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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung einer hohlen Nockenwelle für Verbrennungs-Motoren,
insbesondere Automobil-Motoren.
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Nockenwellen für Verbrennungs-Motoren und insbesondere für
Automobil-Motoren werden meistens aus Gußeisen hergestellt. Es
gibt verschiedene Methoden, um Nockenwellen herzustellen.
Typische Methoden umfassen die Abschreckmethode, bei der die
Flächen der Nockenglieder, die eine hohe Härte aufweisen müssen,
während des Gießens in weißes Roheisen übergeführt werden,
sowie die Oberflächenhärtemethode nach dem Gießen. Axial hohle
Nockenwellen sind ebenfalls im Handel, nicht nur um das Gewicht
zu reduzieren, sondern auch um Schmieröl durch Öffnungen den
Nockengliedern zuzuführen.
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Wie allgemein bekannt, stellt der Ventilmechanismus einen
Schlüssel zur Verbesserung der Leistung von Automobilmotoren
dar. Bewegliche Ventilsysteme neigen jedoch zu Schmierproblemen
aufgrund der komplizierten Bewegungen der Systeme. Insbesondere
stellt der Kontakt zwischen dem Nockenanlauf und dem damit
zusammenwirkenden Schwenk- oder Kipphebel nahezu einen
Linienkontakt dar, und die extrem große Belastung an dieser Stelle
macht eine flüssige Schmierung der Gleitfläche schwierig.
Gegenwärtig erfordert die Schmierung der Gleitfläche die
Verwendung von Ultrahochdruckadditiven in dem Kampf zur
Verschleißverhinderung.
Die Reibungsverluste sind dadurch groß und
Einbrennschwierigkeiten, wie eine Senkung oder Abrieb können nicht
vollkommen vermieden werden.
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Um den Verschleiß von Nockenwellen zu verhindern, sind
Anstrengungen unternommen worden, die Härte der Nockenflächen zu
erhöhen oder die Schmierung zu verbessern. Die konventionelle
Schmierung ist entweder eine externe oder eine interne
Schmierung. Bei der externen Schmierung wird das Schmieröl den Nocken
von außen von einem Ölvorrat oder durch Ölbohrungen in dem
Schwenkhebel oder der Ventilführung zugeführt. Bei der internen
Schmierung wird das Öl den Nocken durch Ölbohrungen zugeführt,
die in einer hohlen Nockenwelle erzeugt werden. Das letztere
Schmierverfahren, bei dem eine hohle Nockenwelle verwendet
wird, hat Vorteile gegenüber dem ersteren. Konventionelle hohle
Nockenwellen weisen jedoch keine zufriedenstellende Schmierung
auf, da die Lage der Ölbohrungen nicht optimal ist.
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Der Anlauf eines Nockenumfangs stellt eine für Verschleiß sehr
empfindliche Stelle dar, da er während des Öffnens des Ventils
einer hohen Belastung ausgesetzt ist. Während der Drehung
bewegt sich der Anlauf darüberhinaus auf der Oberfläche des
Kipphebels. Es ist deshalb erforderlich, die Reibungswärme von der
beweglichen Reibfläche abzuleiten und eine konstante lokale
Zufuhr von frischem Schmieröl, welches ein Ultrahochdruckmittel
enthält, sicherzustellen. Die wirksamste Weise, dies zu
erreichen, würde die Bildung von Ölzufuhrbohrungen in den
Nockenanläufen und die Schmierung der Gleitfläche durch senkrechtes
Einspritzen von Öl darstellen. Derartige hohle Nockenwellen,
die mit Ölbohrungen an den Nockenanläufen versehen sind, wurden
bisher jedoch nicht hergestellt.
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Die Ölöffnungen, die in Nockenwellen gebohrt worden sind, sind
alle auf den Basiskreisabschnitt der Nocken beschränkt und
wurden nicht in dem Anlaufabschnitt gebildet, da die hohe Härte
des Anlaufabschnittes ein Bohren verhindert. Wenn die
Produktivität nicht berücksichtigt wird, ist es natürlich möglich,
Öffnungen herzustellen, gleichgültig wie hart das Material sein
mag. Die Herstellung solcher Bohrungen verbietet sich jedoch
aus Kostengründen und ist für durch Massenproduktion
hergestellte Produkte, wie Automobile, ungeeignet. Als Kompromiß
sind Ölbohrungen an dem Basiskreis hergestellt worden, der
nicht gehärtet ist. Wenn jedoch Öl durch Bohrungen im
Basiskreis zugeführt wird, wird das Öl während des
Ventilschließvorgangs eingespritzt und nicht synchron mit der Entstehung von
Reibungswärme an der Gleitfläche. Eine derartige Schmierung ist
daher ineffektiv und führt zu einem erheblichen
Schmierölverbrauch aufgrund fehlerhafter Zufuhr.
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Bei mobilen Ventilsystemen gibt es bemerkenswerte
Verbesserungen, die mit der Verbesserung der Leistung von Automobilmotoren
erfolgt sind. Oben liegende Nockenwellen ("Overhead Cams" oder
OHC), hydraulische Einstelleinrichtungen (Hydraulic Lash
Adjusters oder HLA) und andere Systeme sind weit verbreitet im
Einsatz, und diese Systeme haben die von Nockenwellen
geforderte Leistung erhöht. Das Bedürfnis nach einer Verbesserung der
Verschleißfestigkeit hat so stark zugenommen, daß heutzutage
eine Abschreckhärtung nicht nur des Anlaufes, sondern des
ganzen Nockenumfangs verlangt wird. Dies hat die Herstellung von
Ölbohrungen in den Nocken selbst im Basiskreis schwierig
gemacht.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren
zur Herstellung einer hohlen Nockenwelle aus Gußeisen mit
verbesserter Verschleißfestigkeit bereitzustellen, welche zu einer
zufriedenstellenden Schmierung führt.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Feststellung, daß
diese Aufgabe gelöst werden kann, indem kleine gegossene
Ölöffnungen an der abgeschreckten Fläche, d.h. in dem Anlauf der
Nockenglieder vorgesehen werden.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur
Herstellung einer hohlen Nockenwelle, hergestellt aus Gußeisen, welche
Ölzufuhröffnungen an den abgeschreckten Flächen der
Nockenglieder aufweist, zur Verfügung gestellt.
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Aus JP-A-57 081 950 geht ein Verfahren hervor, das die Schritte
des Setzens der Kühlkokillenteile zu den nockenbildenden
Hohlräumen, wobei die Kühlkokillenteile dünne Stangen in Positionen
aufweisen, deren Lage den Ölzufuhröffnungen entspricht, der
Anordnung eines Zentralkerns in den Hohlräumen zum
Zusammensetzen einer Form, der Durchführung des Gießens unter Verwendung
der Form zur Umhüllung der Stangen und dann des Entfernens der
Stangen zur Bildung von Ölzufuhröffnungen umfaßt. Nach dieser
Veröffentlichung werden die Stangen verwendet, um zu
verhindem, daß die Stellen, die nachher gebohrt werden, abgeschreckt
werden.
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Nach der vorliegenden Erfindung werden für die besagten Stangen
Kohlenstoffstangen verwendet, wodurch die besagten Öffnungen
als gegossene Ölzufuhröffnungen nach Entfernung der
Kohlenstoffstangen zurückbleiben.
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Ein alternatives Verfahren umfaßt die Schritte des Einsetzens
dünner Stangen in einen Zentralkern, des Einsetzens des
Zentralkerns
in die Nocken bildenden Hohlräume zum Zusammenbau
einer Form, wobei die dünnen Stangen in Positionen angeordnet
sindf deren Lage den Ölzufuhröffnungen entspricht, des
Durchführens des Gießens unter Verwendung der Form zur Umhüllung der
Stangen und dann des Entfernens der Stangen zur Bildung von
Ölzufuhröffnungen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß für
diese Stangen Kohlenstoffstangen verwendet werden, wobei die
besagten Öffnungen als gegossene Ölzufuhröffnungen nach
Entfernung der Kohlenstoffstangen zurückbleiben.
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Ein weiteres alternatives Verfahren umfaßt die Schritte des
Einsetzen von Stangen durch die Wände der nockenbildenden
Hohlräume einer Form, wobei die Position der Stangen der Lage der
Ölzufuhröffnungen entspricht, des Durchführens des Gießens
unter Verwendung der Form zur Umhüllung der Stangen zur Bildung
eines massiven Gusses mit Nockengliedern, und dann des
Entfernens der umhüllten Stangen, welches Verfahren dadurch
gekennzeichnet ist, daß für die besagten Stangen Kohlenstoffstangen
verwendet werden, wobei die besagten Öffnungen als gegossene
Ölzufuhröffnungen nach der Entfernung der Kohlenstoffstangen
zurückbleiben, und das vor der Entfernung der
Kohlenstoffstangen die Mitte des massiven Gusses, der die Stangen umhüllt,
gebohrt wird und die Nockenglieder oberflächengehärtet werden.
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Nach der Erfindung wird also eine dünne Kohlenstoffstange an
einer Stelle angeordnet, die der Stelle einer Ölzufuhröffnung
entspricht, wobei sie als zusätzlicher Kern dient.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die
umwickelten Kohlenstoffstangen durch mechanische Mittel
entfernt oder durch Abbrennen, beispielsweise durch Erhitzen in
einer oxidierenden Atmosphäre, um die Kohlenstoffstangen
abzubrennen,
oder durch Bohren oder Herausdrücken der
Kohlenstoffstangen. Die gegossenen Ölzufuhrleitungen bleiben zurück.
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Figur 1 und 2 zeigen jeweils einen Querschnitt einer hohlen
Kühlkokillenform für eine Nockenwelle;
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Figur 3 zeigt eine feste Kokillenform ohne Kühlung;
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Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer
erfindungsgemäß hergestellten hohlen Nockenwelle;
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Figur 5 eien teilweise geschnittene Seitenansicht einer
anderen erfindungsgemäß hergestellten hohlen
Nockenwelle; und
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Figur 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in
Figur 5.
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Die vorliegende Erfindung wird im Zusammenhang mit den
beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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Nach Figur 1 erstrecken sich Kohlenstoffstäbe durch die
Hohlräume von den Löchern der Kokillen, während die anderen Enden
der Kohlenstoffstangen den Zentralkern berühren, und die
umhüllten Kohlenstoffstangen werden entfernt, indem sie in einer
oxidierenden Atmosphäre erhitzt werden, um die
Kohlenstoffstangen zu verbrennen.
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Die Kohlenstoffstangen können durch die Hohlräume von den
Zentralkernen, wie in Figur 2 dargestellt, ragen, und in diesem
Fall berühren die anderen Enden die Kokillen. Im Fall eines
massiven Gusses werden die Kohlenstoffstangen, wie in Figur 3
dargestellt, so angeordnet, daß sie sich in die Hohlräume mit
einer geeigneten Länge erstrecken.
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Wenn nach der vorliegenden Erfindung eine Nockenwelle gegossen
wird, werden die Kohlenstoffstangenkerne so umhüllt, daß sie
Ölzufuhröffnungen in den Nockengliedern bilden.
Ölzufuhröffnungen direkt an den Nockenflächen müssen einen kleinen
Durchmesser aufweisen. Kerne, mit denen derart kleine Öffnungen
hergestellt werden, können nicht aus Schalenformsand oder ähnlichen
Materialien wegen ihrer begrenzten Festigkeit hergestellt
werden. Keramische Kerne, wie Quarzrohre, haben zwar eine
ausreichende Festigkeit, sie sind jedoch schwer herauszuschütteln und
zu schwierig zu bohren.
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Nach der vorliegenden Erfindung werden Kohlenstoffstangen als
Kemmaterial für Ölzufuhröffnungen verwendet. Es ist allgemein
bekannt, daß Kohlenstoff in Form von Fasern und Pulvern im
Handel erhältlich ist, und daß daraus geformte Körper einen
hohen Wärmewiderstand und eine hohe Festigkeit bei erhöhten
Temperaturen aufweisen. Darüberhinaus sind Kohlenstoffkörper
leicht zu formen, da sie zu geformten dünnen Stangen extrudiert
werden können. Der einzige Nachteil von Kohlenstoff besteht in
seiner Tendenz bei erhöhten Temperaturen zu oxidieren. Von
diesem Nachteil wird nach der Erfindung dadurch Gebrauch
gemacht, daß die Kohlenstoffkerne, die von einem Gußstück umhüllt
sind, durch Oxidation entfernt werden, indem sie auf erhöhte
Temperatur erwärmt werden.
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Die Kohlenstoffstangen, die erfindungsgemäß eingesetzt werden,
können im Handel erhältliche Stangen mit geeigneten Abmessungen
(entweder dick oder dünn) sein. Spezielle Methoden zur
Herstellung der nach der Erfindung verwendeten Kohlenstoffstangen sind
nicht erforderlich. Zur exakten Positionierung in den
Nockenhohlräumen werden die Kohlenstoffstangen über Löcher
eingesetzt, die in den Kokillen gebildet sind, die in den
Nockenhohlräumen angeordnet ist. Auf diese Weise kann selbst ein
dünner Stangenkern an einer exakten Stelle befestigt werden.
Die so befestigten Kohlenstoffstangen werden von dem Gußstück
unter perfekten Umständen ohne Verschiebung oder Beschädigung
während des Gießens umhüllt.
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Die Kohlenstoffstangen können anstelle der Kokillen in einen
Zentralkern eingesetzt werden. Stattdessen können die
Kohlenstoffstangen in die Hauptform eingesetzt werden, wenn kein
Kühlkokillenguß durchgeführt wird und die Nockenflächen nach
dem Gießen gehärtet werden. Zum Oberflächenhärten der
Nokkenglieder nach dem Gießen ohne Kühlkokillen kann eine
Induktionshärtung oder ein Umschmelzen durch TIG durchgeführt werden,
wobei die eingewickelten Kohlenstoffstangen vorher nicht
entfernt zu werden brauchen und während der Oberflächenhärtung an
Ort und Stelle bleiben können.
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Eine Oberflächenhärtung, die durchgeführt wird, nachdem die
Öffnungen in den Nockenflächen gebildet worden sind, neigt zur
Bildung von Rissen aufgrund der Spannungskonzentration und
Blockierung der Öffnungen. Demgegenüber führen Öffnungen, die
erfindungsgemäß mit Kohlenstoffstangen gefüllt sind, weder zu
Rissen noch zur Blockierung. Nach der Erfindung können die
eingegossenen Kohlenstoffstangen durch Oxidation durch
Erwärmung der Gußstücke in einer oxidierenden Atmosphäre bei
erhöhten Temperaturen entfernt werden. Je höher die Temperatur ist,
umso schneller ist die Entfernung. Diese Oxidation kann bei
hohen Temperaturen durchgeführt werden, da die abgeschreckten
Gußstücke bei Temperaturen unterhalb 600ºC nicht erweichen.
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Gußstücke, die zur Oberflächenhärtung abgeschreckt sind,
erweichen jedoch häufig oberhalb 200ºC, was die Entfernung der
Kohlenstoffstangen durch mechanische Mittel, wie Bohren oder
Extrusion erforderlich macht.
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Massive Gußstücke werden einer Zentralbohrung vor der
Wärmebehandlung unterworfen. In diesem Fall sind die umhüllten
Kohlenstoffstangen weich genug, um die spanabhebende Bearbeitung
nicht zu beeinträchtigen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer hohlen
Nockenwelle, hergestellt aus Gußeisen, ist nachstehend näher
erläutert.
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Hauptgießformen für Nockenwellen können von unterschiedlicher
Art sein, wie Grünsandformen, CO&sub2;-Formen, Schalenformen oder
Fran-Formen, wobei die Auswahl entsprechend dem Design und der
Größe erfolgt. Für eine große Zahl von Nockenwellen werden
gehärtete Kerne, wie Schalenformen, für die genaue
Positionierung einer entsprechenden großen Anzahl von Kokillen und ein
entsprechender geringer Abstand zwischen den Kokillen
empfohlen.
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Dünne Kohlenstoffkernstangen mit einem Durchmesser von 0,5 mm
können beim Gießen umhüllt werden. Kohlenstoffstangen sind fest
und zäh und dennoch leicht spanabhebend zu bearbeiten. Es ist
deshalb eine einfache Aufgabe dünne Kohlenstoffstangen in
kleine Öffnungen der Kokillen einzusetzen. Die Stangen
beeinträchtigen auch die Zentralbohrung nicht.
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Die Erwärmungstemperatur und -zeit, die zur Oxidation und
Entfernung der Kohlenstoffstangen erforderlich ist, variiert mit
dem Durchmesser und der Tiefe der Ölzufuhröffnungen.
Beispielsweise können durch Erwärmen für weniger als 2 h auf 550º
Kohlenstoffstangen aus Löchern mit einem Durchmesser von 2 mm und
einer Tiefe von 10 mm entfernt werden. Diese Zeitspanne und
Temperatur sind die gleichen wie unter den routinemäßigen
Anlaßbedingungen, die zur Beseitigung von Spannungen der
Gußstükke angewendet werden. Mit anderen Worten, die Entfernung der
Kohlenstoffstangen bringt keine zusätzlichen
Wärmebehandlungskosten mit sich.
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Um die umhüllten Kohlenstoffstangen mit mechanischen Mitteln,
wie Bohren oder Extrudieren, zu entfernen, kann eine Bohrstange
oder eine Extrusionsstange mit dem gleichen Durchmesser wie die
Kohlenstoffstangen verwendet werden. Da die Kohlenstoffstangen
bei einer Temperatur von 200ºC oder mehr erweichen, wenn die
Oberflächenhärtung durch Abschrecken nach dem Gießen erfolgt,
ist es zweckmäßig, das Bohren und Extrudieren bei einer so
hohen Temperatur durchzuführen.
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Figur 4 stellt eine perspektivische Ansicht einer
erfindungsgemäß hergestellten hohlen Nockenwelle dar, und die Figuren 5 und
6 dienen der weiteren Erläuterung der Ölzufuhröffnungen der
vorliegenden Erfindung, nach der eine Reihe von Nocken 22a
- 22h an vorgegebenen Stellen der Nockenwelle vorgesehen sind.
Jede der abgeschreckten Flächen der Nocken ist mit einer
Ölzufuhröffnung 26 versehen. Der Durchmesser der Öffnung 26 kann je
nach dem Durchmesser der angewendeten Kohlenstoffstangen
eingestellt werden. Die gegenüberliegenden Enden der Nockenwelle
sind mit Abschnitten 30, 30 zur Aufnahme der nicht
dargestellten Lager versehen. Wie aus Figur 5 und 6 ersichtlich, sind die
gegossenen Ölzufuhröffnungen an den abgeschreckten Flächen 22
der Nocken 22 vorgesehen.
Beispiele:
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Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Nockenhohlraum nach
einem ersten Beispiel in Form einer hohlen Kühlkokillenform für
eine Nockenwelle. Die obere Kokille 1 und die untere Kokille 2
sind beide in einer Schalenform 3 angeordnet. 4 stellt eine
dünne in die Kokille gebohrte Öffnung dar, in die eine
Kohlenstoffstange 5 eingeführt ist. 6 stellt einen Schalenzentralkern
dar.
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Figur 2 zeigt einen Querschnitt eines anderen Beispiels einer
hohlen Kühlform ähnlich der Form nach Figur 1. 7 stellt eine
Kokille dar, 8 einen Zentralkern und 9 eine Kohlenstoffstange.
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Figur 3 zeigt einen Querschnitt eines Beispiels einer massiven
Gießform für eine Nockenwelle, ohne Verwendung von Kokillen. 10
stellt eine Schalenform dar, 11 eine Kernmarkenöffnung und 12
eine Kohlenstoffstange. Die runde Kohlenstoffstange 12 in der
Form ragt in den Hohlraum wie ein Ausleger.
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In den Beispielen wurde unter Verwendung einer der Formen nach
Figur 1 bis 3 eine Kohlenstoffstange mit einem Durchmesser von
2 mm in einem Gußstück umhüllt, wobei die Stange mit einer
Tiefe von 10 mm in das Gußstück ragt. Im Falle der Figuren 1
und 2 wurden die Kohlenstoffstangen durch Erwärmen auf 550ºC
für 2 h entfernt. Im Fall der Figur 3 wurde das gebildete
massive Gußstück entlang seiner Mitte axial gebohrt und dann der
restliche Abschnitt der umhüllten Kohlenstoffstangen nach dem
Abschrecken mechanisch entfernt.
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Nach einem anderen Beispiel wurde eine Nockenwelle aus einem
duktilen Gußeisen in einer massiven Form ohne Kokillen
gegossen. Das Gußstück wurde durch TIG-Umschmelzen an der Oberfläche
gehärtet und in der Mitte mit einer Bohrung versehen. Die
eingehüllten Kohlenstoffstangen, deren Durchmesser 2 mm maß,
wurden durch Erwärmen auf 5500 C für 2 h in einer oxidierenden
Atmosphäre entfernt. Die gebildete Nockenwelle hatte eine Härte
von Hv 900.