DE3327490C2

DE3327490C2 -

Info

Publication number: DE3327490C2
Application number: DE3327490A
Authority: DE
Inventors: Masahiro Itami Hyogo Jp Fukuda; Akitoshi Nishinomiya Hyogo Jp Okabayashi
Original assignee: Kubota Corp
Current assignee: Kubota Corp
Priority date: 1982-07-31
Filing date: 1983-07-29
Publication date: 1989-03-16
Also published as: DE3327490A1; CH661476A5; DK348183D0; FR2531140A1; FR2531140B1; NO832761L; DK162177C; DK348183A; DK162177B

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Verbundzylinderlaufbüchse mit großem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, die insbesondere für Schiffe eingesetzt werden kann, die eine Außenschicht aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und eine Innenschicht aus einem Spezialgußeisen mit hoher Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, aufweist, wobei die Außenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen an den Grenzflächen miteinander verbunden sind.

Die in Verbrennungsmotoren verwendeten Zylinderlaufbüchsen 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.

Zur Steigerung der Festigkeit der Zylinderlaufbüchsen wird üblicherweise versucht (DE-OS 26 54 474), Zylinderlaufbüchsen aus Schleuderguß, die aus zwei konzentrischen Teilen bestehen mit unterschiedlichem Gleit-Duktilitäts- und Flüssigkeitseigenschaften zu bilden, 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. Dieses Gußeisen (GGG) schließt einen deutlich hohen Kohlenstoffgehalt von mindestens 2,5 Gew.-% und einen hohen Anteil an Magnesium als zwingenden Legierungsbestandteil ein, um die kugelige Graphitausbildung in der Außenschicht sicherzustellen (E. Nechtelberger, "Gußeisenwerkstoffe" Bd. 1, 1977, Seite 14). Es erwies sich jedoch in der Praxis, daß bei der Herstellung der Verbundzylinderlaufbüchsen Magnesium in die Innenschicht diffundierte und dort das Material der Innenschicht veränderte, was zu einer Verschlechterung der angestrebten Eigenschaften der Innenschicht bezüglich ihrer Gleiteigenschaften und Verschleißeigenschaften führte.

Es ist weiterhin versucht worden, die Wandstärke der Laufbüchsen zu steigern, was jedoch dem Erfordernis der Gewichtsverminderung der Verbrennungsmaschine entgegensteht.

Bei Zylinderlaufbüchsen von großen Verbrennungsmotoren mit relativ großer Wandstärke ist die Bruchursache vorwiegend in den hohen thermischen Spannungen zu sehen, da die Innenseite der Zylinderlaufbüchse während des Verbrennungs- und Explosionsprozesses sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, während die Außenseite der Laufbüchse aufgrund der Wasserkühlung einer niedrigeren Temperatur ausgesetzt ist. Dadurch entstehen Druckspannungen beziehungsweise Zugspannungen in den Innenbereichen beziehungsweise in den Außenbereichen und es ist somit sehr wahrscheinlich, daß die Brüche an der Außenseite der Laufbüchse beginnen.

Daher müssen die äußeren Bereiche der Zylinderlaufbüchsen eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen, um große Wandstärken der Laufbüchse zu vermeiden.

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 Erfindungsgegenstandes.

Gegenstand der Erfindung ist somit eine Verbundzylinderlaufbüchse mit großem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, mit einer Außenschicht aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und einer Innenschicht aus einem Spezialgußeisen mit hoher Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen festfressen, wobei die Außenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen an den Grenzflächen miteinander verbunden sind, dadurch 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% C, 0,6 bis 3,0% Si, 0,2 bis 1,0% Mn, bis zu 0,1% P, bis zu 0,1% S, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und ein Gefüge mit Kugelgraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.

Die erfindungsgemäße Zylinderlaufbüchse besitzt die erforderliche Festigkeit, ohne daß die Verschleißeigenschaften und Gleiteigenschaften beziehungsweise die Beständigkeit gegen Festgehen beeinträchtigt werden, die eine solche Laufbüchse im allgemeinen aufweisen muß.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Verbundzylinderlaufbüchse 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 das Material für die Zwischenschicht (4) aus 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, Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.

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

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

Fig. 2 eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Zylinderlaufbüchse mit dreischichtigem Aufbau;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung, die die Härteverteilung der in der Tabelle 1 angegebenen Beispiele der Nummern 1 und 2 verdeutlicht.

Die Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des Aufbaus der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchse. Die Laufbüchse 1 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 wird, und aus Stahlguß mit Kugelgraphit besteht, während die Innenschicht 3 eine hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen aufweist und aus einem üblicherweise verwendeten 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 nach entsprechender Zeitabhängigkeit vergossen wird, so daß man die Zylinderlaufbüchse erhält, bei der die beiden Schichten metallurgisch miteinander verbunden sind.

Wie in 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 Außenschicht 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 möglich eine dreischichtige Verbundzylinderlaufbüchse zu bilden, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, bei der eine Zwischenschicht 4 zwischen der Außenschicht 2 und der Innenschicht 3 vorgesehen ist, die nachfolgend näher erläutert. Dabei kann man die Zylinderlaufbüchse mit einer Zwischenschicht zwischen der Innenschicht und der Außenschicht in der oben beschriebenen Weise ebenfalls unter Verwendung eines Schleudergießverfahrens herstellen, indem man bei Verwendung 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 zur Bildung der Außenschicht der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchsen näher erläutert.

Die Außenschicht, die eine hohe Zähigkeit oder hohe Festigkeit und eine hohe Duktilität aufweist, wird aus Stahlguß mit Kugelgraphit gebildet. Die nachfolgend angegebenen Mengen sind sämtlich auf das Gewicht bezogen (%).

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 Fe, 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 2,5% Ni, bis 1,0% Cr, bis 1,0% Mo und Ti, Al und Zr in einer kombinierten Gesamtmenge von bis 0,1% umfaßt, gewünschtenfalls in den Stahlguß einarbeiten.

Die Wirkung der chemischen Zusammensetzung des Stahlgusses sei im folgenden näher erläutert.

C: 1,0 bis 2,0%

Wenn das Material 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.

Si: 0,6 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-Menge von mehr als 3,0% das in der Matrix in Form einer festen Lösung enthaltene Si eine bemerkenswerte Neigung dafür besitzt, das Material zu verspröden.

Mn: 0,2 bis 1,0%

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 das Material dann härter und spröder wird, wenn es mehr als 1,0% Mn enthält.

P: bis zu 0,1%

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

S: bis zu 0,1%

Ebenso wie P führt S zu einer Versprödung des Materials, so daß seine Maximalmenge 0,1% beträgt.

Der Stahlguß mit Kugelgraphit, der die Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchse bildet, enthält im wesentlichen die oben angesprochenen Bestandteile sowie andere übliche Verunreinigungen und im wesentlichen Fe als Rest.

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: bis zu 2,5%

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: bis zu 1,0%

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn die Cr-Menge jedoch mehr als 1,0% beträgt, ist es nicht wahrscheinlich, daß der Graphit kristallisiert, so daß eine Beeinträchtigung der Festigkeit und der Duktilität des Materials verursacht wird.

Mo: bis zu 1,0%

Ebenso wie Ni stellt Mo ein wichtiges Element zur Sicherstellung der Festigkeit und der Duktilität dar. Die Verwendung von mehr als 1,0% Mo macht jedoch das Material andererseits härter und spröde.

Ti, Al und Zr: in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1%

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.

Durch Animpfen ist es möglich, das Gefüge feiner zu machen und die Graphitbildung zu fördern. Hierzu kann man das Material mit 0,1 bis 10% Si animpfen. Beispiele für geeignete Impfmittel sind CaSi und FeSi. Wenn ein Animpfvorgang 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 Festigkeit und die Duktilität ausübt. Der Gehalt an Bainit, Martensit oder Restaustenit sollte jedoch möglichst niedrig sein, da sie die Materialeigenschaften beeinträchtigen.

Bei der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchse kann als Material für die Innenschicht 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 600°C unterworfen werden, um die restlichen Spannungen nach dem Vergießen zu beseitigen. Wenngleich zur Verbesserung der Festigkeit und der Duktilität des Materials für die Außenschicht einer Wärmebehandlung bei Temperaturen oberhalb des Transformationspunkts A ₁ 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 Innenschicht beeinträchtigen kann.

Im folgenden seien bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.

Ausführungsform A

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

Innendurchmesser der Gußform:\|720 mm
Gußdicke der Außenschicht:	90 mm
Gußdicke der Innenschicht:	60 mm

Die chemischen Zusammensetzungen der Innenschichten und Außenschichten der Zylinderlaufbüchsen sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben. Die Beispiele der Nr. 1 und 2 betreffen erfindungsgemäße Laufbüchsen, während die Beispiele der Nr. 3 und 4 Vergleichslaufbüchsen betreffen, deren chemische Zusammensetzung der Außenschicht außerhalb des erfindungsgemäß definierten Bereichs liegt. Insbesondere enthält das Material des Beispiels Nr. 3 eine zu große Menge Cr, während das Material des Beispiels Nr. 4 eine zu große Menge Mn und Ni enthält.

Tabelle I

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (%)

Die Härteverteilung der Verbundzylinderlaufbüchsen mit den chemischen Zusammensetzungen der Beispiele 1 und 2 der Tabelle I sind in der Fig. 3 dargestellt.

Die mechanischen Eigenschaften der Außenschicht der Verbundzylinderlaufbüchsen der Beispiele der Nr. 1 bis 4 sind in der folgenden Tabelle II zusammengestellt.

Tabelle II

Aus der Tabelle II geht hervor, daß die Vergleichslaufbüchsen der Beispiele der Nr. 3 und 4 den erfindungsgemäßen Laufbüchsen der Beispiele der Nr. 1 und 2 insbesondere im Hinblick auf die Dehnungseigenschaften unterlegen sind. Das Material des Beispiels Nr. 4 zeigt daher eine große Härte, jedoch eine geringe Dehnung und somit eine Versprödung des Materials.

Andererseits zeigt das Material, das üblicherweise für Zylinderlaufbüchsen mit einschichtigem Aufbau verwendet wird, eine Zugfestigkeit von 18 bis 25 kg/ mm² und eine Dehnung von 0,2 bis 0,8%. Somit ist die Außenschicht der erfindungsgemäßen Verbundzylinderlaufbüchse dem Außenabschnitt einer üblicherweise verwendeten Zylinderlaufbüchse mit einschichtigem Aufbau im Hinblick auf die Festigkeit und die Duktilität überlegen.

Wie oben genauer ausgeführt worden ist, wird erfindungsgemäß eine Verbundzylinderlaufbüchse mit einer Außenschicht und einer Innenschicht geschaffen, wobei die Außenschicht eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweisen muß, da der Bruch der Laufbüchse an der äußeren Oberfläche beginnt, während die Innenschicht eine hohe Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, Festgehen oder Klemmen aufweisen muß. Dabei besteht, die Außenschicht aus Stahlguß mit Kugelgraphit, während die Innenschicht aus einem Spezialgußeisen besteht, welches üblicherweise eingesetzt wird, um die gewünschten Eigenschaften zu ergeben, wobei die Außenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen in Form eines zweischichtigen Aufbaus miteinander verbunden sind. Somit besitzt die erfindungsgemäße Laufbüchse die gewünschte Festigkeit im Außenbereich, ohne daß die Eigenschaften an der inneren Oberfläche der Laufbüchse beeinträchtigt werden.

Bei der zweischichtigen Zylinderlaufbüchse können die Eigenschaften der Innenschicht 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 Festigkeitseigenschaften und verbesserter Wärmeleitfähigkeit an der Verschmelzungsschicht erzeugt werden kann. Weiterhin ist es auch im Hinblick 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 Faktoren, wie der Wirtschaftlichkeit oder den Eigenschaften der Laufbüchse 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 der fertigen Zylinderlaufbüchse zutrifft. Zur Erläuterung dieses Sachverhalts ist darauf hinzuweisen, daß der innerste Bereich der Außenschicht beim Vergießen des Materials der Zwischenschicht einen Bereich von 10 bis 30 mm schmilzt und anschließend der innerste Bereich der Zwischenschicht beim Vergießen des Materials der Innenschicht 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 der Zwischenschicht von mehr als 50 mm anzuwenden. In dem Fall, da die Zylinderlaufbüchse für Schiffsverbrennungsmotoren 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 Zylinderlaufbüchse 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 Fe. Neben den oben angesprochenen Bestandteilen können eines oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe, die bis 2,5% Ni, bis 1,0% Cr, bis 1,0% Mo und Ti, Al und Zr in einer Gesamtmenge von bis 0,1% gewünschtenfalls in das Material eingearbeitet werden.

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

C: 2,0 bis 4,0%

Bei einem C-Gehalt von weniger als 2,0% ist die Graphitbildung des Materials nicht ausreichend, was zu verschlechterten 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.

Si: 0,8 bis 3,0%

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-Gehalt 3,0% übersteigt, ergibt sich eine starke Ausscheidung von Ferrit, was zu einer verminderten Festigkeit des Materials führt, wobei weiterhin Si in Form einer festen Lösung in dem Ferrit enthalten ist und das Material spröde macht.

Mn: 0,4 bis 1,2%

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.

P: bis zu 0,6%

P steigert das Fließvermögen der Schmelze, bildet jedoch eutektische Phosphorbestandteile 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 allgemeinen innerhalb des unschädlichen Bereichs für ein Material für die Zwischenschicht liegt.

S: bis zu 0,1%

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 Fe.

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

Ni: bis zu 2,5%

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, was das Material spröde macht.

Cr: bis zu 1,0%

Cr verstärkt die Matrix und stabilisiert den Zementit. Wenn es in einer Menge von mehr als 1,0% vorhanden ist, führen erhöhte Mengen von Zementit zu einer Versprödung des Materials.

Mo: bis zu 1,0%

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 spröder wird.

Ti, Al und Zr: in einer Gesamtmenge von bis zu 0,1%

Wenn das Material der Außenschicht Ti, Al und Zr enthält, wird ebenfalls unvermeidbar Ti, Al und Zr in das Material der Zwischenschicht eingebracht, so daß eines oder mindestens zwei dieser Elemente in das Material für die Zwischenschicht eingearbeitet werden.

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

Ausführungsform B

Die Ausführungsform B betrifft die bevorzugten Beispiele einer Verbundzylinderlaufbüchse mit dreischichtem Aufbau, wobei zwischen der Innenschicht und der Außenschicht eine Zwischenschicht angeordnet ist. Diese Zylinderlaufbüchsen wurden mit Hilfe eines Schleudergießverfahrens unter Anwendung der folgenden Gießbedingungen hergestellt:

Innendurchmesser der Gießform:\|1040 mm
Gußdicke der Außenschicht mit der vergossenen Oberfläche:	70 mm
Gußdicke der Zwischenschicht mit der vergossenen Oberfläche:	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 III zusammengestellt.

Tabelle III

Chemische Zusammensetzung der Zylinderlaufbüchse (%)

Die in den Beispielen der Nr. 5 und 6 angegebenen Zylinderlaufbüchsen mit dreischichtigem Aufbau zeichnen sich durch eine integrale Vereinigung der Eigenschaften aus.

So besitzen die Verbundzylinderlaufbüchsen mit zweischichtigem oder dreischichtigem Aufbau eine hohe Zähigkeit oder Festigkeit und Duktilität in den Außenbereichen der Zylinderlaufbüchsen, so daß lange Betriebsdauern 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 eine Beständigkeit gegen Festfressen aufweist.

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

Claims

1. Verbundzylinderlaufbüchse mit großem Durchmesser für Verbrennungsmotoren, mit einer Außenschicht aus einem Material mit hoher Festigkeit und Duktilität und einer Innenschicht aus einem Spezialgußeisen mit hoher Verschleißfestigkeit und Beständigkeit gegen Festfressen, wobei die Außenschicht und die Innenschicht durch Verschmelzen an den Grenzflächen miteinander verbunden sind, dadurch 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% C,
0,6 bis 3,0% Si,
0,2 bis 1,0% Mn,
bis zu 0,1% P,
bis zu 0,1% S,
Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungenbesteht und ein Gefüge mit Kugelgraphit und einer Matrix aus im wesentlichen Perlit aufweist.

2. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlguß mit Kugelgraphit zusätzlich bis 2,5% Ni,
bis 1,0% Cr und
bis 1,0% Moeinzeln oder zu mehreren enthält.

3. Verbundzylinderlaufbüchse nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlguß mit Kugelgraphit in einer Gesamtmenge bis 0,1% eines oder mehrere der Elemente Ti, Al und Zr enthält.

4. Verbundzylinderlaufbüchse nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 das Material für die Zwischenschicht (4) aus 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,
Rest Fe und unvermeidbaren Verunreinigungenbesteht.

5. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zwischenschicht (4) zusätzlich bis 2,5% Ni,
bis 1,0% Cr und
bis 1,0% Moeinzeln oder zu mehreren enthält.

6. Verbundzylinderlaufbüchse nach Anspruch 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß das Material der Zwischenschicht (4) in einer Gesamtmenge bis 0,1% eines oder mehrere der Elemente Ti, Al und Zr enthält.