DE3418555C1

DE3418555C1 - Verfahren zum Umschmelzhaerten der Oberflaeche von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen

Info

Publication number: DE3418555C1
Application number: DE3418555A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. Heck; Horst Dipl.-Ing. 8070 Ingolstadt Lindner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1984-05-18
Publication date: 1985-07-25
Also published as: EP0161408B1; EP0161408A2; DE3569751D1; EP0161408A3; JPH0149773B2; JPS60245725A

Description

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blemlosen Nachbearbeitung durch Höhnen, etc. bedarf. aufgeschmolzen. Nähere Details eines derartigen WIG-Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Verfahrens- Brenners 12 können beispielsweise der auf die gleiche schritte sind den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung 4 entnehmbar. Mit dem oberen Wert der Stromstärke P 33 39 447.4 entnommen werden. Der WIG-Brenner 12 wird einerseits ein ausreichend tiefes Durchschmelzen 5 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 mm/ bzw. eine ausreichende Härtetiefe sichergestellt, wäh- see in Richtung des Pfeiles 20 der F i g. 2 mit einem rend bei niedrigerem Wert des gepulsten Stromes eine gleichmäßigen Abstand zum Zylinder 4 entlang der zu Beruhigung und Abkühlung der örtlichen Schmelze ein- erzeugenden Härtebahn 6 vorwärts bewegt, tritt. Wichtig ist dabei auch, daß beim Wechsel der Die die Energiedichte des Lichtbogens 16 bestimmen-

Stromstärken — auch zu Beginn und am Ende des Um- to de Stromstärke A in Ampere über der Zeit t ist in dem Schmelzhärtens — kein Blaseffekt entsteht, welcher fei- Diagramm gemäß F i g. 3 dargestellt. Die Einschaltung ne Krater und Aufwürfe in der Schmelze bewirken wür- des Stromes an dem Punkt E erfolgt bei einem unteren de. Die Verteilung der Segmentation in der Härtespur Wert der Stromstärke von 15 A, welcher Strom dann kann vorteilhaft auch innerhalb der angegebenen Puls- mit einer Frequenz von 1 Hz zwischen 15 A und 80 A frequenz des Plasmabrenners und durch die Um- 15 nach Art eines Rechteckmusters gepulst wird. Die Ausschmelzgeschwindigkeit beeinflußt werden. schaltung des WIG-Brenners 14 erfolgt wiederum am Die Merkmale des Patentanspruches 6 betreffen ein Punkt A beim unteren Wert der Stromstärke von 15 A. besonders kostengünstiges Verfahren zur Härtung der Dabei erfolgt eine schuppenartige Überlappung von ca. Zylinder von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, welches 60 bis 70% der durch das Pulsen der Stromstärke erbei einer Serienfertigung kurze Taktzeiten ermöglicht. 20 zeugten Einzelsegmente 22 der Härtebahn deren Härte Wie sich herausgestellt hat, ist bei den Zylindern von etwa 850 bis 950 HV10 erreicht. Brennkraftmaschinen der obere Umkehrpunkt des obe- Nach erfolgtem Umschmelzhärten wird der Zylinder ren, dem Brennraum am nächsten liegenden Kolbenrin- 4 in der Nachbearbeitung durch elektrochemisches Hoges an der Zylinder-Oberfläche die verschleißanfälligste nen mit anschließendem mechanischen Reibplattieren Stelle, so daß es bei vielen Brennkraftmaschinentypen 25 unterzogen. Dabei werden geringe Unebenheiten in der ausreichend sein kann, nur diese eine Stelle mittels einer Härtespur 6 beseitigt und die martensitisch/graphitische Härtebahn abzusichern. Struktur der Randbereiche 10 freigelegt. Das elektro-Gemäß Patentanspruch 6 kann der Umschmelzhär- chemische Honen und Reibplattieren kann gegebenentung ein elektrochemischer Abtrag und anschließend falls der deutschen Patentanmeldung P 31 19847.3 auseine mechanische Bearbeitung folgen. Damit werden 30 geführt werden.

unter anderem die martensitisch/graphitischen Randbe- -

reiche der Härtebahnen offenporig freigelegt, so daß Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

hier eine verstärkte ölhaltung bzw. eine optimierte

Schmierung der Gleitpartner Kolben: Zylinderfläche
erreicht ist. 35

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die
Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Abschnitt eines Zylinderblockes einer
Brennkraftmaschine mit einer nach dem erfindungsge- 40
mäßen Verfahren gehärteten Zylinder-Oberfläche,

Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1 in vergrößerter
Darstellung während des Umschmelzens mit einem
WIG-Brenner und

F i g. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Stromstär- 45
ke und der Pulsfrequenz des WIG-Brenners.

In einem Zylinderblock 2 einer mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine aus lamellarem Grauguß
sind mehrere Zylinder 4 angeordnet, die in üblicher
Weise nahezu auf Fertigmaß bearbeitet sind. Bei einem 50
jeden Zylinder 4 ist in die obere Umkehrstelle des oberen, dem jeweiligen Brennraum am nächsten liegenden
Kolbenringes eines nicht dargestellten, im Zylinder 4
gleitenden Kolbens eine kreisringförmige Härtebahn 6
eingearbeitet. 55

Die Härtebahn 6 ist durch örtliches Aufschmelzen der
oberflächennahen Schicht des Zylinders und durch anschließendes schnelles Wiedererstarren hergestellt, wober sich in der unmittelbaren Umschmelzzone 8 ein Iedeburitisches Gefüge ausbildet, während die noch war- 60
mebeeinflußten Randzonen 10 martensitischer Struktur
sind.

Die Umschmelzzone bzw. Härtebahn 6 wird mittels
eines WIG-Brenners (vgl. F i g. 2) erzeugt. Dabei wird
die korrespondierende Oberfläche des Zylinders 4 mit- 65
tels einer an eine Stromquelle angeschlossenen Wolframelektrode 14 durch einen zum Zylinder 4 überspringenden Lichtbogen 16 in inerter Atmosphäre 18 örtlich

- Leerseite -

Claims

1 2 sondere von Hubkolben-Brennkraftmaschinen zur ErPatentansprüche: höhung deren Verschleißfestigkeit einer Umschmeiz- härtung zu unterziehen. Ais Energiequellen dienen da-

1. Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflä- bei Elektronenstrahl- oder Laserstrahlkanonen oder chen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigen Gußei- 5 auch ein WIG-Brenner. Insbesondere bei Zylinderblöksen, insbesondere von Zylindern einer Hubkolben- ken ergibt sich durch das Umschmelzenhärten der Vor-Brennkraftmaschine, wobei die Oberflächen mittels teil, daß trotz der Verwendung eines kostengünstigen einer Energiequelle entlang einer oder mehrerer im Grundwerkstoffes (z. B. lameliarer Grauguß) eine hohe wesentlichen kreisringförmiger Härtebahnen örtlich Verschleißfestigkeit der Zylinderoberflächen bis ca. aufgeschmolzen werden und anschließend ledeburi- 10 1000 HV10 erzielbar ist

tisch erstarren, dadurch gekennzeichnet, Durch den Einsatz eines oder mehrerer WIG-Bren-

daß ner wird zunächst der Vorrichtungsaufwand gegenüber

einer Elektronen- oder Laserstrahlhärtung verringert;

a) als Energiequelle in bekannter Weise ein WIG- zudem wurde erkannt, daß eine Umschmelzbehandlung Brenner 12 verwendet wird, 15 von Zylindern insbesondere bei einer Fertigung in gro-

b) der WIG-Brenner mit periodisch sich ändern- ßen Stückzahlen mittels eines WIG-Brenners hinsichtder Energiedichte in einer definierten Pulsfre- Hch der Zugänglichkeit, der Fertigungssteuerung und quenz betrieben wird, -überwachung günstiger ist

c) die Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwin- Allerdings ergeben sich in der Praxis noch große Prodigkeit des WIG-Brenners derart abgestimmt 20 bleme bei der Durchführung des Umschmelzhärtens. sind, daß die örtlich aufgeschmolzenen, schup- Zum einen können insbesondere Zylinderblöcke aufpenförmigen Segmente (22) mit einem Überlap- grand ihrer großen Masse und wegen der Verzugsgepungsgrad von 20% bis 90% insbesondere um fahr nicht vorgewärmt werden, so daß beim Umschmel-60%, wiederholt aufgeschmolzen werden. zen extrem hohe Spannungen an den gehärteten Ober-

25 flächenbereichen auftreten; solche Spannungen können

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn- in Extremfällen buchstäblich zum Abplatzen der Härtezeichnet, daß schichten führen.

Ferner wird durch das Umschmelzen die gegebenen-

d) die Stromstärke des WIG-Brenners zwischen falls bereits hergestellte Oberflächengeometrie der Zy-10A und 100 A, insbesondere zwischen 15 A 30 linder wieder wesentlich verschlechtert, wobei die dann und 80 A gepulst wird. erforderliche Nachbearbeitung aufgrund der nun hohen

Härte der Oberfläche sehr kosten- und zeitaufwendig ist

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, da- und die Standzeit der Werkzeuge (z. B. Honahlen) verdurch gekennzeichnet, daß ringen wird. Bei nur teilweise gehärteten Oberflächen

35 der Zylinder ist es zudem schwierig, eine gleichmäßige,

e) die Einschaltung und die Abschaltung des WIG- maßlich einheitliche Zylindrizität herzusteilen, weil der Brenners beim unteren Wert der gepulsten durch das Werkzeug bewirkte Oberflächenabtrag aufStromstärke vorgenommen wird, grand der unterschiedlichen Oberflächenhärten ebenfalls unterschiedlich ist

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, da- 40 Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein gattungsgedurch gekennzeichnet daß mäßes Verfahren aufzuzeigen, mit dem sehr verschleißfeste, spannungsarme und nur eine geringe Nachbear-

f) die Pulsfrequenz des WIG-Brenners bis zu bettung erfordernde Zylinder herstellbar sind.

3 Hz, insbesondere 1 Hz und Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merk-

g) die Umschmelzgeschwindigkeitzwischen 0,4 bis 45 malen des Patentanspruches 1 gelöst wobei die nachfol-

4 mm/sec, insbesondere 1,5 mm/sec beträgt gend aufgeführten Vorteile erzielbar sind.

Das definierte Pulsen der Energiedichte des WIG-

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, da- Brenners bewirkt eine gezielte Segmentation der Härdurch gekennzeichnet daß nur eine einzige, kreis- tebahn, die ohne nachteilige Folgen im Betrieb in erhebringförmige Härtebahn (6) je Zylinder aufgebracht 50 lichem Maße zum Abbau der Oberflächenspannungen wird, wobei diese Härtebahn im Umkehrpunkt des und zu einer vollständigen Eliminierung von Verzug oberen Kolbenringes eines im Zylinder einzubauen- durch die Härtung führt Die Härtebahn enthält etwa je den Hubkolbens liegt cm 2 bis 6 Segmente, welche aufgrund der gepulsten

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, da- Umschmelzung gezielt schuppenartig vorliegen. Wie durch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) anschlie- 55 Versuche erwiesen haben, neigt diese segmentierte ßend einem elektrochemischen Abtrag und gegebe- Härtebahn in keiner Weise zu weiterer Rißbildung oder nenfalls einer mechanischen Reibplattierung unter- zu Abplatzungen; zumal im Betrieb bei Brennkraftmazogen wird. schinen aufgrund der höheren Temperatur an der Zylinderoberfläche relativ zum Zylindermantel ohnehin

60 überwiegend Druckspannungen auftreten.

Das wiederholte Aufschmelzen der Umschmelzzonen bewirkt ferner eine Sekundärzementitausscheidung in

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Um- der Gefügestruktur, welche problemlos eine Härte von schmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus koh- 850 bis 950 HV10 erreichen läßt
lenstoffhaltigem Gußeisen, insbesondere von Zylindern es Ferner hat sich herausgestellt daß sich aufgrund der einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, gemäß dem Überlappung der aufgeschmolzenen Zonen eine her-Oberbegriff des Patentanspruches 1. vorragende Glättung und Formbeständigkeit der gehär-

Es wurde bereits vorgeschlagen, die Zylinder insbe- teten Bereiche einstellt, weiche nur einer geringen, pro-