DE3712107C2 - - Google Patents
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- DE3712107C2 DE3712107C2 DE19873712107 DE3712107A DE3712107C2 DE 3712107 C2 DE3712107 C2 DE 3712107C2 DE 19873712107 DE19873712107 DE 19873712107 DE 3712107 A DE3712107 A DE 3712107A DE 3712107 C2 DE3712107 C2 DE 3712107C2
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C33/00—Making ferrous alloys
- C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
- C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements
- C22C33/0264—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements the maximum content of each alloying element not exceeding 5%
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Description
Die Erfindung betrifft eine gesinterte Steuerwelle für eine
Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine Steuerwelle,
bei welcher ein Nockenbuckel und ein Zapfen aus gesinterten
Legierungen hergestellt und mit einer Stahlwelle verbunden
sind.
Bei einer Steuerwelle, bei welcher ein Nockenbuckel und ein
Zapfen separat hergestellt und mit einer Stahlwelle verbunden
sind, bestehen die meisten der Bauteile wie beispielsweise
Zapfen, Zahnrad u. dgl., mit Ausnahme des Nockenbuckels aus
Stahl. Obwohl es relativ einfach ist, Stahl nachzubearbeiten,
sind verschiedene Verfahrensstufen erforderlich, um den Zapfen
mit der Stahlwelle zu verbinden. Aus diesem Grund ist die Herstellung
einer zusammengesetzten Steuerwelle ziemlich kostspielig.
Weiterhin weist ein solches Bauteil eine nichtausreichende Verschleißbeständigkeit
an seinem Gleitabschnitt auf, insbesondere
wenn dieser Abschnitt als Zapfen verwendet wird.
Gesinterte Legierungen für die Verwendung bei Verbrennungskraftmaschinen
sind beispielsweise in den US-Patentschriften
43 88 114, 44 91 477, 43 63 662, 45 05 988 und 43 34 926 beschrieben.
Ein gegen Verschleiß beständiger gesinterter Werkstoff für
den Einsatz in Verbrennungsmaschinen, insbesondere für die
Herstellung von Gleitteilen für Schwinghebel ist in der
US-PS 43 45 942 erläutert. Diese 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff,
5 bis 30 Gew.-% Chrom, wenigstens ein Phosphor, Bor
und Silizium umfassendes Element in einer Menge von 0,1 bis
5,0 Gew.-% enthaltende Legierung weist auch Molybdän in einer
Menge von 0,2 bis 3,0 Gew.-% auf.
In der prioritätsälteren, nachveröffentlichten DE 36 19 664
A1 ist eine verschleißfeste, gesinterte Legierung für Zapfen
einer Nockenwelle beschrieben, die im wesentlichen aus 2,0
bis 3,5 Gew.-% Kohlenstoff, 0,3 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0,5 bis 3,0 Gew.-% Mangan, Rest Eisen besteht. Bei dieser Legierung
sind Carbid und Steadit gleichmäßig in einer dichten,
perlitischen Matrix verteilt.
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine
gesinderte Steuerwelle anzugeben, welche gut bearbeitbar
unter geringen Produktionskosten herstellbar ist und eine hohe
Verschleißbeständigkeit aufweist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Patentansprüchen
1 bis 4.
Die Gründe, warum die Prozentanteile der Bestandteile der Sinterlegierung
in den Ansprüchen begrenzt sind, werden 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 grobe Karbid-Kristallkörner erzeugt, und
der Kohlenstoff wirkt mit dem Phosphor zusammen und bildet eine überschüssige
flüssige Phase, die es unmöglich macht,
die Außenkontur des montierten Teiles der Steuerwelle beizubehalten.
Phosphor bildet ein eutektisches Steadit im System Ei
sen-Kohlenstoff-Phosphor, 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 diese versprödet,
und da die Sinterfähigkeit herabgesetzt wird, weil der
Sinterablauf der Legierung behindert wird.
Wenn die Manganmenge höher als 1,0 Gew.-% ist, werden bei Ablauf
des Sinterns der Legierung große 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
ist der Legierung 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän 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.
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, das weniger ein Gegenbauteil beschädigt, mit welchem
es in Gleitkontakt angeordnet ist. Zusätzlich wird die Bearbeitbarkeit
der Sinterlegierung ebenfalls erhöht.
Wenn erfindungsgemäß die gesinterte Steuerwelle hergestellt
werden soll, wird das zu sinternde pulverförmige Material
kompaktiert und an der Stahlwelle angeordnet und dann bei
einer Temperatur von 1050 bis 1200°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-PS 47 90 875
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 vorteilhaft weiterhin 0,01 bis 5,0 Gew.-%
wenigstens einer der Bestandteile Zinn, Wismut, Antimon
und Kobalt.
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 Nockenbuckels) aus gesinterten
Legierungen hergestellt, welche die Zusammensetzungsnummern
1 bis 9 aufwiesen; Teststücke aus Sinterlegierungen wurden
als Vergleichsproben hergestellt, welche die Zusammensetzungen
Nr. 10 und 11 aufwiesen; 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 400 bis 600 N/mm2 kompaktiert
und dann bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C
(Durchschnittstemperatur 1120°C) unter einer Ammoniak-
Spaltgasatmosphäre in einem Ofen während 1 bis 2 Stunden
gesintert. Der Stahl wurde unter Verwendung des Ofens
unter den gleichen Sinterbedingungen hergestellt.
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|40 mm | |
Schmieröl | 10 W-30 |
Öltemperatur | 80°C |
Ölmenge | 0,5 l/min |
Belastung der Teile | 1000 N |
Gleitgeschwindigkeit zwischen den Teilen | 2,5 m/sec |
Laufzeit | 150 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.
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 | |
800 U/min | |
Zustellgeschwindigkeit | 0,32 rev. |
Schnittgröße | 1 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.
Fig. 1 und 2 sind mikroskopische Aufnahmen mit 200facher Vergrößerung
der Grundgefüge (mit Salpeterätzmittel geätzt) von
gesinterten Legierungen gemäß Erfindung, die für ein zusammengebautes
Teil mit Ausnahme eines Nockenbuckels verwendet
werden.
In Fig. 1 ist die gesinterte Legierung gezeigt, welche die
Zusammensetzung Nr. 2 in Tabelle 1 aufweist und bei einer
Temperatur von 1100 bis 1130°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 1130° bis 1160°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 von Steuerwellen erhöht.
Claims (4)
1. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil
mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einer gesinterten Legierung
hergestellt ist, die aus 1,0 bis
5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0<S0,5 Gew.-%, 0<Mn1,0 Gew.-%, 0<Si2,0 Gew.-%,
Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.
2. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil
mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einer gesinterten Legierung
hergestellt ist, die aus 1,0 bis
5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0<S0,5 Gew.-%, 0<Mn1,0 Gew.-%, 0<Si2,0 Gew.-%,
0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän, Rest Eisen und Verunreinigungen
besteht.
3. Gesinterte Steuerwelle, deren zusammengebauter Teil
mit Ausnahme eines Nockenbuckel aus einer gesinterten Legierung
hergestellt ist, die aus 1,0 bis
5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0<S0,5 Gew.-%, 0<Mn1,0 Gew.-%, 0<Si2,0 Gew.-%,
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 Nockenbuckels aus einer gesinterten Legierung
hergestellt ist, bestehend aus
1,0 bis 5,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor,
0<S0,5 Gew.-%, 0<Mn1,0 Gew.-%, 0<Si2,0 Gew.-%,
0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän, 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.
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