DE3433698A1

DE3433698A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung eines werkstueckes

Info

Publication number: DE3433698A1
Application number: DE19843433698
Authority: DE
Inventors: Hisao Saitama Hirono; Tsuyoshi Kawagoe Saitama Makita; Toshihiko Sayama Saitama Saga
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1983-09-14
Filing date: 1984-09-13
Publication date: 1985-04-04
Also published as: GB2148166A; FR2551770B1; FR2551770A1; CA1249038A; GB8423101D0; GB2148166B; DE3433698C2; JPS6070136A; JPH0353388B2

Description

Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung von Oberflächen eines Werkstücks, wie einer Ventilnocke für zum Beispiel einen Motor, um so eine hohe Abrieb- und Verschleißfestigkeit auf deren Gleitoberfläche zu erzielen.

Bei einem Verfahren nach dieser Art hat man bisher das aus einem metallischen Material, wie Gußeisen oder dergleichen gefertigte Werkstück an seiner Oberfläche mit einer Aufschmelzschicht versehen, die durch ein oberflächiges Schmelzen mittels eines Plasmalichtbogens und Verfestigen der aufgeschmolzenen Teile durch Abkühlen erzeugt wurd_e. Bei dieser Arbeitsweise erhält man nur eine gehärtete Schicht mit einer durch das Abschrecken entstehenden Struktur in Abhängigkeit von der Kühlgeschwindigkeit während der Verfestigung der aufgescho.lzenen Teile; dies ist aber mangelhaft insofern als bei der Anwendung des Verfahrens auf zum Beispiel Nocken^u wellen, es nicht leicht ist, zum selben Ergebnis einer befriedigenden Abriebfestigkeit zu kommen. Um bei einem Werkstück an seiner Oberfläche Abriebfestigkeit und Greiffestigkeit (bite- resisting property)zu erzielen, ist ein Verfahren bekanntgeworden, bei dem man nach einem pulver- metallurgischen Prozeß eine zunächst aus einem Metallpulver und einem Sulfidpulver hergestellte Mischung unter Druck verformt und gesintert hat; man hat auch schon nach einem Gießprozeß gearbeitet, wobei einem geschmolzenen Metall ein Sulfidpulver zuge-

° setzt und die erhaltene Mischung gerührt und vergossen hat.Diese Arbeitsweisen sind jedoch nachteilig aus Kostengründen, da das Sulfid vergleichweise teuer ist und in nicht notwendigen Mengen eingemischt wird.Außerdem wird das Sulfid für eine verhältnismäßig lange Zeit auf einer hohen Temperatur/gehalten, einmal während der Sin-

terstufe beim pulver- metallurgischenVerfahren und zum anderen von der Füllstufe bis zum Verfestigen beim Gießprozeß. Dies hat zur Folge, daß die Teilchen sich zersetzen und der verbleibende Teil sehr niedrig ist und es sehr schwierig ist, ein Produkt mit ausreichender guter Abriebfestigkeit und Greiffestigkeit zu erhalten.

Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung bereitzustellen, das die vorher geschilderten Nachteile nicht ausweist und mit dem man Oberflächen mit verbesserten Eigenschaften,zum Beispiel bezüglich der Abriebfestigkeit erhält. Hierzu wird das aus einem metallischen Material gefertigte Werkstück, zum Beispiel aus Gußeisen, Aluminiumlegierung

*° oder dergleichen, mit einer Aufschmelzschicht in der Weise versehen, daß während des Aufschmelzens mit einem Plasmalichtbogeniein Zusatzmittel auf der Basis eines Pulvers eines metallischen Materials, das vom Werkstückmaterial abweicht, über den Plasmastrom in die aufgeschmol-

^O zene Menge zugeführt und kräftig damit vermischt wird.

In diesem Fall ist das Zusatzmittel ein Pulver mit wenigstens einem Metall, wie Ni, Cr, Mo oder dergleichen, Legierungen davon, Carbiden, wie WC, SiC, M02C, CrgC2, β C oder dergleichen, Boriden,wie BN, TiB oder dergleichen, Sulfiden, wie M0S2J WS₂» FeS oder dergleichen und Oxiden, wie AI2O3» S1O2 oder dergleichen.

Die Erfindung wird näher erläutert an Hand der beilie-" genden Zeichnungen.

In diesen Zeichnungen ist die Zahl 1 das Werkstück, wie eine Nockenwelle oder dergleichen aus einem metallischen Material, wie Gußeisen, Aluminiumlegierung oder ^° dergleichen, und 2 bezeichnet einen gegenüberstehenden Plasmalichtbogenbrenner. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich

ist, weist der Brenner 2 in seiner Mitte eine Elektrode 3 auf; die Elektrode 3 ist umgeben von der Düse 5 mit einem Arbeitsgas- Durchlaß 4. Um die Düse 5 herum befindet sich eine Schutzkappe 7 mit einem Schutzgas- Durch- ° laß; die Düse 5 weist am vorderen Ende den Plasmagasdurchlaß 8 auf, der mit dem Arbeitsgas- durchgang 4 in Verbindung steht. Im Innern der Düse 5 ist auch noch die Kühlwasserpassage 9 vorgesehen. Der Plasmagasstrahl wird auf das Werkstück gerichtetaiber den Durchgang 8, während zur selben Zeit ein Lichtbogen erzeugt wird zwischen dem Werkstück 1 und der Elektrode 3. Auf diese Weise wird auf dem Werkstück eine Schmelzzone 11 gebildetiDurch die Führung des Brenners 2 entlang eines Rasters entsteht eine kontinuierliche Schmelzzone entlang der Rasterlinie. Der aufgeschmolzene Teil wird graduell verfestigtdurch Abkühlung vom Start an,, so daß eine aufgegchnolzene Behandlungsschicht gebildet wird. Insoweit unterscheidet sich das Verfahren nicht von dem üblichen.

Gemäß der Erfindung wird das Pulver eines von dem metallischen Material des Werkstücks 1 verschiedenen Materials als Zusatzmittel 12 für das beanspruchte Verfahren eingesetzt; es wird über den Plasmalichtbogen 10 in die geschmolzenen Anteile gebracht und so kräftig mit der Schmelze vermischt. Als Mittel dafür ist, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ein Mischrohr aus zum Beispiel Keramik so am Brenner 2 angeordnet, daß das vordere Ende auf den Plasmalichtbogen 10 gerichtet ist. Das Zusatzmittel 12 wird dann mittels zum Beispiel Argongas durch die Mischröhre 13 zum Lichtbogen 10 gebracht; über den Lichtbogen 10 wird das Zusatzmittel 12 in den aufgeschmolzenen Te il 11 eingeführt, um so mit diesem gemischt zu werden.

Im einzelnen beträgt zum Beispiel die Fließgesehwindig-

•C·

keit des Plasmastrahls vom Plasmabrenner 2 20m/sec., die Fließgeschwindigkeit des Schutzgases an der äußeren Peripherie des Schilds 0,33m/s.ec und die Bewegungsgeschwindigkeit des Pulvers 7m/sec, aber stets mehr als das 1,5 bis 3 fache der Fließgeschwindigkeit des Schutzgases. Auf diese Weise kann das Pulver den Schutzgasstrom überwinden und in den Plasmastrahl gelangen.

Einzelne Arbeitsschritte gemäß dem erindungsgemäßen Verfahren sind in den Fig. 2 bis 6 gezeigt. Vorab wird,_; wie auslenFig. 2 und 3 zu entnehmen, ist, ein Plasmalichtbogen 10 erzeugt zwischen dem Brenner 2 und dem Werkstück 1 und so an der Oberfläche des Werkstücks 1 ein teilweises Aufschmelzen 11 bewirkt, vgl Fig. 3. Darüberhinaus wird das Zusatzmittel 12durch zum Beispiel Argongas durch das Innere der Mischröhre 13 gefördert; alsdann wird, wie in Fig. 4 gezeigt ist, das Zusatzmittel 12 in den Plasmalichtbogen 10 eingebracht und durch den Lichtbogen 10 in seiner Geschwindigkeit erhöht sowie mit dem Lichtbogen 10 in des aufgeschmolzenen Teil 11 eingeführt, um so mit diesem kräftig gemischt zu werden.

Zurselben Zeit wird der Plasmabrenner 2 in einer Richtung geführt, wobei, wie die Fig. 5 zeigt, die aufgeschmolzene Zone 11 kontinuierlich in der Bewegungsrichtung verlängert wird und sich vom Start an fortschreitend abkühlt auf Grund der dem restlichen Teil des Werkstücks inhärenten kalten Masse. Auf diese Weise wird die aufgeschmolzene Behandlungsschicht 11a erhalten.

Während des Arbeitens wird jeder Teil der verlängerten Schmelzzone 11 heftig bewegt und in turbulenten; Fluß durch den Lichtbogen gehalten; die in diesem mitgeführten Zusatzmittel 12 werden gleichmäßig in dem aufgeschmolzenen Teil verteilt auf Grund der Rührwirkung.

Die so resultierende aufgeschmolzene Behandlungsschicht lla fällt in einem solchen Zustand an, daß das Zusatzmittel 12 im wesentlichen gleichmäßig in der wieder verfestigten Schicht vorliegt, wie die Fig. 6 zeigt. Die Behandlungsschicht weist so verbesserte Eigenschaften auf Grund der Verteilung des Zusatzmittels 12 auf, zum Beispiel bezüglich der Abriebfestigkeit.

Die Gasflußrate des Plasmastrahls beim Plasmalichtbogen 10 ist geringer als im Falle des üblichen Plasmaschmelzens und beträgt zum Beispiel 0,3 bis 3,0 l/min; dabei ist die Fördergeschwindigkeit des Zusatzmittels 12 0,5 m/sec als Beispiel und die elektrische Stromstärke des Lichtbogens 10 etwa 30 bis 200 A und 20 bis 30 Volt. Die Teilchengröße des pulverförmigen Zusatzmittels 12 ist gewöhnlich unter 200μπι und bevorzugt unter lOOpm.

Wenn das pulverförmigeZusatzmittel in dem aufgeschmolzenen Teil 11 gemischt wird, verbleibt es in seinem Pulverzustand oder wird teilweise durch die Hitze geschmolzen und bildet eine Legierung oder Verbindung mit dem aufgeschmolzenen Teil 11.

Ausführungsbeispiel 1

Der aus Fig. 1 ersichtliche Apparat wird verwendet und das Werkstück 1 besteht aus einem FC 30 Ohkoshi Teststück zur Bestimmung des Abriebs; es wird wie folgt behandelt :
Unter der Bedingung, daß der elektrische Bogenstrom 50 A ist, die Plasmagasfließrate 0,8 l/min beträgt sowie die Geschwindigkeit des Plasmabrenners 0,5 m/min ist, wird auf der gesamten Oberfläche ein Teil aufgeschmolzen und als Zusatzmittel 12 Cr- Pulver eingemischt. Das Cr- Pulver hat eine Teilchengröße von 5 bis 100 μΐη und wird mit einer Auftragsrate von 0,2 g/min eingesetzt.

Die gebildete aufgeschmolzene Schicht hat eine Tiefe von 1,8 mm von der Oberfläche und wird abgekühlt unter Bildung einer gehärteten (chilled) Struktur durch ein rasches Abkühlen. Man erhält so eine aufgeschmolzene Behandlungsschicht mit nahezu gleichmäßig verteilten Cr-Pulverteilchen über die gesamte Region bei einem Kontaktverhältnis von 1,2 Volumenprozent.

Das resultierende Produkt wird mir A bezeichnet, wohingegen die bloße Aufschmelzschicht als B gekennzeichnet ist. Der Abriebtest wird mit jeder Probe durchgeführt; folgende Resultate werden erhalten:

Cr% spez. Abriebwert

A 'v 1,2 8,6 χ 10~⁸mm²/kgx B 0 2,2 χ 10-7_mm ²/kg.

Der bei dem Test verwendete Rotor wurde dadurch hergestellt, daß ein Rohmaterial vom Typ SCM 420 einer Karburierbehandlung unterworfen und dann hartverchromt wurde. Die Abriebgeschwindigkeit war 1,36 m/sec, die Endbelastung 3,1 kg und die Abriebdistanz 200m (der letztere Wert entsteht durch Multiplikation des Rotorumfangs mit der Anzahl der Rotordrehungen).

Ausführungsbeispiel 2

Es wird der aus Fig. 1 ersichtliche Apparat verwendet und das Werkstück 1 aus einem S50C Ohkoshi Testmaterial wie folgt behandelt:
Die gesamte Oberfläche des Teststücks wird derart behandelt, daß der Plasmabogenstrom 100 A ist, die Fließrate des Plasmagases 0,8 l/min beträgt und die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Plasmabrenners 0,5m/min ist. In den aufgeschmolzenen Teil wird M02C als pulverförmiges Zusatzmittel 12 zugeführt. Das Pulver hatte eine Teilchengröße von 2 bis 30μπι , die Zuf ührgeschwindig-

keit war 0,6 g/min. Die resultierende Schmelzschicht wurde auf eine Tiefe von 1,2 η ab der Oberfläche eingestellt; nach dem Verfestigen erhielt man eine Martensit- Struktur. Die erhaltene Behandlungsschicht enthielt die Mo- Teilchen in gleichmäßiger Verteilung über den gesamten Bereich in einem Anteil von 3,6 Volumenprozent.

Das so erhaltene Produkt wird mit C bezeichnet; das durch einfache Aufschmelzbehandlung resultierende Muster trägt IQ den Buchstaben D. Der Abriebtest wird mit jedem derselben mit folgendem Ergebnis ausgeführt. Mo% spez. Abriebwert

C 5,2 7,8 χ 10-⁷mm²/kg

D_n O 8,5 χ 10-6_mm ²/kg

Ausführungsbeispiel 3

Der aus Fig. 1 zu entnehmende Apparat wird verwendet; das Werkstück 1, bestehend aus einer Ni- 10% Cu- Legierung eines Ohkoshi - Abriebteststücks, wird wie folgt behandelt:

Die ganze Oberfläche deselben wird mit einem Plasmabrenner bestrichen. Dabei beträgt der Plasmabogenstrom 100 A, die Fließrate des Plasmagases 0,8 l/min und die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Plasmabrenners 0,5 m/min. TiB- Pulver wird als Zusatzmittel eingesetzt. Dessen Zuführungsrate ist 0,4 g/min. Die Aufschmelzschicht wird auf eine Tiefe νοηΙ,Ο mm gebracht. Nach dem Verfestigen ist in der Behandlüngsschicht das TiB-Pulver fast gleichmäßig im gesamten Bereich in einem An-

g0 teil von 2,6 Volumenprozent verteilt.

Das so erhaltene Produkt wird mit E bezeichnet und ein nur mit einer Aufschmelzschicht versehenes Muster erhält den Buchstaben F. Der Abriebtest wird durchgeführt mit den nachstehenden ERgebnissen.

._ ₈ _

	TiB%	spez.	Abriebwert
E	2,6	A,O χ	10-⁶mm²/kg
F	O	7,2 χ	10~⁶mm²/kg

Ausführungsbeispiel A

Der Apparat gemäß Fig. 1 wird verwendet, als Werkstück 1 diente ein FC30 Ohkoshi - Abriebteststück; dieses wurde wie folgt behandelt.

Die gesante Oberfläche wurde unter den nachstehenden Bedingungen behandelt. Der Plasmabogenstrom war 50 A, die Fließrate vom Gas 0,8 l/min und die Fortbewegungsgeschwindigkeit des Brenners 0,5 m/min. Als Zusatzrnittel 12 wurde FeS- Pulver in die aufgeschmolzene Schicht eingemischt. Das Pulver hatte eine Korngröße von 5 bis 30 μπι und wurde mit 0,3 g/min zugeführt ,Die Schmelzschicht wurde auf eine Tiefe von 1,6 mm gebracht und wurde durch Abkühlung in eine gehärtete Struktur überführt. Die zugesetzten FeS- Teilchen und die entstehenden (FeMn)S- Teilchen, die durch Reaktion eines Teiles vom FeS- Pulver mit dem Mn- Bestandteil im Grundmaterial gebildet werden, sind nahezu gleichmäßig in dem gesamten Bereich verteilt, und zwar in einem Anteil von 20 Volumenprozent.

Das so resultierende Muster trägt die Bezeichnung G und das Stück mit der einfachen Schmelzschicht den Buchstaben H. Der Abriebtest wird durchgeführt; die dabei erhaltenen Resultate sind.

FeS / (FeMn)S % spez. Abriebwert

G 2,0 6,9 χ 10~⁸mm²/kg

H 0 2,2 χ 10~⁷mm²/kg

— 9 — 35

Ausführungsbeispiel 5

Der Apparat gemäß Fig. 1 wird verwendet; das Werkstück 1, welches aus einer Aluminiumlegierung der AC2B Ohkoshi Reihe zur Bestimmung des Abriebs bestand, wurde wie folgt behandelt.

Mit den nachstehenden Bedingungen erfolgte die Behandlung, Der Plasmabogenstrom war 100 A, die Fließrate des Plasmagases 0,8 l/min und die Fortbewegungsgeschindigkeit des Brenners 0.8 m/min.In die aufgeschmolzene Schicht wurde AI2O3 als pulverförmiges Zusatzmittel eingebracht. Das Pulver hatte eine Teilchengröße von 0,5 bis ΙΟμίη , die Zufuhrgeschwindigkeit war 0,6 g/min. Die aufgeschmolzene Behandlungsschicht wurde durch Abkühlen verfestigt und hatte eine Tiefe von 0,8 mm. Sie enthielt das AI2O0- Pulver in gleichmäßiger Verteilung über den gesamten Bereich in einer Menge von 6,0 Volumenprozent.

Die nach diesem Beispiel erhaltene Probe erhielt den Buchstaben I, ein nur durch einfaches Aufschmelzet gewonnenes Muster wird mit J bezeichnet. Der Abriebtest wurde mit jedem Muster durchgeführt mit den folgenden Ergebenissen.

AI9O3 % spez. Abriebwert I 6,0 8,3 χ 10~⁶mm²/kg

J 0 6,2 χ 10~^:>mm²/kg

Wie aus jedem der vorhergehenden Beispiele klar ersichtlich ist , wird das Werkstück 1 bei jedem Versuch we- ' sentlich verbessert in seiner Abriebfestigkeit durch

das eingemischte Zusatzmittel.

Ausführungsbeispiel 6

Es wird der Apparat gemäß Fig. 1 verwendet, als Werkstück 1 für einen Stator dient ein FC30 ohkoshi-Abriebtest-

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stück, das wie nachstehend angegeben behandelt wurde.

Die Gleitaberfläche desselben wurde derart behandelt, daß der Plasmabogenstrom 80 A ist, die Fließrate des Plasmagases 0,8 l/min beträgt und der Plasmabrenner mit einer Geschwindigkeit von 0,3 m/min fortbewegt wird.Zu dem aufgeschmolzenen Teil 11 wird C^Sg-Pulver einer Teilchengröße von 2 bis 10 μΐη mittels Argongas in einer Menge von 1,2 g/min zugeführt. Die so gebildete aufgeschmolzene Schicht hatte eine Tie- ^ fe von 1,2 mm ab der Oberfläche. Nach der Verfestigung resultierte eine aufgeschmolzene Behandlungsschicht, in der Teilchen aus einer Mischung verschiedener Cr- Sulfide, und zwar (CrFe^Sg, (CrFeMn^Sg (CrFe)OS^, (CrFeMn)·^^, die durch die Reaktion des zu- ^■° gesetzten C^S^ mit dem Fe in dem Grundmaterial sowie dem Legierungsanteil Mn gebildet wurden, vorlagen. Die Cr- Sulfid- Mischung beträgt 7,5 Volumenprozent; deren Teilchengröße ist etwa 1 bis 8 μη . Bei diesem Prozeß wird die aufgeschmolzene Teilmenge rasch verfestigt, und zwar durch die kalte Masse des verbleibenden Teils

„ , ^ . -, , es resultiert eine gehärtete Strukvom Grundmaterial' ^ö

tür nach Ledeburit- Art, in der die oben genannten Chromsulfide verteilt sind.

Das so erhaltene Produkt wird einer Reibbehandlung an ° seiner Gleitfläche unterworfen; das Teststück erhält

die Bezeichnung K. Zu Vergleichszwecken wurde das Teststück nur mit einer einfachen Schmelzschicht versehen und so gehärtet, jedoch ohne die Zugabe von C^So- Pulver. Auch dies Muster wurde der Reibbehandlung an ^ou seiner Oberfläche unterworfen; es wird mit L bezeichnet. In der entsprechenden Weise wie in Beispiel 1 wird der Abriebtest mit jedem der Muster durchgeführt; dabei wurden die aus der nachstehenden Tabelle ersichtlichen Werte gefunden.

■ -π-

dispergiertes Material Anteil in spez. Abriebwert

Volumen-%

K Chromsulfid 7,5 8,0 χ 10~⁹mm²/kg

L 2,2 χ 10~⁷mm²/kg

Ausführungsbeispiel 7

Der aus Fig. 1 ersichtliche Apparat wurde verwendet; als Werkstück diente ein Kohlenstoffstahl aus Fe und C (o,5o%)„ der ^wie nachstehend beschrieben behandelt wurde.

Die Gleitoberfläche wurde aufgeschmolzen mit einem Plasmabogenstrom von 80 A, das als Plasmagas verwendete Argon hatte eine Fließrate von 1 l/min und der Plasma- Zickzack- Brenner eine Geschwindigkeit von 0,3 m/min. In die aufgeschmolzene Teilmenge 11 wurde eine Mischung aus je 50 Gewichtsprozent Cr3C2~ Pulver einer Teilchengröße von 2 bis 10 μπι und MoS2^mit einer Teilchengröße von 5 bis 60μπι in einer Rate von 0,1 g/min zugeführt durch das Argongas. Es wurde eine Schmelzschicht nach der Verfestigung erhalten, die Teilchen ^von Chromsulfiden, und zwar C^Sg und CroS^ aus der Reaktion der Komponenten gleichmäßig verteilt in der Schicht 11 mit einer Tiefe von 1,4 mm ab der Oberfläche enthielten. Diese Chromsulfide lagen in einer Menge von 0,5 Volumenprozent vor und hatten eine Teilchengröße von 1 bis 9 pm. Das erhaltene Produkt wurde an seiner Oberfläche einer Reibbehandlung unterworfen und diente als Teststück M. Als Vergleich diente ein Muster mit einfacher Schmelzschicht mit der Bezeichnung N. Entsprechend Beispiel 1 wurde der Abrieb ermittelt mit folgendem Ergebnis.

Teststück disperg. Gehalt in sp.ez.Abrieb-" Material Volumen-% wert

M Cr-SuIfid 0,5 3,6 χ 10"⁶mm²/kg

N — 8,5 χ 10~ mm /kg

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*■ Ausführungsbeispiel 8

Unter Verwendung des in Fig. 1 gezeigten Apparates wurde als Werkstück 1 ein Nockenhubstück einer Nockenwelle aus FC.30, die zum Einbau in einen Motor eines ° Kraftwagens bestimmt ist, der nachstehenden Behandlung unterworfen. Die Oberfläche wurde so behandelt, daß der Plasmabogenstrom 60 A betrug, das Plasma-Argongas eine Fließgeschwindigkeit von 0,5 l/min und die Fortwegung des Brenners 1 m/min war. 0^3 ~ Pulver mit einer Teilchengröße von 2 bis 10 pm wurde als Zusatzmittel 12 in die geschmolzene Menge 11 mit 0,6g/min eingebracht. Nach der Verfestigung entstand eine Schmelzschicht; in der gehärteten Schicht von 1,8 mm Dicke waren verschiedene Cr- Sulfide vorhanden, wie (CrFe)₂S3, (CrFeMn)₂S₃, (CrFe)₃S^ und (CrFeMn)₃S^. Sie waren in der Schmelzschicht gleichmäßig verteilt und lagen in einem Anteil von 2,2 Volumenprozent vor bei einer Teilchengröße von 1 bis 8 pm. Die gehärtete Schicht hatte eine Härte von HCR 58. Di_e erhaltene Nockenwelle wurde an der Oberfläche einer Reibbehandlung unterworfen, und zwar einem üblichen Servicetest. Das Muster erhielt die Bezeichnung 0. Als Gegenversuch wurde eine Nockenwelle aus demselben Material einer einfachen Schmelzbehandlung unter— worfen, also ohne das Zusatzmittel; diese Probe erhielt die Bezeichnung P. Deren gehärtete Schicht hatte eine Stärke von 1,9 mm und eine Härte von HCR 51. Service- Testbedingungen:

Motor- Geschwindigkeit 1000 Upm Öltemperatur 65°C Testzeit 200 Stunden

Als Ergebnis dieser Versuche zeigte sich, daß der Abriebverlust an der Nockenspitze vom erfindungsgemäßen Teststück 0 10 μπι in der Tiefe betrug, jedoch der Abriebverlust bei dem Vergleichsmuster P 120 μΐη betrug.

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Ausführungsbeispiel 9

Der aus Fig. 1 ersichtliche Apparat wurde verwendet; als Werkstück 1 diente ein Ventilschwinghebel aus SCM

420, der zum Einbau in einen Motor eines Kraftfahr-5

zeugs bestimmt war; an seiner Gleitfläche wurde er mit einem AufschmeLzüberzug versehen, und zwar wie folgt. Der Gleitflächenteil wurde mittels eines Plasmabogenstroms von 45 A, behandelt, wobei das Srgon Plasmagas eine Fließrate von 0,5 l/min hatte und der Brenner mit einer Geschwindigkeit von 0,8 m/min weiterbewegt wurde. Die Zufuhrmenge von Cr^So" Pulver einer Teilchengröße von 2 bis 10 μπι betrug 0,4 g/min. Das Pulver wurde in die aufgeschmolzene Schicht eingebracht. Nach

ν
dem Verfestigen wurde eine Schmelzbehandlungs-Schicht

als gehärtete Schicht erhalten, in der eine Mischung von Chromsulfiden, und zwar ^g ^g (CrFe^S^ und (CrFeMn^S^ aus der Reaktion/des zugesetzten CroSo mit dem Hauptbestandteil Eisen sowie der Teilkomponente Mangan in dem Werkstück glatt ver-

teilt war. Die gehärtete Schicht war 1,0 mm stark und

enthielt die Chromsulfide in einer Menge von 3,4 Volumenprozent. Das Produkt wurde dann noch einem Karburieren unterworfen und anschließend durch Reiben behandelt; es erhält die Bezeichnung Q. Als Vergleich 25

wurde ein Ventilschwinghebel aus dem gleichen Material - ohne daß eine Schmelzbehandlung erfolgte - nur karburiert; die Probe wird mit R bezeichnet. Ein Service—test wurde mit jedem der beiden Proben unter den nachstehenden Bedingungen durchgeführt. Dabei wurde

ermittelt, daß der Abriebverlust beim Teststück Q nur 3 μπι betrug, jedoch die Gleitfläche des Vergleichsstücks um 50 μπι abgenommen hatte. Testbedingungen:

Motorgeschwindigkeit 1000 Upm Öltemperatur 65°C

Versuchsdauer 200 Stunden.

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Ausführungsbeispiel 10

Der Apparat gemäß Fig. 1 wurde verwendet; als Werkstück 1 lag ein Stator aus FCD55 Ohkoshi Abriebtestmaterial vor, der der Schme]zbehandlung unterworfen wurde. Die Gleitoberfläche wurde behandelt mit einem Plasma bogenstrom von 80 A, die Fließgeschwindigekit des Plasmagases Argon war °t& l/min und die Fortbewegung des Brenners betrug 0,3 m/min. In die geschmolzene Schicht wurde als Zusatzmittel FeS- Pulver einer Teilchengröße von 5 bis AO μΐη eingetragen unter Verwendung von Argongas; die Zufuhrmenge betrug 1,5 g/min. Die Schmelzschicht hatte eine Stärke von 1,2 mm. Während der Behandlung reagierte ein Teil des FeS- Pulvers mit dem im Werkstückmaterial vorhandenen Eisen und Mangan, wobei FeMnS enstand. Die nach der Behandlung gewonnene Schmelzbehandlungsschicht enthielt in gleichmäßiger Verteilung eine Mischung aus FeS und FeMnS. In der gehärteten Schicht wiesen die Teilchen eine Größe von 1 bis 9 \im auf und waren in einer Menge von 15 Volumenprozent vorhanden.Das erhaltene Produkt wurde der Reibbehandlung unterworfen und mit S bezeichnet. Zu Vergleichszwecken wurde ein Werkstück 1 aus demselben Material einer einfachen Schmelzbehandlung unter den oben angeführten Bedingungen unterworfen, jedoch ohne Zusatz des Zusatzmittels; Es wird als Teststück T be_

zeichnet. Der im Beispiel 1 beschr iebene Abriebtest w; urde mit jedem der Proben S und T durchgeführt mit folgendem Ergebnis:

Teststück	disperg. Sulfid	Anteil in Volumen-%	spez	. Abrieb wert
S	FeS und FeMnS	15 %	A₁	χ 10"⁸mm²/kg
T		_	2,	χ 10~⁷mm²/kg
,5
,2

Ausführungsbeispiel 11

Der Apparat gemäß Fig. 1 wurde eingesetzt. Das Werk-

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stück 1 war ein Stator, hergestellt aus einem S50C Abriebteststück. Er wurde aufderGleit-Oberflache einer Aufschmelzbehandlung unterworfen, und zwar mit folgenden Bedingungen: Der Plasmabogenstrom war 80 A, das Plasmagas Argon hatte eine Fließgeschwindigkeit von 1 l/min und die Fortbewegung des Zickzackbrenners erfolgte mit 0,3 m/min. Die resultierende Schmelzschicht hatte eine Tiefe von 1,4 mm, in diese wurde MoS- Pulver von einer Teilchengröße von 10 bis 40 μπι in einer Menge von 0,15 g/min'mittels Argon eingetragen. Die gehärtete Schicht enthielt gleichmäßig verteilt Teilchen von FeS und FeMnS, die durch Reaktion des MoS mit dem Eisen und Mangan in dem Grundmaterial entstanden waren. Die resultierende Teilchengröße war 1 bis 7 μπι; der Anteil betrug 0,8 Volumenprozent.

Das erhatene Produkt wurde an seiner Gleitfläche einer Reibbehandlung unterworfen und als Probe U bezeichnet. Das als Vergleich eingesetzte Werkstück 1, das nur der einfachen Aufschmelzbehandlung unterworfen worden war, aber ohne jedes Zusatzmittel, erhielt die Bezeichnung V.

Bei der Durchführung des obengenannten Abriebtests mit jedem dieser Proben wurden folgende Ergebnisse erhalten:

Teststück verteiltes Gehalt in spez. Abrieb-Sulfid Volumen-% wert

U FeS und 0,8 % 4,2 χ 10~⁶mm²/kg FeMnS

V · 8,5 χ 10~⁶mm²/kg

Ausführungsbeispiel 12

Der aus Fig. 1 ersichtliche Apparat wurde eingesetzt. Das als Werkstück 1 verwendete Nockenhubstück einer Nockenwelle eines Motors für ein Kraftfahrzeug begg stand aus FC30. Die Oberfläche des Nockenhubstücks

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wurde unter folgenden Bedingungen geschmolzen: Plasmabogenstrom 60 A, Fließrate des Argon- Plasmagases o,5 l/min, Fortbewegungsgeschwindigkeit des Brenners Im/min, das Zusatzmittel ist WS2- Pulver mit einer Teilchen- ° größe von 2 bis 10 μΐη,. eingetragen in den aufgeschmolzenen Teil in einer Menge von 0,6 g/min durch das Gas. Die resultierende Schme1.zschicht hatte eine Tiefe von 1,8 mm und wurde verfestigt. In der so gehärteten Schicht waren Teilchen von FeS und FeMnS, aus der Reaktion des WSninit den Elementen Fe und Mn in dem

Grundmaterial vorhanden. Sie hatten eine Teilchengröße von 1 bis 10 μΐη und lagen in einer Menge von 2,8 Volumenprozent vor. Die gehärtete Schicht hatte eine Harte von HRC53. Die Nockenwelle wurde einer Reibbehandlung unterworfen und wurde mit W bezeichnet. Eine Nockenwelle aus dem gleichen Material wurde einer einfachen Schmelzbehandlung unterworfen; diese Probe X hatte eine Härte von HRC51. Mit jeder der Proben wurde eine Servicetest mit folgenden Bedingungen durch- 2Q geführt: Geschwindigkeit des Motors lOOOUpm, Öltemperatur 65°C und Versuchsdauer 200 Stunden. Als Ergebnis wurde bei dem Teststück U ein Abriebverlust von 30 μπι und bei der Probe V ein Verlust von 120 um gefunden .
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Ausführungsbeispiel 13

Unter Verwendung des Apparates gemäß Fig. 1 wurde ein Ventilschwinghebel aus SCM420, der zum Einbau in den Motor eines Kraftfahrzeugs bestimmt ist, an seiner Oberfläche unter folgenden Bedingungen behandelt:

Plasmabogenstrom 45 A, Fließrate des Argon- Plasmagases 0,5 l/min und Fortbewegung des Brenners 0,8 m/min. Als Zusatzmittel wird pulverförmiges FeS mittels eines Argonstroms eingetragen, und zwar in einer Menge von 0,4 g/min. Nach der Verfestigung enthielt die gehär-

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tete Schicht Teilchen von FeMnS, die durch die Reaktion des zugesetzten FeS mit dem im Grundmaterial vorhandenen Mangan enstanden sind. Die FeS und FeMnS Teilchen hatten eine Größe von 1 bis 8 μπι und lagen in einer Menge von 3,2 Volumenprozent vor. Das erhaltene Werkstück 1 wurdedann noch einer Karburierung unterworfen zur weiteren Verbesserung der Härte an der Gleitfläche. Die gehärtete Schicht hatte eine Stärke von 1,2 mm und zeigte eine Abriebstruktur, bei der die Sulfide in der karburierten gehärteten Schicht vorlagen. Das Produkt wurde dann der Reibbehandlung unterworfen; es erhielt die Bezeichnung W. Zum Vergleich wurde ein Werkstück aus dem gleichen Material einer einfachen Aufschmelzbehandlung unterzogen und anschließend noch karburiert; die Probe erhält den Buchstaben X. Jeder Proben W und X wurde folgenden Testbedingungen ausgesetzt: Motorgeschwindigkeit 1000 Upm, Öltemperatur 65°C und Versuchsdauer 200 Stunden.Folgendes Resultat wurde gefunden: Abriebverlust bei der Probe W 10 μπι und bei der Probe X 50 μπι.

Aus den vorhergehenden Beispielen 1 bis 13 ist eindeutig zu entnehmen, daß mit den verschiedenen Zusatzmitteln, wie Cr, Mo, TiB, AI2O3, FeS und anderen Sulfiden, beim Einmischen in die aufgeschmolzene Schicht des Werkstücks eine wesentliche Verbesserung der Abriebfestigkeit der Behandlungsschicht im Vergleich zu solchen ohne Zusatz erzielt wird. Besonders die Crsulfide sind zu bevorzugen, da sie gegenüber anderen Sulfiden eine höhere Temperaturfestigkeit haben und sich selbst bei Temperaturen oberhalb 1000⁰C nicht zersetzen; man erhält so sehr stabile Gleitflächen, die zusätzlich als Schmiermittel dienen.

Die zu verwendenden Zusatzpulver haben gewöhnlich eine Teilchengröße unter 200 μπι und vorzugsweise unter 100 μπι.Wenn die zugesetzten Teilchen in die zu behan-

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delnde und zum Aufschmelzen gebrachte Oberflächenschicht gelangen, werden sie verflüssigt durch den Plasmalichtbogen und kräftig bewegt; durch den turbulenten Fluß im geschmolzenen Metall erfolgt eine gleichmäßige Verteilung - auch nach der Verfestigung auf Grund der Abkühlwirkung der kalten Masse des vorliegenden Grundmaterials. Man erhält also eine Oberflächenbehandlungsschicht, in der die eingesetzten Teilchen in feiner Verteilung in dem verfestigten Met^all vorhanden sind. Es wird bevorzugt, daß die Teilchen in der verfestigten Schicht eine Größe von 1 bis 20 μπι im Durchmesser haben, wodurch das innere Spannungsverhältnis abnimmt. Das erhaltene Produkt ist in seinen Eigenschaften,wie Greiffestigkeit (biteresisting) wesentlich verbessert. Zusätzlich erzielt man durch die zugesetzten Sulfide eine gleichmäßigen Schmiereffekt an der Gleitfläche. Sofern eine Reibungsbewegung während des Einsatzes von dem Werkstück erfolgt, dehnen sich die Teilchen aus; man erhält so eine Sulfidschicht von einigen zehntel bis

einigen hundertstel lO'^^n^A) Dicke an der Oberfläche.

Gemäß der Erfindung ist die Zeitdauer des Aufschmelzens nur etwa 1 Sekunde oder weniger, dadurch ist in vorteilhafter Weise ein Verlust des Zusatzmittels durch eine etwaige Zersetzung vermeidbar.

Fig. 7 zeigt das Resultat der Behandlung vom Cr-sulfidgehalt zum Abriebverlust der Probe, und zwar einer Nockenwelle aus FC30 für einen Kraftfahrzeugmotor. Wie man daraus entnehmen kann, tritt die Verbesserung des Abriebs bzw der Abriebfestigkeit bei etwa 0,2 Volumenprozent ein und ist selbst bei geringen Zusatzmengen gut. Wenn jedoch die Zusatzmenge 12 Volumenprozent übersteigt, besteht die Möglichkeit eines Absinkens der Zähfestigkeit; ein noch höherer

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Zusatz wird kostspielig. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit ist daher die Grenze der Zusatzmenge bei etwa 12 Volumenprozent.

Fig. 8 zeigt die Abhängigkeit des Abriebverlusts vom Gehalt an Eisensulfiden (FeS und FeMnS), bestimmt an einer Nockenwelle aus FC3Ö für einen Kraftfahrzeugmotor. In diesem Falle istder Effekt ab etwa 0,5%
feststellbar. Bei der Erhöhung auf über 20% ist eine weitere Verbesserung nicht feststellbar; aus wirtschaftlichen Gesichtspunkten ist es daher vorteilhaft, den Zusatz davon auf 20% zu begrenzen.

Gemäß der Erfindung gelingt es₍durch den Zusatz von
-, Pulvermaterialien, die in der Zusammensetzung vom
Werkstückmaterial abweichen, in die durch den vom
Lichtbogen aufgeschmolzene Oberfläche und das innige Vermischen in der Schmelze mit der nachfolgenden Abkühlung eine Schmelzbehandlungsschicht herzustellen, die in den Abriebeigenschaften verbessert ist.

Dadurch kann man bei der Anwendung auf zum Beispiel
die Gleitfläche einer Nocke eines Motors sehr gute
Abriebfestigkeiten erhalten; die Gestaltung des Verfahrens ist vergleichsweise einfach und hat den weiteren Vorteil, daß die Zusatzpulver keiner langen
Einwirkung von Hitze ausgesetzt sind, also kaum Verluste durch thermische Zersetzung und damit an Wirkung eintreten.

Allgemeine Erläuterung der Zeichnungen. Fig. 1 ist ein Erläuterungsdiagramm für einen Apparat zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 2 bis 6 sind Erläuterungsdiagramme, die zugehörige Stufen des Verfahrens zeigen.

Fig. 7 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Abriebs vom Cr- Sulfidgehalt in Volumenprozent zeigt. 10

Fig. 8 läßt die Abhängigkeit des Abriebs vom Gehalt an Eisensulfid erkennen.

Claims

Patentansprüche:

l)Verfahren zur Oberflächenbehandlung eines Werkstücks, wobei auf dem Werkstück aus einem gewünschten metallischen Material, wie Gußeisen, Aluminiumlegierung oder dergleichen, eine durch eine Schmelzbehandlung erzeugte Schicht gebildet wird, und zwar durch teilweises Aufschmelzen an der Werkstückoberfläche mittels eines Plasmalichtbogens mit nachfolgender Verfestigung der Schmelzfläche durch Kühlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Mittel, das aus einem Pulver eines metallischen Materials, abweichend von dem des Werkstücks, besteht, mit dem Plasmalichtbogen in den aufgeschmolzenen Teil zugeführt und mit diesem Kräftig Π vermischt wird.

2)Verfahren zur Oberflächenbehandlung gemäß Patentanspruch 1, dadurch gekennzeicnet, daß das zusätzliche Mittel ein Pulver aus wenigstens einer Substanz ausgewählt aus Metallen, wie Ni, Cr, Mo oder dergleichen, Legierungen davon, Carbiden, wie WC, SiC, M02C, Cr3C2> B^C oder dergleichen, Boriden, wie BN, TiB oder dergleichen, Sulfiden, wie MoS2> WS2> FeS oder dergleichen und Oxiden, wie Al203_?Si02 oder dergleichen, ist. - 2 -

1 3) Ein Produkt erhalten durch das Verfahren gemäßjedem der Patentansprüche 1 und 2.

4) Ein Produkt gemäß Patentanspruch 3, worin die aufgeschmolzene Behandlungsschicht Chromsulfid in e.i-

5 nem Volumenanteil von etwa o,2% bis etwa 12% enthält.

5) Ein Produkt gemäß Patentanspruch 3, worin die aufgeschmolzene Behandlungsschicht Eisensulfid in einem Volumenanteil von etwa ο , 5% bis etwa 20% ent-

10 hält. '