DE3712107A1 - Gesinterte steuerwelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Steuerwelle für eine Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine Steuerwelle, bei welcher ein Nockenbuckel und ein Zapfen aus gesinterten Legierungen hergestellt sind und mit einer Stahlwelle verbunden sind. Bei einer Steuerwelle, bei welcher ein Nockenbuckel und ein Zapfen separat hergestellt und mit einer Stahlwelle verbunden werden, sind die meisten der Steuerwellenelemente wie beispielsweise Zapfen, Zahnrad u. dgl., mit Ausnahme des Nockenbuckels, aus Stahl hergestellt. Obwohl es relativ einfach ist, Stahl nachzubearbeiten, sind verschiedene Verfahrensstufen erforderlich, um den Zapfen mit der Stahlwelle zu verbinden, und zwar aufgrund des Bearbeitens solcher mechanischer Teile und Löten o. dgl. Aus diesem Grund ist die Herstellung einer Steuerwelle ziemlich kostspielig.

Weiterhin weist ein solches Bauteil eine nichtausreichende Verschleißbeständigkeit an seinem Gleitabschnitt, insbesondere wenn dieser Abschnitt als Zapfen verwendet wird, auf.

Gesinterte Legierungen für die Verwendung bei Verbrennungskraftmaschinen sind in den US-Psen 43 88 114, 44 91 477, 43 45 943, 43 63 662, 45 05 988 und 43 34 926 beschrieben.

Ein Gegenstand der Erfindung ist eine Steuerwelle, die unter geringen Produktionskosten herstellbar ist und eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist.

Jedes zusammengebaute Teil der Steuerwelle mit Ausnahme des Nockenstückes ist aus einer gesinterten Legierung hergestellt, bestehend im wesentlichen aus 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 0,5 Gew.-% oder geringer Schwefel, 1,0 Gew.-% oder geringer Mangan, 2,0 Gew.- % oder geringer Silizium, Rest Eisen und Verunreinigungen. Die Sinterlegierung kann weiterhin von 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän und/oder wenigstens einen der Bestandteile enthalten, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus 0,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor und 0,5 bis 3,0 Gew.-% Kupfer besteht.

Wenn ein Karbid oder Graphit in dem perlitischen Grundgefüge der gesinterten Legierung verteilt sind, werden die Eigenschaften der Selbstschmierung und Bearbeitbarkeit der Legierung verbessert.

Die Gründe, warum die Prozentanteile der Bestandteile der Sinterlegierung wie oben begrenzt sind, wird nachfolgend erläutert.

Ein Teil des Kohlenstoffs, dessen Anteil 1,0 bis 5,0 Gew.-% beträgt, ist in dem Grundgefüge bzw. der Matrix der Sinterlegierung als feste Lösung vorhanden, um das Grundgefüge zu verfestigen, während der andere Teil ein Karbid oder sowohl ein Karbid und Graphit bildet. Wenn die Kohlenstoffmenge geringer als 1,0 Gew.-% ist, sind die oben erwähnten Wirkungen nicht erzielbar, so daß die Verschleiß- bzw. Abriebsbeständigkeit und die Selbstschmiereigenschaft der Sinterlegierung herabgesetzt werden. Wenn die Kohlenstoffmenge mehr als 5,0 Gew.-% ausmacht, werden die groben Kristallkörner des Karbids erzeugt, und der Kohlenstoff wirkt mit dem Phosphor zusammen, um eine überschüssige flüssige Phase zu bilden, die es unmöglich macht, die Außenkontur des montierten Teiles der Steuerwelle beizubehalten.

Phosphor wirkt, um ein eutektisches Steadit im System Eisen-Kohlenstoff-Phosphor zu bilden, um somit die Abriebsbeständigkeit der Sinterlegierung zu verbessern. Wenn die Menge an Phosphor geringer als 0,2 Gew.-% ist, ist der oben erläuterte Effekt nicht erreichbar. Wenn die Phosphormenge mehr als 0,8 Gew.-% beträgt, wird der Anteil des entwickelten Steadites übermäßig, so daß die Bearbeitbarkeit der Sinterlegierung verschlechtert und deren Versprödung begünstigt wird.

Der Schwefel ist in dem Grundgefüge der Legierung als MnS verteilt und wirkt als Spanabhebungsförderer, um somit die Bearbeitbarkeit der Legierung zu verbessern. Wenn der Schwefelgehalt höher als 0,5 Gew.-% ist, wird die Festigkeit der Sinterlegierung wesentlich herabgesetzt, so daß sie versprödet und die Sinterfähigkeit herabgesetzt wird, d. h. daß der Sinterablauf der Legierung behindert wird.

Wenn die Manganmenge höher als 1,0 Gew.-% ist, werden bei Ablauf des Sinterns der Legierung große Leerstellen bzw. Lücken geschaffen, und die Verdichtbarkeit des als Legierung zu sinternden pulverförmigen Materials wird herabgesetzt.

Wenn der Anteil an Silizium größer als 2,0 Gew.-% ist, wird die Matrix der gesinterten Legierung versprödet, und die Verdichtbarkeit des als Legierung zu sinternden pulverförmigen Materials wird herabgesetzt, so daß die Verformungsfähigkeit der Legierung zur Zeit des Sinterns erhöht wird.

Unter besonderen Sinterbedingungen kann eine Korngrenzendiffusion nicht dem Flüssigphasen-Sintern bei hoher Temperatur folgen, so daß Falten oder Risse in der Nähe der Oberfläche der gesinterten Legierung erzeugt werden. Aus diesem Grund wird 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän der Legierung zugegeben, um die Diffusion zu fördern und somit das Ausbilden von Falten oder Rissen zu verhindern. Wenn der Molybdänanteil geringer als 0,1 Gew.-% ist, ist die oben beschriebene Wirkung nicht erreichbar. Wenn die Molybdänmenge größer als 2,0 Gew.-% ist, wird Mo₂C gebildet, oder das Grundgefüge der gesinterten Legierung ist übermäßig verfestigt, so daß die Härte erhöht und die Bearbeitbarkeit herabgesetzt wird.

Wie oben erläutert ist, kann wenigstens einer der Bestandteile, ausgewählt aus einer Gruppe, die aus 0,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor und 0,5 bis 3,0 Gew.-% Kupfer besteht, der Sinterlegierung zugesetzt werden, die unter Verschleißbedingungen eingesetzt wird. Die Zugabe wenigstens einer dieser Bestandteile in den vorgeschriebenen Mengen zur Sinterlegierung ergibt ein Verfestigen von Matrix und Karbid der Legierung. Wenn die Anteile der zugesetzten Bestandteile geringer als in der vorgeschriebenen Menge sind, wird der oben beschriebene Effekt nicht erreicht. Wenn der Anteil der zugesetzten Bestandteile die vorgeschriebene Menge überschreitet, wird die Härte der gesinterten Legierung nachteilig erhöht und die Bearbeitbarkeit herabgesetzt.

Wenn der Anteil von Kohlenstoff und Phosphor entsprechend auf 1,5 bis 4,0 Gew.-% und 0,4 bis 0,7 Gew.-% eingestellt ist und die Sintertemperatur und -zeit zweckmäßig gewählt sind, kann ein Karbid und Graphit gleichzeitig in dem perlitischen Grundgefüge der Sinterlegierung ausgebildet werden. Demzufolge weist die sich ergebende Legierung einen Selbstschmiereffekt durch den Graphit, ähnlich wie beim Gußeisen, auf, so daß die Legierung ein abriebbeständiges Material wird, weniger ein Gegenbauteil beschädigt, mit dem die Legierung in Gleitkontakt angeordnet ist. Zusätzlich wird die Bearbeitbarkeit der Sinterlegierung ebenfalls erhöht.

Wenn erfindungsgemäß die gesinterte Steuerwelle hergestellt werden soll, wird das als die Legierung zu sinternde pulverförmige Material kompaktiert und an der Stahlwelle angeordnet und dann bei einer Temperatur von 1 050 bis 1 200°C gesintert, so daß es fest mit der Stahlwelle verbunden wird. Um die Herstellungskosten der Steuerwelle herabzusetzen, müssen alle zusammengebauten Teile der Steuerwelle unter den gleichen Bedingungen verbunden werden. Aus diesem Grund ist es vorzuziehen, daß das Nockenstück aus einer verschleißbeständigen Sinterlegierung hergestellt ist, wie sie in der US-Anmeldung Ser.No. 7 22 223 beschrieben ist, wobei die Legierung aus 1,0 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 1,2 Gew.-% Silizium, 1,0 Gew.-% oder weniger Mangan, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 2,0 bis 20% Chrom, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht. Die gesinterte Legierung enthält vorzugsweise weiterhin 0,01 bis 5,0 Gew.-% wenigstens einer der Bestandteile Zinn, Wismuth, Antimon und Kobalt.

In Fig. 1 und 2 sind mikroskopische Darstellungen des Gefüges von Sinterlegierungen gemäß Erfindung gezeigt, die als zusammengebautes Teil mit Ausnahme eines Nockenstückes verwendet werden.

Die Ergebnisse von Qualitätsuntersuchungen an Ausführungsbeispielen der Erfindung und an Vergleichsproben werden nachfolgend erläutert.

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden Teststücke (als zusammengebautes Teil mit Ausnahme des Nockenstückes) aus gesinterten Legierungen zubereitet, welche die Zusammensetzungsnummern 1 bis 9 aufwiesen; Teststücke aus Sinterlegierungen wurden als Vergleichsproben zubereitet, welche die Zusammensetzungen Nr. 10 und 11 aufwiesen, und eine Testprobe wurde aus Stahl (SCM 440) als Vergleichsprobe hergestellt und wies die Zusammensetzung Nr. 12 auf. Zur Herstellung einer jeden gesinterten Legierung wurde das als Legierung zu sinternde pulverförmige Material bei einem Preßdruck von 4 bis 6 t/cm² kompaktiert und dann bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C (Durchschnittstemperatur 1120°C) unter einer Ammoniak zersetzenden Gasatmosphäre in einem Ofen während 1 bis 2 Stunden gesintert. Der Stahl wurde unter Verwendung des Ofens unter den gleichen Sinterbedingungen hergestellt.

Verschleißtest

Die Oberflächenhärte eines jeden Teststückes wurde gemessen. Ein Amsler-Verschleißtest wurde an jeder Probe durchgeführt. Zu dieser Zeit wurde die Testprobe auf einer den Kontaktschlupfabrieb prüfenden Maschine gedreht und mit einer stationären Platte (Gegenglied) in Kontakt gebracht, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt war. Schmieröl wurde kontinuierlich den Kontaktflächen der Stücke zugegeben. Die Bedingungen des Versuches waren folgendermaßen:

Außendurchmesser des gedrehten Versuchsstückes,640 mm; Schmieröl,610 W - 30; Öltemperatur,680°C; Ölmenge,60,5 l/min; Belastung der Teile,6100 kgf; Gleitgeschwindigkeit zwischen den Teilen,62,5 m/sec; Laufzeit,6150 Stunden.

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, sind die Verschleißgrößen der Versuchsstücke aus erfindungsgemäßen Legierungen und diejenigen der Bezugsteile niedriger als diejenigen der Versuchsstücke, die als Vergleichsproben verwendet wurden.

Standzeittest der Bearbeitungsspitze

Jedes der Teststücke wurde in zylindrische Form mit einem Durchmesser von 48 mm und einer Dicke von 25 mm gebracht. Das Teststück wurde dann von einer Werkzeugspitze auf einer Drehbank durchschnitten. Die Lebensdauer der Werkzeugspitze wurde gemessen. Die Bedingungen beim Schneiden waren folgendermaßen:

Drehgeschwindigkeit eines jeden Teststückes,6800 Upm; Zustellgeschwindigkeit,60,32 rev.; Schnittgröße,61 mm;

ein wasserlösliches Schneidematerial wurde dem Teststück und der Werkzeugspitze zugeführt.

In Tabelle 1 ist die Anzahl möglicher 1-mm-Schnitte des identischen Versuchsstückes mit einer einzigen Werkzeugspitze gezeigt. Es sei aus Tabelle 1 abgeleitet, daß die Lebensdauer der Werkzeugspitze beim Schneiden der Versuchsstücke aus Sinterlegierungen gemäß Erfindung wesentlich höher als die Lebensdauer der Werkzeugspitze beim Schneiden der Versuchsstücke ist, die als Vergleichsproben verwendet wurden.

TAB. 1

Fig. 1 und 2 sind mikroskopische Fotos mit 200facher Vergrößerung der Grundgefüge (mit Salpeterätzmittel geätzt) von gesinterten Legierungen gemäß Erfindung.

In Fig. 1 ist die gesinterte Legierung gezeigt, welche die Zusammensetzung Nr. 2 in Tabelle 1 aufweist und bei einer Temperatur von 1 100 bis 1 130°C während 1 bis 1,5 Std. gesintert wurde. Ein netzartiges Karbid B (Zementit und Steadit), welches der Verbesserung der Verschleißbeständigkeit der gesinterten Legierung dient und Graphit C, welches der Verbesserung der Bearbeitbarkeit und Schmiereigenschaft der Legierung dient, sind in dem perlitischen Grundgefüge bzw. der Matrix A verteilt.

In Fig. 2 ist die gesinterte Legierung mit der Zusammensetzung Nr. 1 in Tabelle 1 gezeigt, die bei einer Temperatur von 1 130° bis 1 160°C während 1,2 bis 1,7 Std. gesintert wurde. Ein netzartiges Karbid B ist in dem perlitischen Grundgefüge A der gesinterten Legierung verteilt.

Gemäß der Erfindung können die zusammengebauten Teile einer gesinterten Steuerwelle mit der Stahlwelle durch ein gleichzeitiges Sintern verbunden werden, wobei sie eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweisen. Die zusammengebauten Teile mit Ausnahme eines Nockenstückes sind aus einer gesinterten Legierung mit hoher Bearbeitbarkeit hergestellt. Demzufolge wird die Leistungsfähigkeit bei der Herstellung von Steuerwellen erhöht.

Claims (4)

1. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil mit Ausnahme eines Nockenstückes aus einer gesinterten Legierung hergestellt ist, die im wesentlichen aus 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,.8 Gew.-% Phosphor, 0,5 Gew.-% oder weniger Schwefel, 1,0 Gew.-% oder weniger Mangan, 2,0 Gew.-% oder weniger Silizium, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

2. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil mit Ausnahme eines Nockenstückes aus einer gesinterten Legierung hergestellt ist, die im wesentlichen aus 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 0,5 Gew.-% oder weniger Schwefel, 1,0 Gew.-% oder weniger Mangan, 2,0 Gew.-% oder weniger Silizium, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

3. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil mit Ausnahme eines Nockenstückes aus einer gesinterten Legierung hergestellt ist, die im wesentlichen aus 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 0,5 Gew.-% oder weniger Schwefel, 1,0 Gew.-% oder weniger Mangan, 2,0 Gew.-% oder weniger Silizium, wenigstens einer der Zusammensetzungen, ausgewählt aus einer Gruppe, bestehend aus 0,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor und 0,5 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

4. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil mit Ausnahme eines Steuerstückes aus einer gesinterten Legierung hergestellt ist, bestehend im wesentlichen aus 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 0,5 Gew.-% oder weniger Schwefel, 1,0 Gew.-% oder weniger Mangan, 2,0 Gew.-% oder weniger Silizium, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molabdän, wenigstens aus einer der Zusammensetzungen, die aus einer Gruppe ausgewählt sind, welche aus 0,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor und 0,5 bis 3,0 Gew.-% Kupfer, besteht, Rest Eisen und Verunreinigungen.