DE19651392A1

DE19651392A1 - Schalenhartguß-Nockenwelle und Sandform zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE19651392A1
Application number: DE19651392A
Authority: DE
Inventors: Horst Dr Meurer; Milan Dr Lampic-Oplaender; Siegfried Botsch
Original assignee: WINTER FRITZ EISENGIESSEREI
Current assignee: WINTER FRITZ EISENGIESSEREI
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1996-12-11
Publication date: 1997-09-25

Description

Die Erfindung betrifft eine Schalenhartguß-Nockenwelle aus Gußeisen, deren Nocken weiß erstarrte harte und verschleißfeste Oberflächenbereiche und einen grau erstarrten Kernbereich aufweisen und die durchgehend grau erstarrte Lagerstellen besitzt, sowie eine Sandform zur Herstellung einer solchen Nockenwelle.

Es gibt prinzipiell zwei Verfahren zur Erzeugung solcher Schalenhartguß-Nockenwellen. Beim Schalenhartgußverfahren erfolgt der Abguß der Gußeisenschmelze in eine gekühlte Metallkokille. Das in den Formhohlraum beim Abguß eingefüllte flüssige Metall kühlt sich an den Wänden der gekühlten Metallkokille unter Bildung eines harten ledeburitischen Gefüges beschleunigt ab und erstarrt dabei weiß. Der Kern der Nocken, auf den sich die Wandkühlung der Kokille nicht so stark auswirkt, erstarrt dagegen grau (DE-U-93 06 546).

Bei dem zweiten bekannten Schalenhartgußverfahren wird die in einer Sandgußform abgegossene Nockenwelle durch energiereiche Strahlen (Laser, Elektronenstrahlen) umschmelzgehärtet (DE 39 12 916 C2) oder auf elektroinduktivem Wege durch Gefügeumwandlung gehärtet.

Alle vorgenannten bekannten Verfahren erfordern spezielle Gieß- oder Heizeinrichtungen, wodurch die Erzeugung von Schalenhartguß-Nockenwellen übermäßig verteuert wird.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Schalenhartguß-Nockenwelle zu entwickeln, die auf herkömmlichem Wege, also Abguß in eine Sandgußform, mit harter weißerstarrter Schale erzeugt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Nockenwelle folgender chemischer Zusammensetzung (in Masse-%) vorgeschlagen:
3,6 bis 4,3% Kohlenstoff
0,6 bis 1,4% Silizium
0,02 bis 0,05% Lanthan, das nicht an Schwefel
gebunden ist,
bis 0,15% Schwefel
bis 1,0% Mangan
Rest Eisen.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Nockenwelle können zusätzlich folgende Elemente einzeln oder zu mehreren im Gußeisen enthalten sein:
0,1 bis 1,0% Chrom
0,1 bis 1,0% Kupfer
0,5 bis 1,0% Bor
0,02 bis 0,06% Titan
bis 0,7% Molybdän.

Bei ihrem Abguß in eine Sandform erstarren die Nocken im Oberflächenbereich weiß und im Kern grau und haben somit eine harte Schale. Die Lagerrollen sollen durchgehend grau erstarren. Für die Lagerrollen sind nämlich die hohe Härte und Verschleißfestigkeit wie auf der Nockenoberfläche sowie an den Enden des Nockenwellenschaftes nicht erwünscht. Dieser unerwünschte Fall könnte auftreten, wenn der Erstarrungsmodul M dieser Nockenwellenpartien um weniger als 10% größer ist als derjenige der Nocken selbst. Die durchgehende Grauerstarrung dieser Partien wird dann dadurch erreicht, daß man in einem bestimmten Abstand von ihnen Wärmekissen anordnet. Diese Wärmekissen sind als Hohlräume ausgebildet, die über Anschnitte mit dem Versorgungslauf verbunden sein können. Nach dem Füllen dieser Hohlräume mit flüssigem Metall entsteht in der Formstoffpartie zwischen Lagerrolle/Schaftende und dem jeweiligen Wärmekissen ein lokales Temperaturfeld, das den Wärmeübergang verzögert. Diese Maßnahme verhindert die rasche Abkühlung im Oberflächenbereich, was für die Weißerstarrung Voraussetzung wäre, so daß die Lagerrollen und Schaftenden durchgehend grau erstarren. Ist bei einer oder mehreren Lagerrollen aufgrund bestimmter geometrischer Verhältnisse ein Ausgleich des Volumendefizits wegen Flüssigschwindung erforderlich, können die Wärmekissen über die Anschnitte als Speiser benutzt werden.

Die Dimensionierung der Wärmekissen soll so bemessen sein, daß durch die Erwärmung des Formstoffes zwischen ihnen und den zu beeinflussenden Werkstückpartien (Lagerrolle, Schaftende) die Erstarrungszeit um einen Betrag verlängert wird, der einer mindestens 10%igen Steigerung des Moduls entspricht.

Ein Wärmekissen ist geometrisch so zu gestalten und so anzuordnen, daß die Abkühlung der benachbarten Nockenspitzen durch das Temperaturfeld des Kissens nicht beeinträchtigt wird und das Wärmekissen nach Bedarf gleichzeitig als Speiser benutzt werden kann.

Der Kohlenstoffgehalt ist mit 3,6 bis 4,3% und damit das Graphitisierungspotential P_G so bemessen, daß die Nocke ohne weitere Maßnahmen durchgehend weiß erstarren würde.

Durch den Kohlenstoffgehalt werden im übrigen die zur Erreichung der gewünschten Härte notwendigen Metallkarbide, insbesondere Fe₃C gebildet.

Silizium ist mit 0,6 bis 1,4% relativ niedrig bemessen, um die Weißerstarrung zu begünstigen.

Die Gehalte an Schwefel bis 0,15% und Mangan bis 1,0% sind in solchen Gußeisenlegierungen übliche Begleitelemente, die aus der Eisenerzeugung stammen.

Das entscheidende Element für die Lösung der gestellten Aufgabe für die Gußeisenlegierung mit den vorgenannten Elementen innerhalb der beanspruchten Gehaltsgrenzen ist das Element Lanthan. Dieses wirkt bei Zusatz in einer Menge von 0,02 bis 0,05% sowohl als desoxidierendes Impfmittel, um die Grauerstarrung der Nockenwelle bis auf die weiß erstarrende Schale der Nocken hervorzurufen, als auch als Modifikator, indem es an der Grenzfläche fest/flüssig für das Entstehen einer konstitutionellen Unterkühlung sorgt. Bei der angegebenen Menge Lanthan muß es sich um nicht an Schwefel gebundenes Lanthan handeln. Um den möglicherweise an Schwefel gebundenen Anteil an Lanthan zu berücksichtigen, muß der Schmelze eine auf den jeweiligen Schwefelgehalt abgestimmte Überschußmenge an Lanthan, also entsprechend etwas mehr als 0,05%, zugesetzt werden.

Durch die angegebenen Zusätze an Chrom und Bor in den jeweils angegebenen Mengen kann die Härte der Nockenwelle gesteigert werden. Ohne diese Zusatzelemente liegen die Härtewerte etwa im Bereich von 450 bis 500 HV. Durch Zusatz von Chrom und/oder Bor kann die Härte bis auf 700 HV gesteigert werden.

Der Zusatz an Kupfer von 0,1 bis 1% dient dazu, perlitisches Gefüge zu garantieren. Durch Zusatz von Titan in einer Menge von 0,02 bis 0,06% kann durch dann sich bildende Titancarbonitride die Verschleißfestigkeit der Nockenwellen gesteigert werden.

Durch Zusatz von Molybdän in einer Menge bis 0,7% kann die Zähigkeit des Materials zugunsten eines höheren Widerstandes gegen Torsionsbeanspruchung verbessert werden.

Gegenüber den eingangs geschilderten in bekannter Weise hergestellten Schalenhartguß-Nockenwellen zeichnet sich die erfindungsgemäße Nockenwelle durch eine wesentlich preisgünstigere Fertigungsmöglichkeit im Sandgußverfahren aus. Es werden weder teure gekühlte Kokillen benötigt, noch kostenaufwendige Umschmelz- oder Härteeinrichtungen, die zudem noch in einem zusätzlichen Fertigungsgang eingesetzt werden müßten. Durch die verhältnismäßig einfache und preiswerte Maßnahme eines Zusatzes von Lanthan kann die gewünschte Weißerstarrung der Nockenwelle auf eine Schale um die Nocken beschränkt und im übrigen eine Grauerstarrung im Kern der Nockenwelle erreicht werden, also genau das Ergebnis, was man mit bisher sehr viel größerem Aufwand erreicht hatte.

Beispiel

Eine Schalenhartguß-Nockenwelle aus einer Gußeisenlegierung mit (in Masse-%) 3,7% C, 1,1% Si, 0,5% Mn, 0,8% Cr, 0,5% Cu, 0,025% La, 0,1% S, Rest Fe wurde in einer Sandgußform abgegossen und wies danach das vorstehend genannte Erstarrungsgefüge auf. Ihre Laufeigenschaften wurden getestet.

Die Ergebnisse hinsichtlich Härte und Verschleißbeständigkeit erfüllten die Erwartungen.

In der Zeichnung, Fig. 1, ist eine Gießform für den Abguß einer Schalenhartguß-Nockenwelle dargestellt. Es bezeichnen:
1 - grau erstarrende Partien der Nockenwelle, nämlich
1a - Lagerrolle und
1b - Schaftende
2 - Wärmekissen
3 - Speiser
4 - Versorgungslauf
5 - Anschnitt/Speiser
6 - Nocken

Claims

1. Schalenhartguß-Nockenwelle, gekennzeichnet durch folgende chemische Zusammensetzung (in Masse-%):
3,6 bis 4,3% Kohlenstoff
0,6 bis 1,4% Silizium
0,02 bis 0,05% nicht an Schwefel gebundenes Lanthan
bis 0,15% Schwefel
bis 1,0% Mangan
Rest Eisen.

2. Nockenwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich mindestens eines der folgenden Elemente (in Masse-%) enthält:
0,1 bis 1,0% Chrom
0,1 bis 1,0% Kupfer
0,5 bis 1,0% Bor
0,02 bis 0,06% Titan
bis 0,7% Molybdän

3. Nockenwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrem Abguß in eine Sandform die Nocken im Oberflächenbereich weiß und im Kern grau und die Lagerrollen durchgehend grau erstarrt sind.

4. Sandform zum Abguß einer Nockenwelle aus einem Gußeisen gemäß einem der Ansprüche 1 oder 3, deren Nocken im Oberflächenbereich weiß und im Kern grau und deren Lagerrollen und Schaftenden durchgehend grau erstarrt sind, dadurch gekennzeichnet, daß nahe der grau erstarrenden Partien als Wärmekissen wirkende Hohlräume in der Gießform ausgebildet sind.

5. Sandform nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Wärmekissen in den oder die Speiser eingebaut sind.