DE4112583A1 - Keramik/stahl-verbundkoerper und verfahren zur herstellung eines solchen koerpers - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Keramik/Stahl-Verbundkörper gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, der für Motorteile wie etwa einen Ventilstößel, einen Ventilheber, einen Kipphebel, eine Nockenwelle, einen Turboladerrotor und dergleichen und für verschiedene andere industrielle Bauelemente geeignet ist und ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundkörpers.

Jahr für Jahr werden die für Motorteile geforderten Verschleißfestigkeitseigenschaften aufgrund der Entwicklung hin zu größeren Ausgangsleistungen und höheren Drehzahlen der Motoren immer wichtiger. So haben Keramikmaterialien eine hohe Beachtung erfahren, weil diese Materialien den strengeren Anforderungen genügen können; andererseits sind Keramikmaterialien so teuer, daß die Ausbildung ganzer Teile aus diesem Material nicht praktikabel ist, weil die Kosten des Produkts zu hoch werden würden. Eine hohe Verschleißfestigkeit ist jedoch nur für bestimmte Bereiche solcher Teile erforderlich, so daß es nicht notwendig ist, die vollständigen Motorteile aus Keramik herzustellen. Daher ist etwa aus JP 2 55 809-A eine Technik bekannt, bei der ein Keramikstück an einem bestimmten Bereich eines Metallteils befestigt wird, was im allgemeinen auch der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Bei dieser herkömmlichen Technik wird ein Metallteil mit Ausnahme des Keramikmaterials bis zu HRC 45 oder mehr gehärtet.

Diese herkömmliche Technik besitzt den Nachteil, daß das gesamte Metallteil bis zu HRC 45 oder mehr gehärtet wird, so daß das Teil mit großer Wahrscheinlichkeit bricht, wenn es einer starken Stoßbeanspruchung unterworfen wird.

Wenn andererseits nur derjenige Bereich des Teils, an dem eine hohe Stoßfestigkeit gefordert wird, einem Glühprozeß unterzogen wird, um eine Zähigkeit zu erzielen, nachdem der gesamte Bereich durch eine Hartlöt-Wärmebehandlung gehärtet worden ist, treten hinsichtlich der Qualitätsverringerung wie etwa der Oxidation des Hartlötbereichs oder dergleichen Probleme auf, weil die Glühtemperatur hoch ist (z. B. mehrere 100°C).

In dem Fall, in dem nach dem Hartlöten des Stahls ein Abschrecken ausgeführt wird (wobei der gesamte Stahl aufgrund der Hartlöt-Wärmebehandlung eine Härte von ungefähr HRC 30 besitzen kann), entstehen ferner aufgrund der Wärme beim Abschrecken und der Zunahme der Anzahl der Schritte nach dem Hartlöten durch die Absenkung der Festigkeit im Hartlötbereich Probleme.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Keramik/ Stahl-Verbundkörper und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers zu schaffen, bei denen die erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird bei einem Keramik/Stahl-Verbundkörper der gattungsgemäßen Art erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 und bei einem entsprechenden Herstellungsverfahren der gattungsgemäßen Art durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Anspruches 8.

Vorzugsweise wird der Keramikkörper aus der Gruppe der Materialien, die Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid und Aluminiumoxid umfaßt, ausgewählt. Ferner werden der Keramikkörper und der Stahlkörper vorzugsweise mittels eines Hartlötmaterials, das aus der Gruppe von Materialien ausgewählt wird, die Ag-Cu-Ti, Ag- Cu-In-Ti, Ag-Ti, Ag-Cu-Ni-Ti, Ag-Cu und Ag-Cu-In umfaßt, verbunden.

Weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung sind in den Unteransprüchen, die sich auf besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beziehen, angegeben.

Sowohl die vorhergehende allgemeine Beschreibung als auch die folgende detaillierte Beschreibung haben selbstverständlich nur beispielhaften und erläuternden Charakter und stellen in keiner Weise eine Einschränkung der Erfindung, deren Umfang durch die Patentansprüche festgelegt wird, dar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ventilbetätigungssystems,

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt einer Ventilbrücke; und

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt eines Ventilstößels.

Im folgenden werden in allen Figuren für gleiche oder ähnliche Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet, soweit dies möglich ist.

Um die Nachteile des Standes der Technik zu beseitigen, wird erfindungsgemäß ein Keramik/Stahl-Verbundkörper geschaffen, bei dem die Keramik mit einem Stahl mittels Wärme verbunden wird, wobei der Stahl auf seiner Oberfläche einer Karburierung unterzogen wird, so daß die Härte der Oberflächenschicht gegenüber der Härte im Inneren erhöht wird.

Ferner wird der Stahl mit Ausnahme wenigstens des Bereichs, an dem er mit der Keramik verbunden wird, der Karburierung unterzogen, so daß es möglich ist, ausgezeichnete mechanische Eigenschaften zu erzielen.

Der erwähnte Verbundkörper kann mittels eines Verfahrens erhalten werden, das einen Karburierungsschritt zum Karburieren der Oberfläche des Stahls und einen Verbindungsschritt zum Verbinden der Keramik mit dem karburierten Stahl in einem thermischen Karburierungsschritt umfaßt.

Der erfindungsgemäße Verbundkörper ist wegen der ausgezeichneten Verschleißfestigkeitseigenschaft der Keramik und der Härte der Oberflächenschicht des karburierten Stahls für Teile geeignet, die eine Mehrzahl von gleitenden Bereichen besitzen. Ferner besitzt der erfindungsgemäße Verbundkörper eine ausreichende Stoßfestigkeit, weil das Innere des karburierten Stahls eine Zähigkeit besitzt.

Es ist allgemein bekannt, daß bei der Karburierung eines Stahls die Kohlenstoffmenge in einer Oberflächenschicht des Stahls zunimmt, um das Ausmaß der Ausdehnung des Martensits zu erhöhen. Wenn daher auf dem karburierten Bereich ein Hartglühprozeß ausgeführt wird, erzeugt die Erhöhung der Kohlenstoffmenge im karburierten Bereich während des Abkühlens Martensit, wobei der Martensit eine Volumenausdehnung zur Folge hat, die einen schädlichen Einfluß auf den Verbindungsbereich ausübt. Wenn somit der Bereich des Stahls, an dem die Keramik angelötet wird, nicht karburiert wird, ist es möglich, diesen schädlichen Einfluß zu minimieren und eine Festigkeitsstreuung im hartgelöteten Bereich zu unterdrücken.

Gemäß dem Verfahren, in dem der Stahl vor der Wärmeverbindung mit der Keramik karburiert wird, wird andererseits die Menge des Kohlenstoffs auf der Stahloberfläche durch die Karburierung erhöht, so daß die Größe der Oberflächenausdehnung des Stahls aufgrund der Hartlöt-Wärmebehandlung erhöht wird und auf die Oberfläche des Stahls eine Druckbeanspruchung ausgeübt wird, um den Stahl zu festigen und seine Gleiteigenschaften und seine Zähigkeit zu verbessern.

Im folgenden wird eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beispielhaft beschrieben.

Der zu verwendende Stahl ist vorzugsweise entweder ein Stahlmaterial wie etwa JIS (Japanischer Industriestandard) SNCM 630, JIS SNCM 616 oder dergleichen, das eine chemische Komponente besitzt, die mittels einer Hartlöt-Wärmebehandlung gehärtet werden kann, oder das obige Stahlmaterial, in dem die Kohlenstoffmenge verringert worden ist, um die Abschreckhärte des Materials selbst zu verringern.

Die Karburierungsbedingungen sind die folgenden. Es kann entweder eine Gaskarburierung, eine Flüssigkeitskarburierung oder eine Festkörperkarburierung ausgeführt werden. Obwohl die Tiefe und die Härte der Karburierung in Abhängigkeit von den fertiggestellten Produkten bestimmt werden, werden die Tiefe und Härte vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,6 mm bzw. HRC 30 bis HRC 65 ausgewählt.

Für das Keramikmaterial kann Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid, Aluminiumoxid oder dergleichen verwendet werden.

Vorzugsweise wird als Hartlötmaterial eine Ti enthaltende Silber- Hartlötlegierung verwendet, weil dieses Material während der Hartlöt- Wärmebehandlung mit der Keramik reagiert. Dabei wird ein Hartlötmaterial bevorzugt, das aus einer Ag-Cu-Ti-Gruppe, einer Ag-Cu-In-Ti- Gruppe, einer Ag-Ti-Gruppe, einer Cu-Ti-Gruppe oder einer Ag- Cu-Ni-Ti-Gruppe ausgewählt wird. Ferner ist das Hartlötmaterial, das aus einer Ag-Cu-Gruppe oder einer Ag-Cu-In-Gruppe ausgewählt wird, für die Verbindung der Keramik mit einer im voraus metallisierten Oberfläche geeignet.

Die Hartlötatmosphäre ist vorzugsweise eine nichtoxidierende Atmosphäre wie etwa Vakuum oder eine Ar-, H₂-, N₂-Atmosphäre oder dergleichen. Insbesondere in dem Fall, in dem das Hartlötmaterial Ti enthält, wird das Hartlöten vorzugsweise im Vakuum oder in einer Ar- Atmosphäre ausgeführt. Die Hartlöttemperatur sollte höher als der Umwandlungspunkt A₁ des verwendeten Stahlmaterials sein.

Im erfindungsgemäßen Verbundkörper kann unter Umständen zwischen den Stahl und die Keramik entsprechend den Anforderungen des besonderen Verbundkörpers eine dünne Belastungspufferplatte aus Ni, Cu, Fe oder dergleichen eingebracht werden.

Um das Stahlmaterial außerhalb des Bereichs, an dem das Hartlöten ausgeführt wird, zu karburieren, ist die Verwendung eines von zwei Verfahren möglich: Überziehen des nichtkarburierten Bereichs mit einem Plattierungs- oder Schutzüberzug oder Abtrennen des Hartlötbereichs nach Ausführung der Karburierung.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 eine spezielle Anwendung der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 ist schematisch ein Ventilantriebssystem eines Dieselmotors gezeigt. Zwei Ventile 1 besitzen Ventilschafte 1a, die an einer Ventilbrücke anstoßen, so daß sich die Ventile 1 in dem Moment, in dem die Ventilbrücke 2 mittels eines Kipphebels 3 niedergedrückt wird, nach unten bewegen. Der Kipphebel 3 ist an einer Welle 4 schwenkbar unterstützt, wobei das obere Ende eines Schubstabes 5 gegen ein Ende des Kipphebels 3 stößt. Der Schubhebel 5 steht über einen Ventilstößel 6 mit einer Nocke 7 in gleitender Verbindung, so daß es sich bei einer Drehung der Nocke 7 aufwärts und abwärts bewegt, um den Kipphebel 3 so zu schwenken, daß die Ventile durch den Schwenkbetrieb des Kipphebels 3 geöffnet oder geschlossen (oder aufwärts und abwärts bewegt) werden.

In Fig. 2 ist ein vertikaler Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Ventilbrücke 2 gezeigt. Ein vorderer Endbereich des Kipphebels 3 gleitet mit hohem Oberflächendruck auf einem oberen Bereich der Ventilbrücke 2, so daß in diesem Bereich ein Verschleißproblem entsteht. Folglich ist ein Aufbau, in dem der obere Bereich 2a aus Keramik gebildet und mit dem (metallischen) Ventilbrückenkörper 2b mittels einer Silber-Hartlötlegierung hartverlötet wird, sehr wirksam. In dem Fall, in dem selbst bei einer Wärmebehandlung zum Zeitpunkt des Hartlötens die Metallhärte nicht gewährleistet werden kann, entsteht im Verschleiß- oder Ermüdungspunkt in einem Bereich A, an den das Ende des Ventilschafts 1a stößt, ein Problem.

Erfindungsgemäß kann aufgrund der Karburierung über die gesamte Metalloberfläche eine ausreichende Härte erzielt werden, so daß die erwähnten Probleme beseitigt werden. Im folgenden wird das besondere Verfahren zur Herstellung des Keramik/Stahl-Verbundkörpers gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben:

• 1. Der Keramikbereich 2a wird durch die folgenden Schritte gebildet: Mischen von Zusatzstoffen zum Sintern einer Y₂O₃- Al₂O₃-Gruppe mit 90 Gewichtsprozent eines Siliziumnitrids; Hinzufügen eines Formungsbindemittels zur Mischung und Formung des Materials mittels einer Senkpresse in ein Formstück in Gestalt einer rechtwinkligen Platte; Sintern des Formstücks bei 1700 bis 1800°C in einer N₂-Atmosphäre, um ein rechtwinkliges, plattenähnliches, gesintertes Material aus Siliziumnitrid zu erhalten; Feinschleifen der Endoberflächen des gesinterten Materials, um eine 20 143 mm(t)-Keramikplatte zu erhalten.
• 2. Der Ventilbrückenkörper 2b wird aus JIS SNCM 616 durch Kaltschmieden gebildet und dann bei 900°C für zwei Stunden einer Gaskarburierungsbehandlung unterzogen.
• 3. Zwischen den Keramikbereich 2a und den Ventilbrückenkörper 2b wird eine Kupferplatte 2c mit einer Stärke von 0,5mm eingesetzt, mit einem Aktiv-Hartlötmaterial aus der Ag- Cu-Ti-Gruppe bei 850°C für zwanzig Minuten im Vakuum gehalten und dann durch Abkühlen des Ofens verbunden.

Die Oberflächenhärte des Metallbereichs der so fertiggestellten Ventilbrücke 2 betrug HRC 60.

In Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Ventilstößels 6 gezeigt. Das untere Ende eines Schubstabes 5 gleitet in einem Aussparungsbereich 6a des Ventilstößels 6, während eine Nocke 7 an der Unterseite 6b des Ventilstößels 6 gleitet. Auch in diesem Fall ist die Unterseite 6b des Ventilstößels 6, auf dem das Gleiten den größten Verschleiß hervorruft, aus Keramik gebildet, während der Ventilstößelkörper 6c aus Metall hergestellt ist.

Das Verfahren zur Herstellung dieses Ventilstößels wird im folgenden beschrieben:

• 1. Der Keramikbereich 6b wurde durch die folgenden Schritte hergestellt: Mischen von Zusatzstoffen zum Sintern einer Y₂O₃-Al₂O₃-AIN-Gruppe mit 90 Gewichtsprozent eines Siliziumnitrids; Hinzufügen eines Formungsbindemittels zur Mischung und zur Formung der so erhaltenen Substanz mittels einer Gesenkpresse zu einem Formstück; Sintern des Formstücks in einer N₂-Atmosphäre; Schleifen der gesinterten Substanz, um eine scheibenähnliche Substanz mit den Maßen 20 (⌀) · 2 mm(t) zu erhalten.
• 2. Der Ventilstößelkörper 6c wird durch einen Prozeß hergestellt, in dem JIS SNCM 630 durch Kaltschmieden zu einem Zylinder mit Boden geformt und dann bei 900°C für zwei Stunden einer Gaskarburierungsbehandlung unterzogen wird. In diesem Fall wird die Kupferplatte im voraus in der Nähe des Hartlötbereichs angeordnet, so daß die Karburierung im Hartlötbereich ausgeführt wird. Anschließend werden nach der Karburierung die Hartlötoberfläche und der äußere Umfangsbereich einem Schleifprozeß unterzogen.
• 3. Der Keramikbereich 6b und der Ventilstößelkörper 6c werden mit einem zwischen ihnen eingesetzten Aktiv-Hartlötmaterial aus der In-Cu-Ag-Ti-Gruppe bei 790°C für zwanzig Minuten im Vakuum gehalten und dann durch Abkühlen des Ofens miteinander verbunden.

In diesem Beispiel wurde die Oberfläche, mit der der Keramikbereich 6b verbunden wird, nicht karburiert, weil die Kohlenstoffmenge in der Stahloberfläche niedrig gehalten wurde, um das Ausmaß der Volumenausdehnung des Matinsits zu verringern, um die Verbindungsfestigkeit zu stabilisieren.

In der weiter unten angegebenen Tabelle 1 ist ein Vergleich der Scherfestigkeit zwischen den Teststücken eines SNCM 616-Metallkörpers mit 15 (⌀) · 20 mm(t) und einem gesinterten Siliziumnitrid-Material mit 15 (⌀) · 2 mm(t), in dem das Hartlöten unter den gleichen Bedingungen (Verwenden eines Aktiv-Hartlötmaterials aus der In-Cu-Ag-Ti-Gruppe, Halten bei 790°C für zwanzig Minuten im Vakuum und Verbinden durch Abkühlen des Ofens) ausgeführt wurde, gezeigt. In Tabelle 1 ist im Fall I ein Teststück gezeigt, in dem die Karburierung und dergleichen nicht ausgeführt wurden; im Fall II ist ein Teststück gezeigt, in dem die gesamte Oberfläche karburiert wurde; im Fall III ist ein Teststück gezeigt, in dem die Karburierung bis auf den Verbindungsbereich ausgeführt wurde. Im Fall III wurde der Metallkörper in demjenigen Zustand karburiert, in dem der Verbindungsbereich des Metallkörpers vorübergehend mit einem kappenähnlichen Schutzüberzug von 16 (⌀)-5 mm (Höhe) überzogen war, so daß der Metallkörper mit Ausnahme der Verbindungsoberfläche karburiert wurde. Dann wurde der Schutzüberzug beseitigt und vom nichtkarburierten Bereich 0,5 mm abgetrennt.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, wurde im Fall II die Festigkeit abgesenkt und die Streuung leicht erhöht, in den Fällen I und III wurden im wesentlichen die gleichen Ergebnisse erzielt.

Wie oben beschrieben, werden in dem erfindungsgemäßen Keramik/ Stahl-Verbundkörper die folgenden Wirkungen erzielt: Der Verbundkörper ist wegen seiner ausgezeichneten Verschleißfestigkeitseigenschaften der Keramik und der Härte der Oberflächenschicht des karburierten Stahls für Teile geeignet, die eine Mehrzahl von gleitfähigen Bereichen aufweisen; ferner besitzt der Verbundkörper eine ausreichende Festigkeit, weil das Innere des karburierten Stahls eine Zähigkeit besitzt. Darüber hinaus kann der Härtungsgrad der Oberfläche durch die Bedingungen der Karburierungsbehandlung wunschgemäß festgesetzt werden. Der Stahl wird mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Keramik mittels Hartlöten aufgebracht wird, karburiert, so daß es möglich ist, die Streuung der Festigkeit im Hartlötbereich zu minimieren. Gemäß dem Herstellungsverfahren, in dem der Stahl in einem vor der Wärmeverbindung der Keramik ausgeführten Schritt karburiert wird, wird auf die Oberfläche des Stahls durch eine Hartlöt-Wärmebehandlung eine Druckbeanspruchung ausgeübt, um den Stahl zu festigen, so daß die Zähigkeit und die Gleitfähigkeitseigenschaften verbessert werden.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß verschiedene Abwandlungen und Veränderungen des erfindungsgemäßen Keramik/Stahl-Verbundkörpers und des Aufbaus dieses Verbundkörpers ausgeführt werden können, ohne daß vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Für den Fachmann sind aufgrund der Betrachtung der Beschreibung und der Praxis der offenbarten Erfindung andere Ausführungsformen offensichtlich. Die obige Beschreibung hat daher nur beispielhafte Bedeutung, während der eigentliche Umfang der vorliegenden Erfindung durch die folgenden Patentansprüche angegeben wird.

Claims (14)

1. Keramik/Stahl-Verbundkörper, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Keramikkörper und
ein Stahlkörper, dessen Oberfläche karburiert wird, so daß die Härte der Oberfläche des Stahlkörpers größer als die Härte im Inneren des Stahlkörpers ist, vorgesehen sind und
der Keramikkörper mit einem Bereich des Stahlkörpers thermisch verbunden wird.

2. Verbundkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich des mit dem Keramikkörper verbundenen Stahlkörpers nicht karburiert ist.

3. Verbundkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper aus der Gruppe der Materialien, die Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Bornitrid und Aluminiumoxid umfaßt, ausgewählt wird.

4. Verbundkörper gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Keramikkörper und der Stahlkörper mittels eines Hartlötmaterials verbunden werden.

5. Verbundkörper gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hartlötmaterial aus der Gruppe der Materialien ausgewählt wird, die Ag-Cu-Ti, Ag-Cu-In-Ti, Ag-Ti, Cu-Ti, Ag-Cu-Nit-Ti, Ag-Cu und Ag-Cu-In umfaßt.

6. Verbundkörper gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zwischen dem Stahlkörper und dem Keramikkörper angeordnete dünne Platte, um die Beanspruchung zwischen diesen Körpern zu puffern.

7. Verbundkörper gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die dünne Platte ein Material umfaßt, das aus der Gruppe von Ni, Cu und Fe ausgewählt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Keramik/Stahl-Verbundkörpers, gekennzeichnet durch die Schritte
des Karburierens einer Oberfläche des Stahls und
des thermischen Verbindens dieses Stahls mit der Keramik nach dem Karburierungsschritt.

9. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Überziehens eines Bereichs der Oberfläche, um diese vor der Karburierung zu schützen.

10. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers gemäß Anspruch 8, gekennzeichnet durch den Schritt des Abtrennens eines Teils der der Karburierung ausgesetzten Oberfläche.

11. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Verbinden den Schritt des Erwärmens des Keramikkörpers und des Stahlkörpers auf eine Temperatur, die oberhalb des A₁-Umwandlungspunkts des Stahls liegt, enthält.

12. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Karburierens im Stahl eine Karburierung bis zu einer Tiefe von 0,1 mm bis 0,6 mm bewirkt.

13. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Karburierens im Stahl eine Karburierung bis zu einer Härte von HRC 40 bis HRC 65 bewirkt.

14. Verfahren zur Erzeugung eines Verbundkörpers gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt des Karburierens im Stahl eine Karburierung bis zu einer Härte von HRC 30 bis HRC 65 bewirkt.