DD236773A5 - METHOD FOR PRODUCING A SOFT STEEL CYLINDER EQUIPMENT - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Zylinderauskleidungen fuer Verbrennungsmotoren. Waehrend es Ziel der Erfindung ist, die Gebrauchswerteigenschaften derartiger Zylinderauskleidungen auf kostenguenstige Weise zu erhoehen, besteht die Aufgabe darin, ein Verfahren zur Herstellung einer Weichstahl-Zylinderauskleidung zu finden, mit dem die Abriebfestigkeit und die Oelspeicherung von Zylinderauskleidungen verbessert werden kann. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe derart geloest, dass eine Zylinderauskleidung in eine Endform aus einem Weichstahl geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird, eine Gasmischung aus einem Aufkohlungsgas und einem stickstoffhaltigen Gas im Verhaeltnis von 25:75 bis 75:25 (Vol.-%) bei einer Temperatur von 500C bis 650C der Kammer zugefuehrt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitrokarburieren.The invention relates to the production of cylinder liners for internal combustion engines. While the object of the invention is to inexpensively increase the utility value characteristics of such cylinder liners, the object is to find a method for producing a mild steel cylinder liner with which the abrasion resistance and the oil storage of cylinder linings can be improved. According to the present invention, the object is achieved by forming a cylinder liner into a mild steel end mold, then placing the molded cylinder liner in a chamber from which air is excluded, a gaseous mixture of a carburizing gas and a nitrogen-containing gas in the ratio of 25: From 75 to 75:25 (vol.%) At a temperature of 500C to 650C is supplied to the chamber to nitrocarburize the cylinder liner.
Description
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Zylinderauskleidungen für Verbrennungsmotoren der Art, die ein Behandeln einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche der Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen.The invention relates to the manufacture of cylinder liners for internal combustion engines of the type comprising treating an inner piston engaging surface of the mild steel cylinder liner to resist abrasion by an associated piston and piston rings.
In vielen Verbrennungsmotoren bewegen sich der oder jeder Kolben hin und her in einem Zylinder, gebildet durch eine im allgemeinen zylindrische Trockenauskleidung, üblicherweise im Preßsitz angepaßt, geschrumpft oder auf andere Weise in den Motorblock eingesetzt. Die Innenoberfläche (oder „Bohrung") der Zylinderauskleidung kontaktiert den assoziierten Kolben und ist somit Abrieb und Abnutzung ausgesetzt. Zusätzlich können sich Trockenauskleidungen gegen den assoziierten Motorblock abscheuern, und deshalb sollte eine zufriedenstellende Trockenzylinderauskleidung in der Lage sein, solchem Abrieb zu widerstehen und gleichzeitig in der Lage sein, leicht im Preßsitz angepaßt zu werden oder in den assoziierten Motorblock hineingeschoben und daraus entfernt zu werden.In many internal combustion engines, the or each piston reciprocates in a cylinder formed by a generally cylindrical dry lining, usually press fit, shrunk or otherwise inserted into the engine block. The inner surface (or "bore") of the cylinder liner contacts the associated piston and thus is subject to abrasion and wear In addition, dry liners can rub against the associated engine block and therefore a satisfactory dry cylinder liner should be able to withstand such abrasion and at the same time into be able to be easily press fitted or pushed into and removed from the associated engine block.
Ein Material, das üblicherweise für solche Auskleidungen verwendet wird, ist kohlenstoffarmer Weichstahl; dieser hat jedoch keine zufriedenstellenden Abriebeigenschaften. Aus diesem Grund wurden verschiedene Techniken angewandt, um die Abriebeigenschaften zu verbessern. Eine dieserTechniken ist die Verwendung eines Materials, das härter und abriebbeständiger als Weichstahl ist. Beispielsweise können Gußeisen oder Stähle, die einen hohen Nickel-, Chrom- und Molybdängehalt aufweisen, verwendet werden, insbesondere, wenn sie gehärtet oder getempert werden. Obwohl diese Materialien sehr abriebbeständig sind, besitzen sie jedoch den Nachteil, daß ihre Duktilität bzw. Biegsamkeit viel geringer als die von Weichstählen ist, so daß sie entsprechend schwierig zu einer benötigten Endform zu verarbeiten sind. Eine Endzylinderauskleidung aus solch einem Material kann zusätzlich spröde sein, und dies kann zu Rissen führen, wenn die Auskleidung in einem Zylinderblock im Preßsitz angepaßt wird.A material commonly used for such liners is low carbon mild steel; However, this does not have satisfactory Abriebeigenschaften. For this reason, various techniques have been used to improve the abrasion properties. One of these techniques is the use of a material that is harder and more abrasion resistant than mild steel. For example, cast irons or steels having a high nickel, chromium and molybdenum content may be used, particularly when cured or tempered. However, although these materials are very resistant to abrasion, they have the disadvantage that their ductility is much lower than that of mild steels, so that they are correspondingly difficult to process into a required final form. An end cylinder liner of such a material may additionally be brittle, and this can lead to cracking when the liner is press fit in a cylinder block.
Eine zweite Technik ist das Vorsehen einer harten Oberflächenschicht auf einer aus einem Weichstahl oder einem Gußeisen geformten Zylinderauskleidung. Eine solche Schicht ist eine harte Chromplatte bzw. ein harter Chromüberzug auf der Bohrung der Auskleidung. Eine Verchromung besitzt jedoch die Nachteile, daß sie ein teures Verfahren ist, wodurch die Kosten der Auskleidung steigen, und daß ein solcher Überzug sehr schwer Öl speichert und deshalb bei Gebrauch zu einer Abnutzung neigt. Zusätzlich kann sich eine Verchromung bei Temperaturen über 3000C erweichen, wodurch ihre Abriebbeständigkeit verringert wird, und sie erfordert eine Endbearbeitung, die zusätzliche Kosten verursacht. Alternative Hartoberflächenbehandlungen sind entsprechend teuer in der Anwendung.A second technique is to provide a hard surface layer on a cylinder liner formed from mild steel or cast iron. Such a layer is a hard chrome plate or a hard chrome coating on the bore of the liner. However, chrome plating has the disadvantages that it is an expensive process, thereby increasing the cost of the liner, and that such a coating is very difficult to store oil and therefore prone to wear in use. In addition, a chromium plating at temperatures may soften over 300 0 C, whereby its wear resistance is reduced, and it requires a finishing causing additional costs. Alternative hard surface treatments are correspondingly expensive to use.
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Ziel der Erfindung ist es, die Gebrauchswerteigenschaften von Zylinderauskleidungen für Verbrennungsmotoren auf kostengünstige Weise zu erhöhen.The object of the invention is to inexpensively increase the utility properties of cylinder liners for internal combustion engines.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung einer Weichstahl-Zylinderauskleidung zu finden, mit dem die Abriebfestigkeit und die Ölspeicherung von Zylinderauskleidungen verbessert werden kann.The object of the invention is to find a method for producing a mild steel cylinder liner, with which the abrasion resistance and the oil storage of cylinder liners can be improved.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Herstellung einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl für einen Verbrennungsmotor vorgesehen, das das Behandeln wenigstens einer inneren kolbeneingreifenden Oberfläche einer Zylinderauskleidung aus Weichstahl umfaßt, um dem Abrieb durch einen assoziierten Kolben und Kolbenringe zu widerstehen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß eine Zylinderauskleidung aus einem Weichstahl in eine Endform geformt wird, die geformte Zylinderauskleidung dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben wird und eine Gasmischung aus einem Aufkohlungsgas bzw. einem karburierenden Gas und einem stickstoffhaltigen Gas im Verhältnis von 25:75 bis 75:25 (Vol.-%) bei einer Temperatur von 5000C bis 6500C der Kammer zugeführt wird, um die Zylinderauskleidung zu nitrokarburieren. Erfindungsgemäß ist auch, daß das stickstoffhaltige Gas Ammoniak ist und das Aufkohlungsgas ein exothermes Kohlenwasserstoffgas ist. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß das Verhältnis der Gase 50:50 bis 60:40 (Vol.-%) beträgt. Ebenso ist erfindungsgemäß, daß die Temperatur 5500C beträgt. Erfindungsgemäß ist weiterhin, daß die Zylinderauskleidung über solch eine Zeit behandelt wird, daß die Gesamteindringtiefe der nitrokarburierten Schicht in die Oberfläche der Zylinderauskleidng zwischen 0,1 und 0,3mm liegt mit einer Epsilon-Oberflächenschicht von 0,005 bis 0,020mm Dicke. Erfindungsgemäß ist auch, daß die Behandlungszeit 2 bis 4 Stunden beträgt. Weiterhin ist erfindungsgemäß, daß vor dem Nitrokarburieren ein im allgemeinen röhrenförmiges Zylinderrohstück aus Weichstahl gebildet und bearbeitet wird, um eine endgeformte Zylinderauskleidung zu bilden und die endgeformte Zylinderauskleidung dann nitrokarburiert wird. Erfindungsgemäß ist ebenso, daß das röhrenförmige Zylinderrohstück durch ein Extrusions- oder Preßverfahren oder durch Tiefziehen gebildet wirdAccording to the invention, there is provided a method of manufacturing a mild steel cylinder liner for an internal combustion engine, comprising treating at least one inner piston engaging surface of a mild steel cylinder liner to resist abrasion by an associated piston and piston rings, characterized in that a cylinder liner comprises a mild steel is formed into a final shape, the molded cylinder liner is then placed in a chamber from which air is excluded, and a gaseous mixture of a carburizing gas and a nitrogen-containing gas in the ratio of 25:75 to 75:25 Vol .-%) at a temperature of 500 0 C to 650 0 C of the chamber is supplied to Nitrokarburieren the cylinder liner. It is also according to the invention that the nitrogen-containing gas is ammonia and the carburizing gas is an exothermic hydrocarbon gas. Furthermore, according to the invention, the ratio of the gases is 50:50 to 60:40 (% by volume). Likewise, according to the invention, that the temperature is 550 0 C. According to the invention, furthermore, the cylinder liner is treated for such a time that the total penetration depth of the nitrocarburized layer into the surface of the cylinder liner is between 0.1 and 0.3 mm with an epsilon surface layer of 0.005 to 0.020 mm thickness. It is also according to the invention that the treatment time is 2 to 4 hours. Further, according to the present invention, prior to nitrocarburizing, a generally tubular cylindrical tube of mild steel is formed and processed to form a final molded cylinder liner and then the final molded cylinder liner is nitrocarburized. It is also according to the invention that the tubular cylindrical tube piece is formed by an extrusion or pressing method or by deep drawing
Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung. The following examples illustrate the invention.
Eine Trockenzylinderauskleidung wird aus einem kohlenstoffarmen Stahl gebildet. Das Material kann beispielsweise die folgende Zusammensetzung besitzen: Weichstahl (Gew.-%)A drying cylinder liner is formed from a low carbon steel. The material may, for example, have the following composition: mild steel (% by weight)
Kohlenstoff: 0,05 bis 0,030Carbon: 0.05 to 0.030
Silizium: 0,10bis0,35Silicon: 0.10 to 0.35
Mangan: 0,40 bis 1,4Manganese: 0.40 to 1.4
Schwefel: 0,050 max.Sulfur: 0.050 max.
Nickel:Nickel:
Chrom: können entweder als Spurenelemente oderChromium: can either be as trace elements or
Molybdän: als geringe Legierungszusätze vorliegenMolybdenum: present as minor alloying additions
Rest: EisenRest: iron
Ein Block eines solchen Materials wird zunächst ausgestanzt, gezogen oder extrudiert durch einen zweckmäßig geformten Ziehstein, um ein im allgemeinen zylindrisches Rohstück zu bilden. Dieses Rohstück wird dann zur Endform der Zylinderauskleidung, wenn benötigt, durch Herstellen eines Schlußflansches und Formen zu erforderlichen Dimensionen der zylindrischen Innen- und Außenoberflächen bearbeitet.A block of such material is first stamped, drawn or extruded through a suitably shaped die to form a generally cylindrical blank. This blank is then machined to the final shape of the cylinder liner when needed by making a final flange and forming to required dimensions of the cylindrical inner and outer surfaces.
Die geformte Zylinderauskleidung wird dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen ist, gegeben. Anschließend werden ein stickstoffhaltiges Gas, wie Ammoniak, und ein Aufkohlungsgas, wie ein exothermes Kohlenwasserstoffgas, in die Kammer bei einer Temperatur zwischen 5000C und 6500C eingespeist. Das Verhältnis der zwei Gase, stickstoffhaltiges zu karburierendem Gas, kann zwischen 25:75 (Vol.-%) und 75:25 (Vol.-%) liegen, obwohl Tests mit Ammoniak und exothermem Kohlenwasserstoffgas gezeigt haben, das Verhältnisse von 50:50 (Vol.-%) oder 60:40 (Vol.-%) bessere Ergebnisse liefern. Die Gase kontaktieren die Oberflächen der Zylinderauskleidung, und Kohlenstoff und Stickstoff aus den Gasen diffundieren aus diesen Oberflächen in den Weichstahl der Auskleidung und bilden eine dünne Schicht (sogenannte „Epsilon"-Schicht) zwischen 25 und 20/xm Dicke, aus der Diffusion in den Auskleidungskörper stattfindet. Für ein bestimmtes Material hängt die Gesamteindringtiefe von der Zeit ab, über die die Gase zugeführt werden, und dies kann reguliert werden, um beispielsweise eine „Epsilon"-Schicht von 10μΐη Dicke und eine Gesamtdurchdringung von 0,1 mm bis 0,3 mm zu ergeben. Beispielsweise kann die Zeit zwei bis vier Stunden betragen. Eine Oberflächenhärte von 800 HV oder mehr ist erreichbar, stetig, aber nicht gleichmäßig abnehmend zu der Härte des Basismaterial. Diese Härte bleibt bei nachfolgenden Betriebstemperaturen der Auskleidung von bis zu 5500C erhalten.The molded cylinder liner is then placed in a chamber from which air is excluded. Subsequently, a nitrogen-containing gas such as ammonia, and a carburizing gas, such as an exothermic hydrocarbon gas, are fed into the chamber at a temperature between 500 0 C and 650 0 C. The ratio of the two gases, nitrogen-containing gas to carburizing, may be between 25:75 (vol.%) And 75:25 (vol.%), Although tests with ammonia and exothermic hydrocarbon gas have shown ratios of 50:50 (Vol .-%) or 60:40 (Vol .-%) provide better results. The gases contact the surfaces of the cylinder liner, and carbon and nitrogen from the gases diffuse from these surfaces into the mild steel of the liner, forming a thin layer (so-called "epsilon" layer) between 25 and 20 / mm thickness, from diffusion into the liner For a given material, the total penetration depth depends on the time at which the gases are supplied, and this can be regulated to, for example, have an "epsilon" layer of 10μΐη thickness and a total penetration of 0.1mm to 0, 3 mm. For example, the time may be two to four hours. A surface hardness of 800 HV or more is achievable, continuous but not uniformly decreasing to the hardness of the base material. This hardness is maintained at subsequent lining operating temperatures of up to 550 ° C.
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Die Zylinderauskleidung wird dann aus der Kammer entfernt, und ist sofort gebrauchsfertig ohne weitere Nacharbeitungsstufen. Die Zylinderauskleidung besitzt eine harte, abriebbeständige Außenoberfläche und eine duktilen Kern. Zusätzlich erhöht die Behandlung die Biegefestigkeit der Auskleidung beträchtlich. Dies kann von besonderer Bedeutung sein, wenn ein Flansch auf der Auskleidung vorgesehen ist und beträchtlich über die Auskleidung hinausragt, weil die hohe Biegefestigkeit die Biegefestigkeit des Flansches erhöht und so das Auftreten eines Flanschbruches und das Auftreten von Rissen in dem Flanschbereich reduziert.The cylinder liner is then removed from the chamber and is ready for immediate use without further reworking steps. The cylinder liner has a hard, abrasion resistant outer surface and a ductile core. In addition, the treatment considerably increases the bending strength of the lining. This may be of particular concern when a flange is provided on the liner and extends significantly beyond the liner because the high flexural strength increases the flexural strength of the flange thereby reducing the occurrence of flange fracture and the occurrence of cracks in the flange region.
Eine Trockenzylinderauskleidung wurde aus einem Weichstahl mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,18% auf eine der vorstehend beschriebenen Weisen mit Bezug auf Beispiel 1 gebildet. Die geformte Auskleidung wurde dann in eine Kammer, aus der Luft ausgeschlossen war, gegeben, und wie vorstehend mit Bezug auf Beispiel 1 beschrieben, nitrokarburiert. DieTemperatur betrug 57O0C und die Behandlungszeit drei Stunden.A drying cylinder liner was formed from mild steel having a carbon content of 0.18% in one of the manners described above with reference to Example 1. The formed liner was then placed in a chamber from which air was excluded and nitrocarburized as described above with reference to Example 1. *** " The temperature was 57O 0 C and the treatment time three hours.
Nach der Behandlung wurde die Auskleidung schnell gasgekühlt und dann aus der Kammer entfernt und untersucht. Es wurde gefunden, daß die innere und äußere Oberfläche der Auskleidung gleiche nitrokarburierte Schichten besaßen. Eine weiße Oberflächen-„Epsilon"-Schichtvon 0,04mm Dicke bedeckte eine komplexe Strukturvon Eisennitridnadeln in Ferritkörnern bis zu einer Tiefe von mehr als 0,2 mm mit einer Gesamtdurchdringung von 0,3 mm. In der Bulk-bzw. Hauptmassestruktur nahm die Härte von 540 HV gerade unter der Oberflächenschicht auf 380HV in 0,15 mm Tiefe ab. Die Kernhärte des Materials betrug 160/178 HV bei 0,35 mm unter der Oberfläche.After the treatment, the lining was rapidly gas cooled and then removed from the chamber and examined. It was found that the inner and outer surfaces of the lining had the same nitrocarburized layers. A 0.04mm thick white surface "epsilon" layer covered a complex structure of iron nitride needles in ferrite grains to a depth of greater than 0.2mm with a total penetration of 0.3mm. In the bulk structure, hardness decreased from 540 HV just under the surface layer to 380HV in 0.15 mm depth The core hardness of the material was 160/178 HV at 0.35 mm below the surface.
Die wie vorstehend beschrieben behandelten Zylinderauskleidungen wurden dann in einem turbogeladenen Dieselmotor verwendet. Nach 300 Stunden Betriebszeit war der Abrieb auf der Oberfläche der Auskleidung vernachlässigbar. Der Ölverbauch lag akzeptabel bei 0,5% des Kraftstoffverbrauchs, und das Leistungvermögen war etwa 1 % größer als'bei unbehandelten Zylinderauskleidungen wegen der geringen Friktion der Auskleidungsoberfläche, die nach dem Betrieb ein glasartiges Aussehen hatte. Nach 550 Stunden stieg der Ölverbrauch langsam aufO,7% des Kraftstoffverbrauchs wegen des Einschabens der Kolbenringe, war aber immer noch akzeptabel. Das Leistungsvermögen war um 1,3% gestiegen, ohne erhöhte Kraftstoffaufnahme.The cylinder liners treated as described above were then used in a turbocharged diesel engine. After 300 hours of operation, the abrasion on the surface of the lining was negligible. Oil consumption was acceptable at 0.5% of fuel consumption and performance was about 1% greater than untreated cylinder liners because of the low friction of the liner surface, which had a glassy appearance after operation. After 550 hours, oil consumption increased slowly to O, 7% of fuel consumption due to piston ring scraping, but was still acceptable. The performance had increased by 1.3%, without increased fuel consumption.
Die vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahren und die so hergestellten Zylinderauskleidungen besitzen eine Vielzahl von wichtigen Vorteilen. Da die Auskleidung aus einem duktilen Weichstahl hergestellt wird und sämtliche Bearbeitung vor dem Nitrokarburieren durchgeführt wird, kann das Formen der Zylinderauskleidung leicht und schnell erreicht werden. Geeignete Weichstähle und Gußeisen sind billig, wodurch die Kosten der Zylinderauskleidungen verringert werden. Der Nitrokarburierungsschritt versieht die Zylinderauskleidung mit einer Oberflächenfertigbearbeitung, die sehr abriebbeständig ist, bei erhöhten Temperaturen (bis zu 550°C) wirksam bleibt und die Oberfläche bis zu einer wirklichen Tiefe (0,01 mm bis 0,3mm) durchdringt.The above-described manufacturing methods and the cylinder liners thus produced have a variety of important advantages. Since the lining is made of ductile mild steel and all processing is done before nitrocarburizing, the forming of the cylinder liner can be achieved easily and quickly. Suitable mild steels and cast iron are cheap, which reduces the cost of the cylinder liners. The nitrocarburizing step provides the cylinder liner with a surface finish that is highly resistant to abrasion, remains effective at elevated temperatures (up to 550 ° C), and penetrates the surface to a true depth (0.01 mm to 0.3 mm).
Solch eine Auskleidung kann in einen MotorblockohneGefahrvorspröden Rissen eingepreßt werden, weil ein duktiler zentraler Kern verbleibt. Die Außenoberfläche ist abriebbeständig gegenüber Reibung mit dem Motorblock. Die innere, kolbenaufnehmende Oberfläche ist beständig gegen Abrieb und Abnutzung des assoziierten Kolbens und der Kolbenringe, weil die Oberfläche durch einen Ölfilm gut befeuchtet ist. Es ergeben sich besondere Vorteile, wenn die Kolbenringe ebenfalls nitrokarburiert werden. Die harte Oberfläche der Kolbenringe wurde in Abwesenheit einer entsprechend harten Oberfläche auf der Auskleidung dazu neigen, die Zylinderauskleidung abzureiben. Es wurde gefunden, daß die Außenoberfläche einer Kavitationserosion gut widersteht, wenn die Auskleidung eine nasse Zylinderbuchse ist.Such a liner can be injected into an engine block without risk of cracking because a ductile central core remains. The outer surface is abrasion resistant to friction with the engine block. The inner piston receiving surface is resistant to abrasion and wear of the associated piston and piston rings because the surface is well wetted by an oil film. There are particular advantages when the piston rings are also nitrocarburized. The hard surface of the piston rings would tend to rub the cylinder liner in the absence of a suitably hard surface on the liner. It has been found that the outer surface resists cavitation erosion well when the liner is a wet cylinder liner.
Es sollte ebenfalls bemerkt werden, daß die vorstehend beschriebenen Zylinderauskleidungen eine erhöhte Beständigkeit gegen atmosphärische Oxydation besitzen, wodurch die Verpackungs- und Transportkosten verringert werden.It should also be noted that the cylinder liners described above have increased resistance to atmospheric oxidation, thereby reducing packaging and transportation costs.
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