PROCESS FOR SURFACE-HARDENING BY REMELTING CAST IRON CYLINDERS

Abstract: 1. Process for the remelt-hardening of the surfaces of cylinders of carbon-containing cast iron, in particular of cylinders of a reciprocating internalcombustion engine, the surfaces being melted locally by means of an energy source along one or more substantially annular hardening paths and subsequently solidifying ledeburitically, characterized in that a) a TIG burner (12) is used as energy source, b) the TIG burner is operated with periodically varying energy density at a defined pulse frequency, c) the pulse frequency and the feed rate of the TIG burner are matched in such a way that the locally melted, scale-shaped segments (22) are repeatedly melted with a degree of overlap of 20 % to 90 %, in particular around 60 %.

Description: Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen, insbesondere von Zylindern einer Hubkolben-Brennkraftmaschine, gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Es wurde bereits vorgeschlagen, die Zylinder insbesondere von Hubkolben-Brennkraftmaschinen zur Erhöhung deren Verschleissfestigkeit einer Umschmelzhärtung zu unterziehen. Als Energiequellen dienten dabei Elektronenstrahl- oder Laserstrahlkanonen oder auch ein WIG-Brenner. Insbesondere bei Zrlinderblöcken ergibt sich durch das Umschmelzhärten der Vorteil, dass trotz der Verwendung eines kostengünstigen Grundwerkstoffes (z. B. lamellarer Grauguss) eine hohe Verschleiss restigkeit der Zylinderoberflächen bis ca. 1000 HV 10 erzielbar ist Allerdings ergeben sich in der Praxis noch grosse Pro blume bei der Durchführung des Umschmelzhärtens. Zum einen können insbesondere Zylinderblöcke aufgrund ihrer grossen Masse und wegen der Verzugsgefahr nicht vorgewärmt werden, so dass beim Umschmelzen extrem hohe Spannungen an den gehärteten Oberflächenbereichen auftreten; solche Spannungen können in Extremfällen buch stäblich zum Abplatzen der Härteschichten führen. Ferner wird durch das Umschmelzen die gegebenenfalls bereits hergestellte Oberflächengeometrie der Zylinder wieder wesentlich verschlechtert, wobei die dann erforderliche Naehbearbeitung aufgrund der nun hohen Härte der Oberfläche sehr kosten- und zeitaufwendig ist und die Standzeit der Werkzeuge (z. B. Honahlen) verringert wird. Bei nur teilweise gehärteten Oberflächen der Zylinder ist es zudem schwierig, eine gleichm3Bige, masslich einheitliche Zylindrizität herzustellen, weil der durch das Werkzeug bewirkte Oberflächenabtrag aufgrund der unterschiedlichen Ober flächenhärten ebenfalls unterschiedlich ist. Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein gattungsge mässes Verfahren aufzuzeigen, mit dem sehr verschleissfeste, spannungsarme und nur eine aeringe Nachbear beitung erfordernde Zylinder herstellbar sind. Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst, wobei die nachfolgend aufgeführten Vorteile erzielbar sind. Durch den Einsatz eines oder mehrerer WIG-Brenner wird zunachst der Vorrichtungsaufwand gegenüber einer Elektronen- oder Laserstrahlhärtung verringert; zudem wurde erkannt, dass eine Uaschmelzbehandlung von Zylindern insbesondere bei einer Fertigung in grossen Stückzahlen mittels eines WIG-Brenners hinsichtlich der Zugänglich keit, der Fertigungssteuerung und -überwachung günstiger ist, Das definierte Pulsen der Energiedichte des WIG-Brenners bewirkt eine gezielte Segmentation der Härtebahn, die ohne nachteilige Folgen im Betrieb in erheblichem Masse zum Abbau der Oberflächenspannungen und zu einer vollständigen Eliminierung von Verzug durch die Härtung führt. Die Härtebahn enthält etwa je cm 2 bis 6 Segmente, welche aufgrund der gepulsten Umschmelzung gezielt schuppenartig vorliegen. Wie Versuche erwiesen haben, neigt diese segmentierte Härtebahn in keiner Weise zu weiterer Rissbildung oder zu Abplatzungen; zumal im Betrieb bei Brennkraftmaschinen aufgrund der höheren Temperatur an der Zylinderoberfläche relativ zum Zylindermantel ohnehin überwiegend Druckspannungen auftreten. Das wiederholte Aufschmelzen der Umschmelzzonen bewirkt ferner eine Sekundärzementitausscheidung in der Gefügestruktur, welche problemlos eine Härte von 850 bis 950 SV 10 erreichen lässt. Ferner hat sich herausgestellt, dass sich aufgrund der Uberlappung der aufgeschmolzenen Zonen eine hervorragende Glättung und Formbeständigkeit der gehärteten Bereiche einstellt, welche nur einer geringen, problemlosen Nachbearbeitung durch Honen, etc. bedarf. Weitere zweckmässige und vorteilhafte Verfahrensschritte sind den Merkmalen der Patentansprüche 2 bis 4 entnehmbar. Mit dem oberen Wert der Stromstärke wird einerseits ein ausreichend tiefes Durchschmelzen bzw. eine ausreichende Härtetiefe sichergestellt, während bei niedrigerem Wert des gepulsten Stromes eine Beruhigung und Abkühlung der örtlichen Schmelze eintritt. Wichtig ist dabei auch, dass beim Wechsel der Stromstärken auch zu Beginn und am Ende des Umschmelzhärtens - kein Blaseffekt entsteht, welcher feine Krater und Aufwürfe in der Schmelze bewirken würde. Die Verteilung der Segmentation in der Härte spur kann vorteilhaft auch inner halb der angegebenen Pulsfrequenz des Plasmabrenners und durch die Umschmelzgeschwindigkeit beeinflusst werden. Die Merkmale des Patentanspruches 6 betreffen ein besonders kostengunstiges Verfahren zur Härtung der Zylinder von Bubkolben-Brennkraftmaschinen, welches bei einer Serienfertigung kurze Taktzeiten ermöglicht. Wie sich herausgestellt hat, ist bei den Zylindern von Brennkraftmaschinen der obere Umkehrpunkt des oberen, dem Brennraum au nächsten liegenden Kolbenringes an der Zylinder Oberfläche die verschleissanfälligste Stelle, so dass es bei vielen Brennkraftmaschinentypen ausreichend sein kann, nur diese eine Stelle mittels einer Härtebahn abzusichern. Gemäss Patentanspruch 6 kann der Umschmelzhärtung ein elektrochemischer Abtrag und anschliessend eine mechanische Bearbeitung folgen. Damit werden unter anderem die marten sitischZgraphitischen Randbereiche der Härtebahnen offenporig freigelegt, so dass hier eine verstärkte Olhaltung bzw. eine optimierte Schmierung der Gleitpartner Kolben Zylinderfläche erreicht ist. Ein Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden mit weiteren Einzelheiten näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in Fig. 1 einen Abschnitt eines Zylinderblockes einer Brennkraftmaschine mit einer nach dem erfindungsgemässen Verfahren gehärteten Zylinder-Oberfläche, Fig. 2 eine Einzelheit der Fig. 1 in vergrösserter Darstellung während des Umschmelzens mit einem WIC--Brenner und Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Strom stärke und der Pulsfrequenz des WIG Brenners. In einem sylinderblock 2 einer mehrzylindrigen Hubkolben-Brennkraftmaschine aus larllar Grauguss sind mehrere Zylinder 4 an aes+*net, die in üblicher weise nahezu au± Fertigmass bearbeitet sind. Bei einem jeden Zylinder 4 ist in die obere UShhrstelle des oberen, der jeweiligen Brennraum am nächsten liegenden Kolbenringes eines nicht dargestellten, im Zylinder 4 gleitenden Kolbens eine kreis ringförmige Härtebahn 6 einaearbeitet. Die Härtebahn 6 ist durch örtliches Aufschmelzen der oberflächennahen Schicht des Zylinders und durch anschliessendes schnelles Wiedererstarren hergestellt, wobei sich in der unmittelbaren Umschmelzzone 8 ein ledeburitisches Gefüge ausbildet, während die noch wärmebeeinflussten Randzonen 10 martensitischer Struktur sind. Die Umschmelzzone bzw. Härtebahn 6 wird mittels eines i1IC-Brenners 12 (vgl. Fig. 2) erzeugt. Dabei wird die Korrespondierende Oberfläche des Zylinders 4 mittels einer an eine Stromquelle angeschlossenen Wolframelektrode 14 durch einen zum Zylinder 4 überspringenden Lichtbogen 16 in inerter Atmosphäre 18 örtlich aufgeschmolzen. Nähere Details eines derartigen WIG-Brenners 12 können beispiels seite der auf die gleiche Anmelderin zurückgehenden Patentanmeldung P 33 39 447.4 entnommen werden. Der WiG-Brenner 12 wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 mm/sec. in Richtung des Pfeiles 20 der Fig. 2 mit einem gleichmässigen Abstand zum Zylinder 4 entlang der zu erzeugenden Härtebahn 6 vorwärts bewegt. Die die Energiedichte des Lichtbogens 16 bestimmende StrosstErke A in Ampere über der Zeit t ist in dem Diagramm gemäss Fig. 3 dargestellt. Die Einschaltung des Stromes an dem Punkt E erfolgt bei einem unteren Wert der Stroastärke von t5 A, welcher Strom dann mit einer Frequenz von 1 Hz zwischen 15 A und QO A nach Art eines Rechteckmusters gepulst wird. Die Ausschaltung des WIG-Brenners 14 erfolgt wiederum am Punkt A beim unteren Wert der Stromstärke von 15 A. Dabei erfolgt eine schuppenartige Uberlappung von ca. 60 bis 70 % der durch das Pulsen der Stromstärke erzeugten Einzelsegmente 22 der Härtebahn deren Härte etwa 850 bis 950 KV 10 erreicht. Nach erfolgtem Umschmelzhärten wird der Zylinder 4 in der Nachbearbeitung durch elektrochemisches Honen mit anschliessendem mechanischen Reibplatieren unterzogen. Dabei werden geringe Unebenheiten in der Härte spur 6 beseitigt und die martensitisch/graphitische Struktur der Randbereiche 10 freigelegt. Das elektrochemische Honen und Reibplatieren kann gegebenenfalls entsprechend der deutschen Patentanmeldung P 31 19 847.3 ausgeführt werden.

Claims: Patentansprüche 1. Verfahren zum Umschmelzhärten der Oberflächen von Zylindern aus kohlenstoffhaltigem Gusseisen, ins besondere von Zylindern einer Hubkolben-Brennkraft maschine, wobei die Oberflächen mittels einer Energie quelle entlang einer oder mehrerer im wesentlichen kreisringförmiger Härtebahnen örtlich aufgeschmolzen werden und anschliessend ledeburitisch erstarren, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass a) als Energiequelle ein WIG-Brenner 12 verwendet wird, b > der WIG-Brenner mit periodisch sich ändernder Energiedichte in einer definierten Pulsfrequenz betrieben wird, c) die Pulsfrequenz und die Vorschubgeschwindigkeit des WIG-Brenners derart abgestimmt sind, dass die örtlich aufgeschmolzenen, schuppenförmigen Segmente (22) mit einem ttberlappungsgrad von 20 % bis 90 %, insbesondere um 60 %, wiederholt auf geschmolzen werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass d) die Stromstärke des WIG-Brenners zwischen 10 A und 100 A, insbesonaere zwischen 15 A und 80 A ge pulst wird. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass e) die Einschaltung und die Abschaltung des WIG Brenners beim unteren Wert der gepulsten Strom stärke vorgenommen wird. 4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass f) die Pulsfresmenz des WIG-Brenners bis zu 3 Hz, insbesondere 1 Ez und g) die Uflischmelzgeschwindikeit zwischen 0,4 bis 4 mm/sec., insbesondere 1,5 mm/sec. beträgt. 5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, d a durch g e k e n n z e i c h n e t, dass nur eine einzige, kreisringförmige flärtebahn (6) je Zylinder aufgebracht wird, wobei diese ärtebahn im Urnkehrpunkt des oberen Kolbenringes eines im Zylinder einzubauenden Hubkolbens liegt. 6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zylinder (4) anschliessend einem elektrochemischen Abtrag und gegebenenfalls einer mechanischen Reib plattierung unterzogen wird.

Inventors: HECK, KLAUS, DR., LINDNER, HORST, DIPL.-ING.
Applicants: AUDI AG
Application year: 1985
Main classification: C21D1
IPC codes: C21D9, C21D5, C21D1