DE2851141A1 - Verfahren zum herstellen einer verbindung eines passelementes mit einer welle, achse o.dgl. - Google Patents

Verfahren zum herstellen einer verbindung eines passelementes mit einer welle, achse o.dgl.

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DE2851141A1
DE2851141A1 DE19782851141 DE2851141A DE2851141A1 DE 2851141 A1 DE2851141 A1 DE 2851141A1 DE 19782851141 DE19782851141 DE 19782851141 DE 2851141 A DE2851141 A DE 2851141A DE 2851141 A1 DE2851141 A1 DE 2851141A1
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axle
sintering
temperature
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Akio Takahashi
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Description

Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sieb, auf ein Verfahren zum Herstellen einer Verbindung eires Paßelementes mit einer Welle, Achse oder dgl., d.h., es soll ein Element auf dem Umfang der Welle oder dgl. befestigt werden.
Bisher wird zum Zwecke der Verbindung einer Welle, Achse oder dgl. mit einem Pnßelemev:t mit für die Betriebsbedingungen ausreichender Festigkeit die Welle, Achse oder dgl. zuerst mit dem Paßelement zusammengebaut urd dann durch Löten, Schweißen, durch eine Schraubverbindung, durch eine Keilverbindung oder durch Verstemmen mechanisch befestigt. Solch ein Verfahren erfordert ,jedoch einen besonderen Verbindungswerkstoff oder eine besondere Verbindungsvorrichtung u?jd ist relotiv mühsam.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, des verglichen mit dem oben genannten bisherigen Verfahren einfach ist, das wirtschaftlich und in hohem Maße zuverlässig ist, und das eine hohe Verbindungsfestigkeit bei geringer Abweichung sicherstellt.
Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 bzs. des Anspruchs angegebenen Merkmale gelöst.
Die vorliegende Erfindung schafft somit ein Verfahren, mit dem man eine metallurgisch feste und sichere Verbindung zwischen einer Welle, Achse oder dgl. und einem Paßelement durch Sintern dadurch erhält, daß in der Fließphnse des Paßelementes bewirkt wird, daß unter Schrumpfen des Paßelementes während des Sinterns Werkstoff in die Welle, Achse oder dgl. diffundieren und eindringen kann.
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Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sind der folgenden LeSchreibung zu entnehmen, in der die Erfindung anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher teschrieben und erläutert wird. Es zeigen:
Fig. 1 einen radialen Schnitt durch eine "Verbindung
aus Iiockenwelle und trockenelement,
I1Xg. 2 ein Hikrogefügebild im Bereich der in erfin
dungsgemäßer Weise geschaffenen Verbindungsfläche von Nockenwelle und Nockenelement und
Fig. 3 eine grafische Darstellung der Beziehung zwi
schen der Sintertemperatur und den Abmessungsänderungen (in °/o) der l^ockenelemente gemäß den Beispielen 1 und 2 vorliegender Erfindung.
Das Wesentliche vorliegender Erfindung liegt in einem Verfahren zum metallurgisch festen Verbinden einer Welle, Achse oder dgl.
mit einem Paßteil bzw. -element. Das Verfahren ist dadurch ge-
druckgeformtes
kennzexchnet, dfß d?s Paßelement als _£ Produkt aus verschleißfesten, sinterbarem Legierungspulver auf der Grundlage von Eisen, im folgenden Eisenlegierungspulver genannt, das beim
Fi T.efi- bzw.
Sintern eine/lTLüssxgkeitsphase liefert, oder aus diesem Pulver hergestellt wird, das bei einer Temperatur vorgesintert wurde, die nicht zu einer Flüssigkeitsphase führt, daß das Paßelement mit der Welle, Achse oder dgl., die getrennt hergestellt worden ist, zusammen gebaut wirdj, und daß dann die zusammengebaute Einheit bei einer Temperatur gesintert wird, die eine Präzipitation der Flüssigkeitsphpse bewirkt, wodurch erreicht wird, daß die Fließ-JFlussigkeitsphase des Paßelementes unter Schrumpfen des gesinterten Bereichs in die Welle, Achse oder dgl. diffundiert und eindringt .
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Bevorzugte Techniken gemäß vorliegender Erfindung werden anhand einer Nockenwelle /ilockenelement-Verbindung beschrieben.
Bei der vorliegenden Erfindung ist die-Qualität der Welle nicht besonders kritisch, jedoch werden, um eine metallische Bindung zwischen Welle und ihrem Paßelement schnell und leicht zu erhalten, Werkstoffe wie JIS (Japanese Industrial Standard/Japanische Industrienorm), STKM 13 - 17 (Garbon Steel Tubes for Machine Structure Purpose / Kohlenstoffstahl-Rohre für Maschinenkonstruktionen) , SCM 4-0 (Chromium Molybdenum Steels /Chrommolybdänstähle) und S 55 C (Carbon Steel for Machine Structural Use / Kohlenstoffstahl für Maschinenkonstruktionen ) bevorzugt. Die Welle kann entweder eine Voll- oder eine Hohlwelle sein.
Als verschleißfeste Eisen-Sinterlegierung kann die Verbindung bzw. Zusammensetzung 0,5 bis 2,0 # C, 3,0 bis 18,0 % Mo, 0,8 bis 3,0 % P,- 0,02 bis 0,3 % B und Rest Fe oder diese Verbindung bzw. Zusammensetzung und 0,1 bis 10,0 % Cu verwendet werden. Ferner kann diese Zusammensetzung und ein Co-Zusatz von weniger als 5 % ebenso wie ein Cu-Zusatz oder eine Zusammensetzung eines Fe-W-Cr-Systems oder eines Fe-W-Cr-Mo-Systems verwendet werden. Die verschleißfeste Eisen-Sinterlegierung, die die Anforderungen dieser Erfindung erfüllen kann, ist eine solche, die eine Fließphase erzeugt und soweit schrumpft^ daß eine ausreichend feste metallische Bindung während des Sintern erzeugt wird.
Die vorliegende Erfindung enthält einen Verfahrensschritt der Vorsinterung des Paßelementes bei einer Temperatur, die nicht zu einer Flüssigkeitsphase führt, und bei dem der Form- bzw. Preß-
druck vorzugsweise im Bereich von 3 bis ? t/cm liegt. Wenn der
Preßdruck unterhalb von 3 t/cm liegt, ist das vorgesinterte Produkt nicht fest genug, was. Nachteile beim Zusammenbauen hat, was sich nachteilig auf die Festigkeit des gesinterten Produktes
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was die Abmessungen des gesinterten Produktes ungenau werden läßt und was demgemäß die Bearbeitbarkeit verschlechtert. Übersteigt der Preßdruck 7 t/cm , so wird die metallische Bindung zwischen der Welle und ihrem Paßelement schwach.
Die Vorsintertemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 850 bis 1000° C. Des Paßelement, das mit der Welle durch eine geeignete Technik, wie bspw. mittels einer Preßpassung zusammengebrut wird., sollte fest genug sein, damit es beim Zusammenbauen nicht deformiert wird.
Aus diesem Grunde ist die Vorsintertemperatur vorzugsweise höher r;ls 850° C. Übersteigt diese Temperatur 1000° C, so ergibt sich eine erhebliche Abmessungsänderung, die eine große Abweichung im Produkt bewirkt. Somit ist die Vorsintertemperatur vorzugsweise u''terhrlb von 1000° C.
Ist d--'S Ρό-ßelement ein unter Druck geformtes Produkt aus Metallpulver, so k~nn das Ziel vorliegender Erfindung erreicht werden, wenn besondere Sorge d&für getroffen wird, daß während des Zusammenbauens kein Reißen auftritt.
Verbindungen mittels Preßpassung oder Spielpassung sind geeignete Techikerj zum Zusammenbauen von Welle und Paßelement. Das Wichtige dcbei ist, d.ie Welle und ihr Paßelement miteinander unbewegbnr zu verbinden. Im Falle einer Preßpassung bzw. Preßsitzes ergeben eine ausgedehnte gegenseitigeBeeinflussung und eine sichere Befestigung eine feste metallische Bindung, da das Paßelement beim Sintern schrumpft. Im Falle eines unter Druck preßgeformten Porduktes kann die Preßpassung nicht verwendet werden; der Zusammenbau wird deshalb mittels Spielpassung vorgenommen. Das Sintern nach dem Zusammenbauen wird bei 1125° bis 1200° C unter reduzierter Atmosphäre vorgenommen. Die untere Temperaturgrenze liegt bei 1125° C, weil unterhalb dieser Temperatur ein Schrumpfen nicht
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stattfindet. Das gesinterte Produkt schmilzt und krvn seine Form nicht beibehalten, wenr es auf eine Temperatur über 1200° G erwärmt wird. Die Sintertemperctur kann sich abhängig vom Preßbz. Formdruck des vorgesinterten Produktes u- d/oder von der Sinterzeit leicht ändern.
Im folgenden werden Beispiele vorliegender Erfindung aufgezeigt.
Eeispiel 1
Eine Zusammensetzung i-us 1 Gew.-$ G (Graphitpulver mit 2 bis 3 p. Teilchendurchmesser, 2 Gew.-$ Cu (elektrolytisches Pulver von 20 μ Teilchendurchmesser), 1,2 Gew.-$ P (Ferrolegierung von 0,051 mm -250 mesh), 0,06 Gew.-% E und 12 Gew.-% M.o (Ferrolegierung von -250 mesh) und Rest Fe wurde dreißig Minuten lang in einem V-förmigen Mischer vermischt. Mit Zinkstearat von 0,3 % nls Gußgleitmittel wurde die so erhaltene Mischung zur Form eines Uokkenelementes mit einer Dichte von 6,5 g/cm in Metallguß hergestellt und dreißig Minuten lang in zersetztem Amoniakgas (N2+H2) auf 980° C erhitzt, um ein vorgesi'-tertes Produkt zu erhalten. Das so geschaffene Γι ockenelement besitzt eine Härte Hv 90 - 110, eine Druckfestigkeit von 19 - 22 kg/mm , und eine hohe Abmessungsgenauigkeit, wobei der Fehler bei einem Durchmesser von 28 mm - 15 U ist. Dieses Wockenelement wurde auf die rfockenwelle mittels Preßsitz aufgebracht und bei 1150 G sechzig Minuten lang in zersetztem Amoni.ikgrs mit einem Tauchpunkt von - 20° G gesintert. Bei diesem Vorgang hot sich des ?.ockenelement, wie durch die Kurve "Beispiel 1" in Fig. 3 dargestellt ist, zuerst geweitet (expandiert) und dann zusammengezogen (kontraktiert); bis auf eine Temperatur von 1100° C hat es sich auf einen Durchmesser von etwa 28,30 mm geweitet, welcher Durchmesser größer als der von 28,00 mm während des Zusammenbauens ist. Deshalb hat man während des Sinterns des Kockenelementes auf der Welle aufgepaßt, um zu verhindern, daß sich die Richtung der Hase des Nokkenelementes während der.Espansion ändert. Die Ergebnisse der Materialo-uswertungsversuche zeigen, daß man die für das j'ockenele-
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ment erforderliche Verschleißfestigkeit durch Sintern unter den Bedingungen "über 11?0° C sechzig Minuten lang" erhält. Deshalb wird dns Wockenelement hart, wenn beim Sintervorgang ermöglicht wird, daß mn.?, bis auf diese Temperatur hinaufkommt; ein Zusammenziehen (Kontraktion) des iiockenelementes von etwa 1 % bewirkt man durch Auftreten der Fließphase zwischen 1125 und. 1155° C und eine metallische Bindung auf Grund von Diffusion findet an der Grenzfläche von trockenelement und NOkkenwelle statt. Ein Schnitt der ilockenwellen/ Nockenelement-Verb indu ig ist in Fig. 1 und der Verbindungszustand in Fig. 2 dargestellt.
Aus Fig. 2 sieht man, daß die Nockenwelle und das itfockenelernent metallurgisch verschmolzen bzw. verschweißt sind. Die Verbindung wurde bei einer axirlen Schubbeanspruchung bzw. -spannung
ο
von etw. 18 kg/mm getestet, was für den Betrieb ausreichend
Beispiel 2
Beim Beispiel 2 wurde die Jiockenelement-Zusammensetzung des Beispieles 1 verwendet, mit der Ausnahme, daß der Mo-Gehalt auf 8 % geändert und 5 % Co hinzugefügt wurde. Das Uockenelement wurde in ähnlicher Weise vorgesin.tert, und nach dem Zusammenbauen erfolgte ein Sintern bei 1180° C sechzig Minuten lang, während welchem Vorgang sich ein Expansiorskontraktions-Verhalten des Trockenelementes gemäß der Kurve "Beispiel 2" in Fig. 3 ergab. Die Verbindungsfestigkeit lag bei 18 kg/mm , also in entsprechender Weise wie beim Beispiel 1.
Wenn auch die obigen Beispiele die Verbindung einer Nockenwelle und eines Nockenelementes zeigen, versteht es sich, daß die vorliegende Erfindung auf diese Beispiele nicht beschränkt ist. Ab-
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hängig von der Materialqualität, der Form und den Abmessungen des Paßelementes können sich die oben genannten Bedingung mehr oder weniger ändern»
Das Verb indungs verfahr en gemäß vorliegender Erfirjdur?g ist im Vergleich zu den herkömmlicher Verfahren einfach, wirksam für die Kostenreduzierung, und, wie aus den Beispielen ersichtlich ist, ergibt sich ein in hohem Maße zuverlässiges Verfahren, das eine Verbindungsfestigkeit schafft, die bei geringer Abweichung für den praktischen Betrieb groß genug ist.
- Ende der Beschreibung -
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Claims (11)

PATENTANWÄLTE DREISS & FUHLENDORF SCHlCKSTR. 2, D-7000 STUTTGART 1 UWE DREISS Dr. jur., Dipl.-Ing.. M. Sc. JÖRN FUHLENDORF Dipl.-Ing. DREISS & FUHLENDORF, SCHICKSTR. 2, D-7000 STUTTGART 1 Anmelder: Toyota Jidosh·· Kogyo K. K. 1 , Tochotr-cho, 'foyotr.-shi Aichi-ken, Jrρan ~l Priorität: 31. J 3 Tiu ".r 1978 Sho 53-009 527 2851H1 TF (0711) 24 57 34 TG UDEPAT TX 7-22 247 udpa d Amtl. Akt. Z.Ihr ZeichenMein ZeichenDatum1978Off. Ser. No.Your Ref.My Ref.DateTt - 152923. iiov. Titel: Verfahren zum Herstellen einer Verbindung eines Pr.ßelementes mit einer Welle, Achse oder dgl. Patentansprüche
1. Verfr-hren zum Herstellen einer Verbindung eines Paßelementes mit einer Welle, Achse oder dgl., gekennzeichnet durch folgende Schritte:
r·) Preßformen des Paßelementes aus einem verschleißfesten, sinterfähigen Eisenlegierungspulver, das eine Fließphose liefert und während des Sinterns schrumpft,
b) Zusammenbauen des Paßelementes mit der separpt hergestellten Welle, Achse oder dgl. und
c) Sintern der Montageeinheit aus Paßelement und Welle, Achse oder dgl. bei einer die . Fließphase des Paßelementes liefernden Temperatur zur metallurgischen Bindung des Paßelementes auf der Welle, Achse oder dgl.
OBIGINAL INSPECTED
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2. Verfahren zum Herstellen einer Verbindung eines Paßelementes mit einer Welle, Achse oder dgl., gekennzeichnet durch folggende Schritte:
a) Formen eines verschleißfesten sinterfähigen Eisenlegierungspulver-Produktes, das eine Fließphase liefert und beim Sintern schrumpft,
b) Vorsintern des Produktes bei einer nicht zur Fließphase führenden Temperatur, zur Bildung des Paßelementes,
c) Zusammenbauen des Paßelementes mit einer separat hergestellten Welle, Achse oder dgl. und
d) Sintern der Montageeinheit aus Welle, Achse oder dgl., und P-ßelement bei einer über der IMießgrenze des Paßelementes liegenden Temperatur zur festen Verbindung der zusammengebcuten Teile.
3. Verfahren rrach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß als Welle, Achse oder dgl. eine I.ockenwelle (2) und als Paßelement ein Kockenelement (1) verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die verschleißfeste, sinterfähige Eisenlegierung, die die Fließphase liefert und während des Sinterns schrumpft, folgende Gewichtszusammensetzung besitzt: 0,5 bis 2,0 # C, 3,0 bis 18,0 °/o Mo, 0,8 bis 3,0 % P, 0,02 bis 0,3 % B und Rest Fe.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,"dadurch gekennzeichnet , daß das Sintern bei 1125 1200° G in reduzierter Atmosphäre vorgenommen wird.
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6. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Verfahrensschritt des Preßformens hei (
men wird.
mens hei einem Druck im Bereich von 3 bis 7 t/cm vorgenom-
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und. 3, dadurch gekennzeichnet,, daß das Paßelement mit der Welle, Achse oder dgl. unter geringer Spielpassung auf dieser passend befestigt wird.'
8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Eisenlegierungspulver., das die Fließphase liefert und das beim Sintern schrumpft, bei einem Druck von 3 bis 7 t/cm durch Pressen geformt wird, daß das Paßelement in Form dieses geformten Produktes mit der separat hergestellten Welle zusejnmengebaut wird und daß dann die Montageeinheit aus Welle und Paßelement in reduzierter Atmosphäre bei 1125 bis 1200° C gesintert wird.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3* dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsintern bei einem Preßdruck von 3 bis 7 t/cm und einer Temperatur von 850 bis 1000° C vorgenommen wird.
10. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 35 dadurch g e k e η η ζ e i ohne t , daß das Paßelement mit der Welle mittels einer Technik verbunden wird, die aus der Verbindungen mit Preß- oder Spielpassung aufweisenden Gruppe ausgewählt ist.
11. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und ,3> dadurch gekennzeichnet, daß das verschleißfeste Eisenlegierungspulver, das die Fließphase liefert und während des
Sinterns schrumpft, bei einem Preßformdruck von 3 bis 7 t/cm
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und einer Temperatur von 850 bis 1000 C vorgesintert wird, daß das so hergestellte Paßelement mittels Spielpassung mit der separat hergestellten Welle zusammengebaut wird, und deB die Montageeinheit aus Welle und Paßelement bei einer Temperatur von 1125 bis 1200° G in reduzierter Atmosphäre gesintert wird.
- Ende der Patentansprüche -
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