DE1526486C3

DE1526486C3 - Use of an alloyed cast iron as a material for the manufacture of valve drive parts

Info

Publication number: DE1526486C3
Application number: DE19661526486
Authority: DE
Inventors: Kenneth Eugene North-Muskegon Mich. Kueny (V .St A.)
Original assignee: Johnson Products Inc
Current assignee: Johnson Products Inc
Priority date: 1965-10-14
Filing date: 1966-10-12
Publication date: 1977-05-26

Description

Die Erfahrung zeigt, daß Ventilantriebsteile, wie Ventilstößel, Nockenwellen und Ventilkipphebel einem außerordentlich hohen Verschleiß und erheblichen Ausfällen unterworfen sind. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, daß die Härte dieser Teile häufig bis zu einem schädlichen, sie unbrauchbar machenden Maß abnimmt. Diese Verminderung der Härte ist offenbar auf die außerordentliche Erhitzung der Oberflächen der Teile zurückzuführen, die bei den heute üblichen hochkomprimierten Motoren, bei welchen die zeitlichen Zwischenräume zwischen den Ölwechseln lang sind, dann auftritt, wenn die Schmierung ausfällt und sich ein unmittelbarer Kontakt von Metall auf Metall dieser Teile ergibt.Experience shows that valve operating parts such as valve lifters, camshafts and valve rocker arms are subject to extraordinarily high levels of wear and tear and considerable failures. This appearance is due to the fact that the hardness of these parts is often harmful, making them unusable decreasing degree. This reduction in hardness is evidently due to the extraordinary heating of the surfaces of the parts that are used in today's highly compressed engines which the time intervals between oil changes are long, occurs when the lubrication fails and there is direct metal-to-metal contact between these parts.

Aufgabe der Erfindung ist es, die sich hierdurch ergebenden Schwierigkeiten und Nachteile zu beseitigen und solchen Ventilantriebsteilen eine bessere Warmhärte bzw. ein verbessertes Zeitstandverhalten zu verleihen.The object of the invention is to eliminate the difficulties and disadvantages resulting from this and such valve drive parts a better hot hardness or an improved creep behavior to rent.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung eines legierten Gußeisens, bestehend ausAccording to the invention, this object is achieved by the use of an alloyed cast iron, consisting of out

3,00 bis 3,55%
2,00 bis 2,90%
0,70 bis 1,10%
0,15 bis 0,70%
0,40 bis 1,25%
0,15 bis 0,70%
0,50 bis 10,00%
bis 0,20% Phosphor
bis 0,10% Schwefel,
Rest Eisen,3.00 to 3.55%
2.00 to 2.90%
0.70 to 1.10%
0.15 to 0.70%
0.40 to 1.25%
0.15 to 0.70%
0.50 to 10.00%
up to 0.20% phosphorus
up to 0.10% sulfur,
Remainder iron,

Kohlenstoff,Carbon,

Silizium,Silicon,

Mangan,Manganese,

Nickel,Nickel,

Chrom,Chrome,

Molybdän,Molybdenum,

Wolfram, als Werkstoff zur Herstellung von Ventilantriebsteilen, wie Ventilstößel, Nockenwellen und Ventilkipphebe!, gegebenenfalls nur der Arbeitsflächen solcher Teile, in Verbrennungskraftmaschinen. Aus der britischen Patentschrift 4 21 104 ist ein Gußeisen bekannt, das so zusammengesetzt ist, daß es bei entsprechender Abkühlung nach dem Gießen eine weiße äußere Schicht und einen grauen Kern zeigt, falls man die Gußstücke aufbrechen würde. In ίο den weißen Bereichen liegt Kohlenstoff in Form von Karbiden vor, während er in den grauen Bereichen elementar ausfällt. Das weiße Gußeisen zeichnet sich dem Grauen gegenüber durch eine größere Härte aus. Nach dieser Vorveröffentlichung weisen die Walzen für schwere Brech- oder Walzwerke das beschriebene Gefüge auf. An solche Walzen werden hohe Anforderungen hinsichtlich Belastbarkeit, Zähigkeit, Elastizität, Härte und Homogenität gestellt. Eine besondere Schwierigkeit ergibt sich darauf, daß die äußere Hülle und der innere Kern aus verschiedenen Gefügen aufgebaut sind, was zwangsläufig zu unterschiedlichen Materialkonstanten und damit zu ungleichförmigen Spannungsverteilungen führt. Ein Zusatz von 0,25 bis 10% Wolfram zu dem Gußeisen, aus dem die Walzen hergestellt werden, soll die aufgezeigten Probleme überwinden helfen. Der Wolframzusatz bewirkt dabei nach Aussage dieser Patentschrift eine gleichförmigere Spannungsverteilung über den Querschnitt des Gußstücks, eine Verminderung der bleibenden Verformung und eine Verbesserung der elastischen Hystereseeigenschaften der Walze. Auf diesen zuletzt genannten Effekt wird besonderer Wert gelegt. Ein Wolframzusatz zu Gußeisen war auch damals an sich nicht mehr neu. Vielmehr wußte man, daß er beispielsweise bei einem schmiedbaren Gußeisen die Bildung eines Feinkorns unterstützt, oder bei der Erzeugung von härtbaren Gußeisen eine homogene, perlitische Struktur hervorrufen kann, oder daß seine Zugabe zu Gußstücken mit vorherrschend perlitischer Struktur und grauer Bruchfläche führt. Demgegenüber grenzt sich die Lehre nach der britischen Patentschrift 4 21 104 klar ab, indem sie sich ausdrücklich auf die Verbesserung ganz bestimmter mechanischer Eigenschaften bei Walzen, die schwerer Beanspruchung unterliegen, bezieht.Tungsten, as a material for the manufacture of valve drive parts such as valve tappets, camshafts and valve rocker arms! possibly only the working surfaces of such parts in internal combustion engines. From British patent specification 4 21 104 a cast iron is known which is composed so that it has a white outer layer and a gray core when it cools down accordingly shows if the castings were to be broken open. In ίο the white areas there is carbon in the form of Carbides, while it is elementary in the gray areas. The white cast iron stands out opposed to the horror by a greater hardness. According to this pre-release, the Rolls for heavy crushing or rolling mills have the structure described. Be on such rollers high demands are made in terms of resilience, toughness, elasticity, hardness and homogeneity. A particular difficulty arises from the fact that the outer shell and the inner core are made of different ones Structures are built up, which inevitably leads to different material constants and thus to leads to non-uniform stress distributions. An addition of 0.25 to 10% tungsten to the cast iron, from which the rollers are made, should help overcome the problems identified. the According to this patent specification, the addition of tungsten causes a more uniform stress distribution across the cross-section of the casting, a reduction in the permanent set and an improvement the elastic hysteresis properties of the roller. Particular importance is attached to this last-mentioned effect. A tungsten additive to cast iron was not really new even then. Rather, you knew that he was with you, for example malleable cast iron supports the formation of a fine grain, or in the production of hardenable cast iron Cast iron can produce a homogeneous, pearlitic structure, or that its addition to castings with a predominantly pearlitic structure and gray fracture surface. In contrast, the Teaching according to British patent specification 4,21,104 clearly distinguishes itself by expressly referring to the improvement very specific mechanical properties for rolls that are subject to heavy loads, relates.

Durch die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung soll dagegen die Warmhärte von Ventilantriebsteilen verbessert werden. Bekanntlich bestehen nur vage Deutungsversuche für die Ursachen der Veränderung des Eisen-Kohlenstoff-Diagramms durch Legierungszusätze. Vollends unübersichtlich wird die Lage bei der Verwendung mehrerer Legierungszusätze zur gleichen Zeit. Man ist hier weitgehend auf Versuche angewiesen.By contrast, the alloy to be used according to the invention is intended to increase the hot hardness of valve drive parts be improved. As is well known, there are only vague attempts to interpret the causes of the Modification of the iron-carbon diagram due to alloy additions. It becomes completely confusing Able to use multiple alloy additives at the same time. You're largely up here Attempts instructed.

Der Härteverfall von Gußeisen bei längerer Einwirkung von höheren Temperaturen wird auf einen Gefügeabbau von beispielsweise Zementit zurückgeführt. Alle Maßnahmen, die diesen Zerfall verhindern, wirken sich daher günstig auf das Zeitstandverhalten aus. Leider lassen sich keine Angaben darüber machen, welcher Art die Maßnahmen sein müssen, um den Gefügezerfall aufzuhalten.The deterioration in hardness of cast iron after prolonged exposure to higher temperatures will affect one Structural degradation of cementite, for example, is returned. All measures that prevent this disintegration, therefore have a positive effect on creep behavior. Unfortunately no information can be given about what kind of measures must be to stop the structural disintegration.

Es dürfte keinem Zweifel unterliegen, daß eine Maßnahme bzw. ein Legierungszusatz, der beispielsweise den Elastizitätsmodul von Gußeisen verbessert, keineswegs auch die Warmhärte bzw. das Zeitstandverhalten der Warmhärte positiv beeinflußt. Der mit There should be no doubt that a measure or an alloy additive, for example improves the modulus of elasticity of cast iron, in no way has a positive effect on the hot hardness or the creep behavior of the hot hardness. The one with

3 43 4

den komplexen Zustandsdiagrammen des Eisen-Koh- zen. Wie sich gezeigt hat, sind Wolfram-Anteile von lenstoff-Systems und der Gußeisen-Legierungen ver- weniger als 0,5% nicht ausreichend, um eine erhebtraute Fachmann wird äußerst vorsichtig mit einer liehe Verschlechterung der Warmhärte zu verhindern, erweiterten Auslegung von Maßnahmen sein, die be- Andererseits wurde gefunden, daß anteilige Mengen stimmte Wirkungen zeigen sollen. 5 an Wolfram über 10% zwar anwendbar sind, aber Auch die Kenntnis der Ausführungen von E. P i - die Warmhärte der Legierung nicht weiter verbessern wowarsky in »Hochwertiges Gußeisen«, 1951, und deshalb lediglich kostensteigernd wirken. S. 1010, kann dem Fachmann nicht zur erfindungs- Ein Wolframgehalt von 3 bis 4% stellt den optigemäßen Lehre verhelfen. Nach dieser Veröffentli- malen Wert in der erfindungsgemäß zu verwendenchung ist es bekannt, Nockenwellen aus einem Guß- io den Legierung dar, die vorzugsweise wie folgt zueisen zu gießen, das Kohlenstoff, Silizium, Mangan, sammengesetzt ist:the complex state diagrams of the iron-coal. As has been shown, tungsten components are from lenstoff system and cast iron alloys, less than 0.5% is not sufficient to raise trust A specialist is extremely careful to prevent a deterioration in the hot hardness, On the other hand, it was found that proportional quantities should show the right effects. 5 on tungsten over 10% can be used, but Even knowing what E. P i said - no further improvement in the hot hardness of the alloy wowarsky in "High Quality Cast Iron", 1951, and therefore only increase costs. P. 1010, the skilled person cannot explain the invention Teaching. According to this published value in the value to be used according to the invention It is known to iron camshafts from a single cast alloy, which are preferably ironed as follows to cast, which is composed of carbon, silicon, manganese:

Chrom, Nickel. Molybdän sowie Schwefel und Phos- .Chrome, nickel. Molybdenum as well as sulfur and phos-.

phor enthält. Die angegebenen Bereiche überlappen E'^e™^nt Gewchtsprozentcontains phor. Stated ranges overlap E ^'e ™ ^nt Gewchtsprozent

dabei teilweise die Bereiche der erfindungsgemäß zu Kohlenstoff 3,30partially the ranges according to the invention to carbon 3.30

verwendenden Legierung. Bei der bekannten Legie- 15 Silizium 2,30using alloy. In the case of the known alloy 15 silicon 2.30

rung fehlt aber gerade der wichtigste Bestandteil, Mangan 0,90However, the most important component is missing, manganese 0.90

nämlich das Wolfram. Obwohl die Herstellung von Nickel 0,50namely the tungsten. Although the production of nickel 0.50

Nockenwellen beschrieben wird, die unter Umstän- vfi°wv· n't!n Camshafts are described, which under circumstances vfi ° wv · n't! N

den in ähnlicher Weise beansprucht werden, wie die Molybdän 0,50which are claimed in a similar way as molybdenum 0.50

mit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legie- 20 Wolfram 4,00with the alloy to be used according to the invention, tungsten 4.00

rung hergestellten Ventilantriebsteile, d. h. bei denen Eisen Restvalve drive parts produced tion, d. H. where iron rest

die Warmhärte ebenfalls eine Rolle spielen könnte,the hot hardness could also play a role,

ist keinerlei Hinweis auf einen Zusatz von Wolfram Schwefel und Phosphor können als Verunreinigungegeben, gen vorhanden sein.there is no indication of the addition of tungsten Sulfur and phosphorus can be given as impurities, gen exist.

Ähnliches gilt auch für die Lehre nach »SAE- 25 Nachstehend werden typische Beispiele für die er-The same applies to the teaching according to »SAE- 25 Below are typical examples for the

Transactions«, 64 (1956), S. 154, wo eine Gußeisen- findungsgemäß zu verwendende Legierung angege-Transactions «, 64 (1956), p. 154, where a cast iron alloy to be used according to the invention is indicated.

Legierung mit Kohlenstoff, Silizium, Mangan, ben:
Chrom, Molybdän sowie Schwefel und Phosphor mitAlloy with carbon, silicon, manganese, ben:
Chromium, molybdenum as well as sulfur and phosphorus with

sich teilweise mit den Werten der erfindungsgemäß Beispiel 1partly with the values of example 1 according to the invention

zu verwendenden Legierung überlappenden Anteils- 30 _E,_ement GewichtsprozentAlloy to be used overlapping proportion - 30 _E , _ement percent by weight

bereichen, jedoch ohne jeglichen Zusatz von Nickel _v ,, _ff - -,range, but without any addition of nickel _v ,, _ff - -,

und Wolfram beschrieben ist, die zum Guß von Jvomensioii j,jdand tungsten, which was used to cast Jvomensioii j, jd

,_T . .. , .. ... Silizium 2,60, _T. .., .. ... silicon 2.60

Nockenwellen bestimmt ist. _M η onCamshaft is determined. _M η on

In der USA.-Patentschrift 3198 182 werden Nickel 0 25In U.S. Patent 3198 182, nickel 0 25

schließlich zwar Legierungen mit einem Wolframge- 35 ^. ₀'₄--finally alloys with a tungsten 35 ^. ₀ ' ₄ -

halt von mindestens 2%, vorzugsweise 4% genannt, _M . , _n'„₇ content of at least 2%, preferably 4%, _M. , _n '" ₇

jedoch handelt es sich hier nicht um eine Gußstahl- Wolfram 290however, this is not a cast steel-tungsten 290

verbindung, sondern um die Zusammensetzung eines _r- , ,' ··;■·· · · >connection, but rather the composition of an _r - ,, '··; ■ ·· · ·>

typischen Sintermetallpulvers. Zwar enthält die dort Eisen (und geringe Mengentypical sintered metal powder. It does contain iron (and small amounts

angegebene Zusammensetzung etwa den Wolfram- 40 an Phosphor und Schwefelspecified composition about the tungsten 40 in phosphorus and sulfur

gehalt wie bei der erfindungsgemäß zu verwendenden ^als Verunreinigungen) Restcontent like) in accordance with the invention to be used ^as residual impurities

Legierung, jedoch fehlen die Bestandteile Mangan,Alloy, but the components manganese are missing,

Nickel und Chrom. Außerdem enthält die Zusam- Die Untersuchung dieser Legierung ergab eine ausmensetzung mindestens 2% Molybdän mit der Maß- gezeichnete Anfangshärte, die auch unter Einwirgabe, daß die Summe der Gehalte an Wolfram und 45 kung hoher Temperaturen, sogar solchen von bis zu Molybdän 10% nicht übersteigt. Dies bedeutet, daß etwa 520° C, in vorzüglicher Weise erhalten blieb. es sich bei einer solchen Stahllegierung nicht um ei- Bei einer Anfangshärte nach der Rockwell-Skala genen austenitischen Stahl handelt. Demzufolge ergäbe messen von 60 bis 65 Punkten trat bei 350° C ein sich bei Abkühlung der Gußteile auf Zimmertempe- Härteverlust von nur IV2 Punkten, bei 460° C von ratur eine weitgehende Umwandlung vom y- zum 50 nur 3V2 Punkten und bei 520° C von nur 5V2 Punka-Zustand, was einen Verlust der gerade für solche ten ein. hochbeanspruchten Teile besonders wichtigen Zähigkeit und Dämpfungsfähigkeit zur Folge hätte. B e i s ρ i e 1 2Nickel and chromium. The investigation of this alloy showed an amount of at least 2% molybdenum with the initial hardness shown in the drawing exceeds. This means that about 520 ° C. was retained in an excellent manner. Such a steel alloy is not an austenitic steel with an initial hardness according to the Rockwell scale. Accordingly, would result measure of 60 to 65 points occurred at 350 ° C. upon cooling of the castings at Zimmertempe- hardness loss of only IV2 points, at 460 ° C of temperature for a substantial conversion of y- 50 only 3V2 points and at 520 ° C of only 5V2 punka state, which is a loss of just for such th one. highly stressed parts would result in particularly important toughness and damping properties. B is ρ ie 1 2

In weiterer Ausbildung der Erfindung macht der _cl ,- ■ u» *In a further development of the invention, the _cl , - ■ u »*

... ,, „,..,., r· j -ο Element Gewichtsprozent... ,, ", ..,., R · j -ο element weight percent

Wolfram-Gehalt bei der erfindungsgemaß zu verwen- 55 „ ,. ,, ., JL Tungsten content to be used in accordance with the invention. ,,., JL

denden Legierung 3 bis 4% aus. Bei aus einer nach Kohienstolt 5ol The alloy consists of 3 to 4%. For one according to Kohienstolt 5ol

der Erfindung zu verwendenden Legierung herge- \λ^&Τ\^υ!α·· π'ταalloy to be used according to the invention. \ λ ^{& Τ} \ ^ υ! α ·· π'τα

stellten Ventilantriebsteilen tritt sogar bei erheblich ™?7^baan "'£?valve operating parts even occurs at significantly ™? 7 ^baan "'£?

höheren Temperaturen als der bei härtbarem Stahl Mlizium 2,69higher temperatures than that of hardenable steel Mlicium 2.69

höchstens zulässigen Temperatur von 185° C, näm- 60 ix. ^r.°^m Γ—maximum permissible temperature of 185 ° C, namely 60 ix. ^r . ° ^m Γ—

lieh bei etwa 340 bis 460° C, keine nennenswerte ™,^el "'£*borrowed at about 340 to 460 ° C, no noteworthy ™, ^el "'£ *

Verminderung der Härte auf und es wird diese woliram ..... 4,60Reduce the hardness on and it will woliram this ..... 4.60

Eigenschaft auch bei einer langen Betriebsdauer von Eisen (und geringe MengenCharacteristic even with a long service life of iron (and small amounts

500 oder mehr Stunden ohne Verschlechterung bei- ^af Phosphor und Schwefel500 or more hours without deterioration examples ^a f phosphorus and sulfur

behalten. 6₅ ^als Verunreinigungen) Restto keep. 6 ₅ ^as impurities) remainder

Besonders wesentlich und entscheidend ist bei derIs particularly essential and decisive in the

erfindungsgemaß zu verwendenden Legierung der Die Legierung enthält einen größeren Anteil anAccording to the invention to be used alloy of The alloy contains a larger proportion of

Gehalt an Wolfram innerhalb der angegebenen Gren- Wolfram als diejenige nach Beispiel 1 und besitztContent of tungsten within the specified size tungsten than that according to Example 1 and possesses

5 65 6

noch bessere Eigenschaften hinsichtlich der Erhaltung Vorzugsweise besteht der gesamte Ventilstößel, dieeven better properties in terms of conservation. Preferably, the entire valve lifter consists of the

der Anfangshärte. Z. B. betrug bei 350° C der Härte- gesamte Nockenwelle und der gesamte Kipphebel austhe initial hardness. For example, at 350 ° C, the hardness was off entire camshaft and rocker arm

verlust nur I¹Za Punkte, bei 460° C nur 2V2 Punkte, der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung. EsThe alloy to be used according to the invention only loses I ¹ Za points, at 460 ° C. only 2V2 points. It

bei 520° C nur 4¹A Punkte und bei 575° C nur ist aber auch wahlweise möglich, lediglich die Ar-at 520 ° C only 4 ¹ A points and at 575 ° C only but is also optionally possible, only the

6V2 Punkte. 5 beitsflächen solcher Teile aus dieser Legierung herzu-6V2 points. 5 side surfaces of such parts from this alloy

_n . . stellen. _n . . put.

B e 1 s ρ 1 e 1 3 _Die Herstellung der Ventilantriebsteile kann nach Element Gewichtsprozent beliebigen zweckentsprechenden und bekannten VerKohlenstoff 3,30 fahren, z. B. durch Gießen erfolgen. Die erfindungs-B e 1 s ρ 1 e 1 3 _The manufacture of the valve drive parts can proceed according to the element weight percent of any appropriate and known carbon 3,30, z. B. be done by casting. The inventive

Silizium 2,30 10 gemäß zu verwendende Legierung kann nach einemSilicon 2.30 10 according to to be used alloy can after a

Mangan 0,90 üblichen Schmelzverfahren geschmolzen, dann inManganese 0.90 standard melting process, then melted into

Nickel 0,50 zweckentsprechende Formen, wie Sandformen, Koh-Nickel 0.50 appropriate forms, such as sand molds, carbon

Chrom 1,10 leformen, Schaleformen oder Dauerformen gegossenChrome 1.10 cast molds, shell molds or permanent molds

Molybdän 0,50 werden. Sie kann auch durch eine Platte aus KohleMolybdenum will be 0.50. You can also use a plate made of charcoal

Wolfram 4,00 15 oder einem ähnlichen wärmeabführenden MediumTungsten 4.00 15 or a similar heat dissipating medium

Eisen Rest abgeschreckt werden. Das Härten erfolgt ebenfallsIron remainder to be quenched. Hardening also takes place

nach den üblichen, für härtbaren Stahl angewendetenaccording to the usual ones used for hardenable steel

Wie oben bereits angegeben, ist der Härteverlust Verfahren, von denen ein typisches die Wärmebe-As stated above, the loss of hardness is a process, a typical one of which is the heat treatment

z. B. des Materials eines Ventilstößels oder einer handlung durch Erhitzen bis auf 900° C, Halten die-z. B. the material of a valve tappet or a treatment by heating up to 900 ° C, holding the-

Ventilnockenwelle im Falle des vorzugsweisen Ge- ao ser Temperatur für eine Zeitdauer von etwa 30 minValve camshaft in the case of the preferred water temperature for a period of about 30 min

halts der erfindungsgemäß zu verwendenden Legie- und folgendes Abschrecken in öl darstellt. Da dashalts the alloy to be used according to the invention and the following quenching in oil. Since that

rung an Wolfram von 3 bis 4% ein Minimum. Bei Schmelzen, Gießen, Kühlen und die Wärmebehand-A minimum of 3 to 4% tungsten. For melting, casting, cooling and heat treatment

410° C betrug der Härteverlust nur 1 Punkt und bei lung.allgemein üblich sind, sind sie im einzelnen nicht410 ° C the loss of hardness was only 1 point and at lung. Are common, they are not individually

460° C nur 3 Punkte. beschrieben.460 ° C only 3 points. described.

Claims

Patent claims:

1. Use of an alloyed cast iron, consisting of

3.00 to 3.55% carbon,

2.00 to 2.90% silicon,

0.70 to 1.10% manganese,

0.15 to 0.70% nickel,

0.40 to 1.25% chromium,

0.15 to 0.70% molybdenum,

0.50 to 10.00% tungsten,
up to 0.20% phosphorus,
up to 0.10% sulfur,

Remainder iron,

as a material for the manufacture of valve drive parts, such as valve lifters, camshafts and valve rocker arms, possibly only the work surfaces such parts in internal combustion engines.

2. Use of an alloyed cast iron of the composition specified in claim 1, the tungsten content being 3 to 4% for the purpose stated in claim 1.