DE3212338C2

DE3212338C2 - Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Maschinenteilen, insbesondere Brennkraftmaschinenteilen

Info

Publication number: DE3212338C2
Application number: DE19823212338
Authority: DE
Inventors: Richard 8900 Augsburg Sommer
Original assignee: MAN Maschinenfabrik Augsburg Nuernberg AG
Current assignee: SOMMER, RICHARD, 8900 AUGSBURG, DE
Priority date: 1981-04-03
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1983-02-24
Also published as: DE3212338A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Maschinenteilen, insbesondere Brennkraftmaschinenteilen, mit zähem, hochfestem Kern sowie auch bei hohen Betriebstemperaturen noch harter, verschleiß- und korrosionswiderstandsfähiger Randschicht, bei dem die Maschinenteile aus einem, zur Ausscheidungshärte und Feinkornbildung Vanadium mit bis zu 0,3% aufweisendem Stahl hergestellt werden, der sich des weiteren aus einem, ein untereutektisches Gefüge erzielenden Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,8%, ferner bis zu 3% Mangan, weniger als 0,6% Silizium sowie Rest Eisen zusammensetzt.

Aus der DE-OS 23 50 370 ist ein Verfahren zum

jo Herstellen eines Schmiedetciles bekannt, bei dem als Ausgangsmaterial ein mit 0,05 bis 0,15% Vanadium oder Niob mikrolegiertcr, ansonsten unlegierter Kohlenstoff-Mangan-Stahl mit einem Kohlenstoffgehalt von mindestens 0,2% verwendet wird. Aus diesem Ausgangsmate-

3t rial werden in einem Temperaturbereich zwischen 900 bis 128O°C bei Vanadiumzusatz oder 1250 bis 1280⁰C bei Niobzusatz Maschinenteile geschmiedet und diese dann in Luft mit zumindest ungefähr Raumtemperatur abgekühlt. Die Mikrolegierungszusätze bewirken über eine Ausscheidungshärtung eine relativ hohe Streckgrenze ohne nennenswerte Änderung der Zugfestigkeit. Müssen nun aber in bzw. an einer Maschine Teile derselben bei hohen Arbeits- oder Betriebstemperaturen sowie unter ständig wechselnden Bedingungen beispielsweise plötzlich hoch ansteigenden und dann wieder stark abfallenden Drücken, sowie gegebenenfalls in korrosiver Atmosphäre zusammenwirken und beispielsweise sich umkehrende Bewegungen ausführen, wie dies bei vielen Brennkraftmaschinenteilen der Fall ist, so sind diese Teile, um ihre Funktion zuverlässig über eine gewünscht lange Standzeit erfüllen zu können, so auszubilden, daß sie den auf sie einwirkenden äußerst komplexen Beanspruchungen standhalten. Derart beanspruchte Maschinenteile werden üblicherweise aus höher legierten Stählen hergestellt und nach entsprechender Formgebung vergütet oder gehärtet oder/und einer thermochemischen Diffusionsbehandlung in kohlenstoff-, stickstoff- oder borabgebenden Mitteln unterzogen. Die Art des anzuwendenden Verfahrens richtet sich dabei in erster Linie nach dem zu erfüllenden Zweck des jeweiligen Maschinenteiles und den beim Einsa'z desselben zu erwartenden Belastungen; die durch derartige Verfahren anfallenden Kosten sind jedoch insbesondere bei Maschinenteilen, die sowohl

h'i ein-: thermochcmische als auch eine nachfolgende oder vorhergehende thermische Behandlung erfordern, relativ hoch.

Hs ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur

Herstellung von hochbelastbaren Maschinenteilen der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Oberflächen der Maschinenteile auch bei Erwärmung auf etwa 400°C gegen Reibverschleiß-Beanspruchung auch bei Mangelschmierung sowie bei etwaigem Angriff korrosiver Stoffe widerstandsfähig sind, ferner die Bauteilkörper auch unser hohen Wechselbelastungen Kräfte ohne Ermüdung abzuleiten vermögen, und außerdem diese Maschinenteile trotzdem erheblich kostengünstiger als mit bislang bekannten Methoden herstellbar sind.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch das im Anspruch 1 angegebene Verfahren gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen dieses Verfahrens sowie dessen Anwendung bei bestimmten Maschinenteilen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens ist anzumerken, daß sowohl die Verwendung von feinkornbildenden, mikrolegierten Stählen als solches als auch das Borieren als solches zur Herstellung von Maschi nenteilen bekannt 'st. Nicht bekannt dagegen ist es, einen Stahl mit bis zu OJ Gewichtsprozentanteil Vanadium als Ausgangswerkstoff für ein Maschinenteil zu verwenden und dieses anschließend zu borieren bei einer der Lösungstemperatur des Vanadiums entsprechenden Prozeßtemperatur sowie so abzukühlen, daß im Grundmaterial ei.-, feinkörniges Gefüge und eine Ausscheidungshärtung gegeben sind.

Ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Maschinenteil muß keinem weiteren Wärmebehandlungsprozeß mehr unterzogen werden und hat trotzdem wenigsten? gleich gute Eigenschaften wie ein aus einem borierten und vergüteten höher legierten Stahl hergestelltes Maschinenteil, -in wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in der Verwendungsmöglichkeit von mikro agiertem Stahl, der billiger als höher legierter Stahl ist und somit schon von den Materialkosten her gesehen Einsparungen erbringt. Eine weitere Kostensenkung liegt in der Tatsache begründet, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren einerseits das ansonsten zum Erhalt von Maschinenteilen milden aufgabengemäßen Eigenschaften notwendige und sehr kostenintensive Vergüten entfällt, andererseits das Borieren selbst eines der billigsten thermochemischen Verfahren zum Erhalt einer extrem harten und hochverschleiß- und korrosionswiderstandsfähigen Randschicht ist. In vorteilhafter Weise ermöglicht die erfindungsgemäß relativ einfache Wärmebehandlungskombination eine extreme Randhärte und große Kernfestigkeit auch bei kompliziert geformten Bauteilen, die einer mehrfachen schnellen Erwärmung und Abkühlung im Rahmen einer Vergütung nach einer thermochemischen, extremen Randverfestigung mit einer spröden, relativ dünnen Schicht nicht ohne nachteilige Auswirkungen unterzogen werden können. Außerdem erbringt die erfindungsgemäße Wärmebehandlungskombination eine hohe Bauteilkernfestigkeit und ermöglicht zugleich auch noch aufgrund des erfindungsgemäß gewählten Grundmaterials die von dessen Legierung abhängig dickste harte Randschicht auszubilden.

Die Maschinenteile werden zunächst aus einem fcinkornbildendcn und ausscheidungshärtenden Stahl hergestellt. Solche Stähle sind normalerweise gekennzeichnet durch kleine l.egierungszusätze in der Größenordnung bis zu 0,2 Gewichtsprozent von Carbid- und f "arbonitridbildnern wie Aluminium. Niob, Titan, Zirkon und Viiii

Beim erfindungsgenäßen Verfahren kommt vornehmlich ein Stahl mit Vanadium als Carbid- und Carbonitridbildner mit bis zu 0,3 Gewichtsprozent Legierungsanteil in Frage, da nur das Vanadium die Bedingung erfüllt, bei einer Temperatur unter !000⁰C, bei der eine Borierung durchführbar ist, im Austenit vollkommen in Lösung zu gehen. Besagter Stahl weist neben Vanadium als Basiswerkstoff Eisen, ferner einen, ein untereutektisches Gefüge bildenden Kohlecstoffgehalt von bis zu 0,8 Gewichtsprozent und darüber hii.aus übliche Grundlegierungszusätze auf. Bei letzteren ist hauptsächlich Mangan zum Steigern der Festigkeit mit bis zu 3 Gewichtsprozentanteil, ferner ein geringer Silizium-Anteil von weniger als 0,6 Gewichtsprozent zu nennen. Beispielsweise kann ein mikrolegierter Stahl verwendet werden, der neben bis zu 0,3% Vanadium und weniger als 0,6% Silizium bis zu 0,35% Kohlenstoff sowie mehr als 1%, jedoch weniger als 3% Mangan sowie Rest Eisen aufweist.

Ein anderer verwendbarer mikrolegierter Stahl kann folgende Zusammensetzung aufweisen, nämlich neben bis zu 0.3% Vanadium, weniger als 0.6% Silizium, etwa 0,3 bis 0,65% Kohlenstoff, mehr als 1%, jedoch weniger als 3% Mangan, Rest Eisen.

Darüber hinaus kann auch ein Stahl verwendet werden, der neben bis zu 0,3% Vanadium und weniger als 0,6% Silizium 03 bis 0,65% Kohlenstoff sowie mehr als 1%, jedoch weniger als 3% Mangan, Rest Eisen aufweist.

An weiteren Legitrungszusätzen kann der erfindungsgemäß verwendete Stahl auch noch Molybdän, ferner Nickel, Kupfer und auch Chrom mit einem jeweils zwischen 0 und 0,5 Gewichtsprozent liegenden Anteil aufweisen. Der Legierungszusatz Molybdän trägt vornehmlich dazu bei, daß die für Perlitbildung erforderliche Abkühlgeschwindigkeit erniedrigt werden kann, wodurch die Gefahr einer Rißbildung in der borierten Randschicht gemindert wird. Darüber hinaus kann es auch zweckmäßig sein, daß im erfindungsgemäß verwendeten Stahl neben Vanadium a.¹·= Feinkornbildner Niob vorhanden ist, jedoch mit einem Gewichtsprozentanteil, der kleiner als jener des Vanadiums ist.

Nach der Herstellung der endgültigen Form des Maschinen'eiles wird letzteres einem Borierprozeß unterzogen. Die zu borierenden Stellen des Maschinenteiles werden dabei in einem Behälter mit einem vorabgebenden Mittel in Kontakt gebracht. Anschließend wird das Maschinenteil auf eine oberhalb der Umwandlungstemperatur des Grundmaterials in die y-Phase liegende Prozeutemperatur von 860— 1000'C erwärmt, welche Temperatur der Lösungstemperatur des im Grundmaterial enthaltenen Vanadiums entspricht, und über eine längere, von der gewünschten Schichtdicke abhängige Dauer auf dieser Temperatur gehalten. Bei dieser Erwärmung erfolgt einerseits eine Lösung des Vanadiums im in der y-Phase befindlichen Grundmaterial; andererseits diffundiert das aus dem borspendenden Mittel Ireigesetzte Bor in die Oberfläche des Maschinenteiles ein und bildet dort eine bis zu mehrere Zehntel Millimeter dicke Fe2B-Randschicht.

Die Dicke der sich bildenden Randschicht wird im wesentlichen durch den Kohlenstoff und bestimmte Legierungsanteil im Stahl beeinflußt. Für die Verzahnungsbildung und damit die Haftung der borierten Randschicht am Grundmaterial sind andere l.egicrungs-Bestandteile des Stahles maßgebender. Mangan und Nickel beeinflussen die Schichtdickenausbildung und Verzahnung kaum. Nickel wird ebenso wie Kohlenstoff

und Silizium durch ti;!·· eindiffundierende Bor nach innen verdrängt und unter der entstehenden FejB-Randschicht angereichert. Das Vanadium würde die Schichidickenausbildung den Verzahr.ungsgrad nur dann beeinträchtigen, wenn es einen Anteil von bis zu 0,3 Gewichtsprozent überschreiten würde. Letzteres ist beim erfindungsgemäß verwendeten mikrolegierten Stahl jedoch nicht der Fall.

Nach dem Borierproze3 werden die Maschinenteile einem Abkühlprozeß unterzogen. Letzterer läuft je nach Größe von Durchmesser, Querschnitt oder Wandstärke des Maschinenteiles und Art der Abkühlung, unbeeinflußt oder gesteuert, mit unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeit von 2 bis 50⁰C pro Minute ab. Hierdurch kann außerdem abhängig von der Legierungszusammensetzung des verwendeten Stahles eine unterschiedliche Gefügebildung hinsichtlich größerer oder kleinerer Zähigkeit und Festigkeit erreicht werden.

Eine für die Gefügeumwandlung zulässig relativ langsame Abkühlgeschwindigkeit ermöglicht zugleich die Verhütung von Rissen in der borierten Randschicht.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren sind schwingfeste Maschinenteile herstellbar, dip aufgrund ihrer borierten, bei Raumtemperatur eine Härte von etwa 2000 HV aufweisenden Randschicht, auch bei

erhöhter Temperatur, beispielsweise 400°C, hoch verschleiß- und korrosionswiderstandsfähig sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders gut zur Herstellung von hochbelastbaren Brennkraftmaschinenteilen, wie Kolbenkronen mit ganz oder nur im Bereich der Kolbenringnuten und des Kolbenbodens borierten Randbereichen, oder Kolbenringträgern, mit ganz oder nur im Bereich der Kolbenringnuten borierten Randbereichen. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Zylinderköpfen und Zylinderbuchsen mit brennraumseitig borierten Flächen geeignet. Eine weitere Möglichkeii der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei Kurbelwellen, Nockenwellen oder Nockenscheiben gegeben, deren Randbereiche eine ganz oder teilweise borierte Randschicht aufweisen sollen. Auch Zahnräder sind nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbar, wobei zumindest deren Verzahnungsbereich eine borierte Randschicht aufweisen kann. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist jedoch nicht auf die vorgenannten Maschinenteile beschränkt; das erfindungsgemäße Verfahren ist ^.-nerell bei solchen Maschinenteilen anwendbar, die die ai-'gabengemäßen Bedingungen erfüllen müssen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von hochbelastbaren Maschinenteilen, insbesondere Brennkraftmaschinenteilen, mit zähem, hochfestem Kern sowie auch bei hohen Betriebstemperaturen noch harter, verschleißfester und Korrosionswiderstandsfähiger Randschicht, bei dem die Maschinenteile aus einem, zur Ausscheidungshärtung und Feinkornbildung Vanadium mit bis zu 03% aufweisendem Stahl hergestellt werden, der sich des weiteren aus einem, ein untereutektisches Gefüge erzielenden Kohlenstoffgehalt von bis zu 0,8%, ferner bis zu 3% Mangan, weniger als 0,6% Silizium,. Rest Eisen, zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, daß der zähe, hochfeste Kern durch Lösungsglühen bei Temperaturen zwischen 860 und 1000⁰C und anschließendes Abkühlen mit einer Geschwindigkeit von 2 bis etwa 50⁰C pro Minute erzielt und daß die verschleißfeste sowie korrosionsbeständige Randschicht zur Bildung einer bis zu mehrere Zehntel Millimeter dicken FejB-Randschicht gleichzeitig mit dem Lösungsglühen durch Borieren erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Maschinenteile ein mikrolegierter Stahl verwendet ist, der neben bis zu 03% Vanadium und weniger als 0,6% Silizium bis zu 0,35% Kohlenstoff sowie mehr als 1, weniger als 3% Mangan, Rest Eisen aufweist.

3. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Maschinenteile ein mikrolegierter Stahl verwendet ist, der neben bis zu 0,3% Vanadium und weniger als 0,6% Silizium etwa 0.3 bis 0.65% Kohlenstoff sowie bis 1% Mangan, Rest Eisen aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Maschinenteile ein Stahl verwendet ist, der neben bis zu etwa 03% Vanadium und weniger als 0.6% Silizium 0.3 bis 0.65% Kohlenstoff sowie mehr als I. weniger als 3% Mangan, Rest Eisen aufweist.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Stahl als weitere Legierungszusätze noch Metalle wie Molybdän. Nickel, Kupfer und Chrom mit einem jeweils zwischen 0 und 0,5 Gewichtsprozent liegenden Anteil enthält.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der verwendete Stahl neben Vanadium als Feinkornbildner noch Niob mit einem Gewichtsprozentanteil enthält, der wesentlich unter jenem des Vanadiums liegt.

7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 6 auf die Herstellung von Kolbenkronen von Brennkraitmaschinenkolben mit ganz oder nur im Bereich der Kolbenringnuten und des Kolbenbodens borierten Randbereichen.

8. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Herstellung von an Brennkraftmaschinenkolbcn anbringbaren Kolbenringirägrrn mil ganz oder nur im Bereich der Kolhennngnuien borierten Randbereichen.

Q. Anwendung des Verfahrens nach eitlem der

Ansprüche t bis h auf die Herstellung von

/ylmderkopfcn von Brennkraftmaschinen mit brenn raumsei ι in hc inerten Hoden flat hen.

10. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche I bis 6 auf die Herstellung von Zylinderbuchsen mit borierten Zylinderlaufflächen.

11. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Herstellung von Kurbelwellen, Nockenwellen oder Nockenscheiben mit ganz oder nur teilweise borierten Randbereichen.

12. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6 auf die Herstellung von Zahnrädern für Maschinengetriebe mit zumindest im Verzahnungsbereich borierter Randschicht.