DE3343783C1 - Verfahren zur Herstellung verschleissfester Zylinderlaufflaechen von Brennkraftmaschinen - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung verschleißfester Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen, die an aus legiertem, insbesondere auch phosphorarmem, Gußeisen gegossenen Zylindern bzw. Zylinderbuchsen durch jene im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Verfahrensschritte geschaffen werden.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der US-PS 40 93 842 bekannt. Allgemeine Auskünfte über die Einsatzmöglichkeiten von Kohlendioxid-Hochleistungslasern für eine Gußeisenhärtung sind auch aus der Zeitschrift »Maschinenmarkt«, Würzburg 86 (1980) 96, Seiten 1915-1918, bekannt.

Bei Zylindern bzw. Zylinderbuchsen, die nach der bekannten Methode gehärtet wurden, lagen die Härtespuren entweder zu eng beieinander oder haben sich sogar teilweise überlappt Dabei ergaben sich zwischen zwei Härtespuren bzw. bei aneinander angrenzenden oder sich überlappenden Härtespuren im angelassenen Bereich derselben Zugeigenspannungen, die so groß waren, daß während des Betriebes der Brennkraftmaschine durch die sich dann überlagernden Betriebsspannungen in den Zylinderbohrungswänden Risse mit einer Länge bis zu mehreren Zentimetern auftraten. Diese Risse waren zunächst nach dem Härten und anschließenden Honen nicht vorhanden.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, das bekannte Verfahren in seiner Anwendung so zu verbessern, daß sich in den Zylinderbohrungswänden während des Brennkraftmaschinenbetriebes keine Risse ergeben.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den eingangs angegebenen Verfahrensschritten erfindungsgemäß durch eine spezielle Ausführung bestimmter Verfahrensschritte gelöst, nämlich dadurch, daß durch entsprechende Führung der Laserstrahlen relativ zu einer Zylinderbohrungswand schräg zur Zylinderachse verlaufende und einen spitzen Winkel von ca. 30° bis 60°, insbesondere 45°, mit letzterer einschließende Härtespuren erzeugt werden, mit einem Randabstand zwischen zwei benachbarten derselben, der nicht kleiner als 4 mm ist.

Nachstehend ist das erfindungsgemäße Verfahren detailliert anhand der Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen

F i g. 1,2 und 3 je ein Beispiel einer bekannten Anordnung von Härtespuren, die nach ebenfalls bekannter Art und Weise an Zylinderbohrungswänden durch Laserhärten erzeugt wurden,

F i g. 4 ein Beispiel für eine Anordnung und Ausbildung der Härtespuren nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig.5 ein Zug-Druck-Diagramm, das den Spannungsverlauf in und zwischen zwei Härtespuren aufzeigt.

Die Zylinderlaufflächen von aus legiertem, insbesondere phosphorarmem Gußeisen gegossenen Zylindern bzw. Zylinderbuchsen von Brennkraftmaschinen können durch nachfolgend beschriebene Verfahrensschritte verschleißfest gemacht werden.

a) Jede Zylinderbohrung wird zunächst durch spanabhebende Bearbeitung für das spätere Härten vorbereitet, wobei zumindest die letzte Spanabnahme durch Honen erfolgt. Anschließend besitzt die Zylinderbohrung im zu härtenden Bereich einen Durchmesser, der vorzugsweise um etwa ⁵/ioo bis ¹⁰/ioo mm größer als der gewünschte Enddurchmesser ist. Die Oberfläche der Zylinderbohrungswand besitzt dann vorzugsweise eine Rauhigkeit RZ 15μ ± 3μ.

b) Im zweiten Verfahrensschritt wird auf die Wandfläche der Zylinderbohrung ein Absorptionsmittel aufgebracht, das die Reflexion von Laserlicht auf wenige Prozent zu senken vermag.

c) Im dritten Verfahrensschritt erfolgt das Härten der Zylinderbohrungswand im zu härtenden Bereich der Zylinderbohrung mittels Laserstrahlen, derart, daß sich Härtespuren mit in der Randzone des Gußeisens martensitischem Gefüge ergeben.
Gehärtet wird beispielsweise mit einem 5 kw-Kohlendioxid-Laser. Dabei werden die Laserstrahlen relativ zur Zylinderbohrungswand geführt, derart, daß sich parallel nebeneinander und spiralförmig verlaufende Härtespuren ergeben. Um dies zu erreichen, wird beispielsweise einerseits eine Zylinderbüchse durch eine Vorrichtung in eine kontinuierliche Drehbewegung versetzt, andererseits die Laserapparatur in Richtung der Längsachse der Zylinderbuchse verschoben, wobei deren Vorschubgeschwindigkeit an die Drehgeschwindigkeit

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der Zylinderbuchse für die gewünschte Steigung eine Restaustenitbildung teilweise vorwegzuneh-

der Härtespuren angepaßt ist. men. Dieses Anlassen kann beispielsweise bei einer

Temperatur von 200⁰C über eine Zeit von größer/

Verwendet wird für das Härten vorzugsweise ein gleich 5 Stunden erfolgen. Dabei werden Span-

mit einem Integrator geformter Laserstrahl, der ei- 5 nungsspitzen abgebaut auf ein insgesamt niedrige-

ne Härtespur mit rechteckigem Querschnitt, und res Eigenspannungsniveau.
ein gleichmäßiges Strahlintensitäts-Verteilungs-

Profil für die Einhärtung erzeugen kann. Die Ein- Durch den erfindungsgemäßen Schrägverlauf der

härtetiefe ist regelbar und Hegt vorzugsweise zwi- Härtespuren 4 zur Zylinderachse 3 und den Randab-

schenO,5undl,3mm. io stand zweier benachbarter Härtespuren 4 von nicht

kleiner als 4 mm ergeben sich im Betrieb der Brenn-

Die Fig. 1,2 und 3 zeigen jeweils Härtespuren 1 mit kraftmaschine in der Zylinderbohrungswand 2 Spaneiner Breite a in bekannter Anordnung und Zuordnung nungsverläufe, wie aus F i g. 5 ersichtlich. Im dort dargezueinander. Alle diese drei bekannten Anordnungen ha- stellten Zug-/Druck-Diagramm sind senkrecht zur Abben sich als nachteilig erwiesen, wie eingangs erläutert. 15 szisse die nach der Erfindung angeordneten und beab-Bei der in F i g. 1 dargestellten Anordnung der Härte- standeten Härtespuren 4 aufgetragen. Auf der Ordinate spuren sind diese zwar voneinander beabstandet, jedoch sind in der mit einem Pluszeichen versehenen Richtung nicht so weit, als daß sich die Zugeigenspannungen nicht die sich in der Zylinderbohrungswand 2 ausbildenden gegenseitig beeinflussen, d. h. überlagern könnten. Der Zugspannungen aufgetragen, während in der mit einem Randabstand b zwischen zwei benachbarten Härtespu- 20 Minuszeichen versehenen Richtung die in der Zylinderren 1 ist mithin zu klein gewesen. Bei der anderen be- bohrungswand 2 wirkenden Druckspannungen aufgekannten, aus F i g. 2 ersichtlichen Anordnung mit unmit- tragen sind. Die Spannungsverläufe selbst, die sich wähtelbar aneinander angrenzenden Härtespuren 1 ist die rend des Betriebes der Brennkraftmaschine mit ständig Beeinflussung derselben untereinander noch größer als wechselndem Vorzeichen in einer Zylinderbohrungsim Falle der Ausführung gemäß Fig. 1, weil sich deren 25 wand 2 ergeben, sind in Fig.5 durch Spannungsver-Zugeigenspannung jeweils in den angelassenen, gestri- laufslinien 5 und 6 aufgetragen. Dabei wird ersichtlich, chelt dargestellten und mit c bezeichneten Randzonen daß die Druckmaxima 7 bzw. 8 der Spannungsverläufe 5 noch stärker überlagert hatten. Als besonders nachteilig bzw. 6 innerhalb der jeweiligen Härtespur 4 liegen; die erwies sich jedoch jene Anordnung der Härtespuren 1, Zugspannungen wirken jedoch nicht nur innerhalb der wie in F i g. 3 gezeigt. In diesem Fall überlappten sich die 30 Härtespuren 4, sondern auch außerhalb zwischen zwei Härtespuren 1 in ihren Randzonen, wobei die jeweiligen derselben im ungehärteten Bereich der Zylinderboh-Überdeckungsbereiche mit d und die angelassenen Be- rungswand 2, in welchem Bereich auch die Zugspanreiche mit e bezeichnet sind. Durch diese Überlappung nungsmaxima 9 bzw. 10 der beiden Spannungsverläufe 5 zweier benachbarter Härtespuren ergeben sich die bzw. 6 jeweils im Abstand k vom Rand einer Härtespur stärksten Beeinflussungen der auftretenden Zugeigen- 35 4 entfernt liegen. Diese Zugspannungsmaxima 9 bzw. 10 spannungen, weil dann meist deren Maxima zusammen- liegen, wie umfangreiche Forschungen erwiesen haben, fallen und diese sich addieren. immer in einem Abstand k < 2 mm vom Rand einer Um solche gegenseitige Einflußnahmen der Zugei- Härtespur 4 entfernt. Durch die erfindungsgemäße genspannungen der Härtespuren zu vermeiden, werden Festlegung, nämlich daß der Randabstand zweier benun erfindungsgemäß durch entsprechende Führung 40 nachbarter Härtespuren 4 nicht kleiner als 4 mm ist, ist der Laserstrahlen relativ zur Zylinderbohrungswand 2 sichergestellt, daß sich die Spannungsverläufe 5 und 6 Härtespuren 4 erzeugt, die — wie aus F i g. 4 ersichtlich niemals so überlagern können, daß deren Maxima 9 und — parallel zueinander und schräg zur Zylinderachse 3 10 zusammenfallen und sie sich dann in schädlicher Weiverlaufen sowie mit dieser einen spitzen Winkel von ca. se addieren könnten. Der Randabstand χ zweier Be-30° bis 60°, insbesondere 45°, einschließen. Entspre- 45 nachbarter Härtespuren 4 muß daher immer größer als chend einem weiteren Kriterium der Erfindung sind die 2 · k sein. Hierdurch ist gewährleistet, daß sich im Be-Härtespuren 4 so weit voneinander beabstandet, daß trieb der Brennkraftmaschine in einer Zylinderbohjeweils zwischen zwei benachbarten derselben ein rungswand 2 weder Mikrorisse noch Makrorisse ausbil-Randabstand χ gegeben ist, der nicht kleiner als 4 mm den können.

ist. Die Breite /der erfindungsgemäß schräg zur Zylin- 50

derachse 3 verlaufenden Härtespuren 4 ist frei wählbar Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

und je nach Anwendungsfall den Erfordernissen anzu-

passen.

d) Nach dem Härten erfolgt ein Honen der Zylinder- 55
bohrungswände 2 auf Enddurchmesser zum Erhalt
der Zylinderlaufflächen, wobei nur jene Materialerhebungen ganz oder teilweise abgetragen werden,
die sich beim Härten bei der Gefügeumwandlung in
martensitische Struktur ergeben und den nach dem 60
Verfahrensschritt α gegebenen, zunächst größeren
Durchmesser wieder verkleinert hatten. Die Zylinderbohrungswände besitzen anschließend Härtespuren vorzugsweise mit einer Oberflächenrauhigkeit RZ 8 μ ± 3 μ. Je nach Anwendungsfall kann es 65
zweckmäßig sein, die gehärteten Zylinderbohrungswände 2 anzulassen, um eine Vergleichmäßigung des Eigenspannungsniveaus zu erreichen und

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung verschleißfester Zylinderlaufflächen von Brennkraftmaschinen, die an aus legiertem, insbesondere auch phosphorarmem, Gußeisen gegossenen Zylindern bzw. Zylinderbuchsen durch folgende Verfahrensschritte geschaffen werden:

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a) Spanabhebende Bearbeitung der Zylinderbohrung, im zu härtenden Bereich auf einen Durchmesser, der größer als der gewünschte Enddurchmesser ist.

b) Aufbringung eines Absorptionsmittels auf die Zylinderbohrungsfläche, mit der Eigenschaft, die Reflexion von Laserlicht auf wenige Prozent zu senken.

c) Härten der Zylinderbohrungswand im zu härtenden Bereich mittels Laserstrahlen, derart, daß sich Härtespuren mit in der Randzone des Gußeisens martensitischem Gefüge ergeben.

d) Honen der Zylinderbohrungswand auf Enddurchmesser zum Erhalt der Zylinderlauffläche,

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dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Führung der Laserstrahlen relativ zur Zylinderbohrungswand (2) parallel zueinander und schräg zur Zylinderachse (3) verlaufende und mit letzterer einen Winkel oc von etwa 30° bis 60°, insbesondere 45°, einschließende Härtespuren (4) erzeugt werden, mit einem Randabstand (x) zwischen zwei benachbarten derselben, der nicht kleiner als vier Millimeter ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Härtespuren (4), eine nach der anderen, parallel zueinander verlaufend erzeugt werden durch einen nach dem Prinzip eines Integrators arbeitenden und in den Härtespuren (4) ein rechtekkiges Härteprofil mit gleichbleibender, einstellbarer Breite und einer Einhärtetiefe bis zu ca. 1,3 Millimeter erzeugenden Laser.