DD276121A1

DD276121A1 - Verfahren zur herstellung beanspruchungsgerecht gehaerter zylinderlaufbuchsen kolbenfuehrender maschinen

Info

Publication number: DD276121A1
Application number: DD32044688A
Authority: DD
Inventors: Joachim Schmidt; Heinrich Paul; Hans-Guenter Kusch; Joachim Schieske
Original assignee: Deutsche Reichsbahn
Priority date: 1988-10-04
Filing date: 1988-10-04
Publication date: 1990-02-14
Also published as: DD276121B5

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung beanspruchungsgerecht gehaerteter Zylinderlaufbuchsen kolbenfuehrender Maschinen. Die wesentlichen Merkmale der Erfindung sind, dass die Laufflaechen der Zylinderlaufbuchsen verschleissbildungsgerecht mit einer der Verschleissbeanspruchung entsprechenden Haertetiefe partiell gehaertet werden. Entsprechend des bekannten Verschleissbildes der Laufflaeche der Zylinderlaufbuchse werden die Haertetiefen vorgewaehlt und entsprechend der lokalen Temperaturbelastung werden im Einzelfall geeignete Gefuege auf ein und derselben Haertespur in einem bestimmten Winkel zur Zylinderachse erzeugt.

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 3510393) und ,Verfahren zur Herstellung verschleißfester Zylinderlauffläche von Brennkraftmaschinen" (Patentschritt DE 3343783) betreffen die Einstellung 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

unterschiedlicheTemperatur- und Verschleißbeanspruchung nicht berücksichtigt, indem die Zylinderlaufbuchsen durchgehend gleichbleibende Härtetiefen und Gefügestrukturen aufweisen. Dabei wird auch nicht bedacht, daß die Verschleißbeanspruchung nicht 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 Gefügcstruktur der

Härtezonen abhängen. Bei kleineren Laserleistungen und/oder kleinen Abmessungen der Zylinderlaufbuchsen kann im Sinne weitestgehender Härtung der zur Verfügung stehenden Fläche der Randabstand zweier benachbarter Härtespuren <4mm

betragon.

Damit wird der verallgemeinerungsfähige Charakter der für die jeweiligen Freispurabstände (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 Zylinderkurbelweliengehäusen und der zur Härtung in Anwendung gebrachten Verfahren auszuschalten.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einhärtung der Funktionsteile 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 Zylinderlaufbuchsen, 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 Festphasonhärtung ausgebildet. Im Fall von anlaßempfindlichem Härtegefüge werden dia 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, Al bestimmt worden. Mit Hilfe dieser Modelle werden auch die Mindestspurabstände bestimmt für die Bedingung, daß die Anlaßtemperatur der benachbarten Spur während der Bestrahlung max. gleich der Betriebstemperatur ist.

Ausführungsbeispiel 1

Die Laufzeit einer ungehärteten Zylinderlaufbuchse aus legiertem Gußeisen mit Lamellengraphit in einem Großdieselmotor wird bestimmt durch den max. Verschleißabtrag in einer etwa 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 0,5mm. In der anschließenden Übergsngszone von etwa 30mm Länge nimmt der Verschleiß stark ab und beträgt auf dem restlichen Teil der Lauffläche nur noch a. Vio des maximalen Abtrages (Normalverschleißzone). Entsprechend der unterschiedlichen Verschleißbeanspruchung wurde für die linsenförmige Härtespur, die mittels Laserstrahles mit kreisförmigem Querschnitt und kastenförmiger Leistungsdichtevertoilung erzeugt w'rd, 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 > 0,2mm 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 Bestrahlungsgoschwindigkeit ν nach /1,2/ berechnet. Danach war in der Zone mit maximalem Verschleiß D = 7 mm und ν =

10mm/s, in der Normalverschleißzone 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 Patentanspruch 1 durch Berechnung nach /1,2,3/ und experimentellen Erfahrungen IAI

bestimmt. Die ermittelte Mindestbreite dor ^creispur in der Zone mit maximalem Verschleiß betrug 1,9mm. Der Spurabstandergab sich aus der Spurbreite nach /1,2/, der Mindestbreite der Freispur und der ganzzahligen Spuranzahl für den

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

0,5mm erreicht.

AusfOhrungsbelsplel 2 Die gewählte Härtezonengeometrie (s. Ausführungsbeispiel 1) wurde auch mit einer Laserleistung Q = 400 W bei gaußförmigem Leistungsdichteprofil 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 = 2,7 mm bei ν «= 10mm/s in der Normalverschloißzone. Die Bestrahlungsparameter der einzelnen Verschleißzonen einschl. der Übergangszone wurden für eine konstante maximale Oberflächentemperatur nahe der Schmelztemperatur bestimmt. Das gaußförmige Leistungsdichteprofil und die geringe

Bestrahlungsgeschwindigkeit ergab eine Freispurmindestbreite gemfiß Anspruch 1 von 2,5 mm. Zusätzlich wurde die Anzahl der Spuren In den einzelnen Verechleißzonen variiert (vgl. Skizze). In diesem speziellen Fall lag die Zone des maximalen Verschleißes im oberen Totpunktbereich. In dieser Zono wurde die volle Spuranzahl erzeugt, in der Übergsngszone V» und in der Normalverschleißzone nur Va der Spur anzahl in der Zone des maximalen Verschleißes. Dadurch wurde eine Bestrahlungszeit von 2 Stunden erreicht im Vergleich zu 3Std. bei voller Spuranzahl gemäß Patentanspruch 1 und 15Std. bei voller Spuranzahl und konstanter Härtetiefe von 0,5mm. Die Bestrahlungszeit bei reduzierter Spuranzahl, aber konstanter Härtetiefe von 0,5mm würde 6,5 Std. betragen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung beanspruchungsgerecht gehärteter Zylinderlauff lachen 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, vorzugsweise Laserstrahles, relativ zur
Zylinderbohrungswand parallel zueinander und schräg in einem Winkel α (vorzugsweise 10° < α < 30°) zur Zylinderachse verlaufende Härtespuren erzeugt werden, daß diese Härtespuren
verschiedene Spurlängen haben, daß der energiereiche Strahl, vorzugsweise Laserstrahl für jede Spurlänge durch entsprechende Kombination von Strahlleistung, Spotgröße und
Strahlvorschubgoschwindigkeit der Beanspruchung entsprechende Härtetiefe und Gefügestruktur in der Spurlänge auf der Zylinderbohrungswand erzeugt, daß die verschiedenen Spurlängen
regelmäßig auf dem gesamten Umfeng der Zylinderbohrungswand verteilt sind und daß der
minimale Abstand der Härtespuren untereinander bestimmt ist durch die Bedingung, daß die
Anlaßtemporatur der benachbarten Härtespur während der Bestrahlung maximal gleich der
Betriebstemperatur ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gefüge der vorzugsweise aus
Gußeisen bestehenden Zylinderlaufflächen im oberflächennahen Bereich im Fall von
Verschleißzonen mit höherer Betriebstemperatur als Ledeburit über Schmelzumwandlung und im Fall von Verschleißzonen mit niedrigerer Betriebstemperatur als Martensit über Festphasenhärtung ausgebildet sind und damit dar. im Oberbegriff geforderte Gefüge geschaffen ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einhärtetiefen auch über den Umfang der Zylinderlaufflächen dem Beanspruchungsfall angepaßt sind und damit auch der Ovalität als Verschleißform der Zylinderlaufflächen effektiv entgegengewirkt ist.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spurabstand nach dem Modenbild eines runden energiereichen, vorzugsweise Laserstrahles oder nach dem Modenbild
eines geformten Strahles eingestellt ist.