DE3431971A1

DE3431971A1 - Verfahren zur herstellung von zylinderauskleidungen

Info

Publication number: DE3431971A1
Application number: DE19843431971
Authority: DE
Inventors: Norman Bradford West Yorkshire Tommis
Original assignee: AE PLC
Current assignee: AE PLC
Priority date: 1983-09-06
Filing date: 1984-08-30
Publication date: 1985-03-21
Also published as: ZA846990B; AU3277084A; AU563425B2; KR910000560B1; GB8323844D0; DD236773A5; BR8404455A; IT1176665B; GB2146409A; IN162274B; ES535631A0; ES8506815A1; MX161251A; TR23244A; JPS60155666A; FR2551499B1; FR2551499A1; KR850002111A; IT8422552A0; GB8421732D0

Description

• 1 Beschreibung

Die Erfindung betrifft die Herstellung von Zylinderauskleidungen für Verbrennungsmotoren der Art, die ein Behandeln einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche der Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen.

IQ In vielen Verbrennungsmotoren bewegen sich der oder jeder Kolben hin und her in einem Zylinder, gebildet durch eine im allgemeinen zylindrische Trockenauskleidung, üblicherweise im Preßsitz angepaßt, geschrumpft oder auf andere Weise in den Motorblock eingesetzt. Die Innenoberfläche (oder "Bohrung") der Zylinderauskleidung kontaktiert den assoziierten Kolben und ist somit Abrieb und Abnutzung ausgesetzt. Zusätzlich können sich Trockenauskleidungen gegen den assoziierten Motorblock abscheuern, und deshalb sollte eine zufriedenstellende Trockenzylinderauskleidung in der Lage sein, solchem Abrieb zu widerstehen und gleichzeitig in der Lage sein, leicht im Preßsitz angepaßt zu werden oder in den assoziierten Motorblock hineingeschoben und daraus entfernt zu werden.

Ein Material, das üblicherweise für solche Auskleidungen verwendet wird, ist kohlenstoffarmer Weichstahl; dieser hat jedoch keine zufriedenstellenden Abriebeigenschaften. Aus diesem Grund wurden verschiedene Techniken angewandt, um die Abriebeigenschaften zu verbessern. Eine dieser «Ο Techniken ist die Verwendung eines Materials, das härter und abriebbeständiger als Weichstahl ist. Beispielsweise können Gußeisen oder Stähle, die einen hohen Nickel-, Chrom- und Molybdängehalt aufweisen, verwendet werden, insbesondere, wenn sie gehärtet oder getempert werden. Oboe wohl diese Materialien sehr abriebbeständig sind, besitzen sie jedoch den Nachteil, daß ihre Duktilität bzw.

Biegsamkeit viel geringer als die von Weichstählen ist, so daß sie entsprechend schwierig zu einer benötigten Endform zu verarbeiten sind. Eine Endzylinderauskleidung aus solch einem Material kann zusätzlich spröde sein, und aies kann zu Rissen führen, wenn die Auskleidung in einen Zylinderblock im Preßsitz angepaßt wird.

Eine zweite Technik ist das Vorsehen einer harten Oberflächenschicht auf einer aus einem Weichstahl oder einem Gußeisen geformten Zylinderauskleidung.Eine solche Schicht ist eine harte Chromplatte bzw. ein harter Chromüberzug auf der Bohrung der Auskleidung. Eine Verchromung besitzt jedoch die Nachteile, daß sie ein teures Verfahren ist, wodurch die Kosten der Auskleidung steigen, und daß ein soleher überzug nur sehr schwer Öl speichert und deshalb bei Gebrauch zu einer Abnutzung neigt. Zusätzlich kann sich eine Verchromung bei Temperaturen über 300⁰C erweichen, wodurch ihre Abriebbeständigkeit verringert wird, und sie erfordert eine Endbearbeitung, die zusätzliche Kosten verursacht. Alternative Hartoberflächenbehandlungen sind entsprechend teuer in der Anwendung.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das das Behandeln wenigstens einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen, das dadurch gekennzeichnet istdaß eine Zylinderauskleidung aus einem Weichstahl in eine Endform geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird und eine Gasmischung aus einem Aufkohlungsgas bzw. einem karburierenden Gas und einem stickstoffhaltigen Gas im Verhältnis von 25:75 bis 75:25 (Volumen-Prozent) bei einer Temperatur von 500⁰C bis 650⁰C der Kammer zugeführt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitro karburieren.

Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

Eine Trockenzylinderauskleidung wird aus einem kohlenstoffarmen Stahl gebildet. Das Material kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung besitzen:

Weichstahl (Gew.-%)

Kohlenstoff: 0.05 bis 0.030

Silizium: 0.10 bis 0.35

Mangan: 0.40 bis 1.4

Schwefel: 0.050 max.

Phosphor: 0.050 max.

Nickel: \

Chrom: C können entweder als Spurenelemente oder

Molybdän:) als geringe Legierungszusätze vorliegen

Rest: Eisen

Ein Block eines solchen Materials wird zunächst ausgestanzt, gezogen oder extrudiert durch einen zweckmäßig geformten Ziehstein, um ein im allgemeinen zylindrisches ■Rohstück zu bilden. Dieses Rohstück wird dann zur Endform der Zylinderauskleidung, wenn benötigt, durch Herstellen eines Schlußflansches, und Formen zu erforder-2ö liehen Dimensionen der zylindrischen Innen- und Außenoberflächen bearbeitet.

Die geformte Zylinderauskleidung wird dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben. Anschließend

SO werden ein stickstoffhaltiges Gas, wie Ammoniak, und ein Aufkohlungsgas, wie ein exothermes Kohlenwasserstoffgas, in die Kammer bei einer Temperatur zwischen 500⁰C und 65O⁰C eingespeist. Das Verhältnis der zwei Gase, stickstoffhaltiges zu karburierendem Gas,kann zwischen 25:75 (Vol.-%) und 75:25 (Vol.-%) liegen, obwohl Tests mit

Ammoniak und exothermem Kohlenwasserstoffgas gezeigt haben, daß Verhältnisse von 50:50 (Vol.-%) oder 60:40 (Vol.-%) bessere Ergebnisse liefern.

Die Gase kontaktieren die Oberflächen der Zylinderauskleidung, und Kohlenstoff und Stickstoff aus den Gasen diffundieren aus diesen Oberflächen in den Weichstahl der Auskleidung und bilden eine dünne Schicht (sogenannte "Epsilon"-Schicht) Zwischen 25 und 20 um Dicke, aus der Diffusion in den Auskleidungskörper stattfindet. Für ein bestimmtes Material hängt die Gesamteindringtiefe von der Zeit.ab, über die die Gase zugeführt werden, und dies kann reguliert werden, um beispielsweise eine "Epsilon"-Schicht von 10 um Dicke und eine Gesamtdurchdringung von 0,1 mm bis

2g 0,3 mm zu ergeben. Beispielsweise kann die Zeit zwei bis vier Stunden betragen. Eine Oberflächenhärte von 800 HV oder mehr ist erreichbar, stetig, aber nicht gleichmäßig abnehmend zu der Härte des Basismaterials. Diese Härte bleibt bei nachfolgenden Betriebstemperaturen der Auskleidung' "

_OA von bis zu 550⁰C erhalten.

Die Zylinderauskleidung wird dann aus der Kammer entfernt, und ist sofort gebrauchsfertig ohne weitere Nachbearbeitungsstufen. Die Zylinderauskleidung besitzt eine harte,

2g abriebbeständige Außenoberfläche und einen duktilen Kern, Zusätzlich erhöht die Behandlung die Biegefestigkeit der Auskleidung beträchtlich. Dies kann von besonderer Bedeutung sein, wenn ein Flansch auf der Auskleidung vorgesehen ist und beträchtlich über die Auskleidung hinausragt, weil die hohe Biegefestigkeit die Biegefestigkeit des Flansches erhöht und so das' Auftreten eines Flanschbruches und das Auftreten von Rissen in dem Flanschbereich reduziert.

Beispiel 2

Eine Trockenzylinderauskleidung wurde aus einem Weichstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,18 % auf eine der vorstehend beschriebenen Weisen mit Bezug auf Beispiel 1 gebildet. Die geformte Auskleidung wurde dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen war, gegeben, und wie vorstehend mit Bezug auf Beispiel 1 beschrieben, nitrokarburiert. Die Temperatur betrug 570⁰C und die Behandlungszeit drei Stunden.

Nach der Behandlung wurde die Auskleidung schnell gasgekühlt und dann aus der Kammer entfernt und untersucht. Es wurde gefunden, daß die innere und die äußere Oberfläche der Auskleidung gleiche nitrokarturierte Schichten besaßen. Eine weiße Oberflächen-"Epsilon"-Schicht von 0.04 mm Dicke bedeckte eine komplexe Struktur von Eisennitridnadeln in Ferritkörnern bis zu einer Tiefe von mehr als 0,2 mm mit einer Gesamtdurchdringung von 0,3 mm. In der Bulk- bzw. Hauptmassestruktur nahm die Härte von 540 HV gerade unter der Oberflächenschicht auf 380 HV in 0,15 mm Tiefe ab. Die Kernhärte des Materials betrug 160/178 HV bei 0,35 mm unter der Oberfläche.

Die wie vorstehend beschrieben behandelten Zylinderauskleidungen wurden dann in einem turbogeladenen Dieselmotor verwendet. Nach 300 Stunden Betriebszeit war der Abrieb auf der Oberfläche der Auskleidung vernachlässigbar. Der Ölverbrauch lag akzeptabel bei 0,5 % des Kraftstoffverbrauchs, und das Leistungsvermögen war etwa 1 % größer als bei unbehandelten Zylinderauskleidungen wegen der geringen Friktion der Auskleidungsoberfläche, die nach dem Betrieb ein glasartiges Aussehen hatte. Nach 550 Stunden stieg der Ölverbrauch langsam auf 0,7 % des Kraftstoffverbrauchs wegen des Einschabens der Kolbenringe, war aber immer noch akzeptabel. Das Leistungsvermögen war um 1,3 % gestiegen, ohne erhöhte Kraftstoffaufnahme.

Die vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren und die so hergestellten Zylinderauskleidungen besitzen eine Vielzahl von wichtigen Vorteilen. Da die Auskleidung aus einem duktilen Weichstahl hergestellt wird und sämtliche Bearbeitung vor dem Nitrokarburieren durchgeführt wird, kann das Formen der Zylinderauskleidung leicht und schnell erreicht werden. Geeignete Weichstähle und Gußeisen sind billig, wodurch die Kosten der Zylinderauskleidungen verringert werden. Der Nitrokarburierungsschritt versieht die Zylinderauskleidung mit einer Oberflächenfertigbearbeitung, die sehr abriebbeständig ist, bei erhöhten Temperaturen (bis zu 550⁰C) wirksam bleibt und die Oberfläche bis zu einer wirklichen Tiefe (0,01 mm bis 0,3 mm) durchdringt.

Solch eine Auskleidung kann in einen Motorblock ohne Gefahr vor spröden Rissen eingepreßtwerden, weil ein duktiler zentraler Kern verbleibt. Die Außenoberfläche ist abrieb-beständig gegenüber Reibung mit dem Motorblock. Die innere, kolbenaufnehmende Oberfläche ist beständig gegen Abrieb und Abnutzung des assoziierten Kolbens und der Kolbenringe, weil die Oberfläche durch einen Ölfilm gut befeuchtet ist. Es ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Kolbenringe ebenfalls nitrokarburiert werden, wie beispielsweise in der britischen Patentveröffentlichung Nr. 21 12 025 beschrieben. Die harte Oberfläche der Kolbenringe würde in Abwesenheit einer entsprechend harten Oberfläche auf der Auskleidung dazu neigen, die Zylinderauskleidung abzureiben. Es wurde gefunden, daß die Außenoberflache einer Kavitationserosion gut widersteht, wenn

QQ die Auskleidung eine nasse Zylinderbuchse ist.

Es sollte ebenfalls bemerkt werden, daß die vorstehend beschriebenen Zylinderauskleidungen eine erhöhte Beständigkeit gegen atmosphärische Oxidation besitzen,'wodurch die Verpackungs- und Transportkosten verringert werden.

Claims

GRÜNECKER, KINKELDEY. STOCKMAIR & PARTNER PATENTANWÄLTE J A 6RUNECKER. on« DR H KINKELDEY. o»v.·« OR W STOCKMAIR. an.-~cM DR K SCHUMANN. un.-mrs P. H JAKOB, on.*» DR G. BEZOLD. mow W. MEISTER, ov-ns H HILGERS. on--a C OR H MEYER-PLATH. o«.-~o 8OOO MÜNCHEN 22 MAXIM(LIANSTRASSe 58 PH 19 050-609/Fr 30. Aug. 1984 15 AE PLC Cawston House, Cawston, Rugby, Warwickshire CV22 7SB England Verfahren zur Herstellung von Zylinderauskleidungen Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Weichstahl-Zylinder-25

auskleidung für einen Verbrennungsmotor derart, daß es das Behandeln wenigstens einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und

Kolbenringe zu widerstehen, dadurch gekenn 30

zeichnet , daß eine Zylinderauskleidung in eine Endform aus einem Weichstahl geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird, eine Gasmischung aus einem

Aufkohlungsgas und einem stickstoffhaltigen Gas im Ver-35

hältnis von 25:75 bis 75:25 (Vol.-%) bei einer Temperatur

von 500⁰C bis 65O⁰C der Kammer zugeführt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitrokarburieren.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das stickstoffhaltige Gas Ammoniak ist und das Aufkohlungsgas ein exothermem Kohlenwasserstoffgas ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Verhältnis der Gase 50:50 bis 60:40 (Vol.-*) beträgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur 55O⁰C beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis H, d a -

durch gekennzeichnet, daß die Zylinderauskleidung über solch eine Zeit behandelt wird, daß die Gesamteindringtiefe der nitrokarburierten Schicht in die Oberfläche der Zylinderauskleidung zwischen 0,1 und 0,3 mm liegt mit einer Epsilon-Oberflächenschicht von 0,005 bis 0,020 mm Dicke.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Behandlungszeit 2 bis 4 Stunden beträgt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Nitrokarburieren ein im allgemeinen röhrenförmiges Zylinderrohstück aus Weichstahl gebildet und bearbeitet wird,

OQ um eine endgeformte Zylinderauskleidung zu bilden und die endgeformte Zylinderauskleidung dann nitrokarburiert wird.

8 .■ Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß das röhrenförmige Zylinderrohstüok·. og durch ein Extrusions- oder Preßverfahren oder durch Tiefziehen gebildet wird.

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9. Zylinderauskleidung, hergestellt durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis