EP1622734B1 - Verfahren zum schleudergiessen - Google Patents

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EP1622734B1
EP1622734B1 EP04728325A EP04728325A EP1622734B1 EP 1622734 B1 EP1622734 B1 EP 1622734B1 EP 04728325 A EP04728325 A EP 04728325A EP 04728325 A EP04728325 A EP 04728325A EP 1622734 B1 EP1622734 B1 EP 1622734B1
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casting
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alloys
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M Juergensen & Co KG GmbH
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D19/00—Casting in, on, or around objects which form part of the product
    • B22D19/0009—Cylinders, pistons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D13/00—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force
    • B22D13/02—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis
    • B22D13/023—Centrifugal casting; Casting by using centrifugal force of elongated solid or hollow bodies, e.g. pipes, in moulds rotating around their longitudinal axis the longitudinal axis being horizontal

Definitions

  • the invention relates to a method for centrifugal casting, in particular rotationally symmetrical castings such as cylinder liners made of at least two different cast iron alloys, in particular a method for producing cylinder liners with increased wear resistance of the alloy in the wear area to avoid local wear.
  • Cylinder liners are usually used in large engines, where they are - especially in poor lubricity or fuel consistency, as may often occur in marine and stationary engines - are exposed to heavy abrasion. In particular, in the region of the upper reversal point of the first piston ring, the liner inner surface is significantly stressed, so that there are first signs of wear.
  • the invention has for its object to find a cheaper way to locally increase the wear resistance.
  • the second alloy Upon displacement of the first alloy and "flow" on the surface of the first alloy (on the inside of the bushing), the second alloy will mix with the underlying first alloy and may, in the regions where it does not have the desired thickness Whereabouts achieved when machining (drilling) are removed as a mixed alloy. It is possible to introduce not just two, but three or more alloys in succession, if even more complex castings are to be achieved.
  • the wear-resistant alloy penetrates very accurately, d. H. with steep transition angles with respect to the longitudinal extent or the inner surface of the casting in the already previously solidified material of the first alloy composition, so that is avoided that thin layers during running of the engine - the movement of the piston rings over the material boundary - are exposed to high mechanical loads ,
  • the alloy of the inner region is an arbitrary iron-carbon material
  • the outer side consists of cast iron of a different composition
  • cast iron may be any iron-carbon alloy, including a steel.
  • the second alloy is added after the first, outer alloy has begun to solidify, such that a portion of the first alloy is reflowed by the added heat of the (liquid) second alloying addition, and the material there is melted by trailing liquid cast iron due to the high Rotational speed is displaced during centrifugal casting. High centrifugal force and temperature ensure that the second alloy addition material is intimately fused with that of the first alloy composition without inclusions.
  • An example of a second alloy which tends to hard phase and thus to increase the wear resistance is an alloy which is characterized by additions of molybdenum and / or phosphorus and / or boron and / or an increased proportion of vanadium and / or chromium.
  • the cylinder liners produced in this way are brought to a dimension as usual on inside and outside dimension after drilling, annealed and finally processed in a honing process.
  • the increased wear resistance is advantageous because the surface structure generated by honing is retained longer.
  • the inventive method for centrifugal casting in particular of rotationally symmetrical castings such as cylinder liners of at least two different Cast iron alloys in composite casting, is performed with a first introduction of a first cast iron alloy in the liquid state into a rotating mold to produce at least the outer shell of the casting, and then possibly several times allowed to cool the previously produced casting substantially as conventional.
  • a second or even another cast iron alloy is introduced in a liquid state to a defined portion of the inner surface while maintaining the rotation of the mold, wherein the second or further cast iron alloy in a Boundary merges with the cooled material from the first or previously introduced cast iron alloy and forms a cast iron with other material properties during solidification.
  • an inner region of the casting is then subjected to the further cast iron alloy with the further cast iron alloy with remelting of a defined region in partial thickness of the shell of the first or preceding cast iron alloy located there ,
  • the region of the upper reversal point of the uppermost piston ring in the cylinder liner with a second cast iron alloy with re-melting of a portion of there already cooler first cast iron alloy with second cast iron alloy is applied until in the region in a desired layer thickness, the first cast iron alloy is displaced, preferably Areas of the casting in which mixed material (22) of both alloys, of the molten region at the top dead center of the displaced first alloy and the second alloy, deposited in interior regions within the first alloy shell remote from the introduction site of the second alloy, at Bore out the cylinder liner can be removed.
  • the spin casting apparatus shown features a liquid second material injection device which directs the flow of molten second alloy substantially radially outward onto the first alloy shell.
  • a cylinder liner produced in this way ( Fig. 3 ; and in detail: Fig. 4 ) preferably has a transitional transition between the two alloys, at the edge of or the region (s) (e) in which the second alloy has displaced the first alloy which has become blunt after drilling an interior region Angle to the cylinder liner inner side extends, in particular connects to the inside.
  • the exterior material used is cast iron with lamellar graphite (GJL) or nodular graphite (GJS) and as the material of the interior cast iron with lamellar graphite with a high proportion of hard phase.
  • GJL lamellar graphite
  • GJS nodular graphite
  • Table 1 shows exemplary limits of ingredients.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleudergiessen insbesondere von rotationssymmetrischen Gussstücken wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Gusseisenlegierungen, insbesondere ein Verfahren zum Herstellen von Zylinderlaufbuchsen mit im Abnutzungsbereich erhöhtem Verschleißwiderstand der Legierung zur Vermeidung von lokaler Abnutzung.
  • Zylinderlaufbuchsen werden meist in großen Motoren eingesetzt, wobei sie, - insbesondere bei schlechter Schmier- oder Treibstoffkonsistenz, wie es bei Schiffs- und stationären Motoren häufig vorkommen kann -, starkem Abrieb ausgesetzt sind. Insbesondere im Bereich des oberen Umkehrpunkts des ersten Kolbenrings wird die Laufbuchseninnenfläche erheblich beansprucht, so dass sich dort zuerst Abnutzungserscheinungen ergeben.
  • Naheliegenderweise würde man zur Vermeidung von Abnutzungen eine verschleißfestere Gusseisenlegierung für die - üblicherweise im Schleuderguss hergestellten - Zylinderlaufbuchsen wählen. Mit der Verwendung einer verschleißfesteren Legierung ergibt sich jedoch der Nachteil, dass die Duktilität abnimmt und daher die Zylinderlaufbuchsen leichter zur Rissbildung neigen.
  • Fast noch schwerer wiegt, dass eine solche Legierung sich nur extrem schwer bearbeiten läßt. Die Bearbeitung der Legierung mit spanender Technik, bei der bei im Schleuderguss gefertigten Gussstücken bis zu 50 % des Rohlings entfernt werden, ist jedoch ein wesentliches Kostenkriterium bei der Herstellung von Zylinderlaufbuchsen.
  • Es muß immer, da eine leicht konische Laufbuchse aus einer einstückigen zylindrischen Kokille zu entfernen ist, sehr viel Material an der Außen- aber auch an der Innenseite entfernt werden, da sämtliche äußeren Profilierungen, insbesondere Hinterschneidungen nicht anders hergestellt werden können.
  • Weiter ist US 4,536,455 B1 zu nennen, in der bereits ein zweiwandiges Rohr im zylindrischen Guss erstellt, vorgeschlagen wird, wobei nach dem Obergriff des Hauptanspruches zwei verschiedene Legierungen jeweils im flüssigen Zustand nacheinander unter zwischenzeitlichen Abkühlenlassen eingebracht werden.
  • Den Verschleißwiderstand intern zu erhöhen, wird jedoch nicht vorgeschlagen.
  • Weiter wäre es möglich, eine Oberflächenbehandlung durch Härtung eines entsprechenden Bereiches vorzunehmen. Diese ist jedoch kostenträchtig und führt nur zu einer dünnen verschleißfesten Schicht.
  • Im Stand der Technik, so z. B. DE A1 - 33 27 490 ist schon vorgeschlagen worden, beim Schleudergiessen mit zeitlich nacheinander zugegebenen unterschiedlichen Legierungen zu arbeiten. Allerdings ist dem Problem der Vermischung der Legierungen und der Ausbildung einer 5-50 mm dicken Zwischenschicht mit Materialeigenschaften, die nicht die gewünschten sind, nicht weiter nachgegangen worden. Es stellt sich dort zudem das Problem, dass Legierungsbestandteile der Innenschicht in die Außenschicht diffundieren und sich Porositäten in der Innenschicht bilden. Dem wird durch spezielle Legierungszugaben insbesondere von Zinn, Titan, Aluminium und Zirkon in einer zusätzlich vorzusehenden Zwischenschicht begegnet. Dies ist jedoch sehr kostenträchtig und aufwendig und löst das Problem nur unzureichend, da nach wie vor die Materialeigenschaft der zuletzt eingegossenen Legierung über die ganze Länge vorliegt und somit die gesamte Innenbohrung schwer bearbeitbar ist und in einem großen Bereich die Gefahr von unerwünschten Einschlüssen gegeben ist.
  • Die technologischen Probleme, die beim Giessen von Eisen auf bereits abgekühlte Teilgüsse auftreten, sind weiter in der DE A1 - 34 41 569 beschrieben, in der ein höherfester Außenmantel mit einem zähen Innenwerkstoff unter Inertgas-Atmosphäre "vollgegossen" wird.
  • Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, einen kostengünstigeren Weg zu finden, lokal den Verschleißwiderstand zu erhöhen.
  • Erfindungsgemäß wird dies durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen wieder. Es wird vorgeschlagen, im Schleudergiessen eine Legierung mit höherem Verschleißwiderstand in nur einen zuvor definierten Bereich der Zylinderlaufbuchse einzubringen, so dass die übrigen Bereiche, insbesondere die verbleibende Innenseite, einfach zu bearbeiten ist, und die Zylinderlaufbuchse weiter die gewünschten mechanischen Eigenschaften beibehält. Der gewünschte Bereich kann zwischen ca. 5% der Länge der Buchse bis über 40 % variiert werden. Meist wird jedoch schon eine Länge von weniger als 10%, die verschleißbeständiger ist, ausreichen.
  • Insbesondere wird lediglich in dem oberen, stark belasteten Bereich in der Nähe des oberen Umkehrpunktes des obersten Kolbenrings Material in einen in der Kokille schon abkühlenden (Teil-) Guss hinzugefügt, das sich während der Drehung der bevorzugt mit horizontaler Achse gelagerten Kokille, da es nachträglich zugeführt wurde, insbesondere in diesem Zuführ-Bereich, aber - durch die Zentrifugalkraft bedingt - auch über die gesamte Innen-Erstreckung auslaufend, axial verteilt.
  • Nun wird das deutlich heißere, weil noch nicht abgekühlte Eisen der zweiten Legierung an seinem Auftreffring auf die Innenseite des mit dem ersten (Teil-)guss erzeugten Außenmantels mehr Material aufschmelzen, als ein Stück davon entfernt. Diesen Effekt macht man sich zunutze, indem man punktuell, vorzugsweise radial nach außen gerichtet, das Material der zweiten Legierungszusammensetzung einbringt. Soll eine dikkere Innenschicht erzeugt werden, wird man die Temperatur und/oder die Materialmenge des zweiten Gusses erhöhen oder die Abkühlung des Materials des ersten Gusses schon bei höheren Temperaturen beenden können.
  • Bei der Verdrängung der ersten Legierung und dem "Fließen" an der Oberfläche der ersten Legierung (auf die Innenseite der Buchse) wird sich die zweite Legierung mit der darunter liegenden ersten Legierung vermischen und kann in den Bereichen, in denen es nicht die erwünschte Dicke zum Verbleib erreicht, beim Bearbeiten (Ausbohren) als gemischte Legierung entfernt werden. Es ist möglich, nicht nur zwei, sondern drei oder mehr Legierungen nacheinander einzubringen, falls noch komplexere Gussstücke erzielt werden sollen.
  • In der Ausgestaltung des Verfahrens dringt die verschleißfestere Legierung sehr zielgenau, d. h. mit steilen Übergangswinkeln bezüglich der Längserstreckung oder der Innenoberfläche des Gussstücks in das bereits zuvor schon erstarrte Material der ersten Legierungszusammensetzung ein, so dass vermieden wird, dass dünne Schichten während des Laufens des Motors - der Bewegung der Kolbenringe über die Materialgrenze - hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
  • Weiter wird bevorzugt, dass die Legierung des Innenbereichs, also der später zu erstellenden Lauffläche, ein beliebiger Eisen-Kohlenstoff-Werkstoff ist, während die Außenseite aus Gusseisen anderer Zusammensetzung besteht, wobei Gusseisen im Sinne der Ansprüche eine beliebige Eisen-Kohlenstoff Legierung sein kann, u.a. auch ein Stahl. Vorteilhafterweise wird die zweite Legierung zugegeben, nachdem die erste, äußere Legierung begonnen hat, zu erstarren, so dass durch die zugeführte Wärme der (flüssigen) zweiten Legierungszugabe ein Teilbereich der ersten Legierung aufgeschmolzen wird und das dort befindliche Material durch nachdrängendes flüssiges Gusseisen aufgrund der hohen Drehgeschwindigkeit beim Schleuderguss verdrängt wird. Durch hohe Zentrifugalkraft und Temperatur wird sichergestellt, dass das Material der zweiten Legierungszugabe innig ohne Einschlüsse mit demjenigen der ersten Legierungszusammensetzung verschmolzen wird.
  • Ein Beispiel einer zweiten Legierung, die zur Hartphasenbildung und damit zur Erhöhung des Verschleißwiderstands neigt, ist eine Legierung, die sich durch Zusätze an Molybdän und/oder Phosphor und/oder Bor und/oder einen erhöhtem Anteil an Vanadium und/oder Chrom auszeichnet.
  • Die auf diese Weise gefertigten Zylinderlaufbuchsen werden nach einem Ausbohren wie üblich an Innen- und Außenseite auf Dimension gebracht, geglüht und abschließend in einem Honverfahren bearbeitet. Die erhöhte Verschleißfestigkeit ist von Vorteil, da die durch das Honen erzeugte Oberflächenstruktur länger erhalten bleibt.
  • Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung zeigt nachfolgende Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der beigefügten Zeichnungen. Dabei zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung des Einbringens der ersten Legierung in eine Kokille,
    Fig. 2
    das Einbringen der zweiten Legierung in die Kokille, und
    Fig. 3
    die fertige Zylinderlaufbuchse, die nach Entfernen der überstehenden Bereiche für den Einsatz in einen Motor vorgesehen ist, und
    Fig 4
    eine Darstellung eines 200-fach vergrößerten Hartphasenabschnittes.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schleudergiessen insbesondere von rotationssymmetrischen Gussstücken wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Gusseisenlegierungen im Verbundguss, wird mit einem ersten Einbringen einer ersten Gusseisenlegierung im flüssigen Zustand in eine rotierende Kokille zur Erzeugung wenigstens des Außenmantels des Gussstücks, und anschließendes ggf. mehrmals stattfindendes Abkühlenlassen des bisher erzeugten Gussstücks im wesentlichen wie herkömmlich durchgeführt. Allerdings wird nun bei einsetzender Verfestigung der ersten oder der bis dahin eingebrachten Legierung(en), eine zweite oder auch eine weitere Gusseisenlegierung in flüssigem Zustand auf einen definierten Teilbereich der Innenfläche unter Beibehaltung der Rotation der Kokille eingebracht, wobei die zweite oder weitere Gusseisenlegierung in einem Grenzbereich mit dem abgekühlten Material aus erster oder zuvor eingebrachter Gusseisenlegierung verschmilzt und beim Erstarren ein Gusseisen mit anderen Materialeigenschaften ausbildet.
  • Zur Herstellung von lokal mit erhöhtem Verschleißwiderstand versehenen rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere Zylinderlaufbuchsen, aus wenigstens zwei Legierungen, wird also ein Innenbereich des Gussstückes mit der weiteren Gusseisenlegierung unter Wiederaufschmelzen eines definierten Bereichs in Teildicke des dort befindlichen Mantels aus erster oder vorangehender Gusseisenlegierung mit der weiteren Gusseisenlegierung beaufschlagt.
  • Dazu wird der Bereich des oberen Umkehrpunktes des obersten Kolbenrings in der Zylinderlaufbuchse mit einer zweiten Gusseisenlegierung unter Wiederaufschmelzen eines Bereiches der dort befindlichen schon kühleren ersten Gusseisenlegierung mit zweiter Gusseisenlegierung solange beaufschlagt, bis in dem Bereich in einer gewünschten Schichtdicke die erste Gusseisenlegierung verdrängt ist, wobei bevorzugt Bereiche des Gussstücks, in denen sich vermischtes Material (22) aus beiden Legierungen, aus aus dem aufgeschmolzenen Bereich am oberen Umkehrpunkt verdrängter erster Legierung und der zweiten Legierung, in Innenbereichen innerhalb des Mantels aus erster Legierung entfernt vom Einbringort der zweiten Legierung angelagert, bei einem Ausbohren der Zylinderlaufbuchse entfernt werden können.
  • Die in Fig. 1 und 2 dargestellte Vorrichtung zum Schleudergiessen zeichnet sich durch eine Eingiesseinrichtung für das flüssige zweite Material aus, die den Strom geschmolzener zweiter Legierung im wesentlichen radial nach außen auf den Mantel aus erster Legierung lenkt.
  • Eine derart hergestellte Zylinderlaufbuchse (Fig. 3; und im Detail : Fig. 4) besitzt bevorzugt einen Verlauf des Übergangs zwischen den beiden Legierungen, am Rande des oder der Bereich(s)(-e), in dem (in denen) die zweiten Legierung die erste Legierung verdrängt hat, der nach dem Ausbohren eines Innenbereichs mit einem stumpfem Winkel zur Zylinderlaufbuchseninnenseite verläuft, insbesondere an die Innenseite anschließt.
  • Als Material des Außenbereiches wird Gusseisen mit Lamellengrahit (GJL) oder Kugelgraphit (GJS) und als Material des Innenbereichs Gusseisen mit Lamellengrahit mit hohem Anteil an Hartphase gewählt. Tabelle 1 zeigt beispielhafte Grenzen der Bestandteile. Tabelle 1 Analysengrenzen
    C Si Mn P Mg Cu Cr Ni Mo V B Ti Fe
    Außenbereich GJL 2,8-3,3 1,6-2,4 0,5-1,0 0,2-0,6 0-1,0 0,2-0,5 0-0,6 0-0,8 0-0,3 0-0,04 Rest
    GJS 3,0-,8 2,0-3,0 0-0,4 0-0,5 0,02-0,07 0-0,8 Rest
    Innenbereich GJL 3,1-3,4 1,6-2,4 0,5-0,9 0,3-0,8 10,7-1,3 0,5-1,51 0-0,5 0,4-1,5 1 0-0,5 0-0,06 0-0,1 Rest

Claims (7)

  1. Verfahren zum Schleudergiessen von rotationssymmetrischen Gussstücken wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Eisenlegierungen im Verbundguss, wobei eine weitere Legierung (12) in einem Grenzbereich mit dem abgekühlten Material aus erster oder zuvor eingebrachter Legierung (16) verschmilzt und beim Erstarren ein Gusseisen mit anderen Materialeigenschaften ausbildet, mit den Schritten :
    - Einbringen einer ersten Legierung (10) im flüssigen Zustand in eine rotierende Kokille (14) zur Erzeugung wenigstens eines Aussenmantels (16) des Gußstücks (18),
    - Abkühlenlassen des bisher erzeugten Gussstücks bis in eine einsetzende Verfestigung der ersten oder der bis dahin eingebrachten Legierung(en),
    - Einbringen wenigstens einer weiteren Legierung (12) im flüssigem Zustand auf einen Teilbereich der Innenfläche unter Beibehaltung der Rotation der Kokille (14),
    dadurch gekennzeichnet, daß
    das Einbringen wenigstens einer weiteren Legierung (12) im flüssigem Zustand auf einen Teilbereich der Innenfläche erfolgt, bis in einer gewünschten Schichtdicke im Bereich eines Auftreffrings die erste Gusseisenlegierung (10) zielgenau mit steilen Übergangswinkeln verdrängt ist.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Gusseisenlegierungen verschiedener chemischer Zusammensetzung Verwendung finden, wobei die zweite Gusseisenlegierung (12) nach dem Erstarren einen höheren Verschleißwiderstand aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von lokal mit größerer Härte versehenen rotationssymmetrischen Gußstücken, wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei Legierungen (10, 12), dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilbereich des Gussstückes mit der weiteren Gusseisenlegierung (12) beaufschlagt wird, wobei ein Wiederaufschmelzen eines definierten Bereichs in Teildicke des Mantels (16) aus erster oder vorangehender Gusseisenlegierung erfolgt.
  4. Verfahren nach Anspruch 3 zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des oberen Umkehrpunktes eines obersten Kolbenrings in einer Zylinderlaufbuchse mit der zweiten Gusseisenlegierung (12) unter Wiederaufschmelzen eines Bereiches der dort befindlichen schon kühleren ersten Gusseisenlegierung mit zweiter Gusseisenlegierung im flüssigen Zustand bis zur Verdrängung der ersten Gusseisenlegierung (10) in der gewünschten Schichtdicke beaufschlagt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen die Bereiche des Gussstücks, in denen sich vermischtes Material (22) aus beiden Legierungen,
    - aus aus dem aufgeschmolzenen Bereich verdrängter erster Legierung (10) und
    - eingebrachter zweiter Legierung (12),
    in Innenbereichen innerhalb des Mantels (16) aus erster Legierung (10), entfernt vom Einbringort der zweiten Legierung (12) und dem Aufschmelzort anlagert,
    bei einem Ausbohren der Zylinderlaufbuchse (18) entfernt werden.
  6. Zylinderlaufbuchse hergestellt nach einem Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 5, wobei das rotationssymmetrische Gussstück der Zylinderlaufbuchse aus wenigstens zwei unterschiedlichen Eisenlegierungen im Verbundguß besteht,
    wobei eine weitere Legierung (12) in einem Grenzbereich mit dem abgekühlten Material aus erster oder zuvor eingebrachter Legierung (16) verschmolzen ist und beim Erstarren ein Gusseisen mit anderen biaterialeigenschaften ausgebildet hat,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Übergang (28) zwischen zwei Legierungen (16, 12) an der Grenze des Bereichs (26) in dem die zweite Legierung (12) die erste Legierung (16) verdrängt hat, nach dem Ausbohren mit stumpfem Winkel zur Zylinderlaufbuchseninnenseite verläuft.
  7. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Material eines Teilbereichs der Innenfläche ein Gusseisen mit Lamellengraphit und mit höherem Hartphasenanteil gewählt ist.
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