DE3941338C2

DE3941338C2 -

Info

Publication number: DE3941338C2
Application number: DE19893941338
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Hatsukaichi Hiroshima Jp Asia; Sigemi Hiroshima Jp Ohsaki; Yoshifumi Hatsukaichi Hiroshima Jp Yamamoto
Original assignee: Mazda Motor Corp
Current assignee: Mazda Motor Corp
Priority date: 1988-12-20
Filing date: 1989-12-14
Publication date: 1991-11-14
Also published as: JPH02166225A; KR900009183A; KR930006291B1; DE3941338A1; JPH06104846B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines Gleitteils hoher Verschleißfestigkeit aus Gußeisen, wie einer für Fahrzeugmotoren benötigten Nockenwelle oder eines Ventilstößels.

Für die Fahrzeugmotoren mit hoher Leistung werden zunehmend höchste Anforderungen an die Verschleißfestigkeit sämtlicher Gleitteile gestellt, so insbesondere der Nockenwelle und der Ventilstößel, so daß für deren Herstellung aus Gußeisen beispielsweise nach der JP-OS 58-50 354 vorgesehen ist, zuerst ein Stangenmaterial des Gleitteils aus Kugelgraphit-Gußeisen zu gießen und dann einen Gleitbereich des Stangenmaterials mit einem Wiederaufschmelzen mittels eines Hochenergiestrahls abzuschrecken. Dieses mit einem Wiederaufschmelzen mittels eines Hochenergiestrahls verbundene Abschrecken ersetzt dabei die herkömmliche Abschreckmethode unter Verwendung eines Kühlers und ergibt den Vorteil, daß als Folge einer Deoxidationswirkung von zurückgehaltenem Magnesium und weiterhin auch als Folge der hohen Steifheit des Stangenmaterials wesentlich weniger Gaseinschlüsse bei den Gleitteilen vorkommen. Bei diesem Verfahren ist aber nachteilig, daß, wenn die Korngröße des Kugelgraphits verhältnismäßig groß ist, ein Wiederaufschmelzen nicht möglich wird und als Folge davon der Lochfraß-Widerstand der Gleitteile eine Verschlechterung erfährt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen eines Gleitteils aus Gußeisen derart auszubilden, daß Gleitteile nicht nur mit hoher Steifheit, sondern auch mit hohem Lochfraß- Widerstand und somit ohne Vorkommen von Gaseinschlüssen erhalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt bei dem eingangs genannten Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Schaubild zur Darstellung der Abhängigkeit des Lochfraß-Widerstandes von der Anzahl der Graphitkörner vor der TIG-Behandlung,

Fig. 2 ein Schaubild zur Darstellung der entsprechenden Abhängigkeit des Lochfraß-Widerstandes von der Anzahl der Graphitkörner nach der TIG-Behandlung,

Fig. 3a eine Vorderansicht eines Teststückes,

Fig. 3b eine Stirnansicht des Teststückes und

Fig. 4 eine Schemadarstellung zur Erläuterung der Ver suchsanordnung zur Ermittlung des Lochfraß- Widerstandes.

Das Herstellen eines Gleitteils aus Gußeisen wird damit begonnen, daß ein Stangenmaterial aus Kugelgraphit-Gußeisen eingeschmolzen und danach weichgeglüht und nach diesem der der Kugelausbildung dienlichen Weichglühen geimpft und aus gegossen wird. Bei dem somit zum Bereitstellen eines Stangen materials geübten Ausgießen wird das vorhergehende Einimpfen zur Verhinderung der Ausbildung einer Abschreckschale und gleichzeitig zur Förderung der Graphitbildung in dem Stangen material vorgenommen. Die Einimpfung kann dabei mittels der herkömmlichen Verfahren vorgenommen werden, so insbesondere durch eine Einimpfung der Metallschmelze in der Pfanne, deren Einimpfung in der Gießform oder deren Einimpfung beim Ausgießen.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist von größter Wichtig keit, daß ein Stangenmaterial aus Kugelgraphit-Gußeisen mit nicht weniger als 300 Graphitkörner/mm² hergestellt wird. Hierbei kann davon ausgegangen werden, daß mit einer höheren Abkühlungsrate die Anzahl der Graphitkörner vergößert werden kann. Die Anzahl der Graphitkörner kann durch ein Vergießen der geimpften Metallschmelze in eine Metallform vergrößert werden, weil damit eine relativ höhere Abkühlungsrate im Vergleich zu einem Vergießen in eine Sandform erreichbar ist. Eine Einstellung der Abkühlungsgeschwindigkeit auf eine geeig nete Rate ist dabei notwendig, da mit einer übermäßig hohen Abkühlungsrate eine teilweise Ausbildung einer Abschreckschale oder auch eine Verformung des Endprodukts insbesondere dann erhalten wird, wenn beispielsweise sehr lange Wellen herge stellt werden. Bei Verwendung einer Maskenform, mit der nur eine relativ niedrige Abkühlungsrate erhalten wird, wird die Einimpfung der Metallschmelze während des Ausgießens bevorzugt oder auch eine Einimpfung in der Gießform, um damit die Anzahl der Graphitkörner zu vergrößern.

Für das Impfen können die herkömmlichen Impfmittel verwendet werden, so insbesondere die Fe-Si-Impfmittel, denen auch Ca, Al und Bi zugesetzt sein können.

Für das anfängliche Gießen des Stangenmaterials wird ein Guß eisen ausgewählt, das gut schmiedbar bzw. plastisch verformbar sein sollte. Insbesondere eignet sich ein Kugelgraphit-Gußeisen mit der folgenden Zusammensetzung: 2.5 bis 4.0 Gew.-% C, 1.5 bis 3.2 Gew.-% Si, 0.1 bis 1.0 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0.04 Gew.-% P, nicht mehr als 0.03 Gew.-% S, 0.02 bis 0.06 Gew.-% Mg. Weiterhin sollte das Gußeisen wenigstens ein Legierungselement der folgenden Gruppe enthalten: 0.1 bis 0.35 Gew.-% Cr, 0.2 bis 1.0 Gew.-% Cu, 0.04 bis 0.12 Gew.-% Sn.

Bei dieser Zusammensetzung des Kugelgraphit-Gußeisens wird der Anteil von 2.5 bis 4.0 Gew.-% C unter dem Gesichtspunkt aus gewählt, daß eine Verwendung von weniger als 2.0 Gew.-% C zu einer ungenügenden Verschleißfestigkeit führt, weil dann das abgeschreckte Gefüge des mit einem Wiederaufschmelzen mittels eines Hochenergiestrahls erhaltenen Gleitbereichs eine verrin gerte Karbidmenge enthält. Wenn mehr als 4.0 Gew.-% C einge setzt werden, dann wird damit eine übermäßig große Korngröße des Kugelgraphits erhalten.

Bei einer Verwendung von weniger als 1.5 Gew.-% Si wird anderer seits eine verschlechterte Gießbarkeit und eine verringerte Be arbeitungsmöglichkeit als Folge einer vergrößerten Karbidaus bildung erhalten. Ein Zusatz von mehr als 3.2 Gew.-% Si führt zu einer Verschlechterung der Verschleißfestigkeit als Folge der Ausbildung einer zu großen Menge an freiem Graphit während des Abschreckens bei dem Wiederaufschmelzen.

Für die Verwendung von 0.1 bis 1.0 Gew.-% Mn ist zu berück sichtigen, daß in dem Stangenmaterial im allgemeinen enthal tener Schwefel die Kugelbildung des Graphits behindert und daher die Hinzufügung von Mangan die vorhandene Schwefelmenge zur Bildung der Verbindung MnS optimieren soll. Weniger als 0.1 Gew.-% Mn reicht hier nicht aus, um die Kugelbildung des Graphits maximal anzuregen, während mehr als 1.0 Gew.-% Mn zu einer übermäßigen Menge an Fe₃C führt, was als Folge einer verstärkten Anfälligkeit zur Ausbildung einer Abschreckschale wiederum in einer mäßigen Bearbeitungsmöglichkeit resultiert.

Bei einer Verwendung von weniger als 0.02 Gew.-% Mg wird eben falls die Kugelbildung des Graphits kaum unterstützt, während mit mehr als 0.06 Gew.-% Mg die Ausbildung einer Abschreck schale gefördert wird.

Was den Zusatz der Legierungselemente Cr, Cu und Sn anbe trifft, so wird damit die Ausbildung von Perlit gefördert. Eine Erhöhung des Perlit-Anteils ergibt eine tiefere und härtere Aushärtungsschicht nach dem Wiederaufschmelzen. Es werden daher für diese Legierungselemente die angegebenen Mengen bevorzugt.

Mit den in der nachfolgenden Tabelle 1 angegebenen Zusammen setzungen wurden zylindrische Stäbe mit einer Länge von 150 mm und einem Durchmesser von 29 mm gegossen, wobei das Gießen mit den angegebenen Verfahren durchgeführt wurde, um die Proben 1 bis 9 zu erhalten. In der Tabelle 2 ist die Anzahl der Graphit körner und deren Größe ausgewiesen, die bei diesen Proben vor und nach der TIG-Behandlung ermittelt wurden, und die jeweili ge Beeinflussung des Lochfraß-Widerstandes von dieser unter schiedlichen Korngröße vor und nach der TIG-Behandlung ist daneben auch in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Tabelle 2

Die mit einem Wiederaufschmelzen mittels eines Hochenergie strahls an den Proben 1 bis 9 für ein Abschrecken durchge führte TIG-Behandlung wurde auf den in Fig. 3a ausgewiesenen zentralen Bereich der Probenlänge von 50 mm ausgerichtet, wo bei jede Probe zuerst auf 200°C erwärmt wurde. Obwohl alle Proben mit einem elektrischen Strom von 100 A bei einer Dreh zahl von 0.6 U/min auf eine Breite von 15 mm wieder aufge schmolzen wurden, können diese Bedingungen der TIG-Behandlung nach den folgenden Hinweisen auch verändert werden.

Für das Wiederaufschmelzen sollte ein Strom zwischen 80 A und 120 A benutzt werden. Die obere Grenze von 120 A sollte des halb eingehalten werden, weil bei höheren Strömen eine Ver formung der wiederaufgeschmolzenen Teile möglich ist und es dann schwierig wird, die Formgebungen der Produkte nach der Endbearbeitung auf eine 0.5 mm Behandlungstiefe zu erhalten. Wenn mit einem Strom von weniger als 80 A gearbeitet wird, dann wird nur eine relativ dünne wiederaufgeschmolzene Schicht erhalten, die dabei weniger als die für die Endbearbeitung benötigte 0.5 mm Behandlungstiefe hat.

Die Drehzahl, mit welcher die Werkstücke bei der TIG-Behandlung gedreht werden, kann zwischen 0.2 und 1.0 U/min gewählt werden. Wenn die Drehzahl mehr als 1.0 U/min beträgt, dann kommt es zu einer Störung des Argon-Gases, welches den elektrischen Strom abschirmt. Als Folge davon ergibt sich eine wesentliche Erosion der Elektrode durch Oxidation, weil dann keine aus reichende Abschirmung mehr vorliegt. Wenn andererseits die Drehzahl weniger als 0.2 U/min ist, dann kommt es zu einer Tem peraturerhöhung der Werkstücke als Folge einer längeren Wieder aufschmelzzeit, so daß als Folge davon eine kleinere Abschreck härte von in der Regel nicht mehr als HV 550 erhalten wird.

Für die Proben 1 bis 9 wurden somit die Mittelwerte von 100 A für den elektrischen Strom und von 0.6 U/min für die Drehzahl der Werkstücke ausgewählt.

Nach Abschluß der TIG-Behandlung wurden die Proben bearbeitet, wobei der zentrale Bereich mit der Länge von 50 mm auf einen Durchmesser von 28 mm verkleinert wurde und die anschließenden Restlängen den wesentlich kleineren Durchmesser erhielten, der in Fig. 3 mit der strichpunktierten Linie verdeutlicht ist. Diese bearbeiteten Teststücke 1 wurden dann dem Lochfraß-Test unterworfen, bei dem gemäß der Darstellung in Fig. 4 die Teststücke 1 mit einem SUJ-Stahl 2 mit einem Durchmesser von 120 mm berührt werden. In Spalte 6 der Tabelle 2 sind die Ergebnisse dieses Tests angegeben, bei dem sich somit für die einzelnen Proben 1 bis 5 ein Lochfraß-Widerstand zwischen 205 und 260 kgf/mm² ergab.

Aus der graphischen Darstellung in Fig. 1 ist für die Bezie hung zwischen der Anzahl der Graphitkörner und dem Lochfraß- Widerstand ableitbar, daß vor der TIG-Behandlung der Lochfraß- Widerstand relativ rasch abfällt, wenn weniger als 300 Graphit körner/mm² vorhanden sind. Es kann somit andererseits apostro phiert werden, daß ein wesentlich verbesserter Lochfraß-Wider stand erhalten wird, wenn ein Stangenmaterial durch ein Wieder aufschmelzen vergütet wird, das nicht weniger als diese Anzahl von Graphitkörnern aufweist, deren Korngröße dabei auch nicht mehr als 20 µm haben sollte. Es bereitet keine Schwierigkeiten, mit den verschiedenen Varianten der Einimpfung der Metall schmelze, die vorstehend erwähnt wurden, ein Stangenmaterial bereitzustellen, das nicht weniger als 300 Graphitkörner/mm² mit einer Korngröße von nicht mehr als 20 µm aufweist.

Die Fig. 2 zeigt die Beziehung zwischen der Korngröße und dem Lochfraß-Widerstand nach der TIG-Behandlung. Aus der Darstel lung ist ableitbar, daß der Lochfraß-Widerstand bei einer Korngröße von mehr als 15 µm stark abfällt, so daß mit den oben angesprochenen Maßnahmen für das Wiederaufschmelzen dieser Grenzwert für die Korngröße nicht überschritten werden sollte. Als Ergebnis davon werden dann Gleitteile aus Gußeisen erhalten, die somit einen höchsten Lochfraß-Widerstand ohne Gaseinschlüsse aufweisen, bei gleichzeitig sehr hoher Steif heit, so daß sich solche Gleitteile für eine Bearbeitung als Nockenwelle oder auch als Ventilstößel von Fahrzeugmotoren eignen.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines Gleitteils hoher Verschleißfestigkeit aus Gußeisen, wie einer Nockenwelle oder eines Ventilstößels für Fahrzeugmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stangen material des Gleitteils aus Kugelgraphit-Gußeisen mit nicht weniger als 300 Graphitkörner/mm² gegossen und dann ein Gleitbereich des Stangenmaterials mit einem Wiederaufschmelzen mittels eines Hochenergiestrahls auf eine Korngröße des Graphits von nicht mehr als 15 µm abgeschreckt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korngröße des Graphits bei dem Gießen des Stangenmaterials auf nicht mehr als 20 µm eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wiederauf schmelzen durch eine TIG-Behandlung vorgenommen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die TIG-Behand lung mit einem elektrischen Strom von 80 bis 120 A und einer Drehung des Stangenmaterials mit einer Drehzahl von 0.2 bis 1.0 U/min vorgenommen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gußeisen verwendet wird, das 2.5 bis 4.0 Gew.-% C, 1.5 bis 3.2 Gew.-% Si, 0.1 bis 1.0 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0.04 Gew.-% P, nicht mehr als 0.03 Gew.-% S und 0.02 bis 0.06 Gew.-% Mg sowie wenigstens ein Legierungselement mit 0.1 bis 0.35 Gew.-% Cr, 0.2 bis 1.0 Gew.-% Cu und 0.04 bis 0.12 Gew.-% Sn enthält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen des Stangenmaterials mit einer Einimpfung der Metallschmelze in der Pfanne und einem Vergießen der geimpften Metall schmelze in eine Metallform zweistufig vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen des Stangenmaterials mit einer Einimpfung der Metallschmelze in der Gießform und einem Vergießen der geimpften Metall schmelze in eine Sandform zweistufig vorgenommen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gießen des Stangenmaterials mit einer Einimpfung der Metallschmelze beim Ausgießen und einem Vergießen der geimpften Metall schmelze in eine Sandform vorgenommen wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einimpfen mit einem Fe-Si-Impfmittel vorgenommen wird, dem Ca, Al und Bi zugesetzt sein können.