WO1983003261A1

WO1983003261A1 - Friction surface portion within a combustion chamber of a piston combustion engine and production method thereof

Info

Publication number: WO1983003261A1
Application number: PCT/CH1983/000016
Authority: WO
Inventors: Sulzer Aktiengesellschaft Gebrüder
Original assignee: BARBEZAT, Gérard
Priority date: 1982-03-11
Filing date: 1983-02-16
Publication date: 1983-09-29
Also published as: IT1160512B; IT8319944A0; CH659300A5; EP0102963A1; PL240966A1

Description

Eine Lauffläche aufweisender Teil im Brennraum einer Kolben- brennkraftmaschine sowie Verfahren zur Herstellung des Teiles

Die Erfindung betrifft einen eine Lauffläche aufweisenden Teil im Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaschine, welcher Teil aus Gusseisen mit Lamellen-, Vermikular- und/oder Kugel-Graphit besteht und einen Mindestdurchmesser von 200 mm sowie eine Mindestwanddicke von 5 mm hat, sowie ein Ver¬ fahren zu seinerHerstellung.

Der eine Lauffläche aufweisende Teil ist insbesondere ein Kolbenring oder eine Zylinderlaufbüchse.

Kolbenringe und Zylinderlaufbüchsen aus den genannten Gusseisen haben gegenüber denjenigen aus Hartguss die Vor¬ teile einer höheren Zugfestigkeit und einer grösseren Zähigkeit sowie besserer Bearbeitbarkeit und besserer Wärmeleitfähigkeit. Die Verschleiεsbeanspruchungen dieser Teile werden jedoch immer grösser, da z.B. die Qualität des Brennstoffes, insbesondere bezüglich des Schwefelgehalts und bezüglich abrasiyer Rückstände nach der Verbrennung, im Laufe der Zeit immer weiter verschlechtert worden ist. Dabei wächst nicht nur die Abrasionsbeanspruchung, sondern auch, durch die Bildung von Schwefelsäure in der Ver- brennungskammer z.B. bei zu tiefen Betriebstemperaturen, der Korrosionsangriff.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, den Abrasionswiderstand sowie die Korrosionsbeständigkeit

OMFI

^•^?NATIO^ gegenüber Schwefelsäure von Teilen der eingangs genannten Art, insbesondere von Kolbenringen und Zylinderlaufbüchsen für Dieselmotoren, zu erhöhen, ohne die vorteilhaften Eigenschaften des Grundmaterials ins Gewicht fallend zu beeinträchtigen. Erfindungsge äss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Lauffläche aus einem karbidischen Gefüge mit einer Tiefe von mindestens 0,5 mm und höchstens 8 mm besteht, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Lauffläche in einer Zylinderlaufbüchse ist dadurch gekenn- zeichnet, dass die Zylinderlaufbüchse mit einer Aufheiz- geschwindigkeit von maximal 100 C/h auf eine Temperatur zwischen 450 und 600 C vorgewärmt wird, dass die vorge¬ wärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fort- schreitend in der vorgesehenen Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes rasches Abkühlen unter den Ar..-Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidischem Gefüge wieder erstarrt wird, und dass schliess- lich die Z linderlaufbüchse mit einer maximalen Abkühlge- schwindigkeit von 50° C/h auf Umgebungstemperatur .abgekühlt wird. Völlig überraschend hat sich nämlich gezeigt, dass die

an sich bekannten Umschmelzverfahren erfolgreich auch bei Oberflächen dicker und grosser Gussstücke anwendbar sind.

Durch die rasche Erwärmung der betroffenen Bereiche des Teils mindestens bis zur Liquidus-Temperatur der verwende¬ ten Legierung, d.h. bis mindestens etwa 1200 C, und die nachfolgende rasche Erstarrung und Abkühlung bis unter den Punkt Ar, des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms, also bis unter 730 C, entsteht auf der Lauffläche ein feines karbidisches, insbesondere ein ledeburitisches Gefüge; denn durch diese. Behandlung wird der Kohlenstoff im geschmolzenen Tiefen-

O PI bereich in Lösung gebracht. Infolge der hohen Erstarrungs¬ geschwindigkeit und Abkühlungsgeschwindigkeit liegt der Kohlenstoff dann in Form von Eisenkarbid vor (Fe₃C) .

Aus fabrikationstechniεchen Gründen ist die Erfindung dabei bei Teilen, die als Zylinderlaufbüchεen dienen, auf solche mit einem Durchmesser von 200 mm und grösser beschränkt. Um die richtige Umschmelztiefe - die beispielsweise durch Vorversuche ermittelt wird, bei denen an Probestücken die bei bestimmten Bedingungen erzielte Tiefe einer Gefüge¬ änderung festgestellt wird - zu erreichen, muss die radiale Wandstärke mindestens 5 mm betragen, da anderenfalls eine genügend rasche Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeit des aufgeschmolzenen Tiefenbereichs nicht gewährleistet ist. Da die Oberfläche des oder der Teile nach der er- findungsgemässen Behandlung noch mechanisch bearbeitet werden muss, muss die Mindesttiefe des aufgeschmolzenen und karbidisch erstarrten Oberflächenbereichs beispielsweise bei Zylinderlaufbüchsen und bei Kolbenringen mindestens 0,5 mm betragen. Die obere Grenze von 8 mm ist vor allem durch die Rissanfälligkeit bzw. durch die herrschenden Abkühlungsbedingungen bestimmt; auch aus wirtschaftlichen Gründen erweist sie sich als sinnvoll.

Als vorteilhaftes Grundmaterial für einen Teil haben sich Gusseisen mit Lamellen-, Kugel- und/oder Vermikular-Graphit erwiesen, deren Zusammensetzung (in Gew.-%) folgende Be¬ reiche umfassen:

C 2,8 - 3,6 P 0,01 - 0,5

S max. 0,1 Si 0,5 - 3 Mn 0,2 - 1

wobei der Sättigungsgrad des Gusseisens 0,7 bis 1,1 beträgt, wobei bei Zylinderlaufbüchsen die niedrigeren Sättigungs¬ grade von 0,7 - 0,95 und für Kolbenringe die höheren Werte von 0,8 - 1,1 eingehalten werden. Der Sättigungsgrad errechnet sich dabei in bekannter Weise nach der Beziehung

S = gesamt

4,3 - (Si/3 + P/3)

Weiterhin hat sich als günstig herausgestellt, wenn dem vorstehend genannten Gusseisen fakultativ zusätzlich mindestens eines der nachstehenden Elemente zulegiert wird (in Gew.-%) :

Ni 0,1 - 3

Cu 0,1 - 2 Mo 0,1 - 1

Sn 0,01 - 0,2 Cr 0,01 - 0,4

Besonders bewährt für erfindungsgemässe Teile, die Zylinder¬ laufbuchen sind, hat sich ein Gusseisen der Zusammensetzung (in Gew.-%) :

C 3,1

P 0,03

S 0,02

Si 1,2 Mn 0,4

Ni 0,8

Mo 0,4

Cu 1,5;

der Sättigunsgrad dieses Gusseisens beträgt 0,79. Demgegen- über wird für Kolbenringe ein Gusseisen der gewichtsmässigen Zusammensetzung bevorzugt:

C 3,4

P 0,04

S 0,005 Si 2,3

Mn 0,15

Ni 0,50

Cu 1,03

Mg 0,05 Das Vorwärmen - beispielsweise in einem Ofen, induktiv oder mit Hilfe einer Anzahl von Vorwärmbrennern - vor dem Aufschmelzen und das Abkühlen - vorteilhafterweise in einem Ofen - nach dem karbidischen Erstarren der aufge- schmolzenen Schicht sind in der vorgeschriebenen Weise notwendig, um Risse besonders im Uebergangsbereich zwischen Grundmaterial und karbidischer Lauffläche zu vermeiden.

Als Energiequelle für das Aufschmelzen eigenen sich be¬ sonders elektrische Lichtbogen, wobei Schweissbrenner - vor allem solche mit einer Wolframelektrode - mit Energie-

2 dichten von 2 - 6 KW/cm wegen der relativ einfachen Hand¬ habung und aus wirtschaftlichen Gründen besonders geeignet sind. Da man das Aufschmelzen vorteilhafterweise unter Schutzgasatmosphäre durchführt, verwendet man als Energie- quelle vorzugsweise z.B. TIG-Schweissbrenner. Es ist jedoch auch möglich, das Aufschmelzen mit Laser- oder Elektronen¬ strahlen durchzuführen.

Die rasche Erstarrungsabkühlung auf Temperaturen unter

730 C erfolgt an ruhender Luft, wobei - wie bereits erwähnt die geforderte radiale Mindestwandstärke des Teiles eine genügend rasche Wärmeabfuhr gewährleistet. Das schrittweise fortschreitende örtliche Aufschmelzen erreicht man am einfachsten durch eine rotierende und/oder longitudinale Relativbewegung zwischen dem Brenner und dem vorgewärmten Teil. Dabei hat es sich als zweckmässig erwiesen, Zylinder¬ laufbüchsen in axialer Richtung zeilenweise fortschreitend um einen feststehenden Brenner in ihrem Innern rotieren zu lassen, während Kolbenringe zweckmässigerweise an einem aussen liegenden Brenner vorbeilaufen.

Um eine fehlerfreie Lauffläche mit karbidisch erstarrtem

OMPI ^IPO Gefüge zu erreichen, ist es weiterhin zweckmässig, die Teile vor der erfindungsgemässen Behandlung mechanisch von der Gusshaut zu befreien. Nach der Behandlung wird die Lauffläche mechanisch in üblicher Weise fertig bearbeitet, wobei dann karbidiεche Laufflächen zwischen beispielsweise 0,2 bis 5 mm vorhanden sind.

Verschleiss- und Korroεionsverεuche haben ergeben, dass die Verschleissfestigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der neuen Teile deutlich höher sind als bei bisherigen Teilen dieser Art aus Gusseisen mit Lamellen-, Vermikular- und/oder Kugelgraphit. Beispielsweise ist die Korrosions¬ beständigkeit gegenüber 80 % H-SO. (bei 170 C) um einen Faktor 5 bis 10 verbessert. Um bei Teilen, die als Kolben¬ ring dienen, Ausbrüche der Kanten bei der Bearbeitung und im Betrieb zu verhindern, ist es vorteilhaft, wenn das Erhitzen über die Liquidus-Temperatur auf den zentralen Bereich der Kolbenring-Lauffläche begrenzt wird. Auf diese Weise werden die Kanten des Kolbenrings nicht aufgeschmolze sondern weisen infolge des Wärmeeinflusses der naheliegende umgeschmolzenen Zone ein Vergütungsgefüge auf. Das bedeutet, dass die verschleissfeste Schicht beidseitig von einer Zone von beispielsweise mindestens 1 mm mit Vergütungsgefüge gegen Ausbrüche, die durch Schläge verursacht werden können, geschützt ist.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei- spielen näher erläutert, wobei

Fig. 1 in einem Diagramm die Mikrohärte in

Abhängigkeit vom Abstand a vom Rand, d.h. von der Oberfläche, der Lauffläche für eine Zylinderlaufbüchse gemäss Beispiel I wiedergibt, während

-^*£ Γ EA^"

Oϊ FI Fig. 2 das gleiche Diagramm für einen Kolben¬ ring gemäss Beispiel II darstellt.

Beispiel I:

Ein Zylinder von 400 mm Innendurchmesser und 80 mm Wand- dicke aus Gusseisen mit Lamellengraphit folgender chemische chemischer Zusammensetzung (in Gew.-%) C 3,1; P 0,03; S 0,02; Si 1,2; Mn 0,4; Ni 0,8; Mo 0,4; Cu 1,5 und Rest Fe, das einen Sättigungsgrad von 0,79 hat, wird langsam rotierend zunächst durch zwei Gasbrenner mit einer Auf- heizgeschwindigkeit von höchstens 100 C/h überall gleich- massig auf eine Vorwärmtemperatur von 500 C vorgewärmt. In ihrem Innern ist ein TIG(Tungsten-Inert-Gas)-Schweiss- brenner mit einer Wolframelektrode von 3,2 mm Durchmesser fest montiert. An dieser Elektrode wird die Zylinderlauf- fläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 15 cm/min vorbeigeführt, wobei von der Elektrode zum Werkstück auf¬ grund einer Spannung U = 20,5 V ein Lichtbogen gezogen ist, in dem eine Stromstärke von I ^*= 200 A herrscht. Durch einen HeliuπBtrcm von 7 1/min, der aus dem Brenner austritt, wird der Aufschmelzbereich des Brennerliehtbogens in einer Schutzgasatmoεphäre gehalten.

Unmittelbar hinter dem Brenner kühlt der aufgeschmolzene Bereich sofort wieder unter den Punkt Ar. des Eisen-Kohlen¬ stoff-Diagramms ab.

Nach Abschluss der Umschmelzbehandlung wird die Laufbüchse - in einen auf 500° C vorgeheizten Ofen gebracht und langsam mit einer maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit von 50 C/h abgekühlt.

Im vorliegenden Beispiel erreicht man auf diese Weise eine Umschmelztiefe von etwa 6 mm.

OMPI - y -

In Fig. 1 sind für verschiedene Abstände a (in mm) von der Laufflächen-Oberfläche die Mikrohärte nach einem üblichen Verfahren gemessen und gegen diesen Abstand a aufgetragen worden. Die gemessenen Härten sind dabei in Mikro-Vickers (MV) angegeben, wobei die Messbelastung 200 g beträgt.

Fig. 1 zeigt den schraffierten Streubereich der gemessenen Härtewerte. Im Abstand a von 0 - 6 mm von der Lauffläche (Bereich 1) ergeben sich die hohen Härtewerte des karbi- dischen Gefüges; daran schliesst im Bereich 2, der in etwa 6 - 12 mm Tiefe oder Abstand a von der Oberfläche verläuft, eine wärmebeeinflusste Zone mit einem Vergütungsgefüge und abnehmender Mikrohärte an. Diese Zone geht auf den nächsten 2 - 3 mm des Abstandes a schliesεlich in das perlitische Grundgefüge des Werkstoffeε über, dessen

Mikrohärte noch etwa die Hälfte derjenigen des karbidischen Gefüges beträgt.

Beispiel II:

Statt der Zylinderlaufbüchse ist der mit einer gehärteten Lauffläche zu versehene Teil ein Kolbenring von 400 mm Aussendurchmesser und 20 mm Wanddicke aus Gusseisen mit Kugelgraphit folgender chemischer Zusammensetzung (in Gew.-%) C 3,4; P 0,04; S 0,005; Si 2,3; Mn 0,15; Ni 0,5; Mg 0,05; Cu 1,03 und Rest Fe, der einen Sättigungsgrad von 0,96 hat; er wird langsam rotierend ebenfalls zunächst durch zwei Gasbrenner mit einer Aufheizgeschwindigkeit von höchstens 100 C/h überall gleichmässig auf eine Vorwärm¬ temperatur von etwa 500 C vorgewärmt. Ein TIG (Tungsten- Inert-Gas)-Schweiεsb,renner mit einer Wolframelektrode von gleichfalls 3,2 mm Durchmesser ist fest ausserhalb des Kolbenrings an seiner Peripherie montiert. Während die Vorschubgeschwindigkeit, mit der der Kolben- - ring an dem Brenner vorbeigeführt wird, gleich derjenigen des Beispiels I ist, wird aufgrund einer Spannung U = 20 V ein Lichtbogen mit einer Stromstärke von I = 150 A zwischen Elektrode und Kolbenring erzeugt. Die Schutzgasatmosphäre sowie die Abkühlungsbedingungen sowohl bei der Abkühlung des aufgeschmolzenen Bereichs unter den Punkt Ar des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms als auch des ganzen Kolbenrings nach Abschluss der Umschmelzbehandlung entsprechend den- jenigen des Beiεpiels I.

Im vorliegenden Beispiel erreicht man auf diese Weise eine Umschmelztiefe von etwa 4 mm.

Wie Fig. 2 zeigt, sind in 0-4 mm Tiefe von der Lauffläche (Bereich 1) wiederum die hohen Härtewerte des karbidischen Gefüges gegeben; Bereich 2, von etwa 4 - 8 mm Tiefe, ist die wärmebeeinfluεεte Zone mit einem Vergütungsgefüge und abnehmender Mikrohärte, während diese Zone auf den nächsten 2 - 3 mm schliesslic in das perlitische Grundgefüge des . Werkstoffes übergeht, dessen Mikrohärte wiederum noch etwa die Hälfte derjenigen des karbidischen Gefüges beträgt.

OMFI

Claims

Patentanεprüche

1. Eine Lauffläche aufweiεender Teil im Brennraum einer Kolbenbrennkraftmaεchine, welcher Teil auε Gusεeiεen mit Lamellen-, Kugel- und/oder Vermikular-Graphit besteht und einen Mindestdurchmesser von 200 mm und eine Mindestwand- stärke von 5 mm hat, dadurch gekennzeichnet, dass die Lauf¬ fläche aus einem karbidischen Grundgefüge (Matrix) mit einer Tiefe von mindestens 0,5 und höchstens 8 mm besteht.

2. Teil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe des karbidischen Gefüges höchstens 20 % der radialen Wandstärke des Teils beträgt.

3. Teil nach Anspruch 1 mit einem perlitischen Gefüge, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung (in Gew.-%)

C 2 , 8 - 3 , 6

P 0, 01 - 0 , 5

S max . o,ι

Si 0, 5 - 3

Mn 0,2 - 1 wobei der Sättigungsgrad des Gusseisens 0,7 bis 1,1 beträgt.

4. Teil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Guεseisen zusätzlich mindestens eines der nachstehenden Elemente enthält (in Gew.-%) .

Ni 0,1 - 3 Cu 0,1 - 2 Mo 0,1 - 1 Sn 0,01 - 0,2

Cr 0,01 - 0,4 5. Teil nach Anspruch 3 und 4, der eine Zylinderlaufbüchse ist, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammenεetzung

(in Gew.-%) :

C 3,1 P 0,03

S 0,02

Si 1,2

Mn 0,4

Ni 0,8 ^" Mo 0,4^"

Cu 1,

5 wobei der Sättigungsgrad 0,79 beträgt.

6. Teil nach Anspruch 3 und 4, der ein Kolbenring ist, gekennzeichnet durch nachstehende Zusammensetzung (in Gew.-%) :

C 3,4

P 0,04

S 0,005

Si 2,3 Mn 0,15

Ni 0,50

Cu 1,03

Mg 0,05 wobei der Sättigungsgrad 0,96 beträgt.

7. Verfahren zur Herstellung eines Teils nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dasε der Teil mit einer Aufheiz¬ geschwindigkeit von maximal 100 C/h auf eine Temperatur zwischen 450 und 600 C vorgewärmt wird, dass die vorge¬ wärmte Lauffläche durch rasches Erhitzen bis über die Liquidus-Temperatur des Werkstoffes schrittweise fort- schreitend in der vorgesehenen Tiefe örtlich aufgeschmolzen und durch unmittelbar anschliessendes rasches Abkühlen unter den Ar -Punkt des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms mit karbidi¬ schem Gefüge wieder erstarrt wird, und daεs schliesslich der Teil mit einer maximalen Abkühlungsgeschwindigkeit von 50 C/h auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche unter einer Schutzgaε- atmoεphäre erfolgt.

9. Verfahren nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, daεs die Abkühlung des Werkstücks in einem Ofen vorgenommen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufschmelzen der Lauffläche mit einem Metall-Inertgas- Schweissbrenner durchgeführt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 7 für die Herstellung eines als Kolbenring dienenden Teils, dadurch gekennzeichnet, daεs das Erhitzen über die Liquidus-Temperatur auf den zentralen Bereich der Lauffläche begrenzt wird.