DE3623047A1 - Verfahren zur herstellung eines eisenbasisartikels, insbesondere einer nockenwelle - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Artikel auf Eisenbasis mit einer verschleißfesten Oberfläche sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis; die Erfindung betrifft insbesondere einen Artikel auf Eisenbasis mit einer wiedergeschmolzenen gehärteten Schicht hoher Härte in einem Bereich, der einen Widerstand gegenüber Abrieb benötigt, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis.

Artikel auf Eisenbasis, wie Nockenwellen oder Kipphebel, weisen Oberflächen auf, die in Gleitkontakt mit anderen Elementen bzw. Gliedern gehalten sind. Deshalb benötigen derartige Oberflächen einen hohen Abnutzungswiderstand, wie einen hohen Widerstand gegenüber einem Fressen und einem Verschleiß. Da Brennkraftmaschinen in den vergangenen Jahren für stärkere Abtriebsleistungen ausgelegt worden sind, sind die Nockenbuckeloberflächen der Nockenwellen und der Gleitkontaktoberflächen der Kipphebelarme einem höheren Druck ausgesetzt, weshalb sie eine zunehmend höhere Vercshleißfestigkeit benötigen.

Bei einer herkömmlichen Art des Gießens eines derartigen Artikels auf Eisenbasis ist eine Kokille in eine Form eingesetzt worden, und geschmolzenes Metall ist in die betreffende Form eingegossen und mit der Kokille in Kontakt gebracht worden, die den Guß schnell abkühlt und verfestigt, um eine Abkühlungsschicht hoher Härte zu bilden. Durch diese übliche Praxis ist jedoch die innere Struktur der abgekühlten bzw. gehärteten Schicht so grob, daß die betreffende abgekühlte bzw. gehärtete Schicht nicht eine ausreichende Abriebfestigkeit aufweist. Um diesen Mangel zu eliminieren, ist ein Versuch unternommen worden, ein Metall wie Cr, Mo, Ni, Cu oder Mn im Zuge der Bildung eines Artikels auf Eisenbasis beizumischen, der eine dichtere gehärtete Struktur hoher Härte aufweist. Der Versuch war jedoch nicht erfolgreich, da die Zugabe eines derartigen Metalls die Härte eines Artikelbereichs steigert, der zu bearbeiten ist, was zu dem Ergebnis führt, daß die Bearbeitbarkeit des Artikels vermindert ist.

Es ist ferner ein weiterer Versuch unternommen worden, einen Artikel auf Eisenbasis ohne die Bildung einer abgekühlten bzw. gehärteten Struktur zu bilden, indem eine Erwärmungseinrichtung, wie ein Wolfram-Schutzgasbrenner verwendet wird, um einen Bereich des Artikels auf Eisenbasis wieder zu schmelzen, der eine Verschleißfestigkeit erfordert, und sodann der wiedergeschmolzenen Bereich abzukühlen, um eine scharf abgekühlte Schicht zu bilden. In dem Fall, daß der Artikel auf Eisenbasis eine Nockenwelle ist, ist dieser Prozeß zeitraubend und unwirtschaftlich, da die Nockenwelle über ihre gesamte Umfangsfläche wieder geschmolzen werden muß, um den Druck zu senken, der auf die Gleitkontakt- Nockenfläche ausgeübt wird, und um außerdem die Fraßbildung zu vermeiden. Insofern, als die Seitenwände der Nockenbuckel bloße gegossene Oberflächen aufweisen, neigen Oxide auf den Nockenbuckel-Seitenwänden dazu, in den Ockenbuckeln sich zu verfangen, wenn die betreffenden Nockenbuckel über ihre Breiten völlig wieder geschmolzen werden, wodurch Gaslöcher gebildet oder die Nockenbuckel deformiert werden.

In der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. 60 (1985)- 2 34 168 ist ein Verfahren zum Wiederschmelzen und Härten einer Nockenwelle aus Gußeisen beschrieben. Das betreffende Verfahren umfaßt die Schritte des Gießens einer Nockenwelle, während eine Kokille zum Teil oder gänzlich über ein Nockenprofil angeordnet wird, um eine gehärtete Hartgußschicht zu bilden, woraufhin eine Energie hoher Dichte, wie ein Wolfram- Schutzgasschweißbogen oder ein Laserstrahl auf die gesamte Hartguß-Oberfläche der Gleitkontakt-Nockenfläche gebracht wird, um die betreffende Oberflächenschicht zu erwärmen und wiederzuschmelzen. Danach wird der wiedergeschmolzenen Oberflächenschicht ermöglicht, sich abzukühlen, um eine gehärtete Hartgußoberfläche zu bilden, die aus Zementit als Hauptphase besteht, welches vollständig über die Gleitkontakt-Nockenoberfläche vorhanden ist. Mit diesem Verfahren sind jedoch die Härte und die Abriebfestigkeit, die erzielbar sind, begrenzt, da die durch die Kokille gebildete gehärtete Hartgußschicht lediglich mittels einer Erwärmungseinrichtung, wie mit Hilfe eines Wolfram-Schutzgasbrenners, wieder geschmolzen und dann abgekühlt ist.

Gemäß einem herkömmlichen Wiederschmelzungs- und Härtungsprozeß, wie er in der japanischen Patentschrift 57(1982)-6 494 angegeben ist, wird eine Heizeinrichtung, wie ein Plasmabrenner, in einer Entfernung von einer Gleitkontakt-Nockenoberfläche einer Nockenwelle in gegenüberliegender Beziehung dazu in Stellung gebracht, und die Nockenwelle wird um ihre eigene Achse gedreht, während der Plasmabrenner in Querrichtung über die Gleitkontakt-Nockenoberfläche hin- und herbewegt wird, so daß ein durch den Plasmabrenner erzeugter Lichtbogen auf die Nockenoberfläche in einem gewundenen Muster zur Anwendung gebracht wird. In dem Fall, daß der Nockenbuckel erwärmt und geschmolzen wird, während die Nockenwelle um ihre eigene Achse gedreht wird, ist der geschmolzene Bereich höher angeordnet als ein vorangehender Bereich, der unmittelbar zuvor geschmolzen worden ist. Der geschmolzene Bereich wird daher aufgrund der Schwerkraft und aufgrund des Drucks des Plasmabogens von dem Plasmabrenner her veranlaßt, über den zuvor geschmolzenen Bereich zu fließen, wodurch sich ein deformierter Bereich auf dem Nockenprofil ausbildet. Eine derartige lokalisierte Deformation muß nach dem Wiederschmelzungs- und Härteprozeß geschliffen werden. Dies ist insofern von Nachteil, als eine große Unterstützung durch Schleifen erforderlich ist, als ein Reißen durch das Schleifen sich ausbilden kann und als der Schleifprozeß kompliziert und zeitraubend ist.

Das herkömmliche Wiederschmelzungs- und Härteverfahren erfordert einen Vorwärmungsschritt zum schnellen Schmelzen einer Nockenwelle. Dabei wird eine erhebliche Zeitspanne dafür benötigt, einen Plasmabrennerbogen von einer Stelle, an der die Vorerwärmung beginnt, zu einer Stelle hin zu bewegen, an der die Vorwärmung beendet ist. Infolgedessen ist es schwierig, sämtliche wieder zu schmelzenden Nocken auf derselben Temperatur zu halten, und die Nockenwelle kann nicht schnell wiedergeschmolzen werden.

Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Artikel auf Eisenbasis bereitzustellen, der eine wiedergeschmolzene Schicht mit hoher Härte und ausgezeichneter Abriebfestigkeit aufweist und der dadurch gebildet wird, daß eine wiedergeschmolzene Schicht gebildet wird, die durch einen Wiederschmelzungs- und Härteprozeß über einen Guß-Kokillen- Bereich gehärtet wird. Überdies ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis zu schaffen.

Ferner soll ein Artikel auf Eisenbasis geschaffen werden, der eine wiedergeschmolzene Schicht aufweist, die frei ist von Oxiden, die in seiner Oberflächenschicht eingeschlossen würden, wenn er wieder geschmolzen wird. Ferner soll der betreffende Artikel frei von Gaslöchern sein. Überdies soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis geschaffen werden.

Ferner soll ein Artikel auf Eisenbasis mit einer wiedergeschmolzenen Schicht bereitgestellt werden, der keine örtliche Deformation auf den wiedergeschmolzenen und gehärteten Oberflächen aufweist, wie auf Gleitkontakt- Nockenoberflächen, und der einen geringen Schleifbedarf hat sowie leicht geschliffen werden kann, nachdem er wieder geschmolzen und gehärtet ist. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis anzugeben.

Darüber hinaus soll ein Artikel auf Eisenbasis geschaffen werden, der eine wiedergeschmolzene Schicht aufweist, die schnell dadurch geschmolzen werden kann, daß die wiederzuschmelzenden Bereiche auf derselben Temperatur gehalten werden. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis zu schaffen.

Überdies ist ein Artikel auf Eisenbasis zu schaffen, der eine wiedergeschmolzene Schicht aufweist, in der hinzugesetzte Metallpartikel gleichmäßig dispergiert sind, um eine feste homogene Phase zu erzeugen. Ferner ist ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Artikels auf Eisenbasis zu schaffen.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßte Erfindung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Artikels auf Eisenbasis geschaffen, der eine wiedergeschmolzene Schicht aufweist. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Verfahrensschritte: Eingießen von geschmolzenem Metall in eine Form mit einer darin eingesetzten Kokille, um einen Artikel auf Eisenbasis zu bilden, der einen in Kontakt mit der betreffenden Kokille gebildeten abgeschreckten bzw. ausgehärteten Bereich aufweist; Hinzufügen von Metallpulver, welches die Abriebfestigkeit mit sich bringt und welches zumindest einem Bereich des abgeschreckten Bereichs beigemischt wird; Abgabe von Energie hohen Pegels an den Bereich des abgeschreckten Bereichs, um diesen zu erwärmen und wiederzuschmelzen; schließlich Abkühlen des wiedergeschmolzenen Bereiches zur Bildung einer wiedergeschmolzenen Schicht in diesem Bereich.

Die Energie hohen Pegels wird durch einen Plasmabogen geliefert, der durch einen Plasmabrenner erzeugt wird. Der Plasmabogen wird auf den gegossenen abgeschreckten Bereich unter einem stumpfen Winkel in bezug auf eine Tangentiallinie an einer Schnittstelle zwischen der Achse des Plasmabrenners und dem gegossenen abgeschreckten Bereich stets in der Richtung zur Wirkung gebracht, in der der Plasmabrenner sich in bezug auf den betreffenden Artikel vorbewegt. Der Bereich des gegossenen abgeschreckten Bereichs, der durch den Plasmabogen erwärmt und wieder geschmolzen wird, ist in derselben Ebene oder in einer niederen Ebene als ein Bereich positioniert, der unmittelbar zuvor erwärmt und wiedergeschmolzen worden ist. Der Plasmabogen wird durch einen Impulsbogenstrom erzeugt, und er verrührt das Metallpulver in einem geschmolzenen Pool, der aus dem Wiederschmelzen des gegossenen abgeschreckten Bereichs gebildet ist, woraufhin das geschmolzene Pulver gleichmäßig dispergiert ist, um eine feste homogene Phase zu liefern.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an bevorzugten Ausführungsformen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einer ausschnittweisen Schnittansicht eine zur Einschließung einer Nockenwelle verwendete Form.

Fig. 2 zeigt in einer ausschnittsweisen Perspektivansicht eine Nockenwelle, die durch die in Fig. 1 dargestellte Form hergestellt ist.

Fig. 3 zeigt in einer schematischen Seitenansicht sowie zum Teil in Blockform ein Wiederschmelzungs- und Härtungssystem, welches zur Ausführung eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung angewandt wird.

Fig. 4 zeigt in einer ausschnittweisen Schnittansicht die Spitze eines Plasmabrenners.

Fig. 5 zeigt in einem Blockdiagramm eine Lichtbogenquelle für die Abgabe eines Lichtbogenstroms an einem Plasmabrenner.

Fig. 6 veranschaulicht in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Zeit und der Höhe eines Lichtbogen- Gleichstroms, der von einer in Fig. 1 angedeuteten Gleichstrom-Lichtbogenquelle geliefert wird.

Fig. 7 veranschaulicht in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Zeit und der Höhe eines Impulsstroms, der von einer in Fig. 1 angedeuteten Impulststromquelle abgegeben wird.

Fig. 8 veranschaulicht in einem Diagramm die Beziehung zwischen der Zeit und der Höhe des von der Impulsstromquelle gemäß Fig. 7 abgegebenen Impulsstroms, der mittels eines Addierers dem Lichtbogen-Gleichstrom gemäß Fig. 6 hinzuaddiert ist.

Fig. 9 veranschaulicht in einer ausschnittweisen Perspektivansicht die Art und Weise, in der eine Gleichkontakt-Nockenoberfläche oder ein Nockenbuckel mittels eines Plasmabrenners, der hin- und herbewegt wird, in einem gewundenen Muster wiedergeschmolzen wird.

Fig. 10 und 11 zeigen in ausschnittweisen Perspektiv- bzw. Schnittansichten eine Nockenwelle, die eine wiedergeschmolzene Schicht aufweist, welche durch das in Fig. 9 angedeutete Verfahren gebildet ist.

Fig. 12 bis 14 veranschaulichen in schematischen Seitenansichten einen zwischen der Achse eines Plasmabrenners und einer tangential zu einer Nockenwelle in einem geschmolzenen Bereich verlaufenden Linie gebildeten Winkel.

Fig. 15 veranschaulicht in einer ausschnittweisen Schnittansicht einen auf einer Nockenwelle gebildeten geschmolzenen Pool.

Fig. 16 bis 18 veranschaulichen in ausschnittweisen Perspektivansichten weitere Konfigurationen von geschmolzenen Schichten, die auf Nockenoberflächen gemäß dem Verfahren nach Fig. 9 gebildet sind.

Fig. 19 zeigt ein Diagramm zum Vergleich der Härte einer durch das Wiederschmelzungs- und Härteverfahren gebildeten abgeschreckten Schicht und der Härte eines gegossenen abgeschreckten Bereichs, der durch eine in einer Form eingesetzte Kokille gebildet ist.

In Fig. 1 ist eine Form 1 veranschaulicht, die aus einem oberen Formteil 2 und aus einem unteren Formteil 4 besteht. Die beiden Formteile 2, 4 legen, wenn sie miteinander verbunden sind, zwischen sich einen Formhohlraum 6 fest, der komplementär zu einer zu gießenden Nockenwelle geformt ist. Eine Gießkokille 8 für die Bildung eines Nockenbuckels wird bzw. ist in den Hohlraum 6 eingesetzt. Ein geschmolzenes metallisches Material, bestehend aus 3,47 Gewichtsprozent C, 1,81 Gewichtsprozent Si, 0,57 Gewichtsprozent Mn, 0,09 Gewichtsprozent P, 0,087 Gewichtsprozent S, 0,42 Gewichtsprozent Cr und Rest Fe, wird in die Form 1 eingegossen, um eine Nockenwelle 10 zu gießen, wie sie ausschnittsweise in Fig. 2 veranschaulicht ist. Die Nockenwelle 10 umfaßt generell eine Nocke 12 (wobei lediglich eine Nocke dargestellt ist) mit einem Nockenbuckel 13 und einem Lagerzapfen 16. Der Nockenbuckel 13 umfaßt einen durch die Kokille 8 gebildeten gegossenen abgeschreckten Bereich 17.

Fig. 3 veranschaulicht eine Wiederschmelzungs- und Härtungssystem für die Herstellung eines Artikels auf Eisenbasis mit einer wiedergeschmolzenen Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Wiederschmelzungs- und Härtungssystem umfaßt generell einen Mechanismus 20 für das Tragen und Drehen einer Nockenwelle 10, einen Plasmabrenner 38, einen Mechanismus 40 für die Bewegung des Plasmabrenners 38, eine Bogen- bzw. Lichtbogenstromquelle 70, einen Mechanismus 80 für die Abgabe von Metallpulver und einer Steuereinheit 90.

Der Nockenwellen-Trag- und -Drehmechanismus 20 umfaßt ein Grundteil 23, eine auf dem Grundteil 23 fest angeordnete Geschwindigkeits-Verminderungseinrichtung 24, einen mit einer Seite der betreffenden Geschwindigkeits- Verminderungseinrichtung 24 gekoppelten Schrittmotor zur Drehung der Nockenwelle 10 um ihre eigene Achse und ein mit der gegenüberliegenden Seite der Geschwindigkeits-Verminderungseinrichtung 24 gekoppeltes Werkstück-Spannfutter 26, welches auf der von dem Schrittmotor 25 entfernt gelegenen Seite vorgesehen ist, um das eine Ende der Nockenwelle 10 zu tragen. Ein Aufnahme- bzw. Tragbett 30 ist an dem Grundteil 23 fest angebracht. Ein Spindelträger 32 ist auf dem Tragbett 30 bewegbar angeordnet. Der betreffende Spindelträger 32 ist mittels eines geeigneten Antriebsmechanismus zu dem Werkstück-Spannfutter 26 hin und von diesem weg bewegbar, währenddessen er mittels einer Führungsstange 34 geführt wird. Das andere Ende der Nockenwelle 10 wird von einer Spindel 36 abgestützt, die auf dem Spindelträger 32 angeordnet ist.

Der Plasmabrenner-Bewegungsmechanismus 40 umfaßt ein Paar von Tragrahmen 42, die an dem Grundteil 23 befestigt sind, sowie einen Übertragungsmechanismus 43, der an einem der Tragrahmen 42 angebracht ist, und einen Schrittmotor 44, der mit dem Übertragungsmechanismus 43 gekoppelt ist. Eine Vorschubschraube bzw. -spindel 45 ist zwischen dem Tragrahmen 42 abgestützt; ihr eines Ende ist mit dem Übertragungsmechanismus 43 gekoppelt. Die betreffende Vorschubschraube 45 ist zwischen zwei vertikal in Abstand vorgesehenen Führungsstangen (nicht dargestellt) angeordnet, die zwischen den Tragrahmen 42 verlaufen. Diese Führungsstangen und die Vorschubschraube 45 erstrecken sich durch ein bewegliches Halter-Grundteil 46. Die Vorschubschraube 45 wird dabei in Schraubeingriff mit dem beweglichen Halter-Grundteil 46 wirksam in Verbindung gehalten. Deshalb ist das bewegliche Halter- Grundteil 46 mittels des Schrittmotors 44 längs der Führungsstangen und der Vorschubschraube 45 bewegbar. An dem beweglichen Haltergrundteil 46 sind ein Schrittmotor 47 für die vertikale Bewegung des Plasmabrenners 38 und ein Halter 48 angebracht, der den Plasmabrenner 48 hält.

Fig. 4 zeigt in einer Schnittansicht die Spitze des Plasmabrenners 38, der von dem Halter 48 gehalten wird. Der Plasmabrenner 38 weist eine Düsenabdeckung 51 sowie eine Wolframelektrode 52 auf, die zentrisch in der Düsenabdeckung 51 angeordnet und von einer Kupferelektrode 54 umgeben ist. Die Kupferelektrode 54 weist einen an ihrem vorderen Ende bzw. spitzen Ende definierten Lichtbogen-Durchgang 56 für den Durchtritt eines Plasmabogens auf. Die Kupferelektrode 54 wird durch ein Kühlteil 57 gekühlt. Zwischen der Wolframelektrode 52 und der Kupferelektrode 54 ist ein innerer Ringraum 58 festgelegt, durch den ein Argongas 60 strömt. In entsprechender Weise ist ein äußerer Ringraum 62 zwischen der Kupferelektrode 54 und der Düsenabdeckung 51 festgelegt für den Durchtritt eines Abschirmgases 64. Zwei Speiserohre 65 für die Abgabe von Metallpulver, wie aus Cr, Mo, Ni oder dgl., welches verschieden ist von dem metallischen Material der Nockenwelle 10, sind an der Spitze des Plasmabrenners 38 angebracht. Diese Speise- bzw. Abgaberohre 65 sind mit ihren Achsen in bezug auf die Achse des Plasmabrenners 38 geneigt; die betreffenden Achsen schneiden sich auf einer Gleitkontaktoberfläche 14 der Nockenwelle 14. Obwohl lediglich zwei Abgaberohre 65 bei der Ausführungsform dargestellt sind, können so viele Abgaberohre, beispielsweise fünf Abgaberohre, an dem Plasmabrenner 38 angebracht sein, wie durch die der Nockenwelle 10 hinzuzufügende Anzahl von Pulvermetallen gegeben ist. Im Betrieb wird ein Steuerlichtbogen 66 in Nähe eines Bogendurchgangs 56 erzeugt, der von der Wolframelektrode 52 durch die Kupferelektrode 54 verläuft, um das Argongas 60 zu ionisieren.

Wie in Fig. 5 veranschaulicht, umfaßt eine Bogenstromquelle 70 eine Gleichstrom-Bogenstromquelle 72 für die Abgabe eines Bogen-Gleichstroms an die Wolframelektrode 52 zur Erzeugung eines Lichtbogens zwischen der Wolframelektrode 52 und der Nockenwelle 10. Ferner ist ein Impulsstromgenerator 74 für die Erzeugung eines Impulsstroms vorgesehen, und außerdem ist ein Addierer 76 vorgesehen. Der von der Gleichstrom- Bogenstromquelle 72 abgegebene Bogen-Gleichstrom weist eine konstante Höhe unabhängig von der Zeit auf, wie dies Fig. 6 veranschaulicht. Der von dem Impulsstromgenerator 74 erzeugte Impulsstrom weist eine Impulsdauer T 1 und eine Periode T 2 auf, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Der Impulsstrom von dem Impulsstromgenerator 74 her wird mittels des Addierers 76 dem Gleichstrom-Bogenstrom von der Gleichstrom-Bogenstromquelle 72 hinzuaddiert, um einen Lichtbogenstrom zu erzeugen, der unterschiedliche Größen P 1, P 2 bei den Spitzenwerten P 1 und den Grundwerten P 2 aufweist, wie dies Fig. 8 veranschaulicht. Der Lichtbogenstrom bzw. der Bogenstrom wird an die Wolframelektrode 52 abgegeben, um einen Plasmabogen 79 zwischen der Wolframelektrode 52 und der Nockenwelle 10 zu erzeugen.

Gemäß Fig. 3 weist der Metallpulver-Abgabemechanismus 80 generell eine Metallpulver-Abgabeeinrichtung 82 auf, die zur Abgabe eines Pulvers eines Metalls, welches verschieden ist von dem Material der Nockenwelle 10, an die Abgaberohre 65 an dem Plasmabrenner 38 dient. Ferner ist ein Vibrator 84 vorgesehen, der die Metallpulver- Abgabeeinrichtung 82 in Vibration versetzt, um die Abgabe des Metallpulvers an die Abgaberohre 65 zu beschleunigen. Zwei Abgaberohre 85 verlaufen von der Metallpulver-Abgabeeinrichtung 82 zu dem Plasmabrenner 38 wo sie mit den Abgaberohren 65 gekoppelt sind. Ein Sensor 87, der zum Überprüfen der Abgabe des durch die Abgaberohre 85 strömenden Metallpulvers dient, ist an den Abgaberohren 85 angebracht.

Die Steuereinheit 90 umfaßt einen Computer, der so programmiert ist, daß er Impulssteuersignale an die Schrittmotoren 25, 44, 47 abgibt. Die Steuereinheit 90 ist ferner mit der Gleichstrom-Bogenstromquelle 72, dem Impulsstromgenerator 74, der Metallpulver-Abgabeeinrichtung 82 und dem Vibrator 84 verbunden, um Steuer- bzw. Antriebsimpulse für den Betrieb der betreffenden Einrichtungen abzugeben.

Eine L-förmige Verlängerung 93, die mit dem beweglichen Haltergrundteil 46 zusammenhängt, erstreckt sich von diesem nach unten und trägt an ihrem unteren Ende einen Nockenpositionssensor 94. Der Nockenpositionssensor 94 umfaßt einen Laserstrahl-Emitter 95 für die Abgabe eines Laserstrahls zu der Nockenwelle 10 hin sowie einen Laserstrahl-Detektor 96 für die Emittlung eines von der Nocke reflektierten Laserstrahls. Wenn ein Ende einer Nockenwelle mit Hilfe des Nockenpositions- Sensors 94 ermittelt wird, wird ein Signal durch den Nockenpositions-Detektor 94 an die Steuereinheit 90 abgegeben, die sodann das bewegliche Haltergrundteil 46 stillsetzt.

Die Arbeitsweise der in Fig. 3 dargestellten Wiederschmelzungs- und Härtungsanlage ist folgende: nachdem die Nockenwelle 10 mit Hilfe einer (nicht dargestellt) Vorwärmeinrichtung vorgewärmt worden ist, wird sie mittels einer (nicht dargestellten) Ladeeinrichtung zwischen das Spannfutter 26 und die Spindel 36 hingeführt und zwischen diesen Elementen eingespannt getragen. Sodann wird das bewegliche Haltergrundteil 46 mittels der durch den Schrittmotor 44 gedrehten Förderschnecke bzw. Förderschraube 46 nach links (Fig. 3) bewegt, während zugleich der Halter 48 in vertikaler Richtung mittels des Schrittmotors 47 bewegt wird. Der durch den Halter 48 gehaltene Plasmabrenner 38 wird damit seitlich und vertikal so bewegt, daß seine Spitze veranlaßt wird, mit einem vorgeschriebenen Zwischenraum über der Nocke am linken Ende der Nockenwelle 10 sich zu bewegen. Während dieser Zeit wird die Nockenwelle 10 um ihre eigene Achse mit einer niedrigen Drehzahl mit Hilfe des Schrittmotors 25 über das Übersetzungsgetriebe 24 gedreht. Der Plasmabrenner 38 wird so gesteuert, daß er seine Spitze in vertikaler Richtung in gleichmäßiger Abstandsbeziehung zu der Nockenoberfläche bewegt und eine Hin- und Herbewegung seiner Spitze über die Gleitkontakt-Nockenoberfläche 14 in axialer Richtung der Nockenwelle 10 ausführt. Deshalb wird der Plasmabrenner 38 in einem gewundenen Muster (Fig. 9) über die Gleitkontakt-Nockenoberfläche 14 bewegt, während zugleich der Plasmabrenner 38 gespeist wird, um einen hinsichtlich der Abriebfestigkeit zu steigernden Nockenoberflächenbereich wieder zu schmelzen und eine wiedergeschmolzene Schicht 19 zu bilden, wie dies in Fig. 10 und 11 veranschaulicht ist.

Der Plasmabrenner 38 ist in der Umfangsrichtung der Gleitkontakt-Nockenoberfläche 14 der Nockenwelle 10 winkelmäßig bewegbar. Wie in Fig. 12 und 13 veranschaulicht, ist die Längsachse L 1 des Plasmabrenners 38 unter einem Winkel R zu einer Linie L 2 geneigt, die tangential zu der Gleitkontakt-Nockenoberfläche 14 in dem wieder geschmolzenen Nockenoberflächenbereich verläuft, wobei der Neigungswinkel in einer Richtung vorgesehen ist, in der der Plasmabrenner 38 in bezug auf die Nockenwelle 10 vorgerückt wird. Ein derartiger Winkel R ist so gewählt, daß es sich um einen stumpfen Winkel (größer 90°) zu allen Zeiten der winkelmäßigen Bewegung des Plasmabrenners 38 in bezug auf die Nockenwelle 10 handelt. Der Winkel R sollte vorzugsweise so festgelegt sein, daß der wiedergeschmolzene Nockenoberflächenbereich mit einem wiedergeschmolzenen Bereich fluchtend verläuft oder etwas unterhalb eines solchen wiedergeschmolzenen Bereiches liegt, der unmittelbar zuvor gebildet worden ist.

Der zwischen der Plasmabrennerache L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel R ist in näheren Einzelheiten in Fig. 14 verdeutlicht. Dabei ist angenommen, daß die Punkte E, F auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 8° in entgegengesetzten Richtungen von einer Linie L 3 versetzt sind, welche die Spitze des Nockenbuckels und die Mittelachse der Nockenwelle 10 schneidet. Ferner ist angenommen, daß ein Punkt D auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 7° von dem Punkt E zu einem Punkt A hin versetzt ist, an dem mit dem Wiederschmelzen der Nockenoberfläche 14 zu beginnen ist. Ferner ist angenommen, daß ein Punkt G auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 7° von dem Punkt E in einer Richtung von Punkt A weg entfernt ist, daß ein Punkt C auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 33° von dem Punkt D weg zum Punkt A versetzt ist, daß ein Punkt H auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 33° von dem Punkt G weg vom Punkt A versetzt ist, daß ein Punkt B auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 20° vom Punkt C zum Punkt A hin versetzt ist, und daß ein Punkt I auf der Nockenoberfläche 14 winkelmäßig um 20° vom Punkt H weg vom Punkt A versetzt ist. Der Winkel R 1, der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildet ist, ist mit 100° vom Punkt A zum Punkt B gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel R 2 ist mit 105° vom Punkt B zum Punkt C gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 1 gebildete Winkel R 3 ist mit 110° vom Punkt C zum Punkt D gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel R 4 ist mit 105° vom Punkt D zum Punkt E gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel R 5 ist mit 100° vom Punkt E zum Punkt F gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel ist gleich dem Winkel R 4 vom Punkt F zum Punkt G gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel ist gleich dem Winkel R 3 vom Punkt G zum Punkt H gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel ist gleich dem Winkel R 2 vom Punkt H zum Punkt I gewählt. Der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel ist gleich dem Winkel R 1 vom Punkt I zum Punkt A gewählt. Bei der dargestellten Ausführungsform ändert sich der zwischen der Plasmabrennerachse L 1 und der Tangentiallinie L 2 gebildete Winkel R diskret von Segment zu Segment auf der Nockenoberfläche. Der Winkel R kann jedoch kontinuierlich mit dem Rotationswinkel der Nockenwelle 10 geändert werden. Durch die obige Winkeleinstellung ist verhindert, daß der wiedergeschmolzene Bereich über einen zuvor wiedergeschmolzenen Bereich unter den Druck eines Bogens gezwungen wird, der von dem Plasmabrenner 38 abgegeben wird. Da der wiedergeschmolzene Bereich so positioniert ist, daß er fluchtend mit einem vorangehend wiedergeschmolzenen Bereich verläuft oder unterhalb eines solchen Bereiches liegt, der unmittelbar zuvor bzw. früher gebildet ist, wird der wiedergeschmolzene Bereich durch Schwerkraft nicht über den zuvor wiedergeschmolzenen Bereich fallen, wodurch verhindert ist, daß die Nockenoberfläche 14 eine lokale Deformation erfährt.

Wenn das Argongas 60 in einem eine hohe Temperatur und eine hohe Geschwindigkeit aufweisenden Plasmabogen 79 ionisiert ist und an die Nockenoberfläche 14 der Nockenwelle 10 abgegeben wird, dann wird auf der Oberflächenschicht der Nockenoberfläche 14 ein geschmolzener Pool M gebildet, wie dies in Fig. 15 veranschaulicht ist.

Ein geschmolzener Pool M 1, wie er in Fig. 15 durch eine gestrichelte Linie angedeutet ist, wird dann erzeugt, wenn die Spitzen P 1 (Fig. 8) des Impulsstroms abgegeben werden. Je stärker die Energie des abgegebenen Plasmabogens 79 ist, umso tiefer ist der mittlere Bereich des geschmolzenen Pools M, und je höher ist dessen Umfangsbereich. Ein geschmolzener Pool M 2 bzw. ein Schmelzbad M 2, welches in Fig. 15 durch die voll ausgezogene Linie angedeutet ist, wird dann gebildet, wenn der Stromimpuls mit seinen unteren Werten P 2 (Fig. 8) abgegeben wird. Da die Energie des Plasmabogens 79 zu diesem Zeitpunkt vermindert ist, ist der mittlere Bereich des Schmelzbades bzw. geschmolzenen Pools seicht, und dessen hochstehender Umfangsbereich ist niedrig. Da die unterschiedlichen Pegel der Plasmabogenenergie abwechselnd abgegeben werden, wird das Schmelzbad M veranlaßt, zu vibrieren, um das durch die Abgaberohre 65 an das Schmelzbad M abgegebene und durch den Plasmabogen 79 beschleunigte Metallpulver zu verrühren. Demgemäß wird das abgegebene Metallpulver gleichmäßig in der wiedergeschmolzenen Schicht dispergiert, um eine feste homogene Phase zu bilden. Die Frequenz des Impulsbogenstroms kann im Bereich von 2 bis 30 Hz gewählt sein; sie sollte vorzugsweise von 5 bis 30 Hz für die Erzielung bester Ergebnisse reichen. Die Impulsdauer T kann im Bereich von 5 bis 95% der Periode T liegen; sie sollte vorzugsweise von 20 bis 80% hinsichtlich der Erzielung bester Ergebnisse reichen. Das Verhältnis zwischen dem Spitzenwert und dem Grundwert des an dem Plasmabrenner 38 abgegebenen Impulsstroms kann von 1,5 bis 15, vorzugsweise von 2 bis 15 reichen.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Nockenoberfläche mit Ausnahme ihrer Kanten wieder geschmolzen und gehärtet. Die Nockenoberflächen können in unterschiedlichen Bereichen, die eine höhere Härte und eine höhere Abriebfestigkeit erfordern, wiedergeschmolzen und gehärtet werden, wie dies in Fig. 16 bis 18 veranschaulicht ist.

Die gemäß der vorliegenden Erfindung gebildete wiedergeschmolzene Schicht findet bzw. zeigt keine Ausfällung von Graphit. Wie in Fig. 19 veranschaulicht, erreicht die Härte der wiedergeschmolzenen Schicht etwa 700 HmV, die höher ist als die Härte (600 HmV oder weniger) des abgekühlten Bereiches, der auf das Gießen hin gebildet worden ist.

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung eines Artikels auf Eisenbasis mit einer wiedergeschmolzenen Schicht, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Gießen eines geschmolzenen Metalls in eine Form mit einer darin eingesetzten Kokille (8) zum Gießen eines Artikels auf Eisenbasis mit einem mit der betreffenden Kokille (8) in Kontakt befindlichen abgekühlten Bereich,
Hinzufügen von Metallpulver, welches die Verschleißfestigkeit mit sich bringt, nachdem es mit zumindest einem Teil des abgekühlten Bereichs vermischt ist,
Abgeben einer Energie hohen Pegels an den betreffen- Teil des abgekühlten Bereichs zu dessen Erwärmung und Wiederschmelzen, und
Abkühlen des wiedergeschmolzenen Bereichs zur Bildung einer wiedergeschmolzenen Schicht in diesem Bereich.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energie hohen Pegels durch einen Plasmabogen erzeugt wird, der durch einen Plasmabrenner (38) erzeugt wird und der an dem abgekühlten Bereich unter einem stumpfen Winkel in bezug auf eine Tangentiallinie an einer Schnittstelle zwischen der Achse des betreffenden Plasmabrenners (38) und dem abgekühlten Bereich zu allen Zeiten in der Richtung abgegeben wird, in der der Plasmabrenner (38) in bezug auf Eisenbasisartikel vorbewegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der durch den Plasmabogen erwärmte und wiedergeschmolzene Teil des abgekühlten Bereichs höchstens auf derselben Ebene positioniert wird wie ein Bereich, der unmittelbar zuvor erwärmt und wiedergeschmolzen worden ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabrenner (38) unter einem Winkel in bezug auf den abgekühlten Bereich bewegt wird, während der Eisenbasisartikel (10) um seine eigene Achse gedreht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen der Achse des Plasmabrenners (38) und einer tangential zu einer Oberfläche des abgekühlten Bereichs verlaufenden Linie gebildeter Winkel diskret von Segment zu Segment des abgekühlten Bereichs geändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen der Achse des Plasmabrenners (38) und einer tangential zu einer Oberfläche des abgekühlten Bereichs verlaufenden Linie gebildeter Winkel kontinuierlich über den geschmolzenen Bereich geändert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmabogen mittels eines Impulsbogenstroms erzeugt wird und daß durch den betreffenden Plasmabogen das Metallpulver in einem durch das Wiederschmelzen des abgekühlten Bereichs gebildeten Schmelzbad derart verrührt wird, daß das betreffende Metallpulver gleichmäßig unter Bildung einer festen homogenen Phase dispergiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Impulsbogenstrom ein Gleichstrom-Bogenstrom und ein hinzuaddierter Impulsbogenstrom verwendet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbogenstrom mit einer Frequenz im Bereich von 2 bis 30 Hz verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbogenstrom mit einer Frequenz im Bereich von 5 bis 30 Hz verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbogenstrom mit einer Impulsdauer verwendet wird, die von 5 bis 95% einer Impulsperiode reicht.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbogenstrom mit einer Impulsdauer verwendet wird, die im Bereich von 20 bis 80% einer Impulsperiode reicht.

13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbogenstrom mit einem Maximalwert und einem Minimalwert verwendet wird, wobei das Verhältnis von Maximalwert zu Minimalwert von 1,5 bis 15 reicht.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulsbogenstrom mit einem Maximalwert und einem Minimalwert verwendet wird, wobei das Verhältnis von Maximalwert zu Minimalwert von 2 bis 15 reicht.

15. Eisenbasisartikel, insbesondere hergestellt nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch einen verschleißfesten abgekühlten Bereich, der aus einem Eisenbasismaterial auf dessen Gießen hin gebildet ist, und durch eine in dem betreffenden abgekühlten Bereich gebildete wiedergeschmolzene Schicht höherer Verschleißfestigkeit, die dadurch gebildet ist, daß ein Teil des abgekühlten Bereiches wiedergeschmolzen und gehärtet ist, wobei die wiedergeschmolzene Schicht aus einer Legierung des Eisenbasismaterials und eines von diesem Material verschiedenen Metalls besteht.