DE3500653A1

DE3500653A1 - Verfahren zum herstellen von nockenwellen

Info

Publication number: DE3500653A1
Application number: DE19853500653
Authority: DE
Inventors: Osamu Hirakawa; Shunsuke Yono Saitama Takaguchi; Genkichi Tokio/Tokyo Umeha; Shigeru Omiya Saitama Urano
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1984-01-12
Filing date: 1985-01-10
Publication date: 1985-07-25
Also published as: US4595556A; GB2153388A; JPS60149703A; GB8500384D0; DE3500653C2; GB2153388B

Description

Nippon Piston Ring Co., Ltd. K 5976

2-6, Kudan-Kita 4-chome,

Chiyoda-ku, Tokyo / Japan ⁸· Januar 1985

Beschreibung

Verfahren zum Herstellen von Nockenwellen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Steuerwelle bzw. einer Nockenwelle der Art, welche eine kompakte oder rohrförmige Stahlwelle und eine Vielzahl von Paßteilen wie beispielsweise Nockenbuckel, Zapfen und Zahnräder aufweisen, die getrennt aus Metallpulvern hergestellt werden und auf die Welle mittels eines Flüssigphasen-Sinterverfahrens aufgepaßt werden.

In der japanischen Patentanmeldung JP B2 58-13603 ist eine zusammengesetzte Nockenwelle mit einer Stahlwelle und einer Vielzahl von Paßteilen, wie beispielsweise Nockenbuckeln und Zapfen, erläutert, die mit der Stahlwelle mittels eines Flüssigphasen-Sinterverfahrens fest verbunden sind. Das Paßteil wird als Rohteil bzw. Rohpreßling aus Metallpulvern hergestellt und weist eine Bohrung zwecks Paßeingriffes mit der Stahlwelle auf, wonach gesintert wird, um eine flüssige Phase und ein Schrumpfen zu ergeben, so daß es hinsichtlich Verschleißbeständigkeit und Bindungsfestigkeit überlegen ist. Wenn der Rohpreßling gesintert wird, um zu schrumpfen, weist er in der Bohrung einen Punkt auf, welcher zunächst an der Stahlwelle haftet, um einen neutralen Schrumpfquerschnitt zu bestimmen, in welchem es keine Änderung der Axialposition gibt und zu welchem andere Querschnitte axial wandern. Dieser zunächst anhaftende Punkt oder

neutrale Querschnitt ist unter Umständen unerwartet variabel. Dies ergibt für die bekannte Nockenwelle einen Nachteil, daß die Axiallage oder der Abstand von der Bezugsebene eines jeden Paßteiles nicht immer innerhalb einer gewünschten Toleranz gehalten wird.

Mit der vorliegenden Erfindung soll nun Abhilfe geschaffen werden. Erfindungsgemäß wird das Problem gelöst, wie eine zusammengesetzte Steuer- bzw. Nockenwelle mit einer Vielzahl von gesinterten Teilen, wie beispielsweise Nokkenbuckel und Zapfen, herzustellen ist, deren Axialpositionen immer innerhalb einer gewünschten Toleranz gehalten werden.

Die Erfindung schafft ein Verfahren zum Herstellen einer Steuer- bzw. Nockenwelle mit einer Stahlwelle und einer Vielzahl von Paßteilen, die auf die Welle aufgepaßt sind. Erfindungsgemäß wird ein Rohpreßling eines jeden Paßteiles aus Metallpulvern hergestellt, welche eine flüssige Phase ergeben und schrumpfen, wenn sie gesintert werden, wobei vorläufig der Rohpreßling zu einem vorgesinterten Preßling gesintert wird, der um ungefähr 50 % eines vorgewählten axialen Schrumpfmaßes geschrumpft ist, wobei der vorgesinterte Preßling auf die Stahlwelle aufgepaßt wird und der vorgesinterte Preßling zu einem gesinterten Preßling gesintert wird, welcher um das verbleibende Schrumpfmaß geschrumpft und an der Welle befestigt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren schrumpft das Paßteil auf der Welle axial um die Hälfte des vorgewählten Schrumpfmaßes mit dem Ergebnis, daß sein Abweichen hinsichtlich der Axialposition oder des Abstandes von der Bezugsebene um die Hälfte im Vergleich mit dem nach dem bekannten Verfahren hergestellten Paßteil reduziert ist.

Der erfindungsgemäß erzielbare Vorteil besteht darin, daß bei der Steuerwelle die Paßteile fest an der Welle in den entsprechenden Positionen mit einer hohen Genauigkeit befestigt sind. Der Axialabstand eines jeden Paßteiles von der Bezugsebene wird leicht innerhalb einer gewünschten Toleranz gehalten.

Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Rohpreßlings in der ersten Verfahrensstufe,

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht,

wobei der vorgesinterte Preßling in der zweiten Stufe gezeigt ist,

Fig. 3 eine Seitenansicht des vorgesinterten

Preßlings, welcher in der dritten Stufe auf die Welle aufgepaßt ist,

Fig. 4 eine Seitenansicht des gesinterten Preßlings in der vierten Stufe,

Fig. 5 schematisch einen Axialunterschied zwischen dem vorgesinterten Preßling und dem Preßling nach dem Sintern.

In Fig. 1, in welcher die erste Verfahrensstufe dargestellt ist, ist ein Rohpreßling 11 für die Herstellung eines Zapfens durch Verpressen von Metallpulvern hergestellt, welche eine flüssige Phase ergeben und schrumpfen, wenn das Material gesintert wird. Der Rohpreßling 11 ist

mit einer Bohrung 17 zwecks Druckpass- oder Spielpasseingriffs mit einer Stahlwelle ausgebildet, wobei die Bohrung im Durchmesser größer als die Welle ist. Die Metallpulver bestehen aus Eisen oder einer eisenhaltigen Legierung, die 0,5 - 4,0 Gew.-% Kohlenstoff und 0,1 - 3,0 Gew.-% eines oder zweier Elemente enthält, ausgewählt aus der Gruppe, die aus Phosphor, Bor und Silicium besteht. Die verschiedenen einzelnen Komponenten der Metallpulver werden ausgewählt, um dem Preßling ein zweckmäßiges Schrumpfmaß beim Sintern in der flüssigen Phase zu verleihen und ihn metallurgisch mit der Welle aufgrund einer dazwischen eintretenden Elementendiffusion zu verbinden. Die Pulver geben dem gesinterten Preßling eine Überlegenheit hinsichtlich Abriebbeständigkeit als Gleitglied. Kohlenstoff trägt nicht nur als Diffusionselement zur Bindung bei, sondern auch zu einer Verschleißbeständigkeit aufgrund der Ausbildung von Chrom- und/oder Wolframkarbid. Wenn der Kohlenstoffgehalt geringer als 0,5 Gew.-% ist, ist der Anteil des Ausscheidungskarbides nicht zweckmäßig. Wenn andererseits der Gehalt an Kohlenstoff 4,0 Gew.-% übersteigt, macht eine übermäßige Diffusion den Preßling brüchiger nach dem Sintern. Phosphor, Bor und Silicium sind wirksam, um die die flüssige Phase ergebende Temperatur herabzusetzen. Jedoch ist die flüssige Phase zu gering, wenn der Anteil an diesen Elementen weniger als 0,1% beträgt. Wenn ihr Anteil andererseits größer als 3,0% ist, wird die Geschwindigkeit bzw. das Maß der flüssigen Phase zu groß, um eine Dimensionsgenauigkeit des gesinterten Preßlings zu halten. Weiterhin ist der Rohpreßling 13 so angeordnet, daß er eine Porosität von 12 - 20 Vol.-% an Poren aufweist, wobei wenigstens 40% aus Poren besteht, die eine Porengröße von nicht mehr als 250 μΐη aufweisen, so daß 0,2 - 10 VoI.-% an Sinterporen wenigstens teilweise aus Poren besteht, die nach dem Sintern eine Porengröße von nicht mehr als 100 μπι aufweisen, so daß der Preßling in Bezug auf Grub-

chenbildungs-Beständigkeit und ölfesthaltevermögen überlegen 1st.

In der zweiten Verfahrensstufe nach Fig. 2 wird der Rohpreßling anfänglich zu einem vorgesinterten Preßling 12 gesintert, der axial um ungefähr 50% (1/2 s) des vorgewählten Maßes S geschrumpft ist. Das Vorsintern wird in einem Temperaturbereich von 1000 - 1120⁰C durchgeführt. Wenn die Temperatur geringer als die untere Grenze von 1Ö00°C ist, erfolgt weder eine flüssige Phase noch ein Schrumpfen des Rohpreßlings. Andererseits schrumpft der Rohpreßling zu sehr und sitzt locker auf der Welle, wenn die Temperatur höher als die obere Grenze von 1120⁰C ist. Der vorgesinterte Preßling 12 ist axial um 1/2 s kürzer als der Rohpreßling, wie dies durch gestrichelte Linien dargestellt ist, und seine Porosität ist ebenfalls geringer als die des Rohpreßlings.

Bei der dritten Stufe nach Fig. 3 wird der vorgesinterte Preßling 12 in einer vorbestimmten Position auf die Welle 14 aufgepaßt, um eine vorgesinterte Anordnung zu ergeben.

Bei der vierten Stufe nach Fig. 4, in welcher der vorgesinterte Preßling vollständig zu einem gesinterten Preßling 13 gesintert wird, wird die Anordnung in einem nicht gezeigten Ofen bei 1050 - 1200⁰C behandelt. Die untere Grenztemperatur von 1050⁰C des abschließenden Sinterns ist höher als die des Vorsinterns. Die obere Grenze von 1200⁰C liegt unterhalb eines Schmelzpunktes des Preßlings, jedoch höher als die des Vorsinterns. Das abschließende Sintern verursacht, daß sich beim vorgesinterten Preßling wiederum eine flüssige Phase ergibt und er um das verbleibende Schrumpfausmaß schrumpft, wobei seine Porosität und das Volumen verringert werden. Der gesinterte Preßling 13 ist axial um 1/2 s kürzer als

der vorgesinterte Preßling, wie dies mit Hilfe von gestrichelten Linien dargestellt ist. Während des Sinterns in Gegenwart einer flüssigen Phase, in welcher die Elemente des Preßlings diffundieren und in die Stahlwelle eindringen können, wird eine metallurgisch feste Bindung zwischen der Welle 14 und dem gesinterten Preßling 13 erzeugt.

Wie in Fig. 5 gezeigt ist, sind der vorgesinterte Preß-

¹^ ling 12 in der Form eines Zapfens und der vorgesinterte Preßling 15 in der Form eines Nockenbuckels lose auf die Stahlwelle 14 aufgepaßt, um eine vorgesinterte Anordnung 10 zu ergeben. Die vorgesinterte Anordnung wird zu einer vollständig gesinterten Steuer- bzw. Nockenwel-Ie 20 mit gesinterten Preßlingen 13, 16, 10 gesintert. Der Abstand L1 zwischen dem vorgesinterten Preßling und dem Ende der Welle 14 ist nicht immer gleich dem Abstand L2 zwischen dem gleichen gesinterten Preßling und dem Ende der Welle 14, demzufolge existiert ein Unterschied e zwischen L1 und L2. Der Unterschied ergibt sich daraus, daß der vorgesinterte Preßling axial um das verbleibende Schrumpfmaß mit einem neutralen Querschnitt einschließlich eines Punktes schrumpft, der zunächst an der Stahlwelle beim Sintern haftet, wobei dieser zuerst anhaften- de Punkt unerwartet variabel zwischen der Axiallänge des vorgesinterten Preßlings unter verschiedenen Bedingungen ist. Jedoch beträgt der Unterschied e nicht mehr als die Hälfte des vorgewählten Schrumpfmaßes und ist relativ gering im Vergleich mit dem des herkömmlichen Preßlings, der direkt aus dem Rohpreßling gesintert ist. Demzufolge können an der Nockenwelle die Paßteile je in einer vorbestimmten axialen Lage mit hoher Genauigkeit befestigt werden.

aus dem Obigen ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemässen Verfahren der Materialzusammensetzung nach dem Aus-

führungsbeispiel keine Beschränkung auferlegt wird, so daß die Paßteile, wie beispielsweise das Nockenteil und der Zapfen, aus Eisen oder eisenhaltigen Legierungspulvern hergestellt werden können, welche eine flüssige Phase ergeben und um einen geeigneten Betrag schrumpfen, um eine zuverlässige Verbindung zwischen dem Paßteil und der Welle zu schaffen.

Es lassen sich zweckmäßige Modifikationen bei dem obigen Ausführungsbeispxel ausführen, ohne sich jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.

Claims

PATENT- UND RECHTSANWÄLTE BARDEHLE, PAGENBERG, DOST, ALTENBURG £x PARTNER Ml .Cl ii KANWAL T L PATENTANWÄLTE - EUROPLAN PATtNT ATTOMNtYS JOCHEN PAGENBERG m. .mn u μ hwivaui.·· HEINZ BARDEHLE im-, ini. BERNHARD FROHWITTER mn in..· WOLFGANGA DOST on η·.·, c hi μ GÜNTER FRHR. ν GRAVENREUTH ι»ι·ι in<. n.i,· UDOW AL TE NBI^JRG i.n-i w«·. I1AIMJl UNIVMI C.HlSANWAm Plü.II Λί-H flliOI.TO BOIlIl MUN(JII N B(. POSTFACH 860620. 80OO MÜNCHEN 86 TELEFON (089)98 03 61 TELtX 522791 pad d CABLE PADBURO MÜNCHEN BÜRO GALILEIPLATZ 1, 8 MÜNCHEN 80 datum 8. Januar 1985 K 5976 Patentansprüc he ; f

1. Verfahren zum Herstellen einer Nockenwelle, da- -*

durch gekennzeichnet , daß ein Rohpreßling * (11) für Paßteile aus einem Material geformt wird, welches schrumpft und beim Sintern eine flüssige Phase ergibt, daß dieser Rohpreßling zunächst zu einem vorgesinterten Preßling (12, 15) gesintert wird, welcher axial um ungefähr 50% eines vorbestimmten Schrumpfmaßes geschrumpft ist, daß dieser vorgesinterte Preßling auf eine Stahlwelle (14) aufgepaßt wird, um eine vorgesinterte Nockenwelle (10) zu schaffen, und daß diese vorgesinterte Nockenwelle zu einer gesinterten Nockenwelle (20) und der vorgesinterte Preßling zu einem gesinterten Preßling (13, 16) gesintert werden, welcher axial um das verbleibende Schrumpfmaß schrumpft und metallurgisch mit der Stahlwelle verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Material eisenhaltige Legierungspulver umfaßt, die 0,5 - 4,0 Gew.-% Kohlenstoff und 0,1 - 3,0 Gew.-% eines 20

20

25

30

35

-2-

oder zweier Elemente enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Phosphor, Bor und Silicium umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohpreßling eine Porosität von 12 - 20 Porenvolumen-% aufweist, wovon wenigstens 40 % aus Poren besteht, die eine Porengröße von nicht mehr als 250 μΐη aufweisen, um einen gesinterten Preßling mit 0,2 - 10 Volumen-% der Sinterporen zu ergeben, wovon wenigstens 40% aus Poren besteht, die eine Porengröße nach dem Sintern von nicht mehr als 100 μΐη aufweisen.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohpreßling bei 1000 - 1120⁰C vorgesintert und der vorgesinterte Preßling bei 1050 - 1200⁰C gesintert wird.