EP1622734A2 - Verfahren zum schleudergiessen - Google Patents

Verfahren zum schleudergiessen

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EP1622734A2
EP1622734A2 EP04728325A EP04728325A EP1622734A2 EP 1622734 A2 EP1622734 A2 EP 1622734A2 EP 04728325 A EP04728325 A EP 04728325A EP 04728325 A EP04728325 A EP 04728325A EP 1622734 A2 EP1622734 A2 EP 1622734A2
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EP
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alloy
cast iron
casting
alloys
region
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Bernd Elbracht
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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 of 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 region 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. Particularly in the region of the upper reversal point of the first piston ring, the inner surface of the liner is subjected to considerable stress, so that first there are signs of wear.
  • the invention has set itself the task of finding a cheaper way to locally increase the wear resistance.
  • the desired range can be varied from approx. 5% of the length of the bush to over 40%. Usually, however, a length of less than 10%, which is more resistant to wear, is sufficient.
  • a length of less than 10% which is more resistant to wear, is sufficient.
  • only in the upper, heavily loaded area in the vicinity of the upper reversal point of the uppermost piston ring material in a mold already in the cooling (partial) casting is added, which is during the rotation of the preferably mounted with a horizontal axis mold, since it subsequently was supplied, in particular in this supply area, but - due to the centrifugal force - also over the entire inner extent expiring, axially distributed.
  • the effect is made use of by selectively introducing the material of the second alloy composition, preferably radially outwards. If a thicker inner layer is to be produced, it will be possible to increase the temperature and / or the amount of material of the second casting or to be able to finish the cooling of the material of the first casting even at relatively high temperatures.
  • the second alloy When the first alloy is displaced and "flowed" on the surface of the first alloy (to the inside of the bush), the second alloy will mix with the underlying first alloy and may be used in areas where it does not have the desired thickness Whereabouts can be achieved, removed as a mixed alloy during machining (boring) 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 ie the tread to be created later
  • the outer side consists of cast iron of a different composition
  • cast iron in the sense of the claims 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 the heat of the (liquid) second alloying addition causes a portion of the first alloy to be melted 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.
  • FIG. 2 shows the introduction of the second alloy into the mold
  • Fig. 3 shows the finished cylinder liner, which is provided after removal of the protruding portions for use in a motor
  • FIG. 4 shows a representation of a 200-fold enlarged hard phase section.
  • 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 in a rotating mold for generating at least the outer shell of the casting, and then possibly several times allowed to cool the previously produced casting substantially as conven- tional loan.
  • 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 with the further cast iron alloy is re-melted within a defined range in partial thickness of the first or preceding cast iron alloy with the other Cast iron alloy acted upon.
  • the area of the upper reversal point of the uppermost piston ring in the cylinder liner is subjected to a second cast iron alloy with re-melting of a region of the already cooler first cast iron alloy with second cast iron alloy until the first cast iron alloy has been displaced in the region in a desired layer thickness
  • portions of the casting in which mixed material (22) of both alloys, deposited from the reflowed region at the top dead center of the displaced first alloy and the second alloy, are deposited in interior regions within the first alloy shell remote from the introduction location of the second alloy, can be removed when drilling out the cylinder liner.
  • the centrifugal casting apparatus shown in Figures 1 and 2 is characterized by a liquid second material pouring 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 profile of the transition between the two alloys, at the edge of or the region (s) (- e), in which (in which) the second Alloy displaced the first alloy, which runs after drilling an inner area with a blunt angle to the cylinder liner inside, 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.

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Description

Verfahren zum Schleuderguss
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 Laufbuchseninnen- fläche 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 Profϊlierungen, 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 AI - 33 27 490 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 Pro- blem, 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 zu- letzt 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 Teil- güsse auftreten, sind weiter in der DE AI - 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, lo- kal 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 verschleißbestän- diger 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 Zufuhr-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 er- zeugten 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 dik- kere 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 zugefuhrte 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 Schleuderguss insbesondere von rotationssymme- trischen 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 herkömm- lieh 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 zu- vor 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 Legie- rungen, 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 Zy- linderlaufbuchse 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.
tsJ o o
Tabelle 1 Analysengrenzen

Claims

Patentansprüche
1. 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 Ko- kille ( 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) ver- schmilzt und beim Erstarren ein Gusseisen mit anderen Materialeigenschaften ausbildet.
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 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 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 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.
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. Vorrichtung zur Durcrführung des Verfahrens nach einem der vorangehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch eine Eingiesseinrichtung (20) für das flüssige zweite Material in die Kokille (14) der Strom (24) geschmolzener zweiter Legierung (12) im wesentlichen radial nach außen auf den dort befindlichen, zuvor eingegossenen Mantel (16) aus erster Legierung (10) gerichtet ist.
7. 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.
8. Zylinderlaufbuchse nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Material des Teilbereichs der Innenfläche ein Gusseisen mit Lamellengraphit und mit höherem
Hartphasenanteil gewählt ist.
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