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Die Erfindung betrifft ein Sinterbauteil aus einer pulvermetallurgischen Legierung, insbesondere einen Sinternocken für eine gebaute Nockenwelle. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für ein solches Sinterbauteil, insbesondere einen Sinternocken. Außerdem betrifft die Erfindung eine gebaute Nockenwelle mit Sinterbauteilen, insbesondere Sinternocken.
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Aus dem Stand der Technik ist bekannt, Kettenräder im Sinterverfahren mit verdichteter Oberfläche für Nockenwellenversteller herzustellen, ferner existieren gebaute Nockenwellen mit Sinternocken mit gehärteter Oberfläche. Solche Sinternocken sind beispielsweise aus der
DE 37 27 571 A1 ,
DE 100 31 960 A1 und
DE 39 42 091 C1 bzw.
EP 435 019 131 bekannt.
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In der
DE 37 27 571 A1 ist die Problematik der Verschleißfestigkeit, der Gleichförmigkeit sowie der Schleifbarkeit von pulvermetallurgisch hergestellten und auf eine Welle aufgeschobenen Nocken adressiert. Dort ist ein Herstellungsverfahren beschrieben, bei dem legierte Eisenpulver, Graphitpulver und Gleitmittel enthaltende Pulvergemische zu Nocken verpresst, die Nocken knapp oberhalb der Solidus-Temperatur gesintert und unterhalb der Solidus-Temperatur auf wenigstens 99% der theoretischen Dichte verdichtet werden. Die Nocken haben über ihr gesamtes Volumen ein konstantes Elastizitätsmodul und sind gut schleifbar. Diese Nocken für Nockenwellen enthalten 97,3% handelsübliches legiertes Eisenpulver mit 3% Chrom, 0,35% Mangan, 0,40% Molybdän, 0,25% Vanadium, 2,5% Graphit und 0,3% Amidwachs als Gleitmittel.
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Die
DE 100 31 960 A1 beschreibt ein pulvermetallurgisch hergestelltes Press-Sinter-Formteil, insbesondere einen Nocken oder Tragring für Nockenwellen für Verbrennungsmotoren, mit hoher Temperatur- und Verschleißfestigkeit, mit der folgenden Zusammensetzung nach Gewicht: 0,5% bis 2,0% C; 5,0% bis 16% Mo; 0,2% bis 1,0% P; 0,1% bis 1,4% Mn; 0% bis 5% Cr; 0% bis 5% S; 0% bis 7% W; 0% bis 3% V; weniger als 2% andere Elemente und zur Ergänzung auf 100 Gew.-% Fe.
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Die
EP 0 435 019 B1 und die
DE 39 42 091 C1 beschreiben einen Nocken aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung für eine gebaute Nockenwelle für Verbrennungskraftmaschinen, wobei die Legierung eine gehärtete Matrix mit eingelagertem Kupfer aufweist. Diese Legierung besteht aus 0,5 bis 16 Gew.-% Molybdän, 1 bis 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und gegebenenfalls aus Beimengungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nickel von in der Summe max. 5 Gew.-%, und aus dem Rest Eisen, wobei das Eisen-Molybdän-Pulver vorlegiert ist. Diese Legierung soll den Belastungen, die zu Abrasion, Adhäsion und Pittingbildung der Nocken führen können, gewachsen sein. Das elementar vorliegende Kupfer in der Legierung soll dem Nocken als Feststoffschmierstoff Notlaufeigenschaften verleihen, die für den Einsatz mit wechselnder Schmierung wesentlich sind.
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Generell hat sich bei Untersuchungen in Rahmen der Serienentwicklung von Nockenwellen gezeigt, dass es bei hohen Belastungen des Ventiltriebs zu Ermüdungsversagen der Sinternockenoberflächen kommen kann. Dieses Oberflächenversagen, auch Grübchenbildung oder Graufleckigkeit der Nockenlaufbahn genannt, hat zur Folge, dass bei hoher Beanspruchung der Nocken die Soll-Lebensdauer nicht erfüllt wird bzw. es in einigen Fällen sogar zum Totalausfall des Ventiltriebs kommen kann.
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Ausgehend von dem oben beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Sinterbauteil, insbesondere einen Sinternocken, bereitzustellen, das eine erhöhte Oberflächenhärte aufweist und somit eine höhere Hertzsche Pressung ertragen kann, so dass eine erhöhte Dauerhaltbarkeit erreicht werden kann. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sinterbauteils zur Verfügung gestellt werden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Sinterbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Ferner wird durch die Merkmale des Anspruchs 9 eine kostengünstig herzustellende gebaute Nockenwelle offenbart, die Sinterbauteile, insbesondere Sinternocken, mit erhöhter Haltbarkeit umfasst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.
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Danach ist das Sinterbauteil aus einer pulvermetallurgisch hergestellten Legierung hergestellt und ist in zumindest einem Bereich seiner Oberfläche gehärtet und zusätzlich verdichtet, weist also in diesem Oberflächenabschnitt (oder auch auf der gesamten Oberfläche) eine Randschichtverdichtung auf und ist in diesem Oberflächenabschnitt zugleich gehärtet.
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Sinterbauteile werden typischerweise im Zuge ihrer Herstellung einer Kalibrierung unterzogen, durch die eine gewisse Randschichtverdichtung eintritt. Zusätzlich zu (bzw. anstelle) dieser standardmäßig durchgeführten Kalibrierung wird das erfindungsgemäße Sinterbauteil einer zusätzlichen/alternativen Randschichtverdichtung unterzogen, die zumindest in einem ausgewählten Oberflächenabschnitt, dem sogenannten Verdichtungsbereich, eine stärkere Materialverdichtung bewirkt. Diese zusätzliche Randschichtverdichtung kann beispielsweise durch Kugelstrahlen, Druckrollen, Festwalzen etc. erfolgen. Dabei entsteht in dem Verdichtungsbereich eine Randschicht, die eine hohe lokale Materialdichte aufweist und demnach einer hohen Hertzschen Pressung standhalten kann.
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Anschließend wird die Oberfläche des Sinterbauteils in einem Härtungsbereich gehärtet. Vorzugsweise wird die Oberfläche nitriert und/oder einsatzgehärtet, induktionsgehärtet, lasergehärtet, elektronenstrahlgehärtet und/oder durch eine Kombination dieser Verfahren behandelt. Der Härtungsbereich überlappt mit dem Verdichtungsbereich, in dem die oben beschriebene Randschichtverdichtung durchgeführt wurde. Durch das mechanische Verdichten und anschließende Härten wird in diesem Überlappungsbereich des Verdichtungs- und des Härtungsbereiches die Festigkeit des Sinterbauteils und die Widerstandskraft gegenüber Hertzscher Pressung weiter erhöht.
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Je nach Anwendungsfall kann die Schichtdicke der Verdichtungsschicht kleiner oder größer sein als die Schichtdicke der Härtungsschicht. Erfindungsgemäße Sinterbauteile mit verdichteten und gehärteten, insbesondere nitrierten, Oberflächenbereichen erfüllen hohe Anforderungen bezüglich ihrer Härte und Hertzscher Pressung und können werkzeugfallend in geometrisch genaue Formen mit minimalen bzw. ohne Aufmaß hergestellt werden. Die Bauteilherstellung kann somit quasi in einem Arbeitsschritt erfolgen, ohne dass eine weitere Bearbeitung der Oberfläche nachfolgen muss. Das Sinterbauteil weist eine hohe Maßhaltigkeit und prozesssicher reproduzierbare Toleranzen auf und ist damit großserientauglich herstellbar.
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Vorteilhafterweise wird das Sinterbauteil aus einer pulvermetallurgisch hergestellten Eisenlegierung hergestellt, die 0,4 bis 16 Gew.-% Molybdän, 1 bis 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff und zumindest ein Element aus der Gruppe umfassend Chrom, Mangan, Silizium und Nickel, Vanadium, Phosphor, Schwefel, Phosphor, Wolfram, und als Rest bis zur Ergänzung auf 100 Gewichtsprozent Eisen enthält. Vorzugsweise erfolgt die Härtung durch Nitrieren. Durch die Auswahl geeigneter nitridbildender Elemente wie Chrom oder Molybdän kann die Härte der Nitrierschicht insgesamt noch gesteigert werden.
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Durch die erhöhte Oberflächenhärte, die Standfestigkeit gegenüber hoher Hertzscher Pressung und der damit verbundenen erhöhten Dauerhaltbarkeit können die erfindungsgemäßen Sinterbauteile insbesondere als Nocken für eine gebaute Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine eingesetzt werden, wobei der Überlappungsbereich, in dem sowohl eine Randschichtverdichtung als auch eine Härtung durchgeführt wurde, im Bereich der die Nockenlauffläche liegt und die gesamte Funktionsfläche oder nur besonders stark beanspruchte Bereiche (z. B. im Bereich der Nockennase) umfassen kann.
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Bei einem solchen Sinternocken kann es sich insbesondere um einen Ventiltriebsnocken, einen Hochdruckpumpennocken oder einen Bundnocken mit Axiallagerfunktion für eine gebaute Nockenwelle mit Ventilsteuerung mit einem bestimmten (feststehenden) Ventilhub handeln. Eine gebaute Nockenwelle mit Ventilsteuerung mit feststehendem Ventilhub kann weiterhin Wälzlagergrundkörper, Anbindungsgeometrien für Nockenwellenversteller und Nebenantrieb aufweisen, die als Sinterbauteile ausgestaltet sind.
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Weiterhin kann der Sinternocken ein Nockenwellenstück, ein Ventiltriebsnocken und/oder ein Hochdruckpumpennocken einer gebauten Nockenwelle mit variablem Ventilhub durch Umschaltung sein. Diese gebaute Nockenwelle kann ebenso Wälzlagergrundkörper, Anbindungsgeometrien für Nockenwellenversteller und Nebenantrieb aufweisen, die als Sinterbauteile ausgestaltet sind.
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Eine erfindungsgemäße Ausführungsform einer gebauten Nockenwelle für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst Nocken und einen Wellenkörper, die getrennt gefertigt und dauerfest gefügt sind, wobei die Nockenwelle erfindungsgemäße Sinterbauteile mit verdichteter, nitrierter und/oder gehärteter Oberfläche umfasst. Insbesondere können die Nocken der Nockenwelle als Sinterbauteile ausgestaltet sein. Mit den erfindungsgemäßen Sinterbauteilen lassen sich daher sowohl gebaute Nockenwellen mit einem feststehenden Ventilhub als auch Nockenwellen mit einem umschaltbaren variablen Ventilhub realisieren; durch Verwendung der erfindungsgemäßen Sinterbauteile können diese Nockenwellen in ausgewählten Bereichen, insbesondere im Bereich ihrer Funktionsflächen, hohe Anforderungen bezüglich ihrer Härte und ihrer Festigkeit gegenüber Hertzscher Pressung erfüllen und dennoch kostengünstig gefertigt werden.
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Die verdichteten und gehärteten Oberflächenbereiche der Sinterbauteile, beispielsweise der Nocken, erhöhen die Verschleißfestigkeit und reduzieren die Notwendigkeit einer (Nach-)Bearbeitung bzw. (Nach-)Behandlung der fertig gefügten Nockenwelle. Die Sinterbauteile können daher mit minimalem bzw. keinem Aufmaß gefertigt und genügen dennoch den entsprechenden Anforderungen in Bezug auf Härte und Hertzsche Pressung. Auf diese Weise kann der Nachbearbeitungsaufwand der Nockenwelle erheblich reduziert werden.
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Diese und weitere Vorteile werden durch die nachfolgende Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren dargelegt. Der Bezug auf die Figuren in der Beschreibung dient der Unterstützung der Beschreibung und dem erleichterten Verständnis des Gegenstands. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
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1a eine perspektivische Ansicht eines gesinterten Ventiltriebsnocken mit erfindungsgemäß verdichteter, nitrierter und gehärteter Nockenlauffläche;
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1b eine perspektivische Teilschnittansicht des in 1a markierten Ausschnitts in einer ersten Ausgestaltung;
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1c eine perspektivische Teilschnittansicht des in 1a markierten Ausschnitts in einer alternativen Ausgestaltung.
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Die Lebensdauer eines Nockens einer Nockenwelle in einer Verbrennungsmaschine hängt von dem Verschleiß zwischen Nocken und Nockenfolgern ab und ist im Wesentlichen in Fressverschleiß und Ermüdungsverschleiß einzuteilen. Fressverschleiß tritt bei unzureichender Trennung der Laufpartner durch Schmiermittel auf: Der dabei entstehende direkte Kontakt der Metalloberflächen (Mischreibung, Trockenreibung) fördert die Mikroverschweißungen der Rauheitsspitzen, wodurch die Rauheit der Oberfläche vergrößert wird. Dies wiederum beschleunigt den Vorgang weiter und führt zum Fressverschleiß.
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Ermüdungsverschleiß hingegen entsteht durch lokale Überlastung des Werkstoffs durch periodische Druckbeanspruchung. Es entstehen Risse im Oberflächenbereich, die zu Materialausbrüchen führen, dem so genannten Pitting bzw. Grübchenbildung.
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Die Art der Herstellung der Nockenwelle richtet sich nach der Bauart des Motors und den daraus resultierenden Belastungen. Die Herstellung der Nockenform erfordert eine hohe Präzision, die üblicherweise durch Schleifen erreicht wird. Anspruchsvolle Nockenformen können dabei CNC-Schleifmaschinen mit bis zu fünf Achsen erfordern.
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Früher wurden Nockenwellen in einem Stück gegossen oder geschmiedet, danach spanend bearbeitet und partiell gehärtet. Heute werden aus verschiedenen Werkstoffen zusammengesetzte, sogenannte „gebaute” Nockenwellen eingesetzt. Die Nocken einer gebauten Nockenwelle werden getrennt vom Wellenkörper gefertigt und anschließend durch ein Fügeverfahren dauertest durch Reibschluss oder Formschluss mit dem Wellenkörper verbunden. Die getrennte Herstellung der Nocken und der Welle für die Nockenwelle erlaubt somit eine der Funktionen und Beanspruchung angepasste Wahl von Werkstoff, Fertigungsverfahren und Wärmebehandlung. Vorteile gebauter Nockenwellen sind geringere Kosten, niedrigeres Gewicht, höherfeste Werkstoffe für die Nocken wie beispielsweise gehärteter Kugellagerstahl, höhere Flexibilität in der Fertigung, aber auch neue Nockengeometrien wie etwa negative Radien der Nocken, können einfacher umgesetzt werden.
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Die Hertzsche Pressung ist ein wichtiger Parameter zur Beurteilung der Beanspruchung von Nocken und Nockenfolgern. Sie wird maßgeblich durch die Nockenform und die Nockenbreite bestimmt. Insbesondere der Krümmungsradius der Nockenlauffläche hat einen großen Einfluss auf Flächenpressung und spielt eine wichtige Rolle bei der Auswahl des Nockenwerkstoffs und Herstellungsverfahrens. Die Nockenbreite wird im Wesentlichen durch die Flächenpressung zwischen Nocken und Stößel bestimmt. Da diese beiden Elemente unter großer Flächenpressung aufeinander gleiten, ist die Werkstoffpaarung vor allem hinsichtlich des Fressverschleißes wichtig.
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1a zeigt als erfindungsgemäßes Sinterbauteil 1 einen Ventiltriebnocken 1, der an seiner Nockenlauffläche 2 im Bereich einer Nockennase 4 eine Verdichtungsschicht 2a und eine Härtungsschicht 2b aufweist, wie aus der Detailansicht in 1b zu erkennen ist. Dabei hat die Verdichtungsschicht 2a eine geringere Schichtdicke d als die Härtungsschicht 2b. Die Verdichtung erstreckt sich über einen Verdichtungsbereich 3a um die Nockennase 4 herum, während die Härtung sich über einen Härtungsbereich 3b erstreckt, der die gesamte Nockenlauffläche 2 überspannt. Verdichtungsbereich 3a und Härtungsbereich 3b stimmen somit nicht überein, weisen jedoch einen Überlappungsbereich 5 auf, in dem das Sinterbauteil 1 sowohl verdichtet als auch gehärtet ist und daher eine besonders hohe Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Hertzscher Pressung aufweist. Im Falle eines Ventiltriebnockens 1 der 1 erstreckt sich dieser Überlappungsbereich 5 über den besonders stark belasteten Nasenbereich 4 der Nockenlauffläche 2.
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Die Verdichtungsschicht 2a kann insbesondere durch Kugelstrahlen und/oder Druckrollen und/oder Festwalzen etc. erzeugt werden. Die Härtungsschicht 2b kann durch Nitrieren und/oder Laserhärten und/oder Elektronenstrahlhärten und/oder Einsatzhärtung etc. erzeugt werden.
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Die Hartungsschicht 2b, im Oberflächenabschnitt 3b der Nockenlauffläche 2, bewirkt – zusammen mit der Verdichtungsschicht 2a – eine erhöhte (lokale) Verschleiß- und Korrosionsresistenz des Sinterbauteils 1 in dem Überlappungsbereich 5. Durch ein Nitrieren des Härtungsbereich 3b kann auch das Festigkeitsverhalten optimiert werden. Generell besteht die Nitrierschicht aus einer Verbindungsschicht und einer Diffusionsschicht. Vor allem die Verbindungsschicht bewirkt die Optimierung der Verschleißeigenschaften, wobei Aufbau und Dicke dieser Verbindungsschicht durch Zeit und Temperatur der Behandlung sowie durch die chemische Wirksamkeit der Behandlungsatmosphäre bestimmt werden. Durch nitridbildende Elemente wie Chrom, Aluminium oder Molybdän kann die Härte der Nitrierschicht insgesamt noch gesteigert werden.
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Damit das Sinterbauteil 1 aus Eisenwerkstoff optimal nitriert werden kann, muss die Oberfläche des Bauteils metallisch blank, sauber, trocken und frei von passivierenden Rückständen sein. Andernfalls stellen insbesondere oxidierte Oberflächenbereiche oder eine Porosität des Bauteils Probleme für eine optimale Nitrierbarkeit des Bauteils dar. So sind insbesondere porenarme Verbindungsschichten für ein optimales Verschleißverhalten wichtig. Dazu wird das erfindungsgemäße Sinterbauteil vor der Nitrierung an der Oberfläche verdichtet. Die Nitridbildner Chrom, Aluminium oder Molybdän, mittels derer sich beim Nitrieren signifikant höhere Randhärten einstellen lassen, müssen im gelösten Zustand vorliegen, um das Härtesteigerungsvermögen voll auszuschöpfen.
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Die pulvermetallurgisch hergestellte Legierung des Sinterbauteils 1 kann eine gängige Zusammensetzung für einen zur Herstellung von Sinternocken geeigneten Eisenwerkstoff aufweisen. Eine beispielhafte Eisenwerkstoffzusammensetzung umfass 0,4 bis 16 Gew.-Molybdän, 1 bis 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 2,5 Gew.-% Kohlenstoff und zumindest ein Element aus der Gruppe Chrom, Mangan, Silizium und Nickel, Vanadium, Phosphor, Schwefel, Phosphor, Wolfram und den Rest Eisen.
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Neben dem in 1a skizzierten Ventiltriebnocken 1 für eine gebaute Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine kann das Sinterbauteil auch ein anderer Nocken wie ein Hochdruckpumpennocken oder ein Bundnocken mit Axiallagerfunktion sein. Ebenso können Nockenwellenstücke für die gebaute Nockenwelle durch Sinterbauteile mit verdichteter, nitrierter und/oder gehärteter Oberfläche gebildet werden.
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Während 1b einen Ausschnitt eines Sinterbauteils 1 zeigt, bei dem im Überlappungsbereich 5 die Dicke der Härtungsschicht 2b größer ist als die Dicke d der Verdichtungsschicht, können die Parameter beim Randschichtverdichten und Härten auch in einer solchen Weise eingestellt werden, dass die Verdichtungsschicht 2a' eine größere Schichtdicke d' hat als die Härtungsschicht 2b'; dies ist in 1c dargestellt.
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Eine erfindungsgemäß gebaute Nockenwelle für eine Verbrennungskraftmaschine mit Nocken und Wellenkörper umfasst erfindungsgemäße Sinterbauteile 1, insbesondere Sinternocken, wobei die Nocken und Wellenkörper getrennt gefertigt und dauerfest gefügt werden. Generell weist die gebaute Nockenwelle einen Wälzlagergrundkörper, der den Wellenkörper bildet, auf, der Anbindungsgeometrien für einen Nockenwellenversteller und einen Nebenantrieb aufweisen kann.
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Die Nockenwelle kann zur Ventilsteuerung eine Nockenwelle mit einem bestimmten feststehenden Ventilhub ausgebildet sein, wobei die Nocken Ventiltriebnocken, Hochdruckpumpennocken und Bundnocken mit Axiallagerfunktion sein können. Alternativ kann die Nockenwelle zur Ventilsteuerung mit einem umschaltbaren variablen Ventilhub ausgebildet sein und Nockenwellenstücke, Ventiltriebnocken und Hochdruckpumpennocken umfassen. Für die Nockenwelle zur Ventilsteuerung mit einem umschaltbaren variablen Ventilhub ist zumindest der Nockenwellenversteller erforderlich.
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Die Nockenwellenverstellung, auch variable Nockenwellensteuerung oder variable Ventilsteuerung dient der Veränderung der Steuerzeiten der Ventilsteuerung von Viertaktmotoren im Betrieb. Durch die Anpassung der Ventilöffnungszeiten wird eine Effizienzsteigerung des Motors, abhängig vom jeweiligen Lastverhalten, ermöglicht, die als Leistungs- und Drehmomentgewinn und als Kraftstoffeinsparung zum Tragen kommen kann. Dabei wird die Nockenwelle selbst nicht verändert, sondern deren Drehwinkel bzw. der Ventilhub. Beispielhaft sei als Versteller ein hydraulischer Phasenversteller genannt, der ein Schwenkmotor ist, der zur Steigerung des übertragbaren Moments mit mehreren Flügeln ausgestattet ist, was den Schwenkwinkel auf 11° bis 35° beschränkt. Dieser Schwenkmotorphasenversteller wird gewöhnlich an den Nockenwellenenden in der Kraftübertragung platziert. Eine weitere Steigerung der Wirkung der Steuerzeitenverstellung kann durch eine Veränderung des Ventilhubes erreicht werden.
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Die erfindungsgemäß gebauten Nockenwellen mit Ventilsteuerung mit bestimmtem feststehendem Ventilhub oder mit variablem Ventilhub durch Umschaltung können ein oder mehrere erfindungsgemäße Sinterbauteile aufweisen.
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Neben der erhöhten Beanspruchung des Sinterbauteils 1 durch die Erhöhung der Härte und der ertragbaren Hertzschen Pressung und der Erhöhung der Verschleißfestigkeit wird die Minimierung der Aufmaße im Rohteil bzw. Verwendung von werkzeugfallenden Geometrien durch Einengung der Form und Lagetoleranzen ermöglicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3727571 A1 [0002, 0003]
- DE 10031960 A1 [0002, 0004]
- DE 3942091 C1 [0002, 0005]
- EP 435019131 [0002]
- EP 0435019 B1 [0005]
