EP0161408B1 - Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen - Google Patents

Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen Download PDF

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EP0161408B1
EP0161408B1 EP85102673A EP85102673A EP0161408B1 EP 0161408 B1 EP0161408 B1 EP 0161408B1 EP 85102673 A EP85102673 A EP 85102673A EP 85102673 A EP85102673 A EP 85102673A EP 0161408 B1 EP0161408 B1 EP 0161408B1
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EP
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hardening
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cylinder
tig
tig burner
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Klaus Dr. Heck
Horst Dipl.-Ing. Lindner
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Audi AG
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    • C21—METALLURGY OF IRON
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/08—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes
    • C21D9/14—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for tubular bodies or pipes wear-resistant or pressure-resistant pipes

Definitions

  • the invention relates to a method for remelting the surfaces of cylinders made of carbon-containing cast iron, in particular cylinders of a reciprocating piston internal combustion engine, according to the preamble of patent claim 1.
  • the object of the invention is to further develop the generic method for remelt hardening in such a way that low-stress hardening free of harmful hardening cracks can be achieved without additional heat supply (for example preheating), which also requires only a slight reworking of the cylinder surfaces.
  • the outlay on the device compared to electron or laser beam hardening is initially reduced; it was also recognized that remelting of cylinders, particularly in the case of large-volume production using a TIG torch, is more favorable in terms of accessibility, production control and monitoring.
  • the defined pulsing of the energy density of the TIG torch results in a targeted segmentation of the hardening path, which leads to a considerable reduction in the surface tension and to a complete elimination of distortion due to the hardening without adverse consequences in operation.
  • the hardening sheet contains approximately 2 to 6 segments each, which are deliberately scaled due to the pulsed remelting. As tests have shown, this segmented hardness track is in no way prone to further cracking or chipping; especially when operating internal combustion engines due to the higher temperature on the cylinder surface relative to the cylinder jacket predominantly compressive stresses anyway.
  • the repeated melting of the remelting zones also causes a secondary cementite precipitation in the structure, which allows a hardness of 850 to 950 HV 10 to be achieved without problems.
  • the upper value of the current strength ensures a sufficiently deep melting or a sufficient depth of hardness, while at a lower value of the pulsed current the local melt calms down and cools down. It is also important that when changing the current strengths - even at the beginning and at the end of remelt hardening - there is no blowing effect, which would cause fine craters and peaks in the melt.
  • the distribution of the segmentation in the hardness track can advantageously also be influenced within the specified pulse frequency of the plasma torch and by the remelting speed.
  • the features of claim 6 relate to a particularly cost-effective method for hardening the cylinders of reciprocating piston internal combustion engines, which enables short cycle times in series production.
  • the upper reversal point of the upper piston ring, which is closest to the combustion chamber, on the cylinder surface is the most susceptible point to wear, so that it is the case with many internal combustion engines it may be sufficient to secure only this one point using a hardening track.
  • the remelting can be followed by electrochemical removal and then mechanical processing.
  • this exposes the martensitic / graphitic edge areas of the hardening sheets in an open-pore manner, so that increased oil retention or optimized lubrication of the sliding partner piston: cylinder surface is achieved.
  • a cylinder block 2 of a multi-cylinder reciprocating piston internal combustion engine made of lamellar gray cast iron a plurality of cylinders 4 are arranged, which are machined to a finished size in the usual way.
  • each cylinder 4 is in the upper reversal point of the upper;
  • a ring-shaped hardening track 6 is incorporated in the piston chamber closest to the respective combustion chamber of a piston (not shown) sliding in the cylinder 4.
  • the hardening web 6 is produced by locally melting the layer of the cylinder close to the surface and by subsequent rapid re-solidification, a ledeburitic structure forming in the immediate remelting zone 8, while the edge zones 10, which are still influenced by heat, are martensitic structure.
  • the remelting zone or hardening web 6 is generated by means of a WIC burner 12 (cf. FIG. 2).
  • the corresponding surface of the cylinder 4 is locally melted in an inert atmosphere 18 by means of a tungsten electrode 14 connected to a power source by an arc 16 which jumps over to the cylinder 4.
  • Further details of such a TIG torch 12 can be found, for example, in patent application P 33 39 447.4, which goes back to the same applicant.
  • the TIG torch 12 is at a feed rate of 1.5 mm / sec. moved forward in the direction of arrow 20 of FIG. 2 at a uniform distance from the cylinder 4 along the hardening path 6 to be generated.
  • the current intensity A in amperes over time t which determines the energy density of the arc 16 is shown in the diagram according to FIG. 3.
  • the current at point E is switched on at a lower value of the current strength of 15 A, which current is then pulsed at a frequency of 1 Hz between 15 A and 80 A in the manner of a rectangular pattern.
  • the TIG torch 14 is switched off again at point A at the lower value of the current strength of 15 A.
  • the cylinder 4 is subjected to post-processing by electrochemical honing with subsequent mechanical friction plating. In the process, slight unevenness in the hardness web 6 is eliminated and the martensitic / graphitic structure of the edge regions 10 is exposed. Electrochemical honing and friction plating can optionally be carried out in accordance with German patent application P 31 19 847.3.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gußeisen, insbesondere von Zylindern einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
  • Es wurde bereits vorgeschlagen, die Zylinder insbesondere von Hubkolben-Brennkraftmaschinen zur Erhöhung deren Verschleißfestigkeit einer Umschmelzhärtung zu unterziehen. Als Energiequellen dienen dabei Elektronenstrahl- oder Laserstrahlkanonen oder auch ein WIG-Brenner. Insbesondere bei Zylinderblöcken ergibt sich durch das Umschmelzhärten der Vorteil, daß trotz der Verwendung eines. kostengünstigen Grundwerkstoffes (z. B. lamellarer Grauguß) eine hohe Verschleißfestigkeit der Zylinderoberflächen bis ca. 1000 HV 10 erzielbar ist.
  • Allerdings ergeben sich in der Praxis noch große Probleme bei der Durchführung des Umschmelzhärtens. Zum einen können insbesondere Zylinderblöcke aufgrund ihrer großen Masse und wegen der Verzugsgefahr nicht vorgewärmt werden, so daß beim Umschmelzen extrem hohe Spannungen an den gehärteten Oberflächenbereichen auftreten ; solche Spannungen können in Extremfällen buchstäblich zum Abplatzen der Härteschichten führen.
  • Aufgrund der großen Masse von Zylinderblöcken kann auch nicht beispielsweise auf einen Vorschlag gemäß DE-A 28 11 400 zurückgegriffen werden, bei dem zur Vermeidung von Rißbildungen vorgeschlagen wird, daß Werkstück unter Wärmezuführung derart mit unterkritischer Geschwindigkeit der Abkühlung zu überlassen, daß für unterhalb der lediburitisch erstarrten Schicht der Umschmelzzone liegende ganz oder teilweise austenitisierte Bereiche ein unterkritischer zeitlicher Temperaturverlauf entsteht.
  • Ferner wird in der japanischen Patentanmeldung 57-158319 vorgeschlagen, zur Stabilisierung der Schmelze beim Umschmelzharten eines Eisenwerkstoffes einen mit gepulstem Strom betriebenen WIG-Brenner einzusetzen, und zwar derart, daß das Volumenverhältnis zwischen dem Schmelzbad einerseits und der daran anschließenden über den AC,-Umwandlungspunkt erhitzten Zone andererseits höchstens ist. Dadurch soll eine stabile, haltbare und feine Härtezone (Raster) erzielt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren zum Umschmelzhärten derart weiter zu bilden, daß ohne zusätzliche Wärmezufuhr (z. B. Vorwärmung) eine spannungsarme, von schädlichen Härterissen freie Härtung erzielbar ist, die zudem nur noch eine geringe Nachbearbeitung der Zylinderoberflächen erfordert.
  • Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei die nachfolgend aufgeführten Vorteile erzielbar sind.
  • Durch den Einsatz eines oder mehrerer WIG-Brenner wird zunächst der Vorrichtungsaufwand gegenüber einer Elektronen- oder Laserstrahlhärtung verringert; zudem wurde erkannt, daß eine Umschmelzbehandlung von Zylindern insbesondere bei einer Fertigung in großen Stückzahlen mittels eines WIG-Brenners hinsichtlich der Zugänglichkeit, der Fertigungssteuerung und - überwachung günstiger ist.
  • Das definierte Pulsen der Energiedichte des WIG-Brenners bewirkt eine gezielte Segmentation der Härtebahn, die ohne nachteilige Folgen im Betrieb in erheblichem Maße zum Abbau der Oberflächenspannungen und zu einer vollständigen Eliminierung von Verzug durch die Härtung führt. Die Härtebahn enthält etwa je cm 2 bis 6 Segmente, welche aufgrund der gepulsten Umschmelzung gezielt schuppenartig vorliegen. Wie Versuche erwiesen haben, neigt diese segmentierte Härtebahn in keiner Weise zu weiterer Rißbildung oder zu Abplatzungen ; zumal im Betrieb bei Brennkraftmaschinen aufgrund der höheren Temperatur an der Zylinderoberfläche relativ zum Zylindermantel ohnehin überwiegend Druckspannungen auftreten.
  • Das wiederholte Aufschmelzen der Umschmelzzonen bewirkt ferner eine Sekundärzementitausscheidung in der Gefügestruktur, welche problemlos eine Härte von 850 bis 950 HV 10 erreichen läßt.
  • Ferner hat sich herausgestellt, daß sich aufgrund der Überlappung der aufgeschmolzenen Zonen eine hervorragende Glättung und Formbeständigkeit der gehärteten Bereiche einstellt, welche nur einer geringen, problemlosen Nachbearbeitung durch Honen, etc. bedarf.
  • Weitere zweckmäßige und vorteilhafte Verfahrensschritte sind den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 4 entnehmbar. Mit dem oberen Wert der Stromstärke wird einerseits ein ausreichend tiefes Durchschmelzen bzw. eine ausreichende Härtetiefe sichergestellt, während bei niedrigerem Wert des gepulsten Stromes eine Beruhigung und Abkühlung der örtlichen Schmelze eintritt. Wichtig ist dabei auch, daß beim Wechsel der Stromstärken - auch zu Beginn und am Ende des Umschmelzhärtens - kein Blaseffekt entsteht, welcher feine Krater und Aufwürfe in der Schmelze bewirken würde. Die Verteilung der Segmentation in der Härtespur kann vorteilhaft auch innerhalb der angegebenen Pulsfrequenz des Plasmabrenners und durch die Umschmelzgeschwindigkeit beeinflußt werden.
  • Die Merkmale des Patentanspruches 6 betreffen ein besonders kostengünstiges Verfahren zur Härtung der Zylinder von Hubkolben-Brennkraftmaschinen, welches bei einer Serienfertigung kurze Taktzeiten ermöglicht. Wie sich herausgestellt hat, ist bei den Zylindern von Brennkraftmaschinen der obere Umkehrpunkt des oberen, dem Brennraum am nächsten liegenden Kolbenringes an der Zylinder-Oberfläche die verschleißanfälligste Stelle, so daß es bei vielen Brennkraftmaschinentypen ausreichend sein kann, nur diese eine Stelle mittels einer Härtebahn abzusichern.
  • Gemäß Patentanspruch 6 kann der Umschmelzhärtung ein elektrochemischer Abtrag und anschließend eine mechanische Bearbeitung folgen. Damit werden unter anderem die martensitisch/graphitischen Randbereiche der Härtebahnen offenporig freigelegt, so daß hier eine verstärkte Ölhaltung bzw. eine optimierte Schmierung der Gleitpartner Kolben : Zylinderfläche erreicht ist..
  • 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 erfindungsgemäßen Verfahren gehärteten Zylinder-Oberfläche,
    • Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1 in vergrößerter Darstellung während des Umschmelzens mit einem WIG-Brenner und
    • Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Stromstärke 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 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.
  • Die Härtebahn 6 ist durch örtliches Aufschmelzen der oberflächennahen Schicht des Zylinders und durch anschließendes schnelles Wiedererstarren hergestellt, wobei sich in der unmittelbaren Umschmelzzone 8 ein ledeburitisches Gefüge ausbildet, während die noch wärmebeeinflußten Randzonen 10 martensitischer Struktur sind.
  • Die Umschmelzzone bzw. Härtebahn 6 wird mittels eines WIC-Brenners 12 (vgl. Fig. 2) erzeugt. Dabei wird die Korrespondierende Oberfläche des Zylinders 4 mittels einer an eine Stromquelle angeschlossenen Wolframelektrode 14 durch einen zum Zylinder 4 überspringenden Lichtbogen 16 in inerter Atmosphäre 18 örtlich aufgeschmolzen. Nähere Details eines derartigen WIG-Brenners 12 können beispielsweise der auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung P 33 39 447.4 entnommen werden. Der WIG-Brenner 12 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 mm/sec. in Richtung des Pfeiles 20 der Fig. 2 mit einem gleichmäßigen Abstand zum Zylinder 4 entlang der zu erzeugenden Härtebahn 6 vorwärts bewegt.
  • Die die Energiedichte des Lichtbogens 16 bestimmende Stromstärke A in Ampere über der Zeit t ist in dem Diagramm gemäß Fig. 3 dargestellt. Die Einschaltung des Stromes an dem Punkt E erfolgt bei einem unteren Wert der Stromstärke von 15 A, welcher Strom dann mit einer Frequenz von 1 Hz zwischen 15 A und 80 A nach Art eines Rechteckmusters gepulst wird. Die Ausschaltung des WIG-Brenners 14 erfolgt wiederum am Punkt A beim unteren Wert der Stromstärke von 15 A. Dabei erfolgt eine schuppenartige Überlappung von ca. 60 bis 70 % der durch das Pulsen der Stromstärke erzeugten Einzelsegmente 22 der Härtebahn deren Härte etwa 850 bis 950 HV 10 erreicht.
  • Nach erfolgtem Umschmelzhärten wird der Zylinder 4 in der Nachbearbeitung durch elektrochemisches Honen mit anschließendem mechanischen Reibplatieren unterzogen. Dabei werden geringe Unebenheiten in der Härtebahn 6 beseitigt und die martensitisch/graphitische Struktur der Randbereiche 10 freigelegt. Das elektrochemische Honen und Reibplatieren kann gegebenenfalls entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 31 19 847.3 ausgeführt werden.

Claims (6)

1. Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gußeisen, insbesondere von Zylindern einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, wobei die Oberflächen mittels einer Energiequelle entlang einer oder mehrerer im wesentlichen kreisringförmiger Härtebahnen örtlich aufgeschmolzen werden und anschließend ledeburitisch erstarren, dadurch gekennzeichnet, daß
a) als Energiequelle ein WIG-Brenner (12) verwendet wird,
b) der WIG-Brenner mit periodisch sich ändernder Energiedichte in einer definierten Pulsfrequenz betrieben wird,
c) die Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit des WIG-Brenners derart abgestimmt sind, daß die örtlich aufgeschmolzenen, schuppenförmigen Segmente (22) mit einem Überlappungsgrad von 20 % bis 90 %, insbesondere um 60 %, wiederholt aufgeschmolzen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
d) die Stromstärke des WIG-Brenners zwischen 10 A und 100 A, insbesondere zwischen 15 A und 80 A gepulst wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß
e) die Einschaltung und die Abschaltung des WIG-Brenners beim unteren Wert der gepulsten Stromstärke vorgenommen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
f) die Pulsfrequenz des WIG-Brenners bis zu 3 Hz, insbesondere 1 Hz und
g) die Umschmelzgeschwindigkeit zwischen 0,4 bis 4 mm/sec., insbesondere 1,5 mm/sec. beträgt.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine einzige, kreisringförmige Härtebahn (6) je Zylinder aufgebracht wird, wobei diese Härtebahn im Umkehrpunkt des oberen Kolbenringes eines im Zylinder einzubauenden Hubkolbens liegt.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (4) anschließend einem elektrochemischen Abtrag und gegebenenfalls einer mechanischen Reibplattierung unterzogen wird.
EP85102673A 1984-05-18 1985-03-08 Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen Expired EP0161408B1 (de)

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EP0161408A2 EP0161408A2 (de) 1985-11-21
EP0161408A3 EP0161408A3 (en) 1986-07-23
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