DE69625174T2

DE69625174T2 - Gleitteil und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE69625174T2
Application number: DE69625174T
Authority: DE
Inventors: Takao Nishioka; Hisao Takeuchi; Masamichi Yamagiwa; Akira Yamakawa
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1995-06-19
Filing date: 1996-06-17
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2016-06-18
Also published as: EP0794321B1; EP0794321A1; WO1997000374A1; DE69625174D1; CN1081290C; CN1150833A; US5783314A; KR970705691A; EP0794321A4; KR100246704B1

Description

Technisches Gebiet:

Diese Erfindung bezieht sich auf Gleitbauteile mit einer Vielzahl von Laufflächen, für die Verschleißwiderstand unerlässlich ist, wie z. B. einen Stößel, einen Ventilkipphebel und andere Motorbauteile, Lager usw. und ein Herstellungsverfahren für solche Gleitbauteile.

Stand der Technik:

Um unebenem Kontakt aufgrund schlechter Ausrichtung vorzubeugen, ist eine eines Paars von Laufflächen eines mechanischen Gleitbauteils i. a. keine flache Fläche, sondern weist eine nach außen gewölbte ballige Gestaltung auf, so dass ihr Mittelabschnitt etwas höher ist als ihr Außenrandabschnitt (um mehrere Dutzend Mikron).
Diese ballige Gestaltung wird durch verschiedenartige Verfahren geformt, wie z. B. Maschinenbearbeitung (Polieren), ein in der japanischen Offenlegungsschrift 63-289306 beschriebenes Verfahren, bei dem Metall über Keramikwerkstoff angepasst wird, um so eine elastische Formänderung des Keramikwerkstoffs durch seine Befestigungskraft zu bewirken, ein in der japanischen Offenlegungsschrift 63-225728 beschriebenes Verfahren, bei dem ein eine Lauffläche bildender Keramikwerkstoff erwärmt und an ein Metall als Hauptkörper angepasst wird und deren unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten ausgenutzt werden und ein Verfahren, bei dem ein gebrannter Körper im Voraus zu einer balligen Gestalt geformt wird, dieser gebrannte Körper dann gesintert und die so gesinterte Fläche als Lauffläche benutzt wird ["Automobile Technology", Jahrgang 39, Nr. 10, (1985) S. 1184) usw. Des Weiteren offenbart die JP-A-61/103 057 ein Zahnrad mit balligen Flächen, die durch induktives Härten auf den Zahnflanken geformt sind.
Da die ballige Gestaltung jedoch eine dreidimensionale Form ist, erfordert die Bildung dieser Gestalt durch Maschinenbearbeitung enorme Produktionskosten.
Gemäß dem Verfahren, bei dem Metall über dem Keramikwerkstoff angepasst wird oder dem Verfahren, bei dem die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Keramikwerkstoff und Metall eingesetzt werden, wird die Balligkeitsgröße beschränkt, sobald die Struktur, Erwärmungstemperatur etc. entschieden sind.
Andererseits ist das Verfahren, bei dem der gebrannte Körper im Voraus in die ballige Gestalt gebracht, dann gesintert und die so gesinterte Fläche als Lauffläche verwendet wird, nicht frei von dem Problem, dass die in die ballige Gestalt gebrachte Fläche aufgrund einer Schrumpfung zum Sinterzeitpunkt einer Deformation unterliegt, und die Maßhaltigkeit fällt ab.
Angesichts der oben beschriebenen Probleme des Standes der Technik ist die vorliegende Erfindung darauf gerichtet, ein Gleitbauteil mit verbessertem Nutzwert und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Gleitbauteils bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung:

Das mit der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Gleitbauteil zum Erreichen des oben beschriebenen Ziels ist in Anspruch 1 definiert.
Das Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gleitbauteils ist in Anspruch 9 definiert. Bevorzugter wird Keramik für das Element zum Formen der Lauffläche benutzt, die durch Anfügen oder Anpassen geformt wird.
In dem Gleitbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung ist die ballige Gestaltung auf der Lauffläche zumindest eines Abschnitts durch teilweises Anwenden einer Oberflächenvergütung auf einen Stahl geformt, der das Gleitbauteil bildet und härtbar ist.
Anders ausgedrückt, die Deformation wird teilweise durch Ausnutzen der Volumenausdehnung aufgrund der Überführung in Martensit oder des sog. Abschreckverzugs zum Zeitpunkt der Oberflächenvergütung erzeugt, und die ballige Gestaltung wird zumindest einer beliebigen Lauffläche in dem Gleitbauteil verliehen.
Der Abschnitt, auf den die Oberflächenvergütung angewendet wird, wird in geeigneter Weise in Übereinstimmung mit der Lage der Lauffläche, der Balligkeit verliehen wird, oder mit der Balligkeitsgröße ausgewählt. Die Balligkeit wird unter Ausnutzung des oben beschriebenen Phänomens durch Oberflächenvergütung verliehen. Demgemäß ist es wirkungsvoller, die Oberflächenvergütung an dem Abschnitt oder den Abschnitten nahe dem angefügten Abschnitt oder den Abschnitten in einem breiteren Bereich vorzunehmen. Übrigens beträgt der gesamte Flächenbereich der vergüteten Oberfläche vorzugsweise wenigstens 30% des Flächenbereichs, der durch Subtrahieren des Flächenbereichs des Abschnitts, der in die ballige Gestalt gebracht ist, von der Gesamtoberfläche des Bauteils als Differenz erhalten wird.
Die zu verleihende Balligkeitsgröße kann in Übereinstimmung mit den Mitteln und Verfahren (Erwärmung, Abkühlzeit, etc.) der Oberflächenvergütung, mit den Arten der verwendeten Stahlmaterialien usw. allgemein gesteuert werden.
Der Abschnitt, auf den die Oberflächenvergütung angewendet wird, ist gehärtet und weist einen geringen Verschleiß und hohe Beständigkeit auf. Gleichzeitig spielt er die Rolle des Gleitabschnitts.
Es gibt keine Beschränkung bezüglich der Art des Stahls, auf den die Oberflächenvergütungsbehandlung angewendet wird, sofern der Stahl durch die Oberflächenvergütungsbehandlung eine Härtung erfährt. Unter dem Aspekt Festigkeit und Materialkosten sowie Bearbeitbarkeit werden jedoch unlegierte Stähle, die verbreitet als Stähle für Maschinenbauzwecke verwendet werden, und Legierungsstähle, die Ni, Cr und Mo als Legierungselemente enthalten, bevorzugt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Balligkeitsgröße geändert, indem eine Wärmebehandlung an dem Gleitbauteil vorgenommen wird, das der Oberflächenvergütungsbehandlung unterzogen wurde. Dabei wird die Auflösung der Eigenspannung ausgenutzt, die aufgrund der Oberflächenvergütung auftritt, oder die Änderung einer instabilen Struktur, die durch Vergüten gebildet wird, wie z. B. Martensit. Die Wärmebehandlung kann entweder ganz oder teilweise angewendet werden und wird in Übereinstimmung mit der Lage, Größe und Gestalt der zu ändernden Balligkeit ausgewählt.
Eine geeignete Härte und Zähigkeit in Übereinstimmung mit dem Verwendungszweck können durch Ausführen dieser Wärmebehandlung als Nachglühbehandlung des gehärteten Abschnitts bereitgestellt werden. Da die Eigenspannung beseitigt werden kann, kann die Änderung der Balligkeitsgröße mit dem Altern und die Rissbildung am gehärteten Abschnitt verhindert werden.
In dem Gleitbauteil gemäß der vorliegenden Erfindung wird die Balligkeitsgröße durch Vornehmen der Bearbeitung des Stahlabschnitts nach der Oberflächenvergütungsbehandlung geändert. Das Gleitbauteil behält seine ballige Gestalt, weil verschiedene Restspannungen wie der Abschreckverzug einander ausgleichen. Daher geht dieses Gleichgewicht durch Ändern der Starrheit durch Bearbeiten oder Beseitigen der Eigenspannungsschicht verloren, und auf diese Weise kann die Balligkeitsgröße geändert werden.
Die Bearbeitungsposition wird in Übereinstimmung mit der Lage und Größe der zu ändernden Balligkeit passend ausgewählt. Diese Bearbeitung kann als Bearbeitung zum Formen des Gleitabschnitts verwendet werden, für den naturgegeben eine hohe Maßhaltigkeit sowie Oberflächenrauheit erforderlich sind.
Für den Abschnitt, für den Gleitmerkmale besonders erforderlich sind, kann ein Element mit ausgezeichneten Gleitmerkmalen an den Gleitbauteil-Hauptkörper angefügt oder angepasst werden. Dabei stellt sich bei der Wärmebehandlung oder Bearbeitung nachdem Vergüten eine Auflösung der durch Anfügen oder Anpassen auftretenden Eigenspannung ein. Daher kann die Änderungsgröße der Balligkeit über einen weiten Bereich gemacht werden.
Das Element, das an den Gleitbauteil-Hauptkörper angepasst ist und die Lauffläche bildet, ist vorzugsweise insbesondere ein keramischer Werkstoff mit ausgezeichneten Gleitmerkmalen und hoher Hitzebeständigkeit.
Keramische Werkstoffe mit hoher Festigkeit, wie z. B. Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), Zirconiumoxid (ZrO&sub2;), Siliciumnitrid (Si&sub3;N&sub4;) etc. werden mehr bevorzugt. Diese keramischen Werkstoffe müssen eine Vierpunkt-Biegebruchfestigkeit von zumindest 50 kg/mm² gemäß JIS-Standard und eine Thermoschockbeständigkeit gegenüber einer Temperaturdifferenz (Thermoschockbeständigkeits-Temperaturdifferenz) von zumindest 400ºC aufweisen. Von diesen keramischen Werkstoffen wird Si&sub3;N&sub4; besonders bevorzugt, das eine ausgezeichnete Leistungsfähigkeit vorweist.
Ferner wird vorzugsweise Keramik des Siliciumnitridtyps mit einem Festigkeitswert bei Raumtemperatur von wenigstens 100 kg/mm² bei Prüfstücken bei der Vierpunkt- Biegeprüfung gemäß dem JIS-Standard und einer Thermoschockbeständigkeit gegenüber einer Temperaturdifferenz von wenigstens 800ºC verwendet.
Wenn der keramische Werkstoff und der Stahl an dem Abschnitt nahe dem Abschnitt der Oberflächenvergütungsbehandlung verbunden werden, wird die Behandlungsbedingung beispielsweise durch Absenken der Temperatur des angefügten Abschnitts auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur zum Zeitpunkt der Verbindung eingestellt, um den verbundenen Zustand und die Verbindungsfestigkeit zu halten, aber es kommt vor, dass die Temperatur des angefügten Abschnitts aufgrund der Einschränkungen, wie z. B. der Gestaltungen, bis nahe an die Verbindungstemperatur steigt. Um eine Verschlechterung der Festigkeit nach dem Thermoschock aufgrund der Abkühlung (Ölkühlung etc.) zu vermeiden sollte der keramische Werkstoff daher eine Thermoschockbeständigkeit aufweisen, die einer Temperaturdifferenz von zumindest 400ºC, am zuverlässigsten wenigstens 800ºC, standhält.
Wenn keramische Werkstoffe des Siliciumnitridtyps mit einer Festigkeit von wenigstens 100 kg/mm², vorzugsweise zumindest 130 kg/mm² als keramische Werkstoffe mit einer derart hohen Festigkeit ausgewählt werden, können die keramischen Werkstoffe der in ihrem Innern auftretenden Spannung standhalten, und das Vorkommen von Rissen kann leicht verhindert werden, selbst wenn die Oberflächenvergütungsbehandlung auf den Abschnitt nahe dem Verbindungsabschnitt angewendet wird.
Als Nächstes wird nun das Herstellungsverfahren des Gleitbauteils gemäß der vorliegenden Erfindung erläutert werden.
Die Oberflächenvergütungsbehandlung wird unter Verwendung bekannter Vergütungsverfahren mit Hochfrequenz, Flamme, Laserstrahl, Elektronenstrahl usw. ausgeführt.
Wo die Zähigkeit an dem zu vergütenden Abschnitt gesichert werden muss, kann ein Stahlhauptkörper verwendet werden, der im Voraus einer Karburierungsbehandlung unterzogen wird.
Die Wärmebehandlung nach der Oberflächenvergütung wird bei einer Temperatur im Bereich von 100 bis 700ºC ausgeführt. Wenn die Temperatur niedriger ist als 100ºC, findet die Änderung der Balligkeit kaum statt, und wenn sie höher ist als 700ºC, dann entwickelt sich eine Austenitstruktur und bricht die durch Vergüten erzeugte Struktur. Bevorzugter ist die Temperaturspanne 150 bis 600ºC.
Die maschinelle Bearbeitung des Stahlabschnitts nach der Oberflächenvergütung wird mit bekannten Bearbeitungsverfahren, wie z. B. Spanabhebung, vorgenommen. Besonders wenn ein vergüteter Gleitabschnitt verwendet wird, muss eine Glühspan genannte Oberflächenschicht entfernt werden und die Deformation aufgrund des Härtungsverzugs beseitigt werden, um eine hochpräzise Bearbeitung durchzuführen. Wenn eine Oberflächenrauheit in geeigneter Weise auf einen niedrigeren Wert eingestellt wird, kann das Polierverfahren verwendet werden.
Wenn das Element zum Formen der Lauffläche an den Gleitbauteil-Hauptkörper angepasst wird, können Verbinden und Anpassen angewendet werden. Dazu können bekannte Verbindungsverfahren wie die Wärmeverbindung, z. B. Löten oder Diffusionsverbindung, Schweißen, Druckverbindung etc. benutzt werden.
Die Wärmeverbindungstemperatur beträgt am bevorzugtesten wenigstens 800ºC, um die Einflüsse des Temperaturanstiegs zum Zeitpunkt der Oberflächenvergütungsbehandlung auszuschalten.
Anders ausgedrückt, die Lage der Oberflächenvergütung wird vorzugsweise so ausgewählt, dass sie die Temperatur zum Zeitpunkt der Wärmeverbindung nicht übersteigt, und im Falle der Vergütung unter Verwendung des Elektronenstrahls oder des Laserstrahls mit einer geringeren Wärmediffusion zum Zeitpunkt der Oberflächenvergütung kann die Vergütung an dem Abschnitt nahe dem angefügten Abschnitt angewendet werden, und die Fläche, die oberflächenvergütet werden kann, kann erhöht werden.
Im Falle der Flammhärtung und Induktionshärtung werden die wärmebeeinflussten Abschnitte andererseits größer. Daher wird es schwierig, die Härtung an dem Abschnitt nahe dem angefügten Abschnitt anzuwenden. Im Falle der Induktionshärtung ist der Härtungsbereich z. B. vorzugsweise um mehrere Millimeter von dem angefügten Abschnitt beabstandet, obwohl er abhängig von der Erwärmungszeit und Frequenz schwankt.
Wenn das anzufügende Element Keramik ist, wird die Verbindung durch Löten bewirkt.
Wenn der Keramikwerkstoff direkt an das Metall angefügt wird, ist die Lötmasse ein Ti- haltiges Silberlot, z. B. eines Ag-Cu-Ti-Typs, eines Ag-Ti-Typs ete. Wenn das Element auf der angefügten Stirnseite des keramischen Werkstoffs metallisiert ist, wird ein Hartlöten mit Ag-Cu bevorzugt.
Die Lötatmosphäre ist vorzugsweise eine nichtoxidierende Atmosphäre (Vakuum und Ar, N&sub2;, H&sub2; und ihre Mischgase). Die Anpassung kann mit bekannten Verfahren wie z. B. Press-Sitz, Schrumpfsitzpassung usw. ausgeführt werden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine Längsschnittansicht eines Stößels.
Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Stößels.
Fig. 3 ist eine Längsschnittansicht eines Stößelhauptkörpers.
Fig. 4 ist eine Längsschnittansicht eines Stößels.
Fig. 5 ist eine Längsschnittansicht eines Stößels.
Fig. 6 ist eine Längsschnittansicht eines Ventilhebers.

Erläuterung der Bezugszeichen:

A: Obergrenze des Vergütungsbereichs
2: Stößelhauptkörper
3: Gleitelement
4: Ventilheber-Hauptkörper
5: Gleitelement
10: Lauffläche
11: Außenumfangsfläche
12: Halbkugelfläche
14: Außenumfangsfläche des Halsabschnitts

Beste Art zur Ausführung der Erfindung:

Beispiel 1:

Fig. 1 zeigt einen Stößel, der als ein Beispiel der Gleitbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
Für den Stößelhauptkörper 2 wurde ein Legierungsstahl, Chromnickelstahl SNC836, für Maschinenbauzwecke (JIS G4102) verwendet. Die Abmessungen dieses Gleitbauteils wiesen einen Durchmesser von ø 30 mm, einen hohlen Abschnitt mit ø 25 mm in einem Innendurchmesser und eine Gesamthöhe von 40 mm auf. Für ein Gleitelement 3, das die Lauffläche 10 gemäß der vorliegenden Erfindung bildete, wurden ein handelsüblicher Siliciumcarbid-(SiC)-Keramikwerkstoff und ein Sintercarbid mit einem Durchmesser von ø 30 mm und einer Dicke von 1,5 mm verwendet, und die Fläche 10 als die Lauffläche wurde bis zu einer Ebenheit von 5 um und einer Oberflächenrauheit von nicht mehr als 1,6 um (Zehnpunkt-Durchschnittsrauheit) bearbeitet.
Die Verbindung des Gleitelementes 3 mit dem Stößelhauptkörper 2 wurde dadurch ausgeführt, dass sie mit einer Ag-Cu-Ti-Lotfüllmasse mit einer Dicke von 50 um 30 Minuten bei 860ºC in Vakuum gehalten wurden. Die Außenumfangsfläche 11 wurde mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 6 kV erwärmt und abgeschreckt. Die Balligkeitsgröße der Kugelgestalt des Mittelabschnitts im Hinblick auf den Außenumfangsrand-Abschnitt (ø 25 mm) erhöhte sich als Mittel von 20 Proben aufgrund der Oberflächenvergütungsbehandlung sowohl in SiC als auch Sintercarbid in Gestalt der Fläche 10 um 9 bzw. 4 um, und die Gesamtballigkeitsgröße betrug 29 um und 22 um.

Beispiel 2:

Ein Stößel mit derselben Gestalt wie der Stößel von Beispiel 1 wurde auf folgende Weise hergestellt:
Für den Stößelhauptkörper 2 wurde ein Legierungsstahl, Chromstahl SCr440 (JIS G4104), für Maschinenbauzwecke verwendet, und das Si&sub3;N&sub4;-Gleitelement 3 wurde auf folgende Weise hergestellt.
Einem handelsüblichen Si&sub3;N&sub4;-Pulver wurden 5 Gew.-% Y&sub2;O&sub3;-Pulver und 2 Gew.-% Al&sub2;O&sub3;- Pulver als Sinterhilfen zugesetzt und unter Verwendung einer Kugelmühle 96 Stunden in Ethanol gemischt. Nach dem Trocknen wurde das resultierende Pulvergemisch formgepresst und ferner einer CIP-Behandlung unterzögen. Danach wurde es vier Stunden bei 1.710ºC in einer Stickstoffatmosphäre mit 2 atm gesintert und als Nächstes eine Stunde bei 1.660ºC in der Stickstoffgasatmosphäre mit 1.000 atm einer HIP-Behandlung unterzogen.
Der resultierende Sinterkörper wies einen Alpha-(α)-Prozentanteil von 11% und 155 Kristallkörner pro 50 um Länge als lineare Kristallkorndichte auf. Der Alpha-(α)-Prozentanteil wurde von einem Spitzenstärkeverhältnis bestimmt d. h. α[(102) + (210)]/ {α[(102) + (210)) + β[(101) + (210)]}, wobei (102) + (210) und (101) + (210) jeweils Spitzenstärken von (α-Siliciumnitrid und α'-Sialon), (β-Siliciumnitrid und β'-Sialon) in Röntgenbeugungsbildern sind. Die mechanischen Eigenschaften des Sinterkörpers sind in Tabelle 1 gezeigt.

Tabelle 1

Mechanische Eigenschaften
Biegebruchfestigkeit 145 kg/mm²
Thermoschockbeständigkeit 860ºC
Temperaturdifferenz
Aus dem resultierenden Sinterkörper wurde ein Rohstück mit einem Durchmesser von 30 mm und einer Dicke von 1 mm herausgeschnitten und die Fläche 10 als Lauffläche bis zu einer Ebenheit von 5 um und einer Oberflächenrauheit von nicht mehr als 1,6 um (Zehnpunkt-Durchschnittsrauheit) bearbeitet. Das Rohstück wurde dann an den Stößelhauptkörper 2 angelötet, indem beide mit einer Ag-Ti-Lotfüllmasse mit einer Dicke von 50 um 30 Minuten bei 1.000ºC in Vakuum gehalten wurden.
Die Oberfläche der Außenumfangsfläche 11 des so gelöteten Stößels wurde mit der Hochfrequenz (400 kHz) auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 vom offenen Abschnitt zum Abschnitt A erwärmt (25 mm vom offenen Abschnitt) und der ganz Stößel unmittelbar danach mit Wasser gekühlt. Anschließend wurde auch die Halbkugelfläche 12 mit Hochfrequenz vergütet (Erwärmungszeit: 5 Sekunden) und dann mit Wassergekühlt.
Nach der Oberflächenvergütungsbehandlung stieg die kugelige Balligkeitsgröße (die Änderungsgröße der Balligkeit) des Mittelabschnitts im Hinblick auf den Außenrandabschnitt (ø 25 mm) der Lauffläche als Mittel von 20 Proben um 8 um, wenn nur die Fläche 11 vergütet wurde, und die Gesamtballigkeitsgröße betrug 32 um. Wenn die Fläche 12 ebenfalls vergütet wurde, stieg die Balligkeitsgröße um weitere 12 um.

Beispiel 3:

Im Beispiel 3 wurde der Vergütungsbereich der Außenumfangsfläche 11 auf 5, 15, 25 und 30 mm bezogen auf die Entfernung vom offenen Abschnitt geändert. Als Ergebnis wurde die Änderungsgröße der Balligkeit aufgrund der Vergütung der Außenumfangsfläche, wie in Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle 2

Beispiel 4:

Im Beispiel 4 wurde die Vergütung der Halbkugelfläche 12 durch Ändern der Erwärmungszeit auf 3, 7 und 9 Sekunden ausgeführt. Als Ergebnis betrug die Änderungsgröße der Balligkeit nach der Vergütung der Außenumfangsfläche als Mittel von 20 Proben 16, 5 bzw. -2 um.

Beispiel 5:

Der Stößel von Beispiel 2, der induktiv gehärtet worden war, wurde in einem Ölbad bei 200ºC wärmebehandelt (angelassen). Als Ergebnis betrug die Änderungsgröße der Balligkeit nach dem Härten der Außenumfangsfläche 11 als Mittel von 20 Proben 5 um.

Beispiel 6:

Fig. 2 zeigt einen als Beispiel für die Gleitbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Stößel.
Für den Stößelhauptkörper 2 wurde ein Legierungsstahl, Chromnickelstahl SCM435 (JIS G4105), für Maschinenbauzwecke verwendet. Die Abmessungen des Gleitbauteils wiesen einen Durchmesser von ø 31 mm, einen hohlen Abschnitt von ø 27 mm im Innendurchmesser und eine Gesamthöhe von 55 mm ein. Das in Beispiel 3 hergestellte Siliciumnitrid wurde bis zu einem Durchmesser von ø 30 mm und einer Dicke von 1,3 mm bearbeitet, um ein Gleitelement 3 zu erhalten. Die Fläche 10 als Lauffläche wurde bis zu einer Ebenheit von 3 um und einer Oberflächenrauheit von nicht mehr als 0,8 um (Zehnpunkt-Durchschnittsrauheit) poliert.
Die Verbindung des Gleitelementes 3 mit dem Stößelhauptkörper 2 wurde dadurch ausgeführt, dass beide mit einer Ag-Cu-Ti-Lotfüllmasse mit einer Dicke von 50 um 40 Minuten bei 880ºC in Vakuum gehalten wurden.
Die Oberfläche der Außenumfangsfläche 11 des so gelöteten Stößels wurde auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 2 durch Hochfrequenz von ihrem offenen Abschnitt zum Abschnitt A erwärmt und der ganze Stößel unmittelbar danach mit Wasser gekühlt. Anschließend wurde auch die Halbkugelfläche 12 durch Hochfrequenz gehärtet und mit Wasser gekühlt. Nachdem ein Anlassen mit 150ºC in einem Ölbad durchgeführt war, wurde der Stößelhauptkörper 2 durch mittenfreies Beschleifen bis zu ø 30,5 mm bearbeitet. Als Ergebnis betrug die Änderungsgröße der Balligkeit nach dem Anlassen als Mittel von 20 Proben 6 um. Übrigens wurde die Balligkeit als Höhenunterschied zwischen dem Mittelabschnitt und dem Außenumfangsabschnitt (ø 25 mm) gemessen.

Beispiel 7:

Fig. 3 zeigt einen als Beispiel der Gleitbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Stößelhauptkörper 2. Als Werkstoff wurde ein Legierungsstahl, Chromnickelstahl SNC631 (JIS G4102), für Maschinenbauzwecke verwendet. Die Abmessungen des Gleitbauteils wiesen einen Durchmesser von ø 25,5 mm, einen hohlen Abschnitt von ø 22 mm im Innendurchmesser und eine Gesamthöhe von 45 mm auf. Das in Beispiel 2 hergestellte Siliciumnitrid wurde zu einem Gleitelement mit einem Durchmesser von ø 24,5 mm und einer Dicke von 1,2 mm bearbeitet und die Fläche 10 als Lauffläche bis zu einer Ebenheit von 3 um und einer Oberflächenrauheit von nicht mehr als 0,8 um (Zehnpunkt-Durchschnittsrauheit) poliert.
Die Verbindung des Gleitelementes 3 mit dem Stößelhauptkörper 2 wurde dadurch ausgeführt, dass sie mit einer Ag-Ti-Lotfüllmasse mit einer Dicke von 50 um 20 Minuten bei 1.100ºC in einem Vakuum gehalten wurden.
Die Oberfläche der Außenumfangsfläche 11 des so gelöteten Stößels wurde auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 2 durch Hochfrequenz vom offenen Abschnitt zum Abschnitt A erwärmt und unmittelbar danach der ganze Stößel mit Wasser gekühlt. Anschließend wurde auch die Halbkugelfläche 12 durch Hochfrequenz vergütet und dann mit Wasser gekühlt. Nach Anlassen des Stößels in einem Ölbad bei 150ºC wurde der Stößelstahlabschnitt durch mittenfreies Beschleifen auf ø 25,0 mm bearbeitet. Danach wurde der Abschnitt nahe dem angefügten Abschnitt bearbeitet und auf ø 24,75 mm endbearbeitet wie in Fig. 4. Als Ergebnis erhöhte sich die Balligkeit der Proben, die an dem Abschnitt nahe dem angefügten Abschnitt bearbeitet wurden, als Mittel von 20 Proben um 5 um gegenüber den nicht bearbeiteten. Übrigens wurde die Balligkeit als Höhenunterschied zwischen dem Mittelabschnitt und dem Außenrandabschnitt gemessen (ø 25 mm).

Beispiel 8:

Fig. 5 zeigt einen als Beispiel der Gleitbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Stößel. Das Gleitelement hatte eine Abmessung eines Schirmabschnitts mit einem Durchmesser von ø 30 mm, einen Halsabschnitt mit einem Durchmesser von ø 17 mm und eine Gesamthöhe von 45 mm. Das in Beispiel 2 hergestellte Siliciumnitrid wurde zum Gleitelement 3 mit einem Durchmesser von ø 30 mm und einer Dicke von 1,2 mm bearbeitet. Die Ebenheit der Fläche 10 und ihre Oberflächenrauheit waren gleich wie beim Beispiel 2.
Für den Stößelhauptkörper 2 wurde ein Legierungsstahl, Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl SNCM616 (JIS G4103), für Maschinenbauzwecke verwendet, der einer Aufkohlungsbehandlung unterzogen worden war (Aufkohlungstiefe: 0,5 mm). Jedoch wurde die Aufkohlungsschicht auf der angefügten Fläche mit dem Gleitelement 3 durch Maschinenbearbeitung entfernt. Die Verbindung mit dem Gleitelement 3 wurde dadurch ausgeführt, dass der Stößelhauptkörper 2 und das Gleitelement 3 mit einer Ag-Cu-Ti- Lotfüllmasse mit einer Dicke von 70 um zehn Minuten bei 860ºC in Vakuum gehalten wurden. Andererseits wurde ein handelsübliches Sintercarbid auf dieselbe Art und Weise wie das Siliciumnitrid bearbeitet und durch Diffusionsverbindung bei 1.050ºC an den Stößelhauptkörper 2 angefügt.
Die Außenumfangsfläche 14 des Halsabschnitts des so gelöteten Stößels wurde mit Hochfrequenz erwärmt und der gesamte Stößel unmittelbar danach mit Wassergekühlt. Als Ergebnis erhöhte sich die Balligkeit in dem Siliciumnitrid und dem Sintercarbid aufgrund der Vergütung als Mittel von 20 Proben um 10 um bzw. 7 um.

Beispiel 9:

Fig. 6 zeigt einen als Beispiel der Gleitbauteile gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Ventilheber. Für den Ventilheber-Hauptkörper 4 wurde ein Legierungsstahl, Nickel-Chrom-Molybdän-Stahl SNCM439 (JIS G4103), für Maschinenbauzwecke verwendet. Die Abmessungen des Gleitbauteils wiesen einen Durchmesser von ø 30 mm und eine Gesamthöhe von 40 mm auf.
Die Lauffläche 10 wird gemäß der vorliegenden Erfindung geformt. Für das Gleitelement 5 wurden ein handelsüblicher Siliciumnitrid-Keramikwerkstoff, ein Sintercarbid und der in Beispiel 2 hergestellte Siliciumnitrid-Keramikwerkstoff mit jeweils einem Durchmesser von ø 27,5 mm und einer Dicke von 6 mm verwendet und alle mit einem Eindrückrand von 50 um zugerichtet. Die Fläche 10 als Lauffläche wurde auf dieselbe Art und Weise bearbeitet wie in Beispiel 1.
Zum Vergüten wurde die Außenumfangsfläche 11 mit einem Elektronenstrahl mit einer Beschleunigungsspannung von 7 kV erwärmt. Im Vergleich zum Außenrandabschnitt (ø 23 mm) schwoll die Gestalt der Lauffläche 10 am Mittelabschnitt des handelsüblichen Siliciumnitrids, Sintercarbids und in Beispiel 2 hergestellten Siliciumnitrids aufgrund der Vergütungsbehandlung als Mittel von 20 Proben um jeweils 7, 5 und 8 um kugelig an, und die Gesamtballigkeitsgrößen betrugen 14, 10 bzw. 15 um.

Industrielle Anwendbarkeit:

Die vorliegende Erfindung formt eine ballige Gestaltung durch Anwenden einer bekannten Oberflächenvergütungsbehandlung an einem aus dem Stahl gefertigten Abschnitt in einem Gleitbauteil, ändert diese ballige Gestaltung durch Wärmebehandlung oder Maschinenbearbeitung des Stahlabschnitts nach der Oberflächenvergütung, formt zumindest eine der Laufflächen, die eine ballige Gestaltung bilden, durch ein Element, vorzugsweise eine Siliciumnitrid-Keramikart mit ausgezeichneter Biegebruchfestigkeit und hoher Thermoschockbeständigkeit, und fügt dieses Element an das Gleitbauteil an oder passt es darin ein. Daher stellt die vorliegende Erfindung die folgenden Nutzeffekte bereit:
1) Da die ballige Gestaltung durch Oberflächenvergütungsbehandlung und die Wärmebehandlung und Maschinenbearbeitung des Stahlabschnitts nach der Oberflächenvergütung übermittelt wird, können der Abschnitt, dem diese ballige Gestaltung verliehen werden soll und die Größe der Balligkeit gesteuert werden.
2) Die Gestalt des Elementes vor der Bearbeitung, das an den Abschnitt angefügt oder angepasst werden soll, der eine Gleitleistung benötigt, ist eine flache Fläche, so dass eine dreidimensionale Vorbearbeitung nicht notwendig ist. Daher können die Gleitbauteile wirtschaftlich bereitgestellt werden.
3) Da die Keramikwerkstoffe als Gleitelement an den Abschnitt angefügt oder angepasst werden, der eine Gleitleistung benötigt, können die Gleitbauteile wirtschaftlich bereitgestellt werden.

Claims

1. Gleitbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines von Elementen, die eine ballig gestaltete Lauffläche formen, an einen aus Stahl hergestellten Abschnitt angefügt oder angepasst ist und die ballig gestaltete Lauffläche durch teilweises Anwenden einer Oberflächenvergütungsbehandlung auf den aus Stahl hergestellten Abschnitt geformt ist.

2. Gleitbauteil gemäß Anspruch 1, wobei der Flächenbereich, auf den die Oberflächenvergütung angewendet wird, wenigstens 30% im Hinblick auf die Fläche beträgt, die durch Subtrahieren des in die ballige Gestalt gebrachten Abschnitts von der Gesamtoberfläche des Bauteils erhalten wird.

3. Gleitbauteil gemäß Anspruch 2, wobei ein Höhenunterschied zwischen dem Mittelabschnitt und einem Außenrandabschnitt der Lauffläche oder anders ausgedrückt, eine sog. Balligkeitsgröße, durch Anwenden der Oberflächenvergütungsbehandlung erhöht wird.

4. Gleitbauteil gemäß Anspruch 2, wobei die Balligkeitsgröße durch Anwenden der Oberflächenvergütungsbehandlung verringert wird.

5. Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Balligkeitsgröße durch Anwenden einer Wärmebehandlung nach der Oberflächenvergütungsbehandlung erhöht wird.

6. Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Balligkeitsgröße durch Bearbeiten eines Teils oder des ganzen Stahlabschnitts nach der Oberflächenvergütungsbehandlung erhöht wird.

7. Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zumindest eines der Elemente, die die ballig geformte Lauffläche durch Oberflächenvergütungsbehandlung formen, aus einem Keramikwerkstoff hergestellt ist.

8. Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zumindest eines der Elemente, die die ballig gestaltete Lauffläche durch Oberflächenvergütungsbehandlung formen, aus einer Siliciumnitrid-Keramikart hergestellt ist, und die Festigkeit bei Raumtemperatur sowie die Temperaturdifferenz zur Darstellung der Thermoschockbeständigkeit wenigstens 100 kg/mm² bzw. wenigstens 800ºC betragen.

9. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines von Elementen, die eine ballig gestaltete Lauffläche formen, an einen aus Stahl hergestellten Abschnitt angefügt oder angepasst wird und die ballig gestaltete Lauffläche durch teilweises Anwenden einer Oberflächenvergütungsbehandlung auf den aus Stahl hergestellten Abschnitt geformt wird.

10. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß Anspruch 9, wobei der Flächenbereich, auf den die Oberflächenvergütung angewendet wird, wenigstens 30% der Fläche beträgt, die durch Subtrahieren des Abschnitts, an dem die Balligkeit gestaltet wird, von der Gesamtoberfläche des Gleitbauteils erhalten wird.

11. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß Anspruch 10, wobei die Balligkeitsgröße an einem bestimmten Abschnitt durch Anwenden der Oberflächenvergütungsbehandlung erhöht wird.

12. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß Anspruch 10, wobei die Balligkeitsgröße an einem bestimmten Abschnitt durch Anwenden der Oberflächenvergütungsbehandlung herabgesetzt wird.

13. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Balligkeitsgröße durch Wärmebehandlung nach der Oberflächenvergütungsbehandlung erhöht wird.

14. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß Anspruch 13, wobei die Temperaturspanne der Wärmebehandlung 100 bis 700ºC beträgt.

15. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 9 bis 14, wobei die Balligkeitsgröße durch Bearbeiten eines Teils oder des ganzen Stahlabschnitts nach der Oberflächenvergütungsbehandlung erhöht wird.

16. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß Anspruch 15, wobei das Bearbeitungsverfahren Polieren ist.

17. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei zumindest eines der Elemente, die die ballig gestaltete Lauffläche durch die Oberflächenvergütungsbehandlung formen, aus einem Keramikwerkstoff hergestellt ist.

18. Produktionsverfahren für ein Gleitbauteil gemäß einem der Ansprüche 9 bis 17, wobei zumindest eines der Elemente, die die ballig gestaltete Lauffläche durch die Oberflächenvergütungsbehandlung formen, aus einer Siliciumnitrid-Keramikart hergestellt ist, und die Festigkeit bei Raumtemperatur sowie die Temperaturdifferenz zur Darstellung der Thermoschockbeständigkeit wenigstens 100 kg/mm² bzw. wenigstens 800ºC betragen.