DE3635751A1

DE3635751A1 - Abriebfestes gleitelement

Info

Publication number: DE3635751A1
Application number: DE19863635751
Authority: DE
Inventors: Toshihiko Matsubara; Akira Fujiwara; Kazuo Yoshida
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1985-10-21
Filing date: 1986-10-21
Publication date: 1987-04-23
Also published as: GB8625214D0; JPS6293314A; GB2183255A; GB2183255B

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein abriebfestes Gleitelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Begriff "Eisen enthaltende Legierung" auf Gußeisen, Gußstahl und Stahllegierungen.

In einer für einen Ventilmechanismus eines Verbrennungsmotors verwendeten Nockenwelle kann selbst eine geringfügige Änderung der Krümmung einer Nockenfläche durch Änderung der Öffnungs- und Schließzeiten der entsprechenden Ventile oder durch Änderung des Ventilöffnungsgrades einen nachteiligen Effekt auf den Motorbetrieb haben. Aus diesem Grunde werden gewöhnlich aus den Materialien JIS FC25 bis FC30 oder einer Gußeisenlegierung hergestellte Gußeisen- Nockenwellen verwendet, welche auch unter Langzeitgesichtspunkten sehr abnutzungs- und biegefest sind. Es ist weiterhin auch bekannt, durch Verwendung einer Form beim Gießen eine vorgeformte Schicht auf einem Teil einer Nockenfläche zu verwenden, oder eine gehärtete geformte Schicht durch Umschmelz- oder Härtungsbehandlung (Selbstabkühlung nach schnellem Schmelzen) auf einem Teil einer Nockenfläche nach dem Gießen herzustellen.

Neuerdings haben Größe und Leistung von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zugenommen, so daß auch der Gleitflächendruck auf Nockenflächen entsprechend zugenommen hat. Es ist daher notwendig, daß Nockenflächen eine hohe Abriebfestigkeit besitzen. Eine ausreichende Abriebfestigkeit ist jedoch schwer zu realisieren, selbst wenn auf einem Teil einer Nockenfläche beim Gießen eine vorgeformte Schicht hergestellt wird. Wird andererseits eine vorgeformte Schicht durch Umschmelzen und Härten nach dem Gießen hergestellt, so ist eine solche Schicht aus den folgenden Gründen nicht vollständig zufriedenstellend, obwohl im Vergleich zur Herstellung einer geformten Schicht beim Gießen eine vergleichsweise hohe Abriebfestigkeit erreicht wird.

1. Während des Umschmelzens und Härtens entwickeln sich aufgrund des Nockenmaterials oder der Gußzusammensetzung, d. h., einer Zusammensetzung, in der grobes Graphit kristallisiert ist, Feinlunker und Krater, was zu nicht zufriedenstellenden Nockenwellen und einer schlechten Ausbeute führt.

2. Wird eine Umschmelz- und Härtungsbehandlung auf dem gesamten Teil einer Nockenfläche durchgeführt, so werden Schulterbereiche an beiden Enden entfernt und es wird notwendig, dies durch einen erneute Bearbeitung der Enden der Nockenfläche zu kompensieren. die Bearbeitung einer harten geformten Schicht ist jedoch schwierig und macht eine Massenproduktion unmöglich. Weiterhin ändert sich die effektive Breite der Nocke von Exemplar zu Exemplar. Wird die Entfernung der Schulterbereiche an beiden Enden vermieden, so verbleiben an diesen Enden unbehandelte Bereiche, was dazu führt, daß die Nocke beim Einbau in den Motor nicht richtig an einem Kipphebel anliegt. Wenn daher eine Seite der Nocke aufgrund einer Stellungsverschiebung am Kipphebel anstößt, so nimmt der Druck lokal zu, was zu einer Abnutzung oder einem Abschälen sowie zu einer Lebensdauerverminderung der Nocke und des Kipphebels führt.

3. Die Umschmelz- und Härtungsbehandlung wird durch Bestrahlen eines Elementes mit hochkonzentrierter Energie, beispielsweise mit einem Plasmastrahl oder einem Laserstrahl, durchgeführt. Gewöhnlich wird eine gleichförmige Behandlung auf der gesamten Fläche des wesentlichen Teils des Elementes durchgeführt. Diese Behandlung ist daher zeitaufwendig und führt oft zu schlechten Ausbeuten. Daher ist ein Umschmelz- und Härtungsverfahren ökonomisch nachteilig, wobei es schwierig ist, es zur Behandlung von Teilen, beispielsweise einer Lauffläche einer Nockenwelle zu verwenden, die derart starken Belastungszuständen nicht unterworfen wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein aus einer Eisen enthaltenden Legierung hergestelltes Gleitwellenelement mit einer Gleitflächenschicht mit angemessener Abriebfestigkeit zu schaffen, das in wesentlichen Teilen schnell und einfach durch eine Oberflächenhärtung behandelt werden kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Gleitelement der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Querschnitt des Hauptteils einer Gießform zum Gießen einer Nockenwelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer Nockenwelle mit einer geformten Gußschicht unter Verwendung der Gießform gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht zur Erläuterung einer Umschmelz- und Härtungsbehandlung unter Verwendung eines auf eine gegossene Nockenwelle gerichteten Plasmabrenners;

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Hauptteils einer der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfenen Nockenwelle;

Fig. 5 und Fig. 6 einen Schnitt in einer Ebene V-V bis VI-VI in Fig. 4;

Fig. 7 einen Schnitt des Hauptteils eines hängenden Ventilmechanismus eines Verbrennungsmotors, dessen Nockenwelle der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfen wurde;

Fig. 8 eine Foto der mikrometallischen Zusammensetzung eines Nockenhubteils entsprechend Fig. 6;

Fig. 9 eine Foto (100× vergrößert) der Metallzusammensetzung einer gehärteten geformten Schicht, welche eine durch einen Pfeil S in Fig. 8 gekennzeichnete Nockenflächenschicht ist;

Fig. 10 ein vergrößertes Foto (100×) des Hauptteils von Fig. 8, woraus die Metallzusammensetzung einer unter der gehärteten geformten Schicht befindlichen Schicht ersichtlich ist, auf welche die Umschmelz- und Härtungsbehandlung nicht zur Anwendung gekommen ist;

Fig. 11 einen Schnitt des Hauptteils des Plasmabrenners zur Durchführung der Umschmelz- und Härtungsbehandlung;

Fig. 12 ein Diagramm, aus dem die Ergebnisse eines auf eine Nockenwelle I mit einfacher geformter Gußschicht und eine Nockenwelle II mit geformter Schicht, die durch ein Umschmelz- und Härtungsverfahren gehärtet ist, zur Anwendung gekommen ist;

Fig. 13 eine perspektivische Ansicht eines Wellenelementes gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, dessen Oberfläche einem Umschmelz- und Härtungsprozeß in Spiralform unterworfen wurde;

Fig. 14 einen Schnitt in einer Ebene XIV-XIV in Fig. 13;

Fig. 15 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines Teils einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, deren Oberfläche einer Umschmelz- und Härtungsbehandlung in Spiralform unterworfen wurde;

Fig. 16 einen schematischen Querschnitt eines aus der Nockenwelle nach Fig. 15 geschnittenen Teststücks;

Fig. 17 ein Foto, das mikrometallische Zusammensetzung eines Querschnitts eines Teststücks zeigt, das aus einer Nockenwelle längs deren Achse geschnitten ist;

Fig. 18 ein vergrößertes Foto (100×), das die mikrometallische Zusammensetzung einer Laufflächenschicht eines Teststücks zeigt, das der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfen wurde;

Fig. 19 ein vergrößertes Foto (400×), das die mikrometallische Zusammensetzung der gehärteten geformten Fläche der Laufflächenschicht gemäß Fig. 18 zeigt;

Fig. 20 ein entsprechendes vergrößertes Foto (100×), das die mikrometallische Zusammensetzung einer Öldichtungs-Flächenschicht des Teststückes nach Fig. 17 zeigt, das der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfen wurde;

Fig. 21 ein vergrößertes Foto (100×) der mikrometallischen Zusammensetzung gemäß Fig. 20;

Fig. 22 ein Diagramm, aus dem Abrieb- und Frasverluste einer Lauffläche der Nockenwelle nach Fig. 15 in einem Lebensdauertest unter Verwendung eines gebräuchlichen Motors ersichtlich sind;

Fig. 23 ein Diagramm, aus dem Abrieb- und Frasverluste einer keiner Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfenen Lauffläche der Nockenwelle in einem Lebensdauertest unter Verwendung eines gebräuchlichen Motors ersichtlich sind;

Fig. 24 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Menge von zugesetztem Mo und der Härte (HRC) einer Nockengleitfläche einer gegossenen Nockenwelle, welche während des Gießens nicht geformt wurde, welche der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfen wurde und der ein Karbid stabilisierendes Element zugesetzt wurde;

Fig. 25 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der zugesetzten Menge Mo und der Härte (HRC) der Nockengleitfläche, welche während des Gießens nicht geformt wurde, während der Umschmelz- und Härtungsbehandlung einer Behandlung unterworfen wurde und welcher ein Karbid stabilisierendes Element zugesetzt wurde;

Fig. 26 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der bei der Umschmelz- und Härtungsbehandlung einer Nockengleitfläche, die während des Gießens einer Gußnockenwelle nicht geformt wurde, zugesetzten Menge an Mo und Cr sowie dem Abriebverlust der Nockengleitfläche in einem Test unter Verwendung eines Motors;

Fig. 27 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen der Tiefe und der Gleitfläche eines Kipparmhebels und dessen Härte, wobei der Kipparmhebel mit einer Nockenwelle in einem Test gemäß Fig. 26 verwendet wurde;

Fig. 28 ein Diagramm des Zusammenhangs zwischen dem Chromgehalt eines Kipparmhebels und den Gleitabriebverlusten, wobei der Kipparmhebel in Verbindung mit einer Nockenwelle in einem Test mit einem Motor verwendet wurde; und

Fig. 29 ein Diagramm, aus dem die Betriebszeit und die Gleitflächen-Abriebverluste von Nocken und Hebeln in einem Test ersichtlich sind, bei dem drei Arten von Nockenwellen und Kipparmen in einem Verbrennungsmotor eingebaut wurden.

Wird ein Gleitelement in Form einer Nockenfläche einer gegossenen Nockenwelle als geformte Schicht unter Verwendung, beispielsweise einer Kupferform, hergestellt, so kann eine feine Zusammensetzung mit abgeschiedenem Eisenkarbid (Fe₃C) realisiert werden, wobei sich eine zufriedenstellende Abriebfestigkeit und eine zufriedenstellende Frasfestigkeit ergibt, wenn die Nockenfläche mit einem Kipparm oder einem Ventilhebel in Gleitkontakt steht. Durch weitere Erhöhung der Feinheit der Zusammensetzung dieser geformten Schicht wird es möglich, die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Speziell kann die Nockenflächenschicht sich selbst abkühlen, bevor sie durch Bestrahlung mit Energie hoher Konzentration, beispielsweise durch einen Plasmastrahl oder einen Laserstrahl schnell umgeschmolzen wird. Da die Zusammensetzung vor der Verarbeitung bereits eine stabile Eisenkarbid- Abscheidungszusammensetzung ist, kann eine hochqualitative umgeschmolzene und gehärtete geformte Schicht realisiert werden, in der während der Umschmelz- und Härtungsbehandlung keine Lunker, Karbid-Abscheidungen, usw. auftreten. Durch Ausführung der Umschmelz- und Härtungsbehandlung in der Weise, daß beide Endbereiche in Breitenrichtung unbehandelt bleiben, kann weiterhin verhindert werden, daß die Schulterteile beider Endbereiche dünn werden. Da die unbehandelten Endbereiche geformte Schichten mit ausreichender Abriebfestigkeit sind, können darüber hinaus Nockenwellen mit konstanter effektiver Breite und guter Lebensdauer hergestellt werden. Bei einer Umschmelz- und Härtungsbehandlung, bei der lediglich wesentliche Teile und nicht auch die beiden Enden auf der Breitseite behandelt werden, können weiterhin die Bearbeitungszeit verkürzt und die Herstellungskosten gesenkt werden. Die Erfindung ist nicht nur auf Nockenwellen, sondern beispielsweise auch auf Ventilhebel und Kipparme, anwendbar.

Beim Durchführen des Umschmelzens ist es zweckmäßig, wenigstens ein Karbid stabilisierendes Element aus der Gruppe Cr, Mo, V und Nb in einer Menge von vorzugsweise 0,5 bis 4 Gew.-% in einem Schmelzbad zuzusetzen, um eine Legierung herzustellen und ein feines Doppel-Karbid mit großer Härte zu erzeugen, wodurch die Nockenfläche eine extrem gute Abriebfestigkeit erhält.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt des wesentlichen Teils einer Metallform 10 zum Gießen einer Nockenwelle für einen Verbrennungsmotor. Die Metallform 10 wird durch eine obere Form 12 und eine untere Form 14 gebildet. Ein beispielsweise aus Kupfer hergestelltes Formteil entspricht einem Nockenhubteil. Dieses Formteil ist in einen Nockenform-Hohlraum 18 eines Formhohlraums 16 der Form 10 eingepaßt.

Durch Gießen einer heißen Schmelze eines Materials entsprechend dem Material JIS FC25 wird eine Nockenwelle 34 gemäß Fig. 2 hergestellt. Diese Nockenwelle 34 besitzt eine Nocke 36 und eine Lauffläche 44. Eine geformte Gußschicht 14, welche durch das Formteil 20 geformt wird, bildet einen Hubteil 38 der Nocke 36. Nach Umschmelzen und Härten gemäß einem im folgenden noch zu beschreibenden Verfahren wird die Nockenwelle 34 in einen Ventilmechanismus eines Verbrennungsmotors 10 gemäß Fig. 7 eingebaut. Die Nocke 36 der Nockenwelle 34 steht mit einem Gleitstück 28 in gleitendem Kontakt, das an einen Körper 26 eines Kipparms 24 gelötet ist. Der Kipparm sitzt mit einem Ende schwenkbar auf einem kugelförmigen Betätigungsende eines Ölhebelkopfes 30, während das andere Ende des Arms an einem Ventilstößelende eines Ansaugventils 32 anliegt.

Nach dem Gießen der Nockenwelle 34 wird für das mit der geformten Gußschicht 40 versehene Hubteil 38 eine Umschmelz- und Härtungsbehandlung durchgeführt. Die Nockenfläche wird dabei mit einem Plasma 48 bestrahlt, das aus einem Plasmabrenner 46 in einem Bereich von 10° bis 90° nach vorne und hinten über der Nockenkontur um die Nockenachse der Nockenwelle 34 austritt. Dabei handelt es sich um den Teil, in dem die Abriebfestigkeit speziell erforderlich ist. Das Plasma 48 wird über einer Breite von 2 mm oder mehr derart bewegt, daß es auf einem schneckenförmigen Weg läuft und die Nockenoberfläche mit Ausnahme der beiden Endbereiche in Breitenrichtung aufschmilzt. Die Nockenoberfläche wird sodann schnell abgeschreckt (Selbstabschreckung) und gehärtet, um eine umgeschmolzene und gehärtete geformte Schicht 42 auf der geformten Gußschicht 40 zu erzeugen (siehe Fig. 3 bis 6).

Der so erhaltene Hubteil 38 der Nockenwelle 34 besitzt eine Zusammensetzung gemäß Fig. 8 (entsprechend Fig. 6). Bei Vergleich von Fig. 9, welche eine 100-fache Vergrößerung der Zusammensetzung der gehärteten geformten Schicht ist (der schwarze Teil nach Fig. 8) mit Fig. 10, welche eine 100-fache Vergrößerung der Zusammensetzung der geformten Gußschicht 40 (die Schicht, bei der eine Umschmelz- und Härtungsbehandlung nicht durchgeführt wurde) darstellt, zeigt sich, daß die Zusammensetzung der gehärteten geformten Schicht 42 durch schnelles Abschrecken sehr fein ist (die schwarzen Punkte des vergrößerten Fotos stellen Austenit dar).

Gemäß Fig. 8 sind die Schulterbereiche in beiden Endbereichen A in Breitenrichtung der Nockenfläche unverändert. Es ist bekannt, daß durch Umschmelzen lediglich des zentrale Teils die Formen der beiden Endbereiche A gleichgehalten werden können, wobei gleichzeitig eine Änderung der effektiven Nockenbreite verhindert werden kann.

In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde der Oberflächenbereich der geformten Gußschicht 40 einfacherweise umgeschmolzen. Beim Umschmelzen können jedoch auch Metalle, wie beispielsweise Cr, Mo, V, Nb oder Legierungen dieser Metalle, welche sich vom Basismaterial unterscheiden, oder Metallverbindungen, wie beispielsweise Cr₃C₂ oder MoS₂ einer flüssigen Schmelze in Form eines Pulvers zugesetzt werden. In diesem Falle handelt es sich bei der gehärteten geformten Schicht um eine Legierungszusammensetzung bzw. um eine defundierte und verstärkte Zusammensetzung mit ausgezeichneter Abriebfestigkeit. Darüber hinaus kann dem Schmelzbad ein Metallpulver, beispielsweise Ni, Cu oder Mn in elementarer Form zugesetzt werden, was zu seiner Gitterverfestigung führt. Beispiele dafür werden im folgenden angegeben:

1) 0,2 Gew.-% einer 25Fe-75Si-Legierung wurden in eine heiße Schmelze geimpft, deren Zusammensetzung aus 3,47% C, 1,81% Si, 0,57% Mn, 0,42% Cr, 0,09% P, 0,087% S und den Rest Eisen bestand (alle Prozentangaben in Gew.-%). Die heiße Schmelze wurde in eine Metallform mit einem in ein Nockenhubteil eingepaßten Formstück eingegossen, wodurch die Nockenliftteil-Oberflächenschicht hergestellt wurde.

2) Die resultierende Nockenwelle wurde entsandet und geglüht, im Wellenendteil eine Bohrung hergestellt und eine Führungsnut bearbeitet. Die Nockenwelle wurde sodann auf etwa 450°C aufgeheizt, wobei der obere Bereich des Nockenhubteils unter Verwendung eines Plasmabrenners gemäß Fig. 3 umgeschmolzen wurde. Gleichzeitig wurde dem Schmelzbad ein Pulver mit einer Zusammensetzung von 50 Gew.-% karbonisiertem Chrom und 50 Gew.-% Molibdänsulfid zugesetzt wurde, wobei ein schnelles Abschrecken erfolgte.

Fig. 11 zeigt schematisch den Zustand während der Umschmelzbehandlung. Ein Plasmabrenner 46 enthält eine Wolframelektrode 50, einen die Wolframelektrode 50 umgebenden und einen Gaskanal 54 sowie einen Kühlwasserkanal 56 aufweisenden Kopf 52 sowie eine den Kopf 52 umgebende und einen Schutzgaskanal 60 bildende Abschirmungskappe 58. Zwei unterschiedliche Metallpulvereinlaßrohre 62 und 64 sind durch das vordere Ende der Abschirmungskappe 58 geführt und an dieser befestigt. Ein aus dem Gaskanal 54 in Form eines Strahls austretendes Gas, wie beispielsweise Argon, Wasserstoff oder Stickstoff bildet ein Plasma 48, das auf die Oberfläche des Nockenhubteils 38 A geführt wird. Einem resultierenden Schmelzbad P wird das karbonisierte Chrompulver und das Molybdänsulfid B in der o. g. Zusammensetzung durch die ungleichen Metallpulver-Einlaßrohre 62, 62 zugeführt.

Testbeispiel 1

Eine Nockenwelle I, welche aus einem FC-Material (Vergleichsbeispiel) hergestellt wurde und die geformte Gußschicht gemäß Fig. 2 besitzt und einer Umschmelz- und Erdungsbehandlung unterworfen wurde, sowie eine Nockenwelle II (erfindungsgemäßes Beispiel), die aus FC-Material hergestellt und der Umschmelz- und Aushärtungsbehandlung auf der Oberseite einer geformten Gußschicht gemäß Fig. 4 unterworfen wurde, wurden unter Verwendung eines Kipparms in einen Motor eingebaut. Dieser Kipparm war aus 18% Cr-Stahl hergestellt und war einer schwachen Nitrierbehandlung unterworfen worden. Ein Lebensdauertest mit 2000 Umdrehungen/min×300 h wurde mittels des Motors durchgeführt. Fig. 12 zeigt die Abriebverluste des nach dem Lebensdauertest geprüften Nockenhubteils. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, waren die Abriebverluste der Nockenwelle II im Vergleich zu denjenigen der Nockenwelle I extrem klein, wobei die maximalen Abriebverluste (Abriebverluste an dem am meisten belastenden Teil) der Nockenwelle II generell den minimalen Abriebverlusten (Abriebverluste an dem am wenigstens belasteten Teil) der Nockenwelle I entspricht.

Für ein aus einer Eisen enthaltenden Legierung hergestelltes gleitendes Wellenelement, das nicht die für die Nockenfläche einer Nockenwelle notwendige Abriebfestigkeit besitzen muß, ist es für dessen Gleitfläche nicht erforderlich, daß sie gleichförmig umgeschmolzen und gehärtet wird, wie dies bei der Nocke 36 der Fall ist. Für ein derartiges Gleitelement wird die geforderte Abriebfestigkeit auch erhalten, wenn die Gleitfläche mehr oder weniger umgeschmolzen und gehärtet ist, wobei Zwischenräume zwischen den behandelten Bereichen verbleiben. Dieses Umschmelz- und Härtungsverfahren mit Abständen zwischen den behandelten Bereichen ist sehr wirksam und wirtschaftlich vorteilhaft. Speziell wird eine Gleitfläche eines aus einer Eisen enthaltenden Legierung hergestellten Gleitwellenelementes der Umschmelzbehandlung in einer Spiralform dadurch unterworfen, daß es mit hochkonzentrierter Energie bestrahlt sowie ausgehärtet und geformt wird, daß eine gehärtete, geformte Schicht mit spiralförmiger Gestalt gebildet wird. Die Umschmelzbehandlung erfolgt durch Bewegung einer Einrichtung für hochkonzentrierte Strahlung und des Wellenelementes relativ zueinander in Achsrichtung.

Die Fig. 13 und 14 zeigen Beispiele einer gehärteten geformten Schicht 72 in Form einer Spirale auf der Umfangsfläche eines Wellenelementes 70, das in Gleitkontakt mit einem Lager 76 steht.

Zwischen den spiralförmigen gehärteten geformten Schichten 72 verbleiben nicht-gehärtete Bereiche 74. Diese Bereiche 74 sind beim Kontakt mit dem Lager 76 durch die gehärteten Schichten 72 geschützt, wobei ein umgeschmolzener und geformter Bereich C als Ganzes eine gute Abrieb- und Frasfestigkeit besitzt. Ist im nicht-gehärteten Bereich 74 eine Abscheidung mit Schmierfunktion, wie beispielsweise ein Karbid, vorhanden, so wird die Lebensdauer des Wellenelementes 70 im Bereich C weiter verbessert. Dieses Verfahren ist als Oberflächenbehandlungsverfahren für ein Wellenelement leicht ausführbar, wobei es nicht erforderlich ist, die gesamte in Kontakt mit anderen Elementen stehende Oberfläche gleichmäßig zu formen. Das Verfahren ist in kurzer Zeit ausführbar.

Im folgenden wird ein Beispiel beschrieben, bei dem das vorgenannte Behandlungsverfahren auf eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors angewendet wird.

Fig. 15 zeigt ein Endteil (das durch ein Steuerseil oder eine Steuerkette getriebene Endteil) einer Nockenwelle 80 aus Gußeisen (JIS FC25-Material: Grauguß) für einen Verbrennungsmotor, wobei die Nockenwelle 80 eine Nocke 82 aufweist. Eine durch ein Lager getragene Lauffläche 84 sowie eine Umfangsfläche einer Öldichtung 88 werden unter Ausnutzung konstanter Steigungen einer Umschmelz- und Formungsbehandlung unterzogen.

Die Bedingungen für die Umschmelz- und Härtungsbehandlung waren die folgenden:

1) Die Nockenwelle 80 wurde vor der Behandlung auf eine Temperatur von 400 bis 450°C erhitzt und während der Umschmelzbehandlung mit 35 Umdrehungen/min in Rotation versetzt.

2) Die Umfangsfläche des Lauflagers 84 sowie der Öldichtung 88 wurden unter Verwendung einer Plasma-Bogenschmelzvorrichtung als Behandlungsgerät unter den folgenden Bedingungen umgeschmolzen:
Bogenstrom = 150 A,
Plasma-Argongas-Strömungsgeschwindigkeit = 0,6 l/min,
Argon-Schutzgas-Strömungsgeschwindigkeit 7 l/min,
Plasma-Bogenbrenner-Geschwindigkeit = 90 mm/min und
Steigung (Spiralgangabstände) = 4 mm.

Testbeispiel 2

Um die Änderung der Zusammensetzung als Funktion der Tiefe der der Umschmelz- und Formungsbehandlung unter den vorgenannten Bedingungen unterworfenen Nockenwelle 80 zu untersuchen, wurde ein Teststück gemäß Fig. 16 längs der Linie XVI in Fig. 5 von der Nockenwelle 80 geschnitten. Dieses Teststück wurde poliert und geätzt und es ergaben sich die in den Fig. 17 bis 21 gezeigten Zusammensetzungsfotos. Fig. 18 zeigt einen Grenzbereich zwischen einer gehärteten geformten Schicht 86 und einer inneren nicht-geformten Schicht im Lauflager 84, während Fig. 19 lediglich die gehärtete geformte Schicht 86 zeigt. Entsprechend zeigt Fig. 20 einen Grenzbereich zwischen einer gehärteten geformten Schicht 90 und einer inneren nicht-gehärteten Schicht in der Öldichtung 88, während Fig. 21 lediglich die gehärtete geformte Schicht 90 zeigt.

Ein Lebensdauertest unter Verwendung eines Benzinmotors mit einem Hubraum von 1800 ccm wurde für eine der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfene sowie eine unbehandelte Nockenwelle 80 bei gleichem Material und gleicher Größe durchgeführt. Die Drehzahl der Nockenwelle betrug 2000 Umdrehungen/min, die Schmieröltemperatur 50 bis 60°C und die Testdauer 300 h. Nach diesem Lebensdauertest wurden die Abriebverluste und die Frasverluste der Umfangsfläche des Lauflagers 84 und der Nockenwelle 80 bestimmt. Die Ergebnisse sind als Diagramm in Fig. 22 dargestellt. Die Abriebverluste und die Frasverluste der Umfangsfläche des Lauflagers der unbehandelten Nockenwelle wurden ebenfalls nach dem Lebensdauertest geprüft. Diese Ergebnisse sind in Fig. 23 dargestellt. In den Figuren bezeichnet D den Flächenpegel vor dem Test.

Auswertung der Testergebnisse

1) Fig. 16 bis 21:
Auf den Umfangsflächen des Lauflagers 84 und der Öldichtung 88 wurden die gehärteten geformten Flächen 86 und 90 mit gleichen Intervallen gebildet, wobei die Tiefen bei 0,2 bis 0,3 mm lagen. Die Fig. 18 und 20 zeigen, daß viele Graphitteilchen in der Austenit-Basis in der unbehandelten Schicht vorhanden sind, während die gehärteten geformten Schichten 86 und 90 eine feine eutektische Zusammensetzung von Eisenkarbid (weiß) und Austenit aufweisen. Die Härte der unbehandelten Schicht betrug HRB93 bis 95, während diejenige der gehärteten geformten Schichten 86 und 90 HRA 71 bis 75 betrug. Daher ist aufgrund der Erhöhung der Härte eine verbesserte Lebensdauer zu erwarten.

2) Fig. 22 und 23:
Es zeigt sich, daß die Abriebverluste und die Frasverluste der Nockenwelle 80 im Vergleich zu den Abriebverlusten und Frasverlusten (Fig. 23) der unbehandelten Nockenwelle extrem klein sind. Daher kann die Lebensdauer durch die Umschmelz- und Härtungsbehandlung wesentlich verbessert werden.

Bei der Ausführung der vorgenannten Umschmelz- und Härtungsbehandlung wird ein Pulver wenigstens eines Karbid stabilisierenden Elements aus der Gruppe Cr, Mo, V und Nb zum Schmelzbad in einer Menge von 0,5 bis 4 Gew.-% der Zusammensetzung des behandelten Teils des Objektes zugesetzt. Gemäß diesem Verfahren wird in der umgeschmolzenen und gehärteten geformten Schicht Doppelkarbid erzeugt, wodurch die Oberflächenhärte und die Abriebfestigkeit wesentlich verbessert werden. Ist jedoch die Menge des zugesetzten Karbid stabilisierten Elementes kleiner als 0,5 Gew.-%, so ist die Menge des gebildeten Doppel-Karbids so klein, daß die Abriebfestigkeit nicht wesentlich verbessert werden kann. Übersteigt die zugesetzte Menge 4 Gew.-%, so ergibt sich hinsichtlich der Abriebfestigkeit keine wesentliche Verbesserung mehr, so daß aufgrund der Kosten für das Metallpulver eine große zugesetzte Menge in diesem Bereich wirtschaftlich nachteilig ist.

Der Effekt der Umschmelz- und Härtungsbehandlung mit einem Zusatz eines Karbid stabilisierenden Metallelementpulvers wurde für eine Nockenwelle (nicht geformtes Gußstück) aus Eisenguß der gleichen Form und aus dem gleichen Material wie die Nockenwelle 34 nach Fig. 7 bestätigt. Es können verschiedene Pulver als zugesetztes Metallpulver, beispielsweise ein einfaches Metallpulver aus der Gruppe Cr, Mo, V und Nb oder ein Pulver aus einer Verbindung aus zwei oder mehr derartiger Metallelemente oder ein Pulver aus einer Verbindung derartiger Metallelemente und einfacher Elemente verwendet werden.

Die Umschmelz- und Härtungsbehandlung wird unter Ausnutzung eines Plasmabogens (siehe Plasmabrenner 46 nach Fig. 11) als Heizquelle mit einer Gaszufuhrgeschwindigkeit von 0,75 l/min, einer Brennergeschwindigkeit von 47 mm/min, einer Pulver-Zuführungsgeschwindigkeit von 1,8 g/min aus einem Pulvereinlaßrohr (siehe Pulvereinlaßrohr 62 nach Fig. 11) und einem Bogenstrom von 145 A durchgeführt.

Bei dieser Umschmelz- und Härtungsbehandlung ist es möglich, eine gehärtete geformte Schicht mit feinen Doppel-Karbiden zu realisieren, wodurch die Härte der Nockengleitfläche und die Abriebfestigkeit wesentlich verbessert werden.

Testbeispiel 3

Fig. 24 zeigt die Änderung der Härte bei einem konstanten Zusatz von Cr (0,08 Gew.-%) und einem sich ändernden Zusatz von Mo. Die Zusammensetzungen der Nockengleitflächen der Testproben a, b und c sind in Tabelle 1 gezeigt. Als Basismaterial wurde das Material JIS FC25 und als Zusatz Cr und Mo verwendet. T.C. bezeichnet die Gesamtmenge an Kohlenstoff.

Tabelle 1

Aus Fig. 24 ist ersichtlich, daß bei Konstanthaltung der Menge an zugesetztem Cr die Härte der Nockengleitfläche zunimmt, wenn auch die zugesetzte Menge an Mo zunimmt.

Testbeispiel 4

Fig. 25 zeigt die Änderung der Härte einer Nockenfläche bei konstantem Zusatz von Mo (0,04 Gew.-%) und sich ändernden Zusatz von Cr. Die Zusammensetzung der Nockengleitflächen der Testproben a, b und c sind in Tabelle 2 gezeigt. Als Basismaterial wurde das Material JIS FC 25 und als Zusatz Cr und Mo verwendet.

Tabelle 2

Aus Fig. 25 ist ersichtlich, daß bei konstantem Zusatz von Mo die Härte der Nockengleitfläche zunimmt, wenn die zugesetzte Menge an Cr zunimmt.

Testbeispiel 5

Fig. 26 zeigt die Ergebnisse eines Lebensdauertests unter Verwendung eines 4 Zylinder-Verbrennungsmotors mit Hängenocken und einem Hubraum von 1800 ccm. Die Nockengleitfläche der Nocke einer Nockenwelle (Nockenwelle 34 nach Fig. 3) besitzt eine Zusammensetzung gemäß Tabelle 3, wobei als Basismaterial das Material JIS FC 25 und als Zusatz Mo und Cr verwendet wurde. Die Testbedingungen waren eine Motordrehzahl von 2000 Umdrehungen/min, eine Öltemperatur von 50 bis 60°C, Leerlauf sowie eine Betriebszeit von 200 h.

Tabelle 3

Der mit der Nocke in Wirkverbindung stehende Kipparm (siehe Kipparm 24 nach Fig. 7) war konventioneller Art. Er besitzt einen Körper aus Chromstahl für die Karburierung sowie ein aus einer gesinterten, Eisen enthaltenden Legierung mit der Zusammensetzung nach Tabelle 4 hergestelltes Gleitstück. Nach dem Anlöten des Gleitstückes an den Körper wurden beide karburiert. Die Härte des Gleitstückes nach dem Erhitzen betrug HRC56 bis 58.

Tabelle 4

Aus Fig. 26 ist ersichtlich, daß die Abriebverluste der Nockengleitfläche mit zunehmenden Mengen an zugesetztem Mo und Cr abnehmen.

Ist in diesem Fall die zugesetzte Menge einer Mischung von Mo und Cr kleiner als 0,5 Gew.-%, so kann die Abriebfestigkeit nicht wesentlich verbessert werden, während sie geringfügig verbessert wird, wenn die zugesetzte Menge 4 Gew.-% übersteigt, wobei jedoch die Kosten erhöht werden. Die zugesetzte Menge der Mischung liegt daher vorzugsweise in dem gestrichelt eingefaßten Bereich von Fig. 26, d. h., in einem Bereich von 0,5 bis 4 Gew.-%.

Testbeispiel 6

In diesem Beispiel wurden die Abriebverluste eines Gleitstücks und einer Nockenfläche untersucht. Die Nockenwelle hatte die in Tabelle 5 gezeigte Zusammensetzung, wobei die Nockengleitfläche der Nocke der Umschmelz- und Härtungsbehandlung unterworfen wurde. Der Kipparm besaß einen aus gebräuchlichem karbonorierten Stahl hergestellten Körper, während ein mit der Nocke in gleitender Verbindung stehendes Gleitstück aus Gußstahl mit hohem Cr-Anteil hergestellt war. Die Härte der Nockengleitfläche betrug HRC53 bis 56.

Tabelle 5

Das Gleitstück kann nach dem Anlöten an den Körper des Kipparms karburiert und durch Läppen poliert werden oder es kann nach dem Karburieren nitriert werden. Im ersteren Fall liegt der Cr-Anteil vorzugsweise bei 10 bis 15 Gew.-% im Hinblick auf die Verbesserung der Abriebfestigkeit. Im letzteren Falle kann eine ausreichende Abriebfestigkeit erreicht und es können die Materialkosten reduziert werden, selbst wenn der Cr-Anteil nur bei 8 bis 10 Gew.-% liegt, da eine harte Diffusions-Schicht und eine Nitrit-Schicht infolge auf dem Material gebildet werden. Natürlich kann der Cr-Anteil im letzteren Falle generell der gleiche wie im ersteren Fall sein, bei dem eine Nitrierung nicht durchgeführt wird.

Fig. 27 zeigt den Zusammenhang zwischen der Tiefe unter der Oberfläche 5 eines mit einer Nocke in Gleitkontakt stehenden Gleitstückes und der Härte (Mikro-Vickers-Härte). Die mittlere Härte der in die Oberfläche 5 a bildenden Nitritverbindungsschicht lag bei Werten von bis zu HmV 1300 bis 1400.

Testbeispiel 7

Fig. 28 zeigt die Ergebnisse eines Lebensdauertestes unter Verwendung eines 4 Zylinder-Verbrennungsmotors mit hängender Nocke und einem Hubraum von 1800 ccm, wobei der Körper aus dem Material JIS SCr 420 (Cr-Stahl) und das Gleitstück aus Gußstahl mit hohem Cr-Anteil der Zusammensetzung gemäß Tabelle 6 hergestellt waren. Das Gleitstück wurde an den Körper angelötet. Die Testbedingungen waren eine Motordrehzahl von 2000 Umdrehungen/min, eine Öltemperatur von 50 bis 60°C, Leerlauf sowie eine Betriebszeit von 200 h.

Tabelle 6

Die Gleitstück-Testproben m ₀, n ₀, o ₀ und p ₀ wurden keiner Nitrier-Behandlung unterzogen, während die Testproben n, o und p für 60 min bei einer Temperatur von 570°C einer Nitrierung unterzogen wurden.

Fig. 28 zeigt, daß selbst bei fehlender Nitrier-Behandlung die Abriebverluste des Gleitstückes mit zunehmendem Cr-Anteil abnehmen. Wird die Nitrier-Behandlung durchgeführt, werden die Abriebverluste selbst bei gleichbleibendem Cr-Anteil wesentlich gesenkt.

Der Cr-Anteil liegt vorzugsweise in einem in Fig. 28 gestrichelt eingefaßten Bereich, d. h., in einem Bereich von 8 bis 25 Gew.-%. Ist der Anteil geringer als 8 Gew.-%, so kann eine Abriebfestigkeit nicht erreicht werden. Übersteigt der Anteil 25 Gew.-%, so ergibt sich keine weitere Verbesserung der Abriebfestigkeit. Unerwünschterweise werden dabei jedoch die Kosten hoch und die Arbeitsausbeuten schlecht.

Testbeispiel 8

Fig. 29 zeigt die Ergebnisse eines Lebensdauertestes mit einem 4 Zylinder Verbrennungsmotor mit Hängenocken und einem Hubraum von 1800 ccm sowie einer Kombination von Nockenwellen A, B und C sowie Kipparmen A 1, B 1 und C 1. Die Testbedingungen waren eine Motordrehzahl von 2000 Umdrehungen/min, eine Öltemperatur von 50 bis 60°C, Leerlauf sowie eine Betriebsdauer von 200 h.

Die Nockenwelle A (erfindungsgemäßes Beispiel) wurde aus dem Material JIS FC 25 hergestellt. Ihre Nockengleitfläche wurde einer Umschmelz- und Härtungsbehandlung mit Cr- und Mo-Pulverzusatz unterworfen, wobei sich die in Tabelle 7 dargestellte Zusammensetzung ergab.

Tabelle 7

Das Gleitstück des Kipparms A 1 wurde aus Gußstahl mit hohem Chrom-Anteil gemäß der Zusammensetzung nach Tabelle 8 hergestellt, wobei eine Nitrierung erfolgte.

Die Härte seiner Gleitfläche betrug generell HmV 1300. Der Körper des Kipparms wurde aus dem Material JIS SCr 420 hergestellt.

Tabelle 8

Die Gleitfläche der Guß-Nockenwelle B mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 9 wurde während des Gießens der Formungsbehandlung unterworfen. Die Härte betrug HRC 49 bis 52.

Tabelle 9

Das Gleitstück des Kipparms B 1 wurde aus einer gesinterten Eisen enthaltenden Legierung mit einer Zusammensetzung gemäß Tabelle 10 hergestellt. Es wurde der gebräuchlichen Karborierungsbehandlung unterzogen. Die Härte seiner Gleitfläche betrug HRC 54 bis 57. Der Körper des Kipparms wurde ebenfalls aus dem Material JIS SCr 420 hergestellt.

Tabelle 10

Die Nockenwelle C wurde aus einem Material mit der gleichen Zusammensetzung wie die Nockenwelle B hergestellt und der gleichen Behandlung unterzogen. Das Gleitstück des Kipparms C 1 war generell das gleiche wie das Gleitstück des Kipparms A 1.

Aus Fig. 7 ist ersichtlich, daß für die Kombinationen A und A 1 die Abriebverluste der Nocke und der Gleitstück-Gleitfläche im Vergleich zu anderen Kombinationen extrem klein sind und daß eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit realisiert ist.

Es sind nicht nur Nockenwellen und Kipparme sondern auch andere Kombinationen von Gleitelementen im erfindungsgemäßen Sinne realisierbar.

Claims

1. Abriebfestes Gleitelement, das aus einer Eisen enthaltenden Legierung hergestellt ist und einer Umschmelz- und Härtungsbehandlung durch Bestrahlen seiner Gleitfläche mit hochkonzentrierter Energie unterworfen wird, dadurch gekennzeichnet, daß es vor der Umschmelz- und Härtungsbehandlung vorgeformt ist.

2. Gleitelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleitfläche (40) in einem während der Umschmelz- und Härtebehandlung mittels der hochkonzentrierten Energie erzeugten Schmelzbad 0,5 bis 0,4 Gew.-% wenigstens eines aus der Gruppe Cr, Mo, V und Nb gewählten Karbid stabilisierenden Elementes zugesetzt wird.

3. Gleitelement nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (40) mit Ausnahme ihrer beiden Enden in Breitenrichtung der Umschmelz- und Härtebehandlung unterworfen wird.

4. Gleitelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitelement eine Nockenwelle (34) ist.

5. Gleitelement, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die umgeschmolzene und gehärtete Schicht (40) spiralförmig ausgebildet ist.

6. Gleitelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleitfläche (40) eine Lauffläche einer Nockenwelle für den Antrieb eines Einlaß- und Auslaßventils eines Verbrennungsmotors ist.