Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Noc
kens gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a method for producing a noc
kens according to the preamble of claim 1.
Ein gattungsgemäßes Verfahren ist beispielsweise aus der DE 198
36 247 A1 bekannt. Darin wird ein Nocken aus einem Stahlwerk
stoff wärmebehandelt und randschichtgehärtet, wobei sich beim
Nocken vollständig ein martensitisches Gefüge einstellt mit
sehr hohe Druckeigenspannungen in der dünnen Randschicht, wo
durch eine hohe Verschleißfestigkeit gegeben ist. Aufgrund der
zahlreichen Verfahrensschritte und der zugehörigen umfangrei
chen Vorrichtung ist der Aufwand zur Erzielung einer betriebs
sicheren Verschleißfestigkeit des Nockens sehr hoch und damit
kostspielig.A generic method is for example from DE 198
36 247 A1 known. It turns a cam from a steel mill
fabric heat-treated and surface hardened, whereby the
Cam completely sets with a martensitic structure
very high residual compressive stresses in the thin surface layer, where
is given by a high wear resistance. Due to the
numerous process steps and the associated extensive
Chen device is the effort to achieve an operating
safe wear resistance of the cam very high and thus
expensive.
Des weiteren ist aus dem allgemeinen Stand der Technik ein so
genanntes bainitisches Vergüten bekannt, bei dem zum Unter
schied zum martensitischen Vergüten der Nockenwerkstoff nicht
sofort von der Härtetemperatur auf die Raum- bzw. Umgebungstem
peratur abgeschreckt wird, sondern erst nur auf eine Temperatur
oberhalb der Martensitstarttemperatur Ms. Dabei entstehen Kar
bide und ein martensitähnliches Zwischengefüge, der Bainit.
Erst dann wird nach vollständiger Umwandlung der bainitisierte
Nockenwerkstoff von der oberhalb von Ms gehaltenen Temperatur
auf Raumtemperatur gebracht. Ensteht der Bainit bei höheren
Haltetemperaturen erfolgt die Umwandlung schneller als bei tie
feren Haltetemperaturen nahe Ms. Der untere Bainit besitzt je
doch eine höhere Härte als der obere, was wiederum für die Ver
schleißfestigkeit günstiger ist. Der erreichte Härtegrad von
etwa 52 HRC reicht jedoch für einen betriebssicheren Nockenein
satz nicht aus. Hierbei besteht die Forderung der Erreichung
von 58+6 HRC. Die Härte von 52 HRC läßt sich durch ein Erhöhen
der Härtetemparatur steigern, was jedoch zu Prozeßlängen (ca.
20 Stunden) führt, die für einen effizienten Großserieneinsatz
indiskutabel sind.Furthermore, a so-called bainitic quenching is known from the general prior art, in which, in contrast to the martensitic quenching, the cam material is not immediately quenched from the hardening temperature to the room or ambient temperature, but only to a temperature above that Martensite start temperature M s . This creates carbides and a martensite-like intermediate structure, bainite. Only then is the bainitized cam material brought from the temperature held above M s to room temperature after complete conversion. If the bainite occurs at higher holding temperatures, the conversion takes place faster than at lower holding temperatures close to M s . The lower bainite has a higher hardness than the upper one, which in turn is more favorable for wear resistance. The degree of hardness of around 52 HRC achieved, however, is not sufficient for reliable cam use. There is a requirement to achieve 58 + 6 HRC. The hardness of 52 HRC can be increased by increasing the hardness temperature, which, however, leads to process lengths (approx. 20 hours) which are out of the question for an efficient use in large series.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes
Verfahren dahingehend weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln
ein im Fahrzeugbetrieb verschleißfester Nocken großserientaug
lich hergestellt werden kann.The invention has for its object a generic
To further develop methods so that with simple means
a wear-resistant cam suitable for large-scale production in vehicle operation
Lich can be manufactured.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patent
anspruches 1 gelöst.The object of the invention is through the features of the patent
Claim 1 solved.
Dank der Erfindung erfolgt gegenüber den bisherigen bekannten
Verfahren keine vollständige bainitische Umwandlung, wobei die
Umwandlung von Austenit in Bainit und Martensit mehr als 80%
beträgt. Der Restaustenitgehalt nach erfolgter Abschreckung in
Wasser beträgt weniger als 10%. Aufgrund der speziellen Pro
zeßführung ist der Restaustenitgehalt so gering, daß eine mit
einer Volumenzunahme verbundene verformungsinduzierte Umwand
lung des Austenits in Martensit nicht bzw. in nur so geringem
Maße stattfindet, daß ein Wachsen des Nocken ausbleibt. Hierbei
ist die Umsetzungszeit des Nockens aus dem Härteofen in das
Kühlbad ganz entscheidend, da bei einem zu langsamen Umsetzen
Gefügebestandteile auftreten, die den Anteil an Restaustenit
vergrößern und damit ein Wachsen des Nockens begünstigen. Auf
grund der Abkühlung bis nahe oberhalb der Martensitstarttempe
ratur und dem Halten dieser gehobenen Temperatur über die er
findungsgemäß bezeichnete Zeitspanne wird einerseits gewährlei
stet, daß die Härte (58+6 HRC) ausreichend hoch wird und ande
rerseits die Prozeßzeit in für den Großserieneinsatz des so
wärmebehandelten Nockens geeignetem Rahmen liegt. Dazu ist zu
beachten, daß die Temperatur nicht allzu nahe an der Marten
sitstarttemperatur liegt, da dann die Umwandlungszeiten des Ge
füges in Bainit sich stark verlängern und sogar martensitische
Aushärtungen entstehen können. Aufgrund der relativ einfachen
Temperaturführung sind lediglich zwei Kühlbäder notwendig, zum
einen das Bad für die Abkühlung auf eine Temperatur oberhalb
der Martensitstarttemperatur und zum anderen das Bad für die
Abschreckung auf Umgebungstemperatur, so daß auch der apparati
ve Aufwand für die Wärmebehandlung relativ gering und daher für
den Großserieneinsatz sehr günstig ist. Den Abschluß bildet
dann die Abschreckung des heißen Nockens, bei der dann das un
vollständig umgewandelte Bainitgefüge eingefroren wird, so daß
keine unerwünschten Umwandlungen in andere Gefügearten mehr
auftreten können. Aufgrund des erzielten Gefüges werden für den
Nocken geringe Zugeigenspannungen und eine damit verbundene ho
he langzeithaltbare Verschleißfestigkeit erreicht. Gerade die
niedrigen Zugeigenspannungen ermöglichen bei der Herstellung
einer gebauten Nockenwelle ein rißbeständiges und prozeßsiche
res Aufbringen des Nockens auf eine Hohlwelle, insbesondere
beim Fügevorgang mittels fluidischem Innenhochdruck.Thanks to the invention compared to the previous known
Process does not complete bainitic transformation, the
Conversion of austenite to bainite and martensite more than 80%
is. The residual austenite content after quenching in
Water is less than 10%. Because of the special pro
zeßführung the residual austenite content is so low that a
a deformation-induced transformation associated with an increase in volume
Austenite does not form in martensite or only so slightly
Dimensions takes place that the cam does not grow. Here
is the conversion time of the cam from the hardening furnace into the
Cooling bath is crucial, because if it is moved too slowly
Structural components occur, the proportion of residual austenite
enlarge and thus promote a growth of the cam. On
due to the cooling down to just above the martensite start temperature
rature and maintaining this elevated temperature above it
time period designated according to the invention is on the one hand guaranteed
Continues that the hardness (58 + 6 HRC) becomes sufficiently high and others
on the other hand, the process time in for the large-scale use of the so
heat-treated cam suitable frame. This is too
note that the temperature is not too close to the Marten
sit start temperature is then the conversion times of the Ge
joining in bainite is greatly elongated and even martensitic
Curing can occur. Because of the relatively simple
Temperature control is only necessary for two cooling baths
one the bath for cooling down to a temperature above
the martensite start temperature and secondly the bathroom for the
Deterrence to ambient temperature, so that the apparatus
ve effort for heat treatment relatively low and therefore for
mass production is very cheap. The conclusion is
then the deterrent of the hot cam, in which the un
completely transformed bainite structure is frozen so that
no more unwanted conversions to other types of structure
may occur. Due to the structure achieved for the
Cam low tensile residual stresses and a related ho
he long-term wear resistance achieved. Just that
allow low tensile residual stresses during manufacture
a built camshaft is crack-resistant and reliable
res application of the cam on a hollow shaft, in particular
during the joining process using fluidic high pressure.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran
sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung anhand
eines in einem vereinfachten ZTU-Diagramm (Zeit-Temperatur-
Umwandlungsdiagramm) schematisch dargestellten Ausführungsbei
spieles eines erfindungsgemäß hergestellten Nockens nachfolgend
näher erläutert.Appropriate embodiments of the invention can the Unteran
sayings are taken; otherwise the invention is based
one in a simplified ZTU diagram (time-temperature
Conversion diagram) schematically shown execution
game of a cam produced according to the invention below
explained in more detail.
Die Nockenherstellung kann über das kostengünstige und schnelle
Verfahren des Warmpressens oder durch Zerspanen aus dem Vollma
terial, beispielsweise durch Fräsen, erfolgen. Beispiele für
geeignete Nockenwerkstoffe sind 100Cr6, C60, Ck67, C70, die
nach dem Warmpressen des Nockens kontrolliert abgekühlt werden
(BY-Zustand). Die Nocken können auch aus walzharten Stangen
letzterer vier Werkstoffe mittels Zerspanen gefertigt werden.
Beim warmgepreßten Nocken sollten bedarfsweise Materialüberlap
pungen mechanisch entfernt werden, um beim anschließenden
Durchhärten Härterisse zu vermeiden. Der Werkstoff sollte im
Hinblick auf den späteren Fügevorgang des Nockens auf der Hohl
welle eine recht hohe Streckgrenze aufweisen, vorzugsweise grö
ßer als oder gleich 450 N/mm2, so daß gewährleistet ist, daß
sich die Nocken beim Fügen nicht plastisch verformen. Des wei
teren können infolge der dann sehr großen Streckgrenzendiffe
renz zur Hohlwelle, welche beispielsweise aus dem Werkstoff St
37 oder St 52 bestehen kann, hohe Nockenhaftfestigkeiten durch
elastisches Aufspannen des Nockens beim Fügen erzielt werden.The cam production can take place via the inexpensive and fast method of hot pressing or by machining from the solid material, for example by milling. Examples of suitable cam materials are 100Cr6, C60, Ck67, C70, which are cooled in a controlled manner after hot pressing of the cam (BY state). The cams can also be machined from hard-rolled rods of the latter four materials. In the case of hot-pressed cams, material overlaps should be removed mechanically, if necessary, in order to avoid hardening cracks during subsequent hardening. The material should have a very high yield strength with regard to the subsequent joining process of the cam on the hollow shaft, preferably greater than or equal to 450 N / mm 2 , so that it is ensured that the cams do not deform plastically when joining. Furthermore, due to the then very large yield point difference to the hollow shaft, which can consist, for example, of material St 37 or St 52 , high cam strengths can be achieved by elastic clamping of the cam when joining.
Gemäß der Figur wird der Nocken, der hier beispielhaft aus
100Cr6 bestehen soll, im Härteofen auf eine Härtetemperatur Ht
von 800-880°C, vorzugsweise auf 840°C gebracht. Höhere Härte
temperaturen würden die Prozeßzeiten zu sehr in die Länge zie
hen. Anschließend wird aus erwähnten Gründen der Nocken aus der
Ofenhitze innerhalb 10 Sekunden in ein Bad, vorzugsweise Salz
bad, umgesetzt, in dem der Nocken auf eine im Bereich zwischen
200-250°C, vorzugsweise bei 220°C liegende Temperatur abgekühlt
wird (Abkühlbereich 1). Diese Temperatur liegt etwas über der
Martensitstarttemperatur Ms, wobei entdeckt wurde, daß der für
100Cr6 bislang gültige Literaturwert von 240°C einer Korrektur
bedarf, da nach eingehenden Versuchen eine Starttemperatur von
unter 200°C ermittelt wurde. Höhere Badtemperaturen verringern
in unerwünschter Weise die Härte, niedrigere Temperaturen ver
längern die Umwandlungszeiten und führen zu einer martensiti
schen Härtung. Im Salzbad wird der Nocken auf einer Temperatur
von 220°C zwischen 1,5 und 2,5 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden
gehalten (Haltebereich 2), wobei in diesem Zeitraum die baini
tische Umwandlung einsetzt und zwar nach 120 Minuten minus 10
Sekunden (Umwandlungsbereich 3). Schließlich wird nach dieser
Zeit der Nocken in Wasser, alternativ in Öl oder in einem kal
ten Medium, wie flüssigem Stickstoff auf Umgebungstemperatur
innerhalb von weniger als 3 Sekunden abgeschreckt (Abschreckbe
reich 4). Die linke Parabel zeigt den Zeitpunkt von 1% umge
wandeltem Gefüge an, die rechte den von 99% an.According to the figure, the cam, which here is to consist of 100Cr6, is brought to a hardening temperature Ht of 800-880 ° C., preferably 840 ° C., in the hardening furnace. Higher hardness temperatures would lengthen the process times too much. Then, for the reasons mentioned, the cam is converted from the furnace heat into a bath, preferably a salt bath, within 10 seconds, in which the cam is cooled to a temperature in the range between 200-250 ° C., preferably at 220 ° C. (cooling area 1 ). This temperature is slightly higher than the martensite start temperature M s , whereby it was discovered that the literature value of 240 ° C, which was previously valid for 100Cr6, needs to be corrected, since a start temperature of less than 200 ° C was determined after extensive tests. Higher bath temperatures undesirably reduce the hardness, lower temperatures prolong the conversion times and lead to a martensitic hardening. In the salt bath, the cam is held at a temperature of 220 ° C. for between 1.5 and 2.5 hours, preferably 2 hours (holding area 2 ), during which time the bainical conversion starts, namely after 120 minutes minus 10 seconds (conversion area 3 ). Finally, after this time the cam is quenched in water, alternatively in oil or in a cold medium, such as liquid nitrogen, to ambient temperature within less than 3 seconds (quench area 4 ). The left parabola shows the point in time of 1% transformed structure, the right one shows that of 99%.
Nach dem geschilderten Wärmebehandlungsverfahren erfolgt der
Fügevorgang des Nockens auf einer Hohlwelle. Hohe Nockenhaftfe
stigkeiten sind bei gegebener Nockengeometrie (Dicke und Boh
rungsdurchmesser) durch die maximal einstellbaren Fügespannun
gen im Nockengrundkreis gegeben. Die Höhe der Fügespannungen
ergibt sich bei rein kraftschlüssigen Verbindungen oder bei
Verbindungen mit kraftschlüssigen Anteilen durch die Überdec
kung zwischen der Nockenbohrung und dem Außendurchmesser der
Hohlwelle und sollten möglichst größer als 200 N/mm2 sein. Die
entsprechenden Fügetechniken dazu sind das axiale Aufpressen
des Nockens auf die Hohlwelle nach einer stark Aufrauhung der
Hohlwellenoberfläche mit Erzielung eines formschlüssigen Preß
sitzes an der Stelle der Aufrauhung oder durch thermisches Auf
schrumpfen des Nockens auf die Hohlwelle. Auch die Kreiskeil
verbindung durch Aufdrehen des Nockens auf die Hohlwelle ist
denkbar. Um einen betriebssicheren Fügeverbund zu erhalten, ist
der Einsatz der Innenhochdruckumformtechnik zu bevorzugen.
Hierbei wird nämlich ohne Wärmeentwicklung hervorzurufen die
Hohlwelle plastisch aufgeweitet, wobei der Nocken sich ela
stisch verformt und nach Entspannen des Fluidhochdruckes atif
die Hohlwelle zurückfedert und auf dieser einen extrem haltba
ren verdrehsicheren Sitz ausbildet. Die Höhe der Fügespannungen
wird bei diesem Verfahren zusätzlich durch den Aufweitungs
druck, mit dem die Hohlwelle in der Nockenbohrung plastisch
aufgeweitet wird, bestimmt.According to the heat treatment process described, the cam is joined on a hollow shaft. Given the geometry of the cam (thickness and bore diameter), the high cam strengths are given by the maximum adjustable joining stresses in the cam base circle. The level of the joining stresses results in the case of purely non-positive connections or in the case of connections with non-positive components by the covering between the cam bore and the outer diameter of the hollow shaft and should be greater than 200 N / mm 2 if possible. The corresponding joining techniques for this are the axial pressing of the cam onto the hollow shaft after roughening the surface of the hollow shaft with a positive fit at the point of roughening or by thermally shrinking the cam onto the hollow shaft. The circular wedge connection by unscrewing the cam on the hollow shaft is also conceivable. In order to obtain a reliable joining system, the use of hydroforming technology is preferred. This is because the hollow shaft is plastically expanded without generating heat, the cam deforming ela stically and springing back after relaxing the high-pressure fluid atif, the hollow shaft and forming an extremely durable, twist-proof seat. In this method, the level of the joining stresses is additionally determined by the expansion pressure with which the hollow shaft is plastically expanded in the cam bore.