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Hintergrund der Erfindung
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1. Technisches Gebiet
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Pulvermetallurgie. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf gesinterte Gegenstände aus
einer Pulvermetallegierung auf Eisenbasis, die zum Einsatz bei Anwendungen
mit hohem Verschleiß geeignet
sind. Im einzelnen bezieht sich die Erfindung auf gesinterte Gegenstände aus
Pulvermetall auf Eisenbasis, wie Bauteile eines Ventiltriebs, einschließlich Nockenbuckel
und andere Ventilbauteile.
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2. Stand der
Technik
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Der
Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine umfaßt üblicherweise eine oder mehrere
Nockenwellen. Nockenwellen für
kolbengetriebene Brennkraftmaschinen umfassen üblicherweise mehrere Nockenbuckel
mit buckelförmigen
Außenflächen, die
so betätigt
werden, daß sie
Stößelstangen,
Stößel oder
andere bewegliche Teile nach einem präzisen Muster bewegen. Wenn
sich die Nockenwelle dreht, müssen
die Nockenbuckel mit den beweglichen Teilen an geeigneten Stellen
und zum geeigneten Zeitpunkt in Eingriff treten. Daher müssen die
Nockenbuckel an der Nockenwelle in präzisen relativen Axialpositionen
und Winkelausrichtungen angeordnet sein. Nockenwellen und die ihnen
zugeordneten Nockenbuckel sind Beispiele für Bauteile, die Gleitverschleißprozessen
unterliegen. Diese Bauteile wurden mittels maschineller Bearbeitung
aus einem einheitlichen Guß-,
Schmiede- oder Stangenmaterial
hergestellt. In jüngster
Zeit gab es einen Trend zur Verwendung zusammengesetzter Nockenwellen,
um das Gewicht zu reduzieren und Gestaltungsflexibilität bezüglich der Materialauswahl
für die
Hochverschleiß-Flächen und
-Bauteile, wie Nockenbuckel, Lager und andere Bauteile, zu bieten.
Zusammengesetzte Nockenwellen bieten, wie erkannt wurde, eine kostenwirksame
Alternative zu herkömmlichen,
maschinell bearbeiteten Nockenwellen, sowie eine verbesserte Produktqualität und verbesserte
Leistungsmerkmale. Derzeit besteht die Hauptanwendung zusammengesetzter
Nockenwellen in Ventiltrieben mit Schlepphebeln, die eine hohe Zeitfestigkeit
beim Wälzkontakt
erfordern. Bei diesen Anwendungen verwendete Nockenbuckel-Materialien
werden durch Schmieden verschiedener Arten von Guß- oder
Stangen-Rohlingen sowie durch Pulverschmieden und -sintern hergestellt.
Zusammengesetzte Nockenwellen werden typischerweise nicht zur Anwendung
in Ventiltrieben mit gleitenden Nockenstößeln verwendet. Aufgrund der tribologischen
Inkompatibilität
zwischen aktuellen Nockenbuckel-Materialien und dem Stößel-Material (Nocken-Ausgleichsscheibenmaterial)
werden zusammengesetzte Nockenwellen nicht für gleitende Anwendungen eingesetzt.
Diese Inkompatibilität
führt zu
einem Festfressen/Anfressen des Nockenbuckels und des Stößels.
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Bei
Ventiltrieben mit gleitenden Stößeln werden
gegossene Nockenwellen und insbesondere gegossene Nockenwellen,
die unter Verwendung von Hartgußeisen
hergestellt sind, verwendet. Die Überlegenheit von Hartgußeisen (CCI)
gegenüber
anderen Materialien, wie härtbarem
Stahl, zeigte sich bei der Verwendung unter Gleitkontaktbedingungen
bei herkömmlich
gestalteten Ventiltrieben. Die Verwendung von Hartgußeisen-Nockenbuckeln
für Anwendungen
mit zusammengesetzten Nockenwellen wurde zwar in Betracht gezogen,
jedoch aufgrund von Einschränkungen
im Zusammenhang mit der Genauigkeit der gegossenen Nockenbuckel-Bauteile und der
Notwendigkeit der Verwendung relativ teurer sekundärer Bearbeitungsvorgänge, um die
notwendige Maßgenauigkeit
der fertigen Nockenbuckel zu erhalten, jedoch meist nicht eingesetzt.
Die erweiterte Verwendung und Entwicklung von Mehrventilmotoren
erfordert jedoch den Einsatz von Nockenwellen mit größerer Gestaltungsflexibilität, einschließlich einer
zusammengesetzten Nockenwelle mit hoher Verschleißfestigkeit,
im Gegensatz zur in einem Stück
gegossenen Nockenwellengestaltung und einer endkonturnahen Formausbildung
von Präzisionsteilen,
wie Nockenbuckeln.
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Um
diese Anforderungen zu erfüllen,
wurde die Verwendung der Pulvermetalltechnologie für die Herstellung
von Teilen der Nockenwelle aus einer Baugruppe in Betracht gezogen.
Allerdings waren weniger als vollständig dichte Pulvermetallbauteile
(d.h. solche, die nicht zusammen mit der Anwendung von Druck oder der
Verwendung spezieller Sintertechniken gesintert werden, um eine
vollständige
Dichte zu erhalten, wie dem Sintern in flüssiger Phase) nicht in der
Lage, die Verschleißeigenschaften
von Hartgußeisen
zu erzielen. Erfolgreiche Anwendungen von Pulvermetallegierungen
bei gleitenden Anwendungen sind im US-Patent 4,243,414 und im UK-Patent 2,187,757
erwähnt.
Diese Patente lehren die Verwendung hochlegierter Pulvermetallzusammensetzungen,
die mittels Sintern in flüssiger
Phase bis zu annähernd
vollständiger
Dichte gesintert werden. Ein weiteres Beispiel für die berichtete erfolgreiche
Verwendung der Pulvermetalltechnologie bei der Herstellung von Nockenbuckeln
ist in der SAE-Veröffentlichung
Nr. 960302 von Yoshikatsu Nakamura et al. beschrieben, welche die
Verwendung einer in flüssiger
Phase gesinterten Fe-C-P-Ni-Cr-Mo-Legierung lehrt, um eine höhere Beständigkeit
gegen Anfraß und
Fressen zu erhalten. Wie aus den obigen Beispielen ersichtlich ist,
lehrt der Stand der Technik hochlegierte Materialien und spezialisierter
Sintertechniken, wie Sintern in flüssiger Phase, um eine hohe
Verschleißfestigkeit
zu erreichen.
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Das
Legieren mit Chrom aus einem Gemisch von Eisen, einer Eisen-Chrom-Zwischenmetallverbindung
und Kohlenstoff ist in den US-Patenten 3,698,877, 5,476,632 und
5,540,883 offenbart. Das US-Patent 3,698,877 lehrt ein Verfahren
zur Herstellung von Teilen hoher Dichte durch Vermischen von Eisen
mit Kohlenstoff und sprödem
FeCr in einer sogenannten Sigma-Phase. Die US-Patente 5,476,632
und 5,540,883 lehren ein Verfahren zum Formen eines gesinterten
Bauteils durch Vermischen von Kohlenstoff, Eisenchrom-Legierungspulver
und Schmiermittel mit einem verdichtbaren, elementaren Pulver, Pressen
der Mischung zum Ausbilden des Gegenstandes und anschließendes Hochtemperatur-Sintern
des Gegenstandes in einer reduzierenden Atmosphäre oder unter Vakuum. In diesen
Patenten liegt die Betonung auf dem Legieren mit Cr, Mo und Mn durch
Zugabe von elementaren Ferrolegierungen oder Vorlegierungen, um
hohe Festigkeit ohne einen Verlust an Kompressibilität des Pulvergemisches
oder der Formbarkeit des Bauteils im frisch gesinterten Zustand
zu erreichen. Das in diesen Patenten beschriebene Verfahren soll
einen homogenen Cr-Mn-Mo-Stahl durch Hochtemperatur-Feststoffdiffusion
in einem Vakuumofen für
elementare Legierungselemente erzeugen. In den obigen Patenten sind
zwei Hauptgruppen von Legierungen beschrieben: 1) eine Gruppe von
Mn-haltigen Legierungen für
Anwendungen mit hoher Festigkeit (d.h. Fe-Mn-Mo-Cr-C), und 2) eine
Gruppe von Mn-freien Legierungen für hohe Schmiedbarkeit und für Formvorgänge nach
dem Sintern (d.h. Fe-Mo-Cr-C). In beiden Fällen wird vor dem Verdichten
Kohlenstoff in Pulverform zugegeben. Der Kohlenstoff liegt im Bereich
von 0,1 bis 0,6 Gew.-% und reicht nicht zur Bildung von Carbiden
mit den Legierungselementen aus.
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Daher
ist es erwünscht,
gesinterte Pulvermetall-Legierungsmaterialien zu entwickeln, die
zur Herstellung von Nockenbuckeln für Anwendungen mit zusammengesetzten
Nockenwellen sowie für
andere Anwendungen mit hohem Verschleiß einsetzbar sind, endkonturnah
ausgebildet werden können,
keine merklichen Nachbearbeitungs- oder andere Endbearbeitungsvorgänge erfordern
und nicht die Nachteile der Sinterpulver-Legierungsmaterialien aus dem Stand
der Technik aufweisen.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Gesinterte
Pulvermetallgegenstände
auf Eisenbasis gemäß der vorliegenden
Erfindung werden aus einem Pulvergemisch auf Eisenbasis hergestellt,
das, gewichtsbezogen, im wesentlichen aus 0,5 bis 3,0% Mo, 1,0 bis
6,5% Cr, 1,0 bis 5% V, und der Rest aus Eisen und Verunreinigungen
besteht. Ferner ist es bevorzugt, daß die Gegenstände gemäß der vorliegenden
Erfindung aus einem Pulver auf Eisenbasis hergestellt werden, das
insgesamt weniger als 4 Gew.-% Legierungselemente aus der Gruppe,
die aus Mo, Cr und V besteht, und der Rest Eisen und Verunreinigungen
enthält.
Vorzugsweise wird das Mo zu einem Ausgangseisenpulver vorlegiert
und werden das Cr in Form eines kohlenstoffreichen Eisenchrompulvers
und das V in Form eines Eisenvanadiumpulvers zugegeben. Die Gegenstände umfassen
vorzugsweise auch eine Außenfläche und
eine Randschicht, die 0,7 bis 1,2 Gew.-% Kohlenstoff aufweist. Der
Kohlenstoff wird vorzugsweise durch ausreichendes Aufkohlen der
Gegenstände
zugegeben, um die aufgekohlte Randschicht mit einer gewünschten
Tiefe auszubilden. Die Gegenstände
werden vorzugsweise auch noch bearbeitet, z.B. mittels Abschrecken,
um in der Randschicht eine Martensitmatrix auszubilden, die fein
dispergierte Chrom- und Vanadiumcarbide aufweist.
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Die
vorliegende Erfindung umfaßt
Sinterpulvergegenstände
auf Fe-Basis, die aus dem oben beschriebenen niedriglegierten Pulvermaterial
auf Fe-Basis gebildet werden, das wärmebehandelt sein kann, um
eine Außenfläche und
eine Randschicht mit einer Verschleißfestigkeit zu bilden, die
gleich oder größer als
die aus Hartgußeisen
geformter Gegenstände
ist. Die kombinierte Wirkung von Material und Bearbeitung ergibt
aufgrund des Vorliegens feiner Cr- und V-Carbide, die in der harten
Martensit-Mikrostruktur an der Oberfläche und in der Randschicht
dispergiert sind, Gegenstände
mit überlegener
Verschleißfestigkeit
an der Arbeitsfläche.
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Eine
Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, einen gesinterten Pulvermetallgegenstand
auf Fe-Basis mit
einer mittleren Dichte (7,0 bis 7,3 g/cm3)
dadurch herzustellen, daß ein
Gemisch aus einem vorlegierten Fe-Mo-Ausgangspulver mit hoher Verdichtbarkeit,
welches mit kohlenstoffreichem Eisenchrompulver und mit Eisenvanadiumpulver
vermischt ist, verdichtet wird, der Preßling in einer reduzierenden
Atmosphäre
in festem Zustand gesintert wird, ohne die Bildung einer Flüssigphase
für Verdichtungszwecke
zu erfordern, und das frisch gesinterte Bauteil aufgekohlt und abgeschreckt
wird, um eine Oberfläche
und eine Randschicht zu bilden, die Chrom- und Vanadium-Carbide
enthalten, welche aus den vermischten Eisenlegierungen und aus Martensit
durch Abschrecken des mit Molybdän
legierten und aufgekohlten Eisens erhalten werden, wodurch eine
duale Struktur erreicht wird, die eine harte Martensitmatrix mit
einheitlich dispergierten Chrom- und Vanadium-Carbiden umfaßt.
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Es
ist bevorzugt, daß das
Mo zu einem Eisen-Ausgangspulver vorlegiert wird, das Cr zum Schutz
vor Oxidation in Form eines kohlenstoffreichen Eisenchrompulvers
und V in Form eines Eisenvanadiumpulvers zugegeben wird. Beide in
dieser Form zugegebenen Elemente können im Vergleich zum Hochtemperatur-
und Vakuumsintern, die bei Verwendung von sauerstoffreichem, kohlenstoffarmem
Eisenchrom erforderlich sind, bei herkömmlichen Sintertemperaturen
gesintert werden.
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Im
Gegensatz zu den Legierungen aus dem Stand der Technik enthält das zum
Ausbilden von Gegenständen
gemäß dieser
Erfindung verwendete Pulvergemisch auf Eisenbasis mindestens 1%
Chrom und 1% Vanadium und keine Graphitbeimengung zum Bereitstellen
von Kohlenstoff im Sinterschritt. Der Kohlenstoff in der Legierung
wird durch Aufkohlen der gesinterten Gegenstände eingebracht. Um vorzugsweise
Chrom- und Vanadium-Carbide in der Bauteiloberfläche zu bilden, erfolgt eine
Aufkohlung unter Verwendung eines hohen Kohlenstoffpotentials, um
eine Kohlenstoffmenge in die Oberfläche einzubringen, die ausreicht,
um in der Randschicht durchschnittlich 0,7 bis 1,2 Gew.-% C zu bilden.
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Gegenstände nach
der vorliegenden Erfindung weisen eine hohe Verschleißfestigkeit
auf und bieten eine kostenwirksame Alternative zum herkömmlichen
Hartgußeisen
bei Anwendungen mit Gleitverschleiß, wie den Gleitkontakten zwischen
dem breiten Stößel und
dem Nockenbuckel in einem Ventiltriebsystem des Typs I.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Patent- bzw. Anmeldungsakte enthält
mindestens eine in Farbe angefertigte Zeichnung. Kopien dieser Patent-
oder Patentanmeldungsveröffentlichung
mit Farbzeichnung(en) werden vom Amt auf Anfrage und nach Entrichtung
der notwendigen Gebühren
bereitgestellt.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen
sich noch besser würdigen,
wenn sie im Zusammenhang mit der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung
und den beigefügten Zeichnungen
betrachtet werden. Es zeigen:
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1 eine
Perspektivdarstellung einer Nockenwelle nach der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
Perspektivdarstellung eines Nockenbuckels der Nockenwelle aus 1;
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3 eine
Schnittdarstellung entlang dem Schnitt 3-3 in 2;
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4 eine
Vergrößerung des
Bereichs 4 in 3;
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5 eine
optische Mikrophotographie, die bei 200x in einem Oberflächenbereich 5 einer
Sinterpulverlegierung nach der vorliegenden Erfindung aufgenommen
wurde, wie dies in 4 allgemein dargestellt ist;
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6 eine
optische Mikrophotographie, die bei 1000x im Bereich 6 der 5 aufgenommen
wurde, und
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7 eine
optische Mikrophotographie, die bei 200x in einem Kernbereich 7 einer
Sinterpulverlegierung der vorliegenden Erfindung aufgenommen wurde,
wie dies in 4 allgemein dargestellt ist.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
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Ein
Gegenstand gemäß der vorliegenden
Erfindung kann vorzugsweise eine Nockenwelle umfassen, die mindestens
einen und vorzugsweise mehrere Nockenbuckel umfaßt, welche aus einer Sinterpulver-Metallegierung
auf Eisenbasis hergestellt sind, wie dies hier näher beschrieben wird. In 1 ist
eine zusammengesetzte Nockenwelle 10 herkömmlicher
Bauweise gezeigt, die zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine ausgelegt
ist. Die Nockenwelle 10 umfaßt allgemein ein Nockenwellenrohr 12.
Die für
den Motor erforderliche Anzahl von Nockenbuckeln 14 sind
an der Außenfläche des
Nockenwellenrohrs 12 angebracht. Andere Nockenwellen-Bauteile,
wie z.B. ein Zahnrad 16, können an der Außenfläche des
Nockenwellenrohrs 12 angebracht sein. Obwohl hier allgemein
als „Nockenwellenrohr" bezeichnet, muß dieses
zwar typischerweise hohle Element nicht zylindrisch sein und kann
eine beliebige Gesamtform sowie einen gleichförmigen oder nicht-gleichförmigen Querschnitt
aufweisen, die/der zur Aufnahme und zum Drehen der mehreren Nockenbuckel
und anderer Nockenwellenbauteile geeignet ist. Somit wird hier die
Bezeichnung „Nockenwellenrohr" allgemein für das zentrale,
sich drehende Bauteil der Nockenwelle 12, an dem die Nockenbuckel 14 befestigt sind,
verwendet und ist nicht auf eine bestimmte zylindrische oder nicht-zylindrische
Bauweise beschränkt.
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Der
buckelförmige
Bereich 18 jedes Nockenbuckels 14 weist eine vorbestimmte
Nockenform oder ein vorbestimmtes Nockenprofil auf und ist so dimensioniert,
daß er
die Bewegung des/der beweglichen Teils/Teile, mit dem/denen es in
Eingriff steht, genau steuert. Insbesondere sind das Profil des
Nockenbuckels 14 und vor allem die Form und Abmessungen
des buckelförmigen
Bereichs 18 dergestalt, daß bei Drehung des Nockenwellenrohrs 12 die
Bewegung des Nockenbuckels 14 dem beweglichen Teil, mit
dem er in Eingriff steht, eine präzise, kippende oder hin- und
herlaufende Bewegung aufprägt.
In 1 sind die benachbart dem Nockenbuckel 14 dargestellten
beweglichen Teile beispielsweise ein Heber 22 und eine
Stößelstange 24.
Wenn sich die Nockenwelle 10 dreht, wirken die Oberflächenform
und- abmessungen
jedes Nockenbuckels 14 mit ihren verschiedenen Winkel-
und Achsstellungen entlang der Länge
des Nockenwellenrohrs 12 zusammen, um die Stößelstangen 22 des
Motors gemäß einem
gewünschten
Muster und zeitlichen Ablauf in entsprechender Weise zu bewegen.
Diese synchronisierte Bewegung stellt sicher, daß die Einlaß- und Auslaßventile
aller Motorzylinder einwandfrei arbeiten.
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Nockenwellen 10,
bei denen das Nockenwellenrohr 12 und mehrere Nockenbuckel 14 kombiniert
sind, wurden üblicherweise
als einteiliges Bauteil aus Gußeisen
oder Gußstahl
hergestellt, wie dies hier beschrieben wurde. Dies umfaßte die
Verwendung von Hartgußeisen, um
die notwendige Verschleißfestigkeit
der Nockenbuckelprofile zu erhalten. Diese Herstellungsverfahren
sind zeitaufwendig und teuer und ergeben bekanntlich Nockenwellen
mit begrenzter Maßgenauigkeit.
Daher ist typischerweise ein umfangreiches Schleifen und/oder Polieren
erforderlich, um die einzelnen Nockenbuckel und andere Nockenwellenkomponenten
umzuformen sowie Form und Abmessungen der Oberflächen jedes der Bauteile entsprechend
anzupassen. Fehlte eine solche ausgiebige Feinbearbeitung, würden die
Nockenbuckel nicht in einwandfreiem Eingriff mit ihren zugeordneten
beweglichen Teilen stehen. Geschmiedete oder gegossene Nockenwellen
bestehen zwangsläufig
aus Material mit einer im wesentlichen homogenen chemischen Zusammensetzung.
Dies ist insofern ein hinlänglich
bekannter Nachteil, als es erwünscht
sein kann, daß das
Nockenwellenrohr und die Nockenbuckel im wesentlichen unterschiedliche
physikalische Eigenschaften aufweisen, so daß sie der deutlich unterschiedlichen mechanischen
Umgebung, der die verschiedenen Bauteile ausgesetzt sind, optimal
standhalten.
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Gemäß der Erfindung
wird die Nockenwelle 10 durch separate Herstellung des
Nockenwellenrohrs 12 und der Nockenbuckel 14 und
durch anschließendes
Anbringen der Nockenbuckel 14 an der Außenfläche des Nockenwellenrohrs 12 an
gewünschten
Stellen hergestellt. Im Falle der Nockenwelle 10 aus 1 können beispielsweise
einzelne Nockenbuckel 12 mit einer Bauweise, wie sie in 2 allgemein
gezeigt ist, separat gefertigt und dann um das Nockenwellenrohr 12 herum
angeordnet werden. Die Bauteile werden mittels Durchstecken des
Nockenwellenrohrs 12 durch die Bohrung 20 in jedem
Nockenbuckel 14 und anschließendes Befestigen der Nockenbuckel 14 an
der Außenfläche des
Nockenwellenrohrs 12 in gewünschten Achsstellungen und
Winkelausrichtungen zusammengebaut. Dieses Fertigungsverfahren bietet
eine größere Flexibilität gegenüber früheren Verfahren,
und die Materialien, aus denen das Nockenwellenrohr, die Nockenbuckel
und die anderen an der Nockenwelle angebrachten Bauteile gefertigt
sind, können
sich voneinander unterscheiden. Beispielsweise können die Nockenbuckel 14 aus
einem Material gefertigt sein, das besonders beständig gegen
Reibverschleiß,
Wärmebeanspruchung
und durch wiederholten Kontakt bedingte Ermüdung ist, während das Nockenwellenrohr
aus einem weniger teuren Material, wie einem maschinell bearbeiteten
Weichstahl, gefertigt sein kann.
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Erfindungsgemäß ist ein
Gegenstand, wie ein Nockenbuckel 14 zur Verwendung in einer
Nockenwelle 10 einer Brennkraftmaschine, aus einer Sinterpulver-Metallzusammensetzung
auf Fe-Basis gefertigt. Ein aus dieser Zusammensetzung gefertigter
Gegenstand weist eine verbesserte Festigkeit und Verschleißfestigkeit für die Verwendung
bei Hochtemperaturanwendungen mit hohem Verschleiß auf, wie
das obige Nockenbuckelprofil 18, und ist gut für Ventiltriebanwendungen
geeignet, aber nicht auf diese beschränkt. Zusätzlich zu den Festigkeits-
und Verschleißfestigkeitseigenschaften
besitzen Gegenstände,
die aus der erfindungsgemäßen Sinterpulver-Metallzusammensetzung
hergestellt sind, eine hervorragende Maßhaltigkeit, eine gute Bearbeitbarkeit
und die Fähigkeit,
bei relativ niedrigen Sintertemperaturen verarbeitet zu werden,
was sowohl vom Herstellungs- als auch vom Leistungsstandpunkt her
vorteilhaft ist.
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Zusätzlich zu
Nockenbuckeln sind das Material und das Verfahren gemäß der Erfindung
auch bei anderen Gegenständen
anwendbar, bei denen die Eigenschaften gute Festigkeit, Verschleißfestigkeit,
Bearbeitbarkeit und Maßhaltigkeit
in einem Pulvermetallsystem auf Eisenbasis erwünscht sind. Obwohl die Beschreibung
auf Nockenbuckel oder andere zugeordnete Ventiltrieb-Bauteile (allgemein
Ventil-Verschleißteile) gerichtet
ist, versteht es sich dabei, daß die
Erfindung auch bei anderen Bauteilen, die gleiche oder ähnliche Eigenschaften
erfordern, anwendbar ist und zur Anwendung in Betracht kommt.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird ein Gegenstand, der ein Ventilverschleißteil aus
einem gesinterten Pulvermetall auf Eisenbasis umfaßt, wie
z.B. ein Nockenbuckel
14, aus einem Pulvermetallgemisch
auf Eisenbasis hergestellt, das, gewichtsbezogen, im wesentlichen
aus 0,5 bis 3,0% Mo, 1,0 bis 6,5% Chrom, 1,0 bis 5 Vanadium und
der Rest aus Eisen und Verunreinigungen besteht. Tabelle 1 veranschaulicht
den Bereich der Zusammensetzungen der Sintergegenstände sowie
eine bevorzugte Auswahl von Zusammensetzungen innerhalb dieses Bereiches,
die nachfolgend im Hinblick auf Beispiel 1 beschrieben sind. Tabelle
1
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Das
Pulvermetallgemisch auf Eisenbasis wird bis zu einer mittleren Dichte
von etwa 7,0 bis 7,3 g/cm3 zur gewünschten
Größe der Endform
des Ventilverschleißteil-Gegenstandes,
wie z.B. des Nockenbuckels 14, verdichtet. Dann wird der
Gegenstand in einer reduzierenden Atmosphäre oder in Vakuum bei einer
relativ niedrigen Sintertemperatur von etwa 1121 °C (2050°F) bis 1260°C (2300°F) gesintert,
um eine vollständig
gesinterte Struktur zu erreichen. Der Sintergegenstand wird dann
in einer Aufkohlungsumgebung wärmebehandelt,
um einen Kohlenstoffgehalt von etwa 0,7 bis 1,2 Gew.-% C an der
Oberfläche
des gesinterten Legierungsgegenstandes zu erzeugen. Bevorzugt liegt
diese Kohlenstoffkonzentration nicht nur an der Oberfläche des Gegenstandes
vor, sondern erstreckt sich auch bis zu einer Randschichttiefe von
etwa 0,5 bis 1 mm. Das Aufkohlen kann mit jedem geeigneten Aufkohlungsverfahren
durchgeführt
werden, wird vorzugsweise jedoch in einer Aufkohlungsatmosphäre bei einer
Temperatur im Bereich von 954°C
(1750°F)
bis 1037°C
(1900°F) durchgeführt. Vorzugsweise
wird die Aufkohlung auch unter Verwendung eines Kohlenstoffpotentials
durchgeführt,
das höher
als dasjenige ist, welches zum Erhalten der gewünschten Kohlenstoffkonzentration
in der Randschicht erforderlich ist. Es wird davon ausgegangen,
daß dieser
Ansatz die Bildung einer noch größeren Konzentration
von Carbiden an der Fläche 30 des
Gegenstandes fördern
kann. Das Sintern erfolgt vollständig in
festem Zustand und erfordert keine Erzeugung einer flüssigen Phase
bzw. führt
auch nicht zu einer solchen, um eine vollständig dichte Mikrostruktur im
Sintergegenstand mit hervorragender Verschleißfestigkeit, Bearbeitbarkeit
und Maßhaltigkeit
zu erreichen, wie dies nachfolgend unter Bezugnahme auf das hier
gegebene Beispiel erläutert
wird.
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Bezugnehmend
auf die 3 und 4 weisen
erfindungsgemäße Gegenstände einen
niedrig legierten Kern 26 auf Fe-Basis und eine aufgekohlte
Randschicht 28 mit einer Außenfläche 30 auf. Die 5 und 6 sind
optische Mikrophotographien der aufgekohlten Randschicht 28 mit
Kennzeichnung eines dispergierten Netzwerks von Chrom- und Vanadium-Carbiden
sowie einer Martensitmatrix. 7 ist eine
optische Mikrophotographie des Kernbereichs 26 mit Kennzeichnung
einer Bainit/Perlit-Matrix sowie Cr-V-reicher Phasenstellen.
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Das
Pulvergemisch umfaßt
vorzugsweise ein Fe-Ausgangspulver, das im wesentlichen aus einem
vorlegierten Eisenpulver besteht, welches etwa 0,5 bis 3,0 Gew.-%
Mo und als Rest Fe und Verunreinigungen aufweist. Das Fe-Mo-Ausgangslegierungspulver
ist von mehreren Pulvermetallieferanten kommerziell erhältlich. Tabelle
1 zeigt eine typische Teilchengrößenverteilung
für das
Ausgangs-Fe-Pulver. Tabelle
2
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Das
Pulvergemisch umfaßt
auch 1 bis 6,5 Gew.-% Chrom. Das Chrom wird zum Zweck der Ausbildung von
Carbiden zugefügt,
um die Entwicklung des Carbid-Netzwerks in der Randschicht
28 und
der Außenfläche
30 des
Gegenstandes zu fördern.
Das Chrom wird vorzugsweise als kohlenstoffreiches Eisenchrompulver
zu dem Gemisch gegeben. Solche Eisenchrompulver sind kommerziell
erhältlich.
Ein Beispiel für
die Zusammensetzung eines beispielhaften, kommerziell erhältlichen
Eisenchrompulvers ist in Tabelle 3 angegeben. Tabelle
3
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Das
Pulvergemisch enthält
auch Vanadium im Bereich von 1 bis 5 Gew.-%. Das Vanadium wird ebenfalls
zugegeben, um die Bildung des Netzwerks aus dispergierten Carbiden
in der Randschicht 28 und insbesondere an der Außenfläche 30 des
Gegenstandes zu fördern.
Solche Eisenvanadiumpulver sind kommerziell erhältlich. Die Zusammensetzung
und Größenverteilung
eines typischen, kommerziell erhältlichen
Eisenvanadiumpulvers sind ebenfalls in Tabelle 3 angegeben.
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Beispiel 1
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Um
die Leistungsfähigkeit
von Nockenbuckeln gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bewerten, die unter Verwendung der hier beschriebenen
Sinterpulver-Metallegierung hergestellt wurden, wurden eine Reihe von
Nockenbuckeln aus Sintergegenständen
hergestellt, welche die in Tabelle 1 mit „Beispiel 1" bezeichnete Zusammensetzung
aufweisen. Aus dieser gesinterten Pulvermetallegierung gefertigte
Nockenbuckel wurden in einer üblichen
Industrieversuchsanordnung getestet, ebenso wie mehrere andere Sinterpulver-Metallegierungen
der hier beschriebenen Arten. Die Ergebnisse dieser Versuche wurden
verglichen, um die Verbesserung der Verschleißeigenschaften, die mit erfindungsgemäßen Gegenständen verbunden
ist, zu bewerten.
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Die
getesteten Nockenbuckel wurden aus Legierungen hergestellt, welche
die nachfolgend aufgeführten,
allgemein beschriebenen Zusammensetzungen aufweisen:
Fe-Ni-Mo-C-Legierung:
Sintergehärtetes
Material; niedrige Dichte (~ 7,0 g/cm3);
Fe-Mo-Cr-V-C-Legierung:
erfindungsgemäßes Material;
einsatzgehärtet,
mittlere Dichte (7,0 bis 7,3 g/cm3),
Fe-Mo-C-Legierung:
einsatzgehärtet,
hohe Dichte (> 7,25
g/cm3), und
Fe-Mo-C-Legierung: einsatzgehärtet, sehr
hohe Dichte (> 7,4
g/cm3).
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Die
Zusammensetzungen dieser Legierungen sind in Tabelle 4 angegeben. Tabelle
4
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Die
in den Versuchen verwendeten Pulvermetall-Nockenbuckel wurden in
Form eines Ford 1,8l D-Auslaßprofils
hergestellt und gegenüber
flachen 100Cr6-Standard-Phosphatstahl-Ausgleichsscheiben getestet. Ferner
wurden begrenzte Tests durchgeführt,
bei denen flache Ausgleichsscheiben aus Pulvermetallstahl verwendet
wurden.
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Zur
Bestimmung der Verschleiß-
und Freßeigenschaften
der Nockenbuckel wurde eine Industrie-Standard-Versuchsanordnung
verwendet. Die Anordnung wurde von MIRA (UK Motor Industry Research
Association) entwickelt und hergestellt und ist in den folgenden
Druckschriften ausführlicher
beschrieben:
- (1) Wykes, F C, „Summary
Report on the Performance of a Number of Cam and Cam Follower Material Combinations
Tested in the MIRA Cam and Follower Test Machine", MIRA Report Nr.3, 1970, und
- (2) Chatterley, T.C., „Cam
and Cam Follower Reliability",
SAE Paper 885033,1988.
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Beim
Versuch mit der MIRA-Anordnung wird der Nocken über eine mit einem Elektromotor
verbundene Riemenscheibe angetrieben. Der Mitnehmer (Stößel) ist
unmittelbar über
dem Nocken angeordnet, und über
eine Stößelstange
wird eine veränderliche
Last durch einen federbelasteten Kolben in der Kopfanordnung aufgebracht.
Erwärmtes Öl wird durch
eine nahe dem Nocken angeordnete Öldüse zur Kontaktfläche gepumpt und
läuft in
einen Tank zurück.
Die Anzahl der Umdrehungen pro Test wird von einem Zähler am
Ende der Nockenwelle aufgezeichnet. An jedem Testkopf laufen ein
Nocken- und Stößel-Paar
mit konstanter Geschwindigkeit, Last, Öltemperatur und Ölfließgeschwindigkeit über einen
eingestellten Zeitraum. Am Ende des Versuchs werden die Bauteile
anhand ihres Gewichtsverlustes beurteilt und ihr Fressen mit einer
entsprechenden Referenzskala visuell bewertet. Für diesen besonderen Test waren
die Versuchsbedingungen so ausgelegt, daß sie eher einen Verschleiß als ein
Festfressen der Bauteile verursachen, und daher wurde Largo P1,
ein von Zusätzen
freies Mineralöl
niedriger Viskosität
ausgewählt,
und bei einer niedrigen Drehzahl von 500 UpM laufen gelassen, um
etwaige hydrodynamische Effekte zu minimieren. Die Öltemperatur
wurde während
der Versuchsdauer bei 100°C
gehalten. Der Standardversuch wurde mit dem phosphatierten 100Cr6-Stößel 50 Stunden
lang durchgeführt.
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Die
Ergebnisse dieser Versuche sind in der in 8 gezeigten
Tabelle zusammengefaßt
und unten näher
beschrieben.
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Fe-Ni-Mo-C
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Die
Fe-Ni-Mo-C-Legierung wurde zunächst
50 Stunden bei 637 MPa getestet. Die Nockennase wurde unter extremem
Verlust des Nockenhubes sehr stark verschlissen. Eine Verringerung
der Beanspruchung auf 500 MPa zeigte, daß der Materialverschleiß zufriedenstellend
war, wobei kein Verschleiß sichtbar
war. Dies wurde in einem zweiten Versuch bestätigt. Die Grenzlast lag somit
bei etwa 500 MPa.
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Fe-Mo-C
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Das
eine hohe Dichte aufweisende Fe-Mo-C-Material (Dichte von mehr als
7,25 g/cm3) versagte ebenfalls durch hohen
Verschleiß bei
637 MPa, aber auch bei der niedrigeren Belastung von 500 MPa. Eine
weitere Verringerung der Last auf 400 MPa ermöglichte einen zufriedenstellenden
Lauf des Nockens, was durch einen Wiederholungsversuch bestätigt wurde.
Damit lag die Grenzlast bei etwa 400 MPa.
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Fe-Mo-C
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Das
eine sehr hohe Dichte aufweisende Fe-Mo-C (Dichte oberhalb 7,4 m/cm3) versagte wiederum infolge hohen Verschleißes bei
637 MPa, zeigte jedoch bei der niedrigeren Beanspruchung von 500
MPa keinen Verschleiß,
was wiederum mit einem Wiederholungsversuch bestätigt wurde. Somit wurde festgestellt,
daß die Grenzlast
bei etwa 500 MPa lag, was der Fe-Ni-Mo-C-Legierung entspricht.
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Fe-Mo-Cr-V-C
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Die
erfindungsgemäße Sinterlegierung
zeigte bei der Ausgangslast von 637 Mpa im Gegensatz zu den anderen
Materialien keinen Verschleiß.
Daher wurde der Versuch (Probe A) für eine Dauer von 100 Stunden fortgesetzt,
erneut ohne Problem oder erkennbaren Verschleiß. Der Wiederholungsversuch
(Probe B) bei 600 MPa wurde abgebrochen, damit der Nockenbuckel,
falls erforderlich, für
andere Versuche zur Verfügung
stünde.
Ein dritter Nockenbuckel (Probe C) wurde gegen eine Pulvermetall-Ausgleichsscheibe
bei 600 MPa getestet und war genau so leistungsfähig wie bei den 100Cr6-Bauteilen.
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Weitere
Versuche bei höheren
Beanspruchungen wurden durchgeführt,
um seine Grenze festzustellen. Bei 700 MPa wurde kein Verschleiß festgestellt,
wenn ein Lauf gegen den 100Cr6- oder den PM-Stößel (Proben B und D) durchgeführt wurde.
Für diese
höhere
Beanspruchung wurde Probe B mit einer neuen 100Cr6-Ausgleichsscheibe
versehen.
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Der
Versuch wurde beschleunigt, um die Leistungsfähigkeit dieses erfindungsgemäßen Materials
mit üblichem
Motoröl
anstelle des Mineralöls
Largo P1 zu bewerten. Zudem wurde eine Auslegungsgrenze von 827
MPa vorgegeben, weshalb die Proben E und F unter Verwendung von
Ford AL 3612-Motoröl
bei der leicht verringerten Beanspruchung von 800 MPa getestet wurden.
Aufgrund eines Fehlers der Anordnung war es leider nicht möglich, die
Probe F bei 500 UpM laufen zu lassen, und daher wurde der Versuch über einen
proportional kürzeren
Zeitraum bei 700 UpM durchgeführt,
so daß die
Anzahl der Zyklen gleich war. Erneut war für keine der Ausgleichsscheiben
ein Verschleiß ersichtlich.
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Dann
wurde die Last auf 850 MPa (unter Verwendung der gleichen Bauteile)
erhöht,
und beide Proben wurden weitere 50 Stunden bei 700 UpM laufen gelassen.
Wieder wurde kein Verschleiß festgestellt,
weshalb die Last weiter auf 900 MPa erhöht wurde. Unter Bezugnahme
auf das einfache Versagenskriteriums eines fehlenden offensichtlichen
Verschleißes
nach 50 Stunden hält
das erfindungsgemäße Material
bis zu mindestens 900 MPa durch.
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Die
Verwendung des Ausgangs-Mineralöls
Largo P1 ergab eine klare Reihenfolge der vier Pulvermetall-Nockenbuckelmaterialien.
Nur das Material der vorliegenden Erfindung konnte bei 600 MPa und
mehr ohne merklichen Verschleiß arbeiten.
Die hochdichte Fe-Mo-C-Legierung zeigte die geringste Verschleißfestigkeit
mit einer Grenze von 400 MPa, während
die Fe-Ni-Mo-C-
und die sehr hochdichte Fe-Mo-C-Legierung bei 500 MPa Verschleiß zeigte.
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Weitere
Versuche sowohl mit 100Cr6 als auch mit PM-Ausgleichsscheiben zeigten,
daß das
erfindungsgemäße Material
mindestens 900 MPa zuläßt, was
ein Wert ist, der typische Betriebslasten deutlich überschreitet.
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Angesichts
der obigen Lehren sind offensichtlich zahlreiche Modifikationen
und Veränderungen
der vorliegenden Erfindung möglich.
Es versteht sich daher, daß die
Erfindung innerhalb des Schutzumfangs der beigefügten Ansprüche anders als speziell beschrieben
ausgeführt
sein kann. Die Erfindung ist durch die Ansprüche definiert.
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Zusammenfassung
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Ein
gesinterter Pulvermetallgegenstand auf Eisenbasis für Nockenbuckel-
und andere Hochtemperaturanwendungen mit hohem Verschleiß, die eine
hervorragende Endformstabilität
während
des Sinterns erfordern, umfaßt
ein Pulvermetallgemisch, das, gewichtsbezogen, im wesentlichen aus
0,5-3,0% Mo, 1-6,5% Cr, 1-5% V und als Rest aus Fe und Verunreinigungen
besteht. Diese Gegenstände
weisen auch eine aufgekohlte Randschicht mit 0,7-1,2 Gew.-% C auf.
Nach der Aufkohlung der Randschicht werden die Gegenstände abgeschreckt,
um eine Martensitmatrix zu bilden, die ein Netzwerk aus dispergierten
Cr- und V-Carbiden
aufweist. Die resultierenden gesinterten Gegenstände haben eine gute mechanische
Festigkeit und Verschleißfestigkeit und
besitzen eine hervorragende Bearbeitbarkeit und Maßhaltigkeit.
