DD276121B5 - Verfahren zur Herstellung beanspruchungsgerecht gehaerteter Zylinderlaufflaechen kolbenfuehrender Maschinen - Google Patents

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft partiell gehärtete Zylinderlaufbuchsen und ein Verfahren zum Oberflächenhärten. Sie bezieht sich auf die verschleißgerechte Härtung von Zylinderlaufbuchsen und Zylinderkurbelgehäusen aus Eisenwerkstoffen von Brenn- und anderen Kraftmaschinen mittels energiereicher Strahlung.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik Die die Erfindung tangierenden Patente „Zylinder-Kurbelgehäuse für eine Brennkraftmaschine" (Patentschrift DE 3 510393) und

„Verfahren zur Herstellung verschleißfester Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen" (Patentschrift DE 3343783) betreffendie Einsteilung konstanter Prozeßparameter jeweils für punkt- oder linienförmige Härtezonen und für Festphasen- bzw.

Schmelzphasenhärtung. Bei den Zylinderlaufbuchsen, die nach bekannten Verfahren gehärtet werden, wird die über der Lauffläche lokal sehr

unterschiedliche Temperatur- und Verschleißbeanspruchung nicht berücksichtigt, indem die Zylinderlaufbuchsen durchgehendgleichbleibende Härtetiefen und Gefügestrukturen aufweisen. Dabei wird auch nicht bedacht, daß dia Verschleißbeanspruchungnicht in jedem Fall im oberen Totpunkt des obersten Kolbenringes am größten ist.

Des weiteren wird in der vorliegenden Patentliteratur mit der Festlegung des Randabstandes zweier benachbarter Härtespuren

auf 24mm auch nicht berücksichtigt, daß die auftretenden Spannungen von Größe, Geometrie und Gefügestruktur der

Härtezonen abhängen. Bei kleineren Laserleistungen uncl/odsr kleinen Abmessungen der Zylinderlaufbuchsen kann im Sinne

weitestgehender Härtung der zur Verfügung stehenden Fläche der Randabstand zweier benachbarter Härtespuren <4 mm

betragen.

Damit wird der verallgemeinerungsfähige Charakter der für die jeweiligen Freispurabständo (Randabstände) gültigen Einflußgrößen

- Strahlleistung

- Bestrahlungsgeschwindigkeit

- Härtetiefe und Gefügestruktur

- Energiedichte und Leistungsdichteverteilung

- Laufbuchsenabmessungen nicht erkannt.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht im wesentlichen darin, Zylinderlaufbuchsen mit hoher Verschleiß- und Temperaturbeständigkeit verschlelßbildungsgerecht und den lokalen Temperaturzonen entsprechend erzeugte Gefüge und einem dafür entwickelten Verfahren zu schaffen. Der nützliche Effekt besteht darin, die nachteiligen Wirkungen der geschilderten bisher bekannten gehärteten Zylinderlaufbuchsen und Zylinderkurbelwellengehäuse und der zur Härtung in Anwendung gebrachten Verfahren auszuschalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhärtung der Funktionsfläche so vorzunehmen, daß nur das dem Verschleißbild entsprechende Volumen gehärtet und ein dem lokalen Temperaturbild der Funktionsfläche unter Einsatzbedingungen angepaßtes Gefüge im oberflächennahen Bereich geschaffen wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß nach bekanntem Verschleißbild ungehärteter Zylinderlauf buchsen, die Härtetiefen vorgewählt und entsprechend der lokalen Temperaturbelastung im Einzelfall geeignete Gefüge auf ein und derselben Härtespur in einem bestimmten Winkel zur Zylinderachse erzeugt werden. Die Gefüge der vorzugsweise aus Gußeisen bestehenden Zylinderlaufbuchsen und Zylinderkurbelgehäuse werden im Fall von Verschleißzonen mit höherer Betriebstemperatur als Ledeburit über Schmelzumwandlung und im Fall von Verschleißzonen mit niedrigerer Betriebstemperatur als Martursit über Festphasenhärtung ausgebildet, 'm Fall von anlaßempfindlichem Härtegefüge werden die Prozeßparameter zur Erzeugung von Ledeburit auch bereits bei relativ niedrigen Betriebstemperaturzonen eingestellt. Die erforderlichen Prozeßparameter wie Strahlleistung, Strahlvorschubgeschwindigkeit, Spotgröße und Leistungsverteilung für die vorgewählten Härtetiefen, Härtezonen und Gefüge sind nach bekannten theoretisch ermittelten und in der Praxis erprobten Modellen (1,2,3,4) bestimmt worden. Mit Hilfe dieser Modelle werden auch die Mindostspurabstände bestimmt für die Bedingung, daß die Anlaßtemperatur der benachbarten Spur während der Bestrahlung max. gleich der Betriebstemperatur Ist.

AusfOhrungsbeisplele Beispiel 1 Die Laufzeit einer ungehärteten Zylinderlaufbuchse aus legiertem Gußeisen mit Lamellengraphit in einem Großdieselmotor

wird bestimmt durch den max. Verschleißabtrag in einer ca. 25mm langen Zone der Buchse, in der Regel die Zone der oberen

Totpunktlage des obersten Kolbenringes. Die zulässige Vergrößerung des Innendurchmessers von beispielsweise

di = 260,0mm beträgt 0,5 mm. In der anschließenden Übergangszone von ca, 30mm Länge nimmt der Verschleiß stark ab undbeträgt auf dem restlichen Teil der Lauffläche nur noch ca. Vio des maximalen Abtrages (Normalverschleißzone). Entsprechendder unterschiedlichen Verschlelßbeanspruchung wurde für die linsenförmige Härtespur, die mittels Laserstrahles mitkreisförmigem Querschnitt und kastenförmiger Leistungsdichteverteilung erzeugt wird die Härtetiefe ZA in den verschiedenen

Verschleißzonen wie folgt gewählt: Zone mit max. Verschleiß ZA »0,5 mm Normalverschleißzone ZA «0,2 mm Übergangszone 0,5 > ZA > 0,2 mm In der Übergangszone wird ZA kontinuierlich oder stufenförmig von ZA «<· 0,5 mm auf ZA « 0,2 mm verringert. Die Bestrahlung

erfolgt mit einer Laserleistung Q = 900W.

Auf die Zylinderlauffläche wurde eine Absorptionsschicht mit einem Absorptionskoeffizienten A » 0,8 aufgetragen. Für reine Festphasenhärtung wurden die entsprechend erforderlichen Parameterkombinationen, Spotdurchmesser D und Bestrahlungsgeschwindigkeit ν nach (1,2,3} berechnet. Danach war in der Zone mit maximalem Verschleiß D = 7 mm und

ν = 10mm/s, In der Normalverschloißzone D = 5mm und ν = 35mm/s.

In der Übergangszone wurden D und ν stetig verändert. Die gesamte, über die 3 Verschleißzonen verlaufende Härtespur wurde

in einem kontinuierlichen Bewegungsablauf erzeugt.

Der Spurabstand wurde gemäß P itontanspruch 1 durch Berechnung nach (1,2,3) und experimentellen Erfr'irungen (4)

bestimmt. Die ermittelte Mindestbreite der Freispur in der Zone mit maximalem Verschleiß betrug 1,9mm. Der Spurabstandergab sich aus der Spurbreite nach (1,2), der Mindestbreite der Freispur und der ganzzähligen Spuranzahl für den

Innendurchmesser di = 260mm der Laufbuchse. Für die Gesamtlänge von 350mm der 3 Verschleißzonen betrug die Bestrahlungszeit nur ca. 25min. Es wurden ca. 45mln Bestrahlungszeit gegenüber einer Härtung mit konstanter Härtetiefe

0,5 mm erreicht.

Beispiel 2 Die gewählte Härtezonengeometrie (s. Ausführungsbeispiel 1) wurde auch mit einer Laserleistung Q = 400W bei gaußförmigem Lelstunosdichteprofil realisiert. Auf Grund der geringen Laserleistung waren Spotdurchmesser D 3,7 mm bei einer Bestrahlungsgeschwindigkeit ν = 1 mm/s in der Zone mit maximalem Verschleiß und D = 2,7mm bei ν = 10mm/sinder Normalverschloißzone. Die Bestrahlungsparameter der einzelnen Verschleißzonen einschließlich der Übergangszone wurden für eine konstante

maximale Oberflächentemperatur nahe der Schmelztemperatur bestimmt. Das gaußförmlge Leistungsdichteprofil und die

geringe Bestrahlungsgeschwindigkeit ergab eine Freispurmindestbreite gemäß Anspruch 1 von 2,5 mm. Zusätzlich wurde die Anzahl der Spuren in den einzelnen Verschleißzonen variiert (vgl. Skizze). In diesem speziellen Fall lay die Zone des maximalen Verschleißes im oberen Totpunktbereich. In dieser Zone wurde die volle Spuranzahl erzeugt, in dei Übergangszone Vs und in der Normalverschleißzone nur Vs der Spuranzahl in der Zone des maximalen Verschleißes. Dadurch wurde eine Bestrahlungszeit von 2 Stunden erreicht im Vergleich zu 3 Stunden bei voller Spuranzahl gemäß Patentanspruch 1 und 15 Stunden bei voller Spuranzahl und konstanter Härtetiefe von 0,5mm. Die Bestrahlungszeit bei reduzierter Spuranzahl aber konstanter Härtetiefe von 0,5mm würde 6,5 Stunden betragen.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung beanspruchungsgerecht gehärteter Zylinderlaufflächen kolbenführender Maschinen nach jeweils vorliegendem Verschleißbild ungehärteter Zylinderlaufflächen so, daß nur das dem Verschleißbild entsprechende Volumen gehärtet und ein der lokalen Temperaturbelastung der Zylinderlauffläche unter Einsatzbedingungen angepaßtes verschleißfestes Gefüge im
oberflächennahen Bereich geschaffen wird, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende
Führung eines energiereichen Strahles Härtespuren mit unterschiedlichen Härtetiefen und
Gefügestrukturen entlang einer Spur beanspruchungsgerecht erzeugt werden, daß diese
Härtespuren beanspruchungsgerecht verschiedene Spurlängen haben, die regelmäßig auf dem
gesamten Umfang der Zylinderbohrungswand verteilt sind, und daß der minimale Abstand der
Härtespuren untereinander bestimmt ist durch die Bedingung, daß die Anlaßtemperatur der
benachbarten Härtespur während der Bestrahlung maximal gleich der Betriebstemperatur ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Führung eines
energiereichen Strahles, vorzugsweise Laserstrahles, relativ zur Zylinderbohrungswand parallel
zueinander und schräg in einem Winkel α (vorzugsweise 10°<a<30°) zur Zylinderachse
verlaufende Härtespuren erzeugt werden, daß diese Härtespuren verschiedene Spurlängen haben, daß der energiereiche Strahl für jede Spurlänge durch entsprechende Kombination von
Strahlleistung, Spotgröße und Strahlvorschubgeschwindigkeit der Beanspruchung entsprechende Härtetiefe und Gefügestruktur in der Spurlänge auf der Zylinderbohrungswand erzeugt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefüge der
vorzugsweise aus Gußeisen bestehenden Zylinderlaufflächen im oberflächennahon Bereich im Fall von Verschleißzonen mit höherer Betriebstemperatur als Ledeburit über Schmelzumwandlung und im Fall von Verschleißzonen mit niederigerer Betriebstemperatur als Martensit über
Festphasenhärtung ausgebildet werden und damit das im Oberbegriff geforderte Gefüge
geschaffen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhärtetiefen auch über den Umfang der Zylinderlaufflächen dem Beanspruchungsfali angepaßt werden und damit auch
der Ovalität als Verschleißform der Zylinderlaufflächen effektiv entgegengewirkt wird.

δ. Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spurabstand nach dem Modenbild eines runden energiereichen, vorzugsweise Laserstrahles oder nach dem Modenbild
eines geformten Strahles eingestellt wird.