DE3712108A1

DE3712108A1 - Zusammengebaute steuerwelle

Info

Publication number: DE3712108A1
Application number: DE19873712108
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Fujita; Satoshi Kawai; Shunsuke Takeguchi
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1987-10-29
Anticipated expiration: 2007-04-11
Also published as: JPS62271913A; US5007956A; DE3712108C2; GB2189812B; JPH0542498B2; GB2189812A; GB8708021D0

Description

Die Erfindung betrifft eine zusammengebaute Steuerwelle für eine Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine zusammengebaute Steuerwelle, bei welcher ein Nockenbuckel und ein Zapfen aus gesinterten Legierungen hergestellt und mit einem Stahlwellenteil verbunden sind.

Bei herkömmlich zusammengebauten Steuerwellen, bei denen ein Nockenbuckel, ein Zapfenglied u. dgl. separat hergestellt und mit einem Stahlwellenglied verbunden sind, bestehen die meisten der Steuerwellenelemente wie beispielsweise der Zapfen und Zahnräder mit Ausnahme des Steuerbuckels aus Stahl. Obwohl es relativ leicht ist, Stahl abschließend zu bearbeiten, sind verschieden Herstellungsstufen erforderlich, um den Zapfen u. dgl. mit dem Stahlwellenglied zu verbinden, aufgrund der Bearbeitung dieser mechanischen Teile und Löten o. dgl. Aus diesem Grund ist die Herstellung einer Steuerwelle ziemlich teuer. Weiterhin ist die Abriebbeständigkeit eines gleitenden Abschnittes aus Stahl gering, insbesondere wenn dieser Abschnitt als Zapfen verwendet wird.

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

Die Erfindung soll die oben erwähnten Probleme lösen. Demzufolge ist ein Gegenstand der Erfindung eine verbesserte zusammengebaute Steuerwelle, welche eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit aufweist und weniger ein Gegenteil beschädigt, das mit der Steuerwelle in Gleitkontakt steht, wobei die Steuerwelle leicht herstellbar sein soll.

Jeder zusammengebaute Abschnitt der zusammengebauten Steuerwelle mit Ausnahme des Nockenbuckels und des Wellenteiles ist aus einem gesinterten Material hergestellt und besteht im wesentlichen aus 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 5,0 bis 50 Gew.-% Kupfer, 1,0 Gew.-% oder weniger Mangan, 2,0 Gew.-% oder weniger Silizium, Rest Eisen und Verunreinigungen. Alternativ kann die Steuerwelle mit Ausnahme des Nockenbuckels im wesentlichen aus 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 5 bis 50 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% oder weniger Mangan, 2 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.-% Molybdän, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom und 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor, Rest Eisen und Verunreinigungen bestehen.

Die Gründe, warum die Prozentanteile der Bestandteile des gesinterten Materials wie oben begrenzt sind, sind nachfolgend erläutert.

Ein Teil des Kohlenstoffgehaltes von 0,5 bis 4,0 Gew.-% ist in dem Grundgefüge des gesinterten Materials fest gelöst, um die Matrix zu verfestigen, während der andere Teil ein Karbid bildet. Wenn der Kohlenstoff geringer als 0,5 Gew.-% ist, ist der oben erläuterte Effekt nicht erzielbar, so daß die Abriebbeständigkeit und die Fähigkeit der Selbstschmierung des gesinterten Materials herabgesetzt werden. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff höher als 4,0 Gew.-% liegt, können grobe Karbidkristallkörner gebildet werden, und der Kohlenstoff wirkt mit Phosphor zusammen, um eine überschüssige flüssige Phase zu bilden, so daß es unmöglich wird, die Ausbildung eines jeden zusammengebauten Teiles der Steuerwelle beizubehalten.

Phosphor wirkt als Bilder eines Eisen-Kohlenstoff-Phosphor- eutektischen Steadits, um die Verschleißbeständigkeit des gesinterten Materials zu erhöhen. Wenn der Phosphorgehalt geringer als 0,1 Gew.-% ist, ist die oben erläuterte Wirkung nicht erreichbar. Wenn der Phosphor mehr als 0,8 Gew.-% beträgt, wird die Menge des gebildeten Steadits übermäßig hoch, so daß die Bearbeitbarkeit des gesinterten Materials beeinträchtigt und dessen Versprödung gefördert wird.

Ein Teil des Kupferanteils von 5 bis 50 Gew.-% ist in dem Grundgefüge des gesinterten Materials fest gelöst, um dessen perlitische Matrix zu verfestigen, während der andere Teil das Löten eines jeden zusammengebauten Teiles des Stahlwellengliedes verbessert und in dem gesinterten Material verteilt ist, um die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen. Wenn der Kupfergehalt kleiner als 5 Gew.-% ist, ist der Anteil an freiem Kupfer zu gering, um das Löten zu fördern, und es ist möglich, die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit des gesinterten Materials zu erhöhen. Wenn der Kupferanteil über 50 Gew.-% liegt, liegt Kupfer im Überschuß vor und verringert die Härte des gesinterten Materials und setzt demzufolge die Verschleißbeständigkeit herab. Weiterhin steigen die Materialkosten an, so daß sich ein wirtschaftlicher Nachteil ergibt. Der bevorzugte Kupferanteil kann zwischen 15 und 40 Gew.-% liegen.

Wenn die Manganmenge mehr als 1,0 Gew.-% beträgt, wird die Sinterfähigkeit des Materials beschränkt, große Lücken erzeugt, und die Verdichtbarkeit des gepulverten Materials, welches zu sintern ist, wird herabgesetzt.

Wenn die Siliziummenge mehr als 2 Gew.-% beträgt, wird das Grundgefüge des gesinterten Materials versprödet, und die Verdichtbarkeit des pulverförmigen Materials wird herabgesenkt, so daß dadurch die Verformung des Materials zur Zeit der Sinterung erhöht wird.

Nickel, Molybdän, Chrom und Bor bilden je Karbid zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit des gesinterten Materials und verfestigen dessen Grundgefüge. Wenn der Anteil an Nickel, Molybdän, Chrom und Bor geringer ist als 0,5 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,1 Gew.-% und entsprechend 0,01 Gew.-%, sind die oben erläuterten Wirkungen nicht erreichbar. Wenn die Mengen an Nickel, Molybdän, Chrom und Bor entsprechend höher als 3,0 Gew.-%, 2,0 Gew.-%, 2,0 Gew.-% und 1,0 Gew.-% sind, wird die Härte des gesinterten Materials nachteilig erhöht, und die Bearbeitbarkeit wird entsprechend herabgesetzt.

Wenn die Kohlenstoffmene 1,0 Gew.-% oder mehr und die Phosphormenge 0,4 Gew.-% oder mehr beträgt, ist der Anteil der flüssigen Phase des gesinterten Materials erhöht, so daß ein Schrumpfen des montierten Teiles, das aus dem gesinterten Material hergestellt ist, 1 bis 15% des Außendurchmessers des Stahlwellengliedes ausmacht. Demzufolge wird das freie Kupfer aufgrund einer Kapillarwirkung zur Oberfläche des mit dem Stahlwellenglied verbundenen Abschnittes gebracht, und gleichzeitig wird der Spielraum zwischen dem montierten Teil und der Stahlwelle reduziert, um das Löten des montierten Teiles an dem Stahlwellenglied zu stabilisieren. Daneben wird die Porosität des gesinterten Materials herabgesetzt, um eine bevorzugte scheinbare Härte von HRB im Bereich zwischen 80 und 110 zu schaffen.

Wenn eine hohe abmessungsgemäße Genauigkeit des montierten Teiles gefordert ist, sollte dieser Teil aus einem in fester Phase gesinterten Material bestehen, dessen Kohlenstoff niedriger als das Schrumpfmaß 1% oder weniger ist. Wenn die zusammengebaute Steuerwelle herzustellen ist, wird das zu sinternde pulverförmige Material verdichtet und an dem Stahlwellenglied angeordnet und dann bei einer Temperatur zwischen 1050 und 1200°C gesintert, so daß es fest mit dem Stahlwellenglied verbunden ist.

Um die Herstellungskosten der zusammengebauten Steuerwelle herabzusetzen, ist es notwendig, alle montierten Teile zusammen unter den gleichen Bedingungen zu verbinden. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, daß der Nockenbuckel, welcher einer der montierten Teile der Nockenwelle ist, aus einem gesinterten Material wie beispielsweise einer verschleißbeständigen gesinterten Legierung hergestellt ist, wie sie in der US-Anmeldung Ser. No. 7 22 223 beschrieben ist. Das dort erläuterte gesinterte Material besteht aus 1,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 1,2 Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% oder niedriger Mangan, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 2 bis 20 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und Verunreinigungen. Das gesinterte Material kann weiterhin 0,01 bis 5,0 Gew.-% wenigstens eines der Elemente Zinn, Wismuth, Antimon und Kobalt aufweisen.

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

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine mikroskopische Aufnahme einer gesinterten Legierung, die erfindungsgemäß ausgebildet ist und aus welcher jeder montierte Teil einer zusammengebauten Steuerwelle mit Ausnahme des Nockenbuckels und des Stahlwellengliedes besteht,

Fig. 2 eine mikroskopische Aufnahme des Verbindungsbereiches zwischen dem Stahlwellenglied und dem montierten Teil mit Ausnahme des Nockenbuckels.

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

Wie in Tabelle 1 gezeigt, ist, wurden Versuchsstücke zubereitet, die Zapfen als montierte Teile aus gesinterten Legierungen sind und erfindungsgemäß Zusammensetzungen Nr. 1 bis 6 aufweisen; Versuchsstücke aus einer gesinterten Legierung als Vergleichsproben haben die Zusammensetzungen Nr. 7 und 8, und ein Versuchsstück aus Stahl (SCM 440) als Vergleichsprobe hat die Zusammensetzung Nr. 9. Zur Herstellung einer jeden Sinterlegierung wurde das gepulverte Material bei einem Preßdruck von 4 bis 6 t/cm² verdichtet und dann unter einer Ammoniak zersetzenden Gasatmosphäre in einem Ofen während 1 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C (Durchschnittstemperatur betrug 1120°C) gesintert. Der Stahl wurde bei Verwendung des Ofens unter den gleichen Bedingungen wie die Sinterbedingungen hergestellt.

Verschleißtest

Es wurde die Oberflächenhärte eines jeden Versuchsstückes gemessen. An jedem der Stücke wurde ein Amsler-Verschleißtest durchgeführt. Zu dieser Zeit wurde das Versuchsstück auf einer Vorrichtung zum Untersuchen des Gleitabriebes gedreht und mit einer stationären Platte (Gegenteil) in Kontakt gebracht, die aus einer Aluminiumlegierung bestand. Den Kontaktflächen der beiden Stücke wurde kontinuierlich Schmieröl zugegeben. Die Versuchsbedingungen waren folgendermaßen:

Außendurchmesser des gedrehten Versuchsstückes40 mm Schmieröl10W-30 Öltemperatur80°C Ölmenge0,5 Liter/min Belastung der Stücke100 kgf Gleitgeschwindigkeit zwischen den Stücken2,5 m/sec Laufzeit150 Stunden.

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist der Verschleiß der Versuchsstücke auf den gesinterten Legierungen gemäß Erfindung und des Gegenstückes weit geringer als bei den Versuchsstücken, die als Vergleichsproben verwendet wurden.

Untersuchung der Lebensdauer der Bearbeitungsspitze

Jedes Versuchsstück wurde in zylindrische Form mit einem Durchmesser von 48 mm und einer Dicke von 25 mm gebracht. Die Versuchsstücke wurden dann auf einer Drehbank von einer Werkzeugspitze geschnitten. Die Standzeit der Werkzeugspitze wurde gemessen. Die Schneidbedingungen waren folgendermaßen:

Drehgeschwindigkeit eines jeden Versuchsstückes800 Upm Zustellgeschwindigkeit0,32 rev. Einschnittgröße1 mm

Dem Versuchsstück und der Werkzeugspitze wurde ein wasserlösliches Schneidematerial zugegeben.

In Tabelle 1 ist die Anzahl möglicher 1 mm-Schnitte des identischen Versuchsstückes mit einer einzigen Werkzeugspitze aufgeführt. Es sei hervorgehoben, daß aus Tabelle 1 die Standzeit der Werkzeugspitze beim Schneiden von Versuchsstücken aus erfindungsgemäße eingesetzten gesinterten Legierungen wesentlich höher als die der Werkzeugspitze, die zum Schneiden der Versuchsstücke eingesetzt wurde, welche als Vergleichsproben verwendet wurden, ist.

Fig. 1 zeigt eine 200-fach vergrößerte mikroskopische Aufnahme einer mit einem Salpeterätzmittel geätzten Struktur einer gesinterten Legierung für die Stärke mit Ausnahme des Nockenbuckels entsprechend Zusammensetzung Nr. 1 und Tabelle 1. Es ist aus Fig. 1 zu ersehen, daß Karbid B (Zementit und Steadit), das der Erhöhung der Abriebbeständigkeit der gesinterten Legierung dient und freies Kupfer C, das der Verbesserung der Bearbeitbarkeit und der Verschleißbeständigkeit der gesinterten Legierung dient, in dem perlitischen Grundgefüge A verteilt sind.

Fig. 2 ist eine mikroskopische Aufnahme (100-fach vergrößert) der Struktur (mit einem Salpeterätzmittel geätzt) des Verbundbereiches der gesinterten Legierung D (nach Fig. 1) auf einem Stahlwellenglied E. In Fig. 2 ist ein Kupferlotteil F und ein mittels Diffusion verbundener Teil G auf der Basis einer Sinterung in flüssiger Phase gezeigt.

Tab. 1

Gemäß Erfindung können alle montierten Teile einer zusammengebauten Steuerwelle mit dem Stahlwellenglied durch ein einmaliges Sintern verbunden werden und weisen eine hohe Abriebbeständigkeit auf. Mit der Ausnahme des Nockenbuckels und des Stahlwellengliedes sind alle montierten Teile aus einer gesinterten Legierung hergestellt, die eine gute Bearbeitbarkeit des Materials schafft. Demzufolge kann einer hoher Herstellungswirkungsgrad erreicht werden.

Claims

1. Zusammengesetzte Steuerwelle, deren montierter Teil mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einem gesinterten Material hergestellt ist, wobei dieses gesinterte Material im wesentlichen aus 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 5 bis 50 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% oder weniger Mangan, 2 Gew.-% oder weniger Silizium, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

2. Zusammengesetzte Steuerwelle, deren montierter Teil mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einem gesinterten Material hergestellt ist, wobei dieses gesinterte Material im wesentlichen aus 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 5 bis 50 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% oder weniger Mangan, 2 Gew.-% oder weniger Silizium, wenigstens einem der Bestandteile, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

3. Zusammengesetzte Steuerwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Material 15 bis 40 Gew.-% Kupfer enthält.

4. Zusammengesetzte Steuerwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Material 15 bis 40 Gew.-% Kupfer enthält.

5. Zusammengesetzte Steuerwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenbuckel aus einem anderen gesinterten Material hergestellt ist.