DE10321391B3

DE10321391B3 - Verfahren zum Schleuderguss

Info

Publication number: DE10321391B3
Application number: DE10321391A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dipl.-Ing. Elbracht
Original assignee: Juergensen & Co KG M GmbH; M Juergensen & Co KG GmbH
Current assignee: Juergensen & Co KG M GmbH; M Juergensen & Co KG GmbH
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-10-14
Anticipated expiration: 2023-05-13
Also published as: ATE449655T1; WO2004101197A3; EP1622734A2; JP2006528073A; PL1622734T3; DE502004010418D1; EP1622734B1; WO2004101197A2

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Schleuderguss, insbesondere von rotationssymmetrischen Gussstücken, wie Zylinderlaufbuchsen, aus wenigstens zwei unterschiedlichen Eisenlegierungen im Verbundguss, mit den Schritten: DOLLAR A - Einbringen einer ersten Legierung im flüssigen Zustand in eine rotierende Kokille zur Erzeugung wenigstens eines Außenmantels des Gussstücks, DOLLAR A - Abkühlenlassen des bisher erzeugten Gussstücks bis in eine einsetzende Verfestigung der ersten oder der bis dahin eingebrachten Legierung(en), DOLLAR A - Einbringen wenigstens einer weiteren Legierung in flüssigem Zustand auf einen Teilbereich der Innenfläche unter Beibehaltung der Rotation der Kokille, DOLLAR A wobei die wenigstens eine weitere Legierung in einem Grenzbereich mit dem abgekühlten Material aus erster oder zuvor eingebrachter Legierung verschmilzt und beim Erstarren ein Gusseisen mit anderen Materialeigenschaften ausbildet, sowie mit dem Verfahren hergestellte Zylinderlaufbuchsen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schleuderguss, 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 einstöckigen 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 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 33 27 490 A1 ist schon vorgeschlagen worden, beim Schleuderguss 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 34 41 569 A1 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 Schleuderguss 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 insbesondere 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 dickere 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 einer besonders bevorzugten 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:
1 eine schematische Darstellung des Einbringens der ersten Legierung in eine Kokille,
2 das Einbringen der zweiten Legierung in die Kokille, und
3 die fertige Zylinderlaufbuchse, die nach Entfernen der überstehenden Bereiche für den Einsatz in einen Motor vorgesehen ist, und
4 eine Darstellung eines 200-fach vergrößerten Hartphasenabschnittes.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Schleuderguss 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 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 (3; und im Detail: 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.

Claims

Verfahren zum Schleuderguss insbesondere von rotationssymmetrischen Gussstücken wie Zylinderlaufbuchsen aus wenigstens zwei unterschiedlichen Eisenlegierungen im Verbundguss, gekennzeichnet durch – 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), wobei die wenigstens 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.
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.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Herstellung von lokal mit größerer Härte versehenen rotationssymmetrischen Werkstücken, insbesondere 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 der Teildicke des Mantels (16) aus erster oder vorangehender Gusseisenlegierung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3 zur Herstellung von Zylinderlaufbuchsen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich des oberen Umkehrpunktes des obersten Kolbenrings in einer Zylinderlaufbuchse mit der zweiten Gusseisenlegierung (12) unter Wiederaufschmelzen eines Bereiches der dort befindlichen schon kühleren ersten Gusseisenlegierung mit zweiter Gusseisenlegierung solange beaufschlagt wird, dass in einer gewünschten Schichtdicke die erste Gusseisenlegierung (10) verdrängt ist.
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.
Zylinderlaufbuchse hergestellt nach einem Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verlauf des Übergangs (28) zwischen den beiden Legierungen (10, 12) an der Grenze des Bereichs (26) in dem die zweiten Legierung (12) die erste Legierung (10) verdrängt hat, nach dem Ausbohren mit stumpfem Winkel zur Zylinderlaufbuchseninnenseite abschließt.
Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Teilbereichs der Innenfläche ein Gusseisen mit Lamellengraphit und mit höherem Hartphasenanteil gewählt ist.