit Kugelgraphit eingesetzt wird. Die zweischichtigen Zylinderlaufbüchsen werden in gleicher Weise gebildet wie
im Fall der Ausführungsform A. Die chemischen Zusammensetzungen der Innenschichten und Außenschichten der Zylinderlaufbüchsen sind in der nachfolgenden Tabelle V angegeben.

Die Beispiele der Nr. 11 und 12 betreffen erfindungsgemäße Laufbüchsen, während die Beispiele der Nr. 13 und 14 Vergleichslaufbüchsen betreffen, deren chemische Zusammensetzung der Außenschicht außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das Material

des Beispiels Nr. IJ eine zu große Menge Cr, während das
Material des Beispiels Nr. 14 eine zu große Menge Mn und
Ni enthält.

TABELLE V

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.-%)

Nr.	11	Außen schicht	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Ti	V	B
12	Innen schicht	1,73	2,21	0,31	0,012	0,008	0,28	0,12	-	0,051	-	-
13	Außen schicht	3,30	1,32	0,9 2	0,349	0,036	-	-	-	-	-	0,029
14	Innen schicht	1,29	1,02	0,51	0,041 * *	0,012	-	-	0,22	-	-	-
Außen schicht	2,99	1,38	0,69	0,238	0,051	-	0,20	-	-	0,201	-
Innen schicht	1,52	1,60	0,34	0,021	0,006	0,20	1,35	0,12	0,050	-	-
Außen schicht	2,98	1,62	1,03	0,405	0,012	-	„	-	-	-	0,035
Innen schicht	1,48	2,30	1,25	0,034	0,018	3t25	0,25	0,41	0,032	-	-
3,38	1,48	0,88	0,275	0, 079	0,06	0,05	0,02	-	0,230	-

(Rest im wesentlichen Fe)

Bemerkung: Das Symbol (-} bedeutet, daß keine spezifische Menge dieses Bestandteils enthalten ist.

GO OJ KJ

CD O

Die Härteverteilung dor Verbundzylinderlaufbüchsen mit der chemischen Zusammensetzungen der Beispiele 11 und 12 der Tabelle V sind in der Fig. 11 dargestellt.

Die mechanischen Eigenschaften der Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchsen der Beispiele der Nr. 11 bis 14 sind in der folgenden Tabelle Vl zusammengestellt.

	Beispiel Nr.	TABELLE Vl	Dehnung (%)
10	1]		1,22
12	Zugfestigkeit (kg/mm2)	2,03
15 13	56,2	0,32
14	62,9	0,40
40,6
62,8

Aus der Tabelle VI geht hervor, daß die Vergleichslaufbüchsen der Beispiele der Nr. 13 und 14 den erfindungsgemäßen Laufbüchsen der Beispiele der Nr. 11 und 12 insbesondere im Hinblick auf die Dehnungseigenschaften unterlegen sind. Das Material des Beispiels Nr. 14 weist einen zu großen Gehalt an Bainit und Martensit in der Matrix auf. Die Außenschicht. des Beispiels Nr. 14 zeigt daher eine große Härte, jedoch eine geringe Dehnung und somit eine Versprödung des Materials.

Andererseits zoi gt das Material, das üblicherweise für Zylinder 1 aufbüchson mit einschichtigem Aufbau verwendet wird, (>ine Zugfentigkoit von 18 bis 25 kg/mm² und eine Dehnung von 0,2 bis 0,8 'h. Somit ist dio Außenschicht der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchse dem Außenabschnitt einer üblichorweiso verwendeten ZyI inderlaufbüchse mit einschiebt iqom Aufbau im Hinblick auf die Festigkeit und die

3 5 Duktilität über 1ogon.

Wie oben genauer ausgeführt wordom ist, wird erfindungsgemäß eine Verbundzylinderlaufbüchsc mit einer Außenschicht und einer Innenschicht geschaffen, wobei die Außenschicht eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen muß, da der Bruch dor Laufbüchse an der äußeren Oberfläche beginnt, während die Ennenschicht eine hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, Festgehen oder Klemmen aufweisen muß. Dabei besteht die Außenschicht aus einem Material ausgewählt aus der Gruppe, die Gußeisen mit Kugelgraphit, Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit und Stahlguß mit Kugelgraphit umfaßt, während die Innenschicht aus einem SpeziaJgußeisen besteht, wewlches üblicherweise eingesetzt wird, um die gewünschton Eigenschaften zu ergeben, wobei die Außenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen in Form eines zweischichtigen Aufbaus miteinander verbunden sind. Somit besitzt die erfindungsgemäße Laufbuchse die gewünschte Festigkeit im Außenbereich, ohne daß die Eigenschafton an der inneren Oberfläche der Laufbuchse beeinträchtigt werden.

Bei einer Zylinderlaufbüchse, deren Außenschicht aus dem Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit gebildet ist, ist die Festigkeit geringer als die einer Zylinderlaufbüchse, deren Außenschicht aus Gußeisen mit Kugelgraphit oder Stahlguß mit Kugelgraphit besteht. Andererseits ist das Gefüge der erstgenannten Außenschicht ähnlicher demjenigen des Spezialgußeisens (mit flockigem Graphit), welches zur Ausbildung der Innenschicht eingesetzt wird. Daher ist die Zylinderlaufbuchse, deren Außenschicht aus Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit besteht, vorteilhaft insofern, als es im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit, die Wärmeausdehnung, die Spannung oder dergleichen ähnliche Eigenschaften wie herkömmliche einschichtigen Zylinderlaufbüchsen aufweist.

Bei der zweischichtigen Zylinderlaufbuchse können die Ei-

qenschaften dor Tnnonschicht durch das Material der Außenschicht beeinflußt werden, da die Legierungselemente des Materials der Außenschicht in geringem Umfang mit jenen des Materials der Innenschicht vermischt werden und ineinander diffundieren. Wenngleich keine besonderen Nachteile bei der praktischen Anwendung dieser Zylinderlaufbüchse verursacht werden, kann eine Zwischenschicht, wie sie in der Fig. 2 dargestellt ist, zwischen der Außenschicht und der Innenschicht angeordnet werden, so daß eine geringere Wahrscheinlichkeit dafür besteht, daß die Innenschicht durch die Außenschicht beeinflußt wird, so daß eine Zylinderlaufbüchse mit verbesserten Festigkeitseigenscha'ften und verbesserter Wärmeleitfähigkeit an der Verschmelzungsschicht erzeugt werden kann. Weiterhin ist es auch im Hin- blick auf die Lunkerfreiheit oder Fehlerfreiheit des Materials der Innenschicht von Vorteil, eine zusätzliche Zwischenschicht vorzusehen, wenngleich diese zusätzliche Zwischenschicht wirtschaftlich nachteilig sein kann. Die Anwesenheit oder Abwesenheit der Zwischenschicht oder der zusätzlichen Zwischenschichten hängt daher von verschiedenen Faktoron, wie der Wirtschaftlichkeit oder den Eigenschaften der Laufbuchse ab.

Es ist weiterhin erwünscht, als Zwischenschicht ein Material zu verwenden, dessen chemische Zusammensetzung möglichst jener der Innenschicht entspricht, da das Material auch dazu dient, die Fehlerfreiheit oder Lunkerfreiheit des Materials der Innenschicht zu verbessern.

Die Dicke der Zwischenschicht liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 50 mm, wobei diese Dicke als Dicke des Gießverfahrens angesprochen wird, was auch auf die Dicke dor fertigen Zylinderlaufbuchse zutrifft. Zur Erläuterung dioseü Sachverhalts ist darauf hinzuweisen, daß der inner-

.35 .'»te Bereich der Außen.schi cht beim Vergießen des Materials der Zwischenschicht einen Bereich von 10 bis 30 mm schmilzt

und anschließend der innerste Bereich dor Zwischenschicht beim Vergießen des Materials der 1 niienschicht in einem Umfang von 10 bis 30 mm schmilzt. Die Zwischenschicht führt daher zu keiner besonderen Verbesserung, wenn ihre Dicke weniger als 5 mm beträgt. Weiterhin ist es auch nicht notwendig, eine Dicke dor Zwischenschicht von mehr als 50 mm anzuwenden. In dem Fall, da die Zylinder]aufbüchse für Schiffsverbrennungsrnotoren verwendet wird, ist die Dicke der Zwischenschicht im allgemeinen auf bis zu 50 mm begrenzt, wobei zu berücksichtigen ist, daß die maximale Dicke der Laufbüchse in der Innenschicht 80 mm beträgt. Wie bereits erwähnt, sollte das Material der Zwischenschicht vorzugsweise eine chemische Zusammensetzung aufweisen, die möglichst derjenigen des Materials der Innenschicht entspricht, wenngleich es nicht möglich ist, eine Zwischenschicht zu bilden, die die gleiche chemische Zusammensetzung wie die Innenschicht aufweist, selbst wenn zur Bildung der Zwischenschicht das gleiche Material wie es auch für die Innenschicht verwendet worden ist, vergossen wird, da die Legierungselemente der Zwischenschicht unvermeidbar mit jenen der Außenschicht vermischt werden.

Das zur Bildung der Zwischenschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbuchse geeignete Material enthält 2,0 bis 4,0 % C, 0,8 bis 3,0 % Si, 0,4 bis 1,2 % Mn, bis zu 0,6 % P, bis zu 0,1 % S sowie übliche unvermeidbare Verunreinigungen, Rest im wesentlichen Pe. Neben den oben angesprochenen Bestandteilen können eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die bis zu 2,5 'ä Ni, bis zu 1,0 % Cr, bis zu 1,0 % Mo, bis zu 0,05 % Mg, bis zu 0,05 % Seltene Erdelemente, bis zu 0,3 % Sn, bis zu 1,0 % Cu und Ti, Al und Zr in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 % gewünschtenfalls in das Material eingearbeitet worden.

Die bedeutung der chemischen Zusammensetzung des Materials sei im folgenden näher erläutert.

Bei einem C-Gehalt von weniger als 2,0 % ist die Graphitbildung des Materials nicht ausreichend, was zu verschlech terten Eigenschaften sowohl im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit als auch die Zähigkeit führt. Wenn jedoch mehr als 4,0 % C vorhanden sind, ergibt sich eine übermäßige Graphitbildung, was andererseits zu einer Versprödung des Materials führt.
10

Wenn der Si-Gehalt weniger als 0,8 % beträgt, wird keine ausreichende Graphitbildung erreicht, so daß das Material Probleme im Hinblick auf die Wärmeleitfähigkeit und die Zähigkeit aufweist. Wenn der Si-Gohalt 3,0 % übersteigt, ergibt sich eine starke Ausscheidung von Ferrit, was zu einer verminderten Festigkeit des Materials führt, wobei weiterhin Si in Form einer feston Lösung in dem Ferrit

20 enthalten ist und das Material spröde macht.

Mn verbindet sich mit S und beseitigt dessen nachteilige Wirkungen und stabilisiert das Perlit in der Matrix, wodurch die Festigkeit erhöht wird. Es ergibt sich jedoch kein günstiger Effekt, wenn der Gehalt unter 0,4 % liegt, während bei Anwendung von mehr als 1,2 % Mn das Material andererseits spröde wird.
30

¹I i JlI^ _zu_Q_L6%

P steigert dar. J¹I i oßvonnögon dor Schmelze, bildet jedoch eutektische Phosphorbestandtei1 ο in dem Material, wodurch dieses spröde wird. Wenngleich die Fließfähigkeit mit zunehmendem P-Gehalt ansteigt, ist der obere Gehalt auf 0,6 %

begrenzt, ein Wert, der im al]gerneinon innerhalb des unschädlichen Bereichs für ein Material für die Zwischenschicht liegt.

⁵ §j__bis_zu_0_il_%

S bildet Schwefelverbindungen an den Korngrenzen, wodurch das Material spröde wird. Die Obergrenze ist demzufolge auf 0,1 % festgelegt, da ein S-Gehalt von bis zu 0,1 % innerhalb jenes Bereichs liegt, welcher für ein Material zur Ausbildung der Zwischenschicht unschädlich ist.

Das Material zur Ausbildung der Zwischenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse enthält im wesentlichen die oben angesprochenen Bestandteile sowie andere Verunreinigungen und als Rest im wesentlichen Fc.

Zusätzlich zu den oben angesprochenen Bestandteilen können die folgenden Bestandteile in das Material zur Bildung der Zwischenschicht eingearbeitet werden, uin dessen Materialeigenschaften weiter zu verbessern:

Ni begünstigt die Graphitbildung und verstärkt die Matrix. Wenn die Menge jedoch 2,5 % übersteigt, ergibt sich keine weitere Steigerung dieses Effekts, so daß größere Mengen wirtschaftlich nachteilig sind. Weiterhin kann ein gehärtetes Gefüge oder ein Nichttransformationsgefüge auftreten,

30 was das Material spröde macht.

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn es in einer Menge von mehr als 1,0 % vorhanden ist,

3327A

führen erhöhte Mengen von Zementit zu einer Versprödung des Materials.

Mo verstärkt die Matrix. Wenn der Mo-Gehalt jedoch 1,0 % übersteigt, läßt dieser Effekt nach, so daß zusätzliche Mo-Mengen wirtschaftlich nachteilig sind. Auch ist die Verwendung von mehr als 1,0 % Mo nachteilig, da das Material härter und spröde wird.

Es ist nicht absolut notwendig, die Ausscheidung des Graphits in dem Material für die Zwischenschicht in Kugelform zu bewirken, da das Material der Zwischenschicht die Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften nicht in dem Maße aufweisen muß wie das Material der Außenschicht. Die Ausscheidung des Graphits in Kugelform oder in Pseudokugelform ist natürlich im Hinblick auf die Erzeugung solcher Eigenschaften erwünscht. Andererseits beeinflußt Mg die Qualität des Materials der Innenschicht und kann daher Probleme im Hinblick auf die Form des Graphits, im Hinblick auf Segregationen oder dergleichen verursachen. Andererseits ist Mg unvermeidbar in dem Material der Zwischenschicht enthalten, wenn ein Magnesium enthaltendes Material, wie Gußeisen mit Kugelgraphit oder Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit zur Bildung der Außenschicht verwendet wird. Im Hinblick darauf ist die Obergrenze des Mg-Gehalts auf 0,05 % festgelegt, welches innerhalb des Boreichs liogt, bei dem keine solchen nachteiligen Effekte des Mg auftreten.

tiSl£ene_Erdo foment e^_ _--^_-J 35

Kr, ist nicht absolut notwendig, daß das Material der Zwi-

schenschicht Seltene Erde] omente enthält, wenngleich diese Elemente im allgemeinen da.¹; Mater LaI ί HiI er freier . machen. Wenn ein Seltene Erdöl eniente enthaltendes Material zur Ausbildung der Außenschicht, verwendet wird, sind diese Elemente unvermeidbar auch in der Zwischenschicht enthalten. Aufgrund dieser Tatsache ist die Obergrenze des Gehalts der Seltenen Erdelemente auf 0,05 Vi festgelegt.

Sn£_bis_zu 0^3_%

Wenn das Material der Außenschicht Sn enthält, wird ebenfalls unvermeidbar Sn in das Material der Zwischenschicht eingebracht, so daß der Höchstgehalt auf bis zu 0,3 % begrenzt ist.

Der Cu-Gehalt ist in gleicher Weise wir dor von Sn auf bis zu 1,0 % begrenzt.
20

Ti_i_A3₁_und_Zr^_in_einer_Gesamtnienge_von_bi.s_zu_0,1__|

Aus den gleichen Gründen wie der Anwendung von Sn kann man eines oder mindestens zwei dieser Elemente in das Material für die Zwischenschicht einarbeiten.

Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsformon einer Zylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau beschrieben.

30 Äusführungsform D

Die Ausführungsform D betrifft die bevorzugten Beispiele einer Verbundzylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau, wobei zwischen der I nnen.schicht und der Außenschicht eine Zwischenschicht angeordnet ist. Diese Zylinderlaufbüchsen wurden mit Hilfe eines Schleudergießverfahrens un-

tor Anwendung dor folgenden Gießbedingungen hergestellt:

Innendurchmesser der Gießform: 1040 mm

Gußdicke der Außenschicht mit der

vergossenen Oberfläche: 70 mm

Gußdicke der Zwischenschicht mit der vergossenen Oberlfache: 25 mm

Gußdicke der Innenschicht mit der vergossenen Oberfläche: 50 mm

Die chemischen Zusammensetzungen der Außenschicht, der Zwischenschicht und der Innenschicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchse sind in der nachfolgenden Tabelle VII zusammengestellt.
15

TABELLE VII

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (Gew.-%)

	Nr.	C	Si	Mn	P	S	Nl	Cr	Mo	Mg	Ti	V	B
15	^ußenschicht	3,75	1,95	0,72	0,008	0,030	0,43	0,34	-	0,075	-	-	-
16	Zwischen schicht	3,58	1,56	0,89	0,185	0,052	0,28	0,12	-	0,038	-	-	-
17	Innenschicht	3,40	i,oe	1,24	0,426	0,074	-	-	0,01	-	-	-	0,038
18	Außenschicht	2,89	3,40	0,30	0,12C	0,002	-	0,02	0,04	^,042	-	-	-
Zwischen schicht	2,98	2,62	0,62	0,185	0,010	0,05	0,15	0,02	3,004	-	-	-
Innenschicht	2,96	0,74	C,85	0,210	0,021	-	0,25	-	-	-	0,204	-
^ußenschicht;	3,25	1,49	0,50	0,135	0,042	-	0,03	0,24	0,035	0,047	-	-
Zwischen schicht	3,15	1,30	0,70	0,230	0,058	-	-	0,10	0,004	-	-	0,015
Innenschicht	3,01	1, 18	0,92	0,340	0,070	-	-	-	-	-	-	0,040
Außenschicht	2,99	2,27	0,20	0,008	0,002	0,34	-	-	0,016	-	-	-
Zwischen schicht	3,15	1,85	0, 56	0,012	0,009	0,18	0,25		5purer		-	-
Innenschicht	3,30	1,09	O;78	0,016	0,015	-	0,52	-	-	-	-	-

TABELLE VII (Fortsetzung:

	Nr.	C	Si	Mn	P	S	Ni	Cr	Mo	Mg	Ti	V	B
19	Außenschicht	1,16	2,35	0,20	0,004	0,040	1,62	0,02	-	-	0,056	-	-
20	Zwischen schicht	2,02	1 90	0,62	0,200'	0,058	0,72	0;01	-	-	0,025	-	-
Innenschicht	3,40	~\ -^	I1OR	0,405	0,080	-	-	-	-	-	-	0,02 B
Außenschicht	1,88	C 35	0,52	0,051	0,002	-	0,26	0,12	-	-	-	-
Zwischen schicht	2,69	0,92	0,53	0,120	0,006	-	0f 26	0,06	-		η,102	-
Innenschicht	3,20	0,89	0,60	0,200	0,010	0,02	0,26	0,02	-	-	0,230	-

(Rest im wesentlichen Fe)

Bemerkung: Das Symbol (-) bedeutet, daß keine spezifische Menge dieses Bestandteils
enthalten ist.

3327430

Die in den Beispielen der Ni . I ^lj bi.<; 20 angegebenen Zylinderlauf büchsen mit dt eischichti gem Aufbau zeichnen sich durch eine integrale Vereinigung der ISigenscha Tten aus.

So besitzen die Verbundzyl inder 1 aul'büchson mit zweischichtigem oder dreischichtigem Aufbau eine hoho Zähigkeit oder Festigkeit und Duktilität in den Außenbereichen der Zylinderlaufbüchsen, so daß lange Betrjebsdauern ohne die Wahrscheinlichkeit von Brüchen oder ähnlichen Beeinträchtigungen möglich sind, während der Innenbereich, der mit den Kolbenringen in gleitenden Kontakt steht, eine hohe Verschleißfestigkeit und ο ine Beständigkeit qegen Festfressen aufweist.

Die erfindungsgemäßen Zy1inder1auibüchsen können ohne weiteres unter Anwendung von Schleudergießverfahren hergestellt werden und erfüllen die angestrebten Erfordernisse.

Claims (11)

Verbundzylinderlaufbüchse für Verbrennungsmotoren Priorität: 31. Juli 1982, Japan, Nr. SHO.57-134049 31. Juli 1982, Japan, Nr. SHO.57-134050 23. Aug. 1982, Japan, Nr. SHO.57-146649 Patentansprüche

1. Verbundzylinderlaufbüchse mit großem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, dadurch gekennzeichnet , daß die Laufbüchse (1) zwei Schichten umfaßt, nämlich eine Außenschicht (2) aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und eine Innenschicht (3) aus einem Spezialgußeisen mit hoher Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, wobei die Außenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen an der Grenzfläche miteinander verbunden sind.

2. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Außen-

schicht (2) aus einem Gußeisen mit Kugelgraphit mit hoher Festigkeit und Duktilität besteht, welches im wesentlichen aus

2,8 bis 4,0 Gew.-% C, 1,5 bis 3,5 Gew.-% Si, 0,2 bis 1,0 Gew.-% Mn, bis zu 0,3 Gew.-% P, bis zu 0,04 Gew.-% S, 0,03 bis 0,1 Gew.-% Mg, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen

besteht und ein Gefüge mit Kugelgraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.

3. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 2, d a 15 durch gekennzeichnet, daß das Gußeisen mit Kugelgraphit weiterhin eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die

bis zu 2,5 Gew.-% Ni, bis zu 0,8 Gew.-% Cr, ' bis zu 0,6 Gew.-% Mo, bis zu 0,05 Gew.-% Seltene Erdelemente, bis zu 0,3 Gew.-% Sn und

bis zu 1,0 Gew.-% Cu umfaßt.
25

4. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (2) aus einem Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit mit hoher Festigkeit und Duktilität besteht,

welches im wesentlichen aus 2,8 bis 4,0 Gew.-% C, 1 ,0 bis 3,0 Gew.-'i Si, 0,2 bis 1,0 Gew.-* Mn, bis zu 0,3 Gew. -'% P, bis zu 0,06 Gew.-% S,

0,01 bis 0,05 Gew.-% Mg,

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und ein Gefüge mit verdichtetem Vermiculargraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist. 5

5. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gußeisen mit verdichtetem Vermiculargraphit zusätzlich eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die

10 bis zu 2,5 Gew.-% Ni, bis zu 0,8 Gew.-% Cr, bis zu 0,6 Gew.-% Mo, bis zu 0,05 Gew.-% Seltene Erdelemente,

bis zu 0,3 Gew.-% Sn, 15 bis zu 1,0 Gew.-Ά Cu und

bis zu 0,1 Gew.-% Ti umfaßt.

6. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, d a d_urch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (2) aus einem Stahlguß mit Kugelgraphit mit hoher Festigkeit und Duktilität besteht, welcher im wesentlichen aus

1,0 bis 2,0 Gew.-% C, 25 0,6 bis 3,0 Gew.-% Si, 0,2 bis 1,0 Gew.-% Mn, bis zu 0,1 Gew.-% P, bis zu 0,1 Gew.-% S, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen

besteht und ein Gefüge mit Kugelgraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.

7. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahl- guß mit Kugelgraphit weiterhin eines oder mehrere Elemen-

te aus der Gruppe enthält, die bis zu 2,5 Gew.-% Ni, bis zu 1,0 Gew.-% Cr und bis zu 1,0 Gew.-% Mo 5 umfaßt.

8. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlguß mit Kugelgraphit weiterhin eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die Ti, Al und Zr in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 Gew.-% umfaßt.

9. Verbundzylinderlaufbüchse nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Außenschicht (2) und der Innenschicht (3) eine Zwischenschicht (4) vorgesehen ist, wobei die Außenschicht (2), die Zwischenschicht (4) und die Innenschicht (3) durch Verschmelzen an den aneinander angrenzenden Grenzflächen miteinander verbunden sind und wobei das Material für die Zwischenschicht (4) im wesentlichen aus

2,0 bis 4,0 Gew.-% C, 0,8 bis 3,0 Gew.-% Si, 0,4 bis 1,2 Gew.-% Mn, 25 bis zu 0,6 Gew.-% P, bis zu 0,1 Gew.-% S,

Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

10. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zwischenschicht (4) zusätzlich eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die bis zu 2,5 Gew.-% Ni,

35 bis zu 1,0 Gew.-% Cr,

bis zu 1,0 Gew.-% Mo,

bis zu 0,05 Gew.-% Mg,

bis zu 0,05 Gcw.-% Seltene Erdelemente,

bis zu 0,3 Gew.-% Sn und

bis zu 1,0 Gew.-% Cu umfaßt.

11. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ma-10 terial der Zwischenschicht (4) zusätzlich eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe enthält, die Ti, Al und Zr
in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1 Gew.-% umfaßt.