EP0435019A1 - Formteil, insbesondere Nocken aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Formteil, insbesondere Nocken aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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EP0435019A1
EP0435019A1 EP90123087A EP90123087A EP0435019A1 EP 0435019 A1 EP0435019 A1 EP 0435019A1 EP 90123087 A EP90123087 A EP 90123087A EP 90123087 A EP90123087 A EP 90123087A EP 0435019 A1 EP0435019 A1 EP 0435019A1
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EP
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copper
wear
iron
powder
molybdenum
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Karl Leithner
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F5/00—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product
    • B22F5/08—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of toothed articles, e.g. gear wheels; of cam discs
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C33/00—Making ferrous alloys
    • C22C33/02—Making ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C33/0257—Making ferrous alloys by powder metallurgy characterised by the range of the alloying elements

Definitions

  • the invention relates to a molded part, in particular a cam made of a sintered, powder-metallurgically produced alloy for a modular camshaft for internal combustion engines, and to a method for its production.
  • camshafts of camshafts for internal combustion engines are exposed to very heavy wear.
  • the wear In order to fulfill their task of engine control, the wear must not exceed a few ⁇ m during their entire service life. Load cycles with insufficient lubrication must also be endured.
  • the usual method in literature and technology is the use of high-carbide alloys, which are either produced by powder metallurgy from appropriate materials or by rapid quenching of cast iron. This means that both abrasive and adhesive wear can be kept within limits.
  • the cams are also exposed to thermal stress. For this reason, the cams have to be so hard that they can maintain them even after a long start. This can be achieved by hardening and then tempering at a temperature above the operating temperature.
  • the cams should also exhibit excellent operating behavior under operating conditions in which there is insufficient lubrication and which promote adhesive wear.
  • the polishing wear is an appearance of the abrasive wear, in which there is very little abrasion with a small corrugation width due to the appropriately fine abrasive materials.
  • the cam which has been worn out in this way appears to be polished to a polished finish, the roughness of the worn areas usually being much smaller than that of the undamaged (ground) areas.
  • the polishing wear can be caused as three-body wear by quartz dust in the oil. Sand is one of the most common abrasives that occur in engineering. Since the polishing wear also occurs under test conditions in which contamination of the oil can be ruled out, there must also be another mechanism. Obviously, the polishing wear can also be promoted by a hard, rough counterpart that contains no carbides.
  • Eating is a result of adhesive wear, i.e. the mutual welding of the surfaces. It is favored by the use of martensitic base and counter bodies (8) and by the use of unalloyed oil. Experiments with increased spring force of the valve spring also favor seizure. While in forty-three pairs twenty-six failed to eat when unalloyed oil was used, not a single pair failed to eat when using alloyed oil (8). However, the failure due to pitting in alloyed oil increased from seventeen pairs to thirty-five pairs (8).
  • Molybdenum is found in many P / M steels. The reason for the frequent use of 0.5% molybdenum is certainly of a purely practical nature. Commercial base iron powder contains 0.5% molybdenum. A conscious admixture only happens in the rarest of cases. Fe-P-Cu-Mo alloys with Cu contents up to 4% and Mo contents between 2% and 4% have also been investigated (17). All alloying elements were mixed in elementally. The samples with 2% Mo and 4% Cu have an irregular two-phase structure after sintering at 1200 C for one hour. This inhomogeneity becomes even clearer when the Mo content is increased to 4%. Carbon slows down the diffusion of Cu into Fe, but it does not prevent complete dissolution.
  • the invention is based on this prior art, which aims to improve the emergency running properties of a cam, which is achieved according to the invention in that the alloy has a hardened matrix with embedded copper and from 0.5-16% by weight molybdenum , 1 - 20% by weight of copper, 0.1 - 1.5% by weight of carbon and optionally from admixtures of chromium, manganese, silicon and nickel of a total of max. 5 wt .-% and consists of the rest of iron.
  • the additives are used to adapt the alloy to the application in terms of secondary hardness, strain hardening and hardenability.
  • a sinter powder made of 0.5-16% by weight of molybdenum, 1-20% by weight of copper, 0.1-1.5% by weight of carbon and optionally from admixtures of Chromium, manganese, silicon and nickel of a total of max. 5 wt .-% and from the rest of iron to a cam molding with a green density above 7 g / cm 3 is pressed and sintered at temperatures below 1150 ° C for a sintering time of 10 to 60 minutes and then tempered.
  • FIG. 1 is an enlargement on a scale of 200: 1;
  • Fig. 2 is an enlargement of the same micrograph on a scale of 500: 1.
  • the martensite has a very even appearance. No inhomogeneities can be seen. This corresponds to the expectations, since a pre-alloyed, i.e. already homogeneous powder was used.
  • the copper is present in irregular spots evenly distributed over the structure.
  • the size of the copper grains is 10 to 30 ⁇ m.
  • the pores are well rounded. They are distributed bimodally. One size range is around the value normally observed for steels of 5 ⁇ m, the second is around 50 ⁇ m.
  • the large pores are secondary pores that result from the dissolution of copper.
  • microhardness was less than 50 HV0.01. Since the phase was very finely divided, the diagonals of the impressions were almost as large as the areas themselves, so that an exact specification of the microhardness is not possible.
  • the hardness of pure copper is 34 HV (38).
  • the light areas are copper and not carbides or an alloy of copper and iron or an intermetallic phase of iron and molybdenum. In any case, there should be no doubt about the identity of the pores and the martensite.
  • the martensitic areas in the core had a hardness of just under 400 HV0.01.
  • the macro hardness HV10 was determined to be 372. The hardness values were measured in the core.
  • the volume fraction of the undissolved copper was determined.
  • the copper content was 7.8% by volume.
  • the chemically analyzed copper content was determined to be 7.4% by weight.
  • the density of copper is somewhat greater than that of iron, so that a larger proportion would be derived from stereological analysis.
  • the results from the two analyzes can be regarded as the same. This means that the copper is completely undissolved, the matrix is probably completely free of Cu.
  • the volume fraction of the pores was also determined stereologically and using gravimetric density measurements. The corresponding value was 6.5%.
  • the alloy Fe / 1.5Mo / 10Cu / 0.8C consists, in addition to a small proportion of pores, of elemental copper and martensite, in which only a negligible proportion of copper is dissolved. While the pores on the surface improve the lubrication somewhat, the copper content serves as a solid lubricant to improve the emergency running properties.
  • the martensite causes the resistance to abrasive wear.
  • molybdenum Only molybdenum can be held responsible for this.
  • the insolubility of copper in molybdenum (34) suggests that molybdenum greatly reduces the solubility of copper in iron. If one looks at a phase diagram of Fe-Mo, it is noticeable that the transition from gamma to a-iron takes place at 2.6% by weight (1.5 at.%) Mo in the range around 1100 ° C. Molybdenum is therefore a very strong ⁇ -opener, i.e. the steel is preferably in the krz structure.
  • the solubility of copper in iron is much lower in the a phase than in the automotive gamma phase: While up to 7.5% by weight dissolves in gamma iron, the maximum solubility in the a phase is only 1.4% by weight (36). The fact that the a-phase is largely stabilized by the molybdenum (1.5% by weight) largely prevents the copper from diffusing in. However, copper is obviously not completely insoluble in Fe-Mo. In the Fe-1% Mo system, the diffusion coefficient of copper was measured (37), which suggests that finite solubility for copper exists at least at these small molybdenum concentrations.
  • the upper limit is rather set by economic considerations.
  • the Mo content will therefore be limited to around 16%.
  • the a region is left at the sintering temperature (1120 C), which can lead to a change in the behavior of the alloy. This limit could therefore be called the upper limit.
  • the copper content must be selected so that it guarantees the required emergency running properties.
  • the lower limit can be set at around 1%, since the effect of copper as a solid lubricant will hardly suffice.
  • a value must be chosen as the upper limit, in which a sufficient part of the structure is still present in the form of the hard martensitic matrix, in order to guarantee that the supporting surface remains sufficiently large. In terms of magnitude, an upper limit of 20% can be assumed.
  • the alloy according to the invention can only be produced by powder metallurgy.
  • the special structure which consists of a martensitic matrix and elementary copper, is created directly by the sintering process.
  • the extremely low solubility of copper in Fe-Mo is exploited, which means that the copper content is practically completely available as a solid lubricant and does not lead to swelling as is the case with Cu-alloyed materials. It can be assumed that a comparable structure is obtained when using a mixed or diffusion alloy powder.
  • Molybdenum very effectively prevents the copper from dissolving in the matrix, so that the copper can be available as a solid lubricant.
  • a solid lubricant By using a solid lubricant, a major problem of wear in the cam-counter body system, the adhesion, is successfully solved.
  • the molybdenum prevents the swelling otherwise observed in copper-alloyed materials. This increases the working accuracy and improves the mechanical properties.
  • a ge mixed alloy Fe-C-Mo powder is first solidified by sintering and homogenized. By choosing a very low green density, open pores remain in the structure, which are closed by impregnation with copper. A comparable structure can also be created in this way. A pre-alloyed powder can also be assumed in this process variant.

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Abstract

Formteile, insbesondere Nocken für Nockenwellen von Verbrennungskraftmaschinen, sind hohen Verschleißbeanspruchungen ausgesetzt. Um sie verschleißfest zu machen, werden sie aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung hergestellt. Die Legierung weist eine gehärtete Matrix mit eingelagertem Kupfer auf und besteht aus 0,5 - 16 Gew.-% Molybdän, 1 - 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 - 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und gegebenenfalls aus Beimengungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nickel von in der Summe max. 5 Gew.-% und aus dem Rest Eisen.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf einen Formteil, insbesondere einen Nocken aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung für eine baukastenartig zusammengesetzte Nockenwelle für Verbrennungskraftmaschinen sowie auf ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Die Nocken von Nockenwellen für Verbrennungskraftmaschinen sind einer sehr starken Verschleißbelastung ausgesetzt. Um ihre Aufgabe der Motorsteuerung zu erfüllen, darf der Verschleiß während ihrer gesamten Lebensdauer nicht mehr als einige um betragen. Hierbei müssen auch Lastzyklen unter Mangelschmierung ertragen werden. Die in Literatur und Technik übliche Methode ist die Verwendung von hochkarbidhaltigen Legierungen, die entweder pulvermetallurgisch aus entsprechenden Werkstoffen oder durch schnelles Abschrecken von Gußeisen erzeugt werden. Dadurch können sowohl der abrasive als auch der adhäsive Verschleiß in Grenzen gehalten werden.
  • Neben der mechanischen sind die Nocken auch einer thermischen Belastung ausgesetzt. Daher müssen die Nocken bezüglich Ihrer Härte so beschaffen sein, daß sie diese auch nach einem länger anhaltenden Anlassen aufrechterhalten. Das kann durch Härten und anschließendes Anlassen bei einer Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur erreicht werden. Auch unter Betriebsbedingungen, bei denen Mangelschmierung auftritt und die den adhäsiven Verschleiß fördern, sollen die Nocken ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten aufweisen.
  • Seit einigen Jahren, insbesondere seit die baukastenartig zusammengesetzten Nockenwellen für Verbrennungskraftmaschinen aufgekommen sind (1, 2), wurde die Auseinandersetzung mit dem Verschleiß im Nocken-Gegenkörper-System intensiviert. Neben Hinweisen, daß der Verschleiß in diesem System empfindlich von der Schmierung (3) und der Endbearbeitung durch Schleifen bzw. Superfinish (4, 5) abhängt, gibt es eine große Zahl von Veröffentlichungen, die das Problem auf der Basis der Werkstoffentwicklung zu lösen versuchen.
  • Für einen erfolgversprechenden Ansatz muß zunächst die Verschleißproblematik dieses Systems analysiert werden. In zahlreichen Veröffentlichungen (3, 6, 7) wird darauf hingewiesen, daß die Erscheinungsbilder des Verschleißesvor allem Polierverschleiß, Pittingbildung und Fressen sind.
  • Der Polierverschleiß ist ein Erscheinungsbild des abrasiven Verschleißes, bei dem durch entsprechend feine Abrasivstoffe ein sehr geringer Abtrag mit kleiner Furchungsbreite vorliegt. Der so verschlissene Nocken erscheint als blank poliert, wobei die Rauheit der verschlissenen Bereiche gewöhnlich wesentlich kleiner als die der ungeschädigten (geschliffenen) Bereiche ist. Der Polierverschleiß kann als Dreikörperverschleiß durch Quarzstaub im Öl verursacht werden. Sand ist einer der häufigsten Abrasivstoffe, die in der Technik auftreten. Da der Polierverschleiß auch unter Versuchsbedingungen auftritt, bei denen eine Verunreinigung des Öls ausgeschlossen werden kann, muß es auch noch einen anderen Mechanismus geben. Offensichtlich kann der Polierverschleiß auch durch einen harten rauhen Gegenkörper gefördert werden, der keine Karbide enthält.
  • Die Pittingbildung ist Folge einer Oberflächenermüdung. Die Druckschwellbeanspruchung der Nockenoberfläche, die durch die Kinematik vorgegeben ist, kann zur lokalen Rißausbreitung führen. Die Risse laufen unterhalb der Oberfläche und schließen sich entweder mit anderen Rissen zusammen oder treten wieder aus der Oberfläche aus. Folge ist die Bildung von relativ großen Verschleißteilchen und Grübchen auf der Oberfläche. Durch Additive im Öl kann diese Verschleißerscheinung gefördert werden (3), wenn die Additive die Rißausbreitung, z.B. durch Herabsetzen der Oberflächenenergie, erleichtern.
  • Das Fressen ist eine Folge von adhäsivem Verschleiß, also dem gegenseitigen Verschweißen der Oberflächen. Es wird durch die Verwendung von martensitischen Grund- und Gegenkörpern (8) und durch die Verwendung von unlegiertem Öl begünstigt. Auch Versuche mit erhöhter Federkraft der Ventilfeder begünstigen das Fressen. Während bei dreiundvierzig Paarungen sechsundzwanzig durch Fressen versagten, wenn unlegiertes Öl verwendet wurde, versagte keine einzige Paarung durch Fressen bei der Verwendung von legiertem Öl (8). Dafür nahm das Versagen durch Pittingbildung bei legiertem Öl von siebzehn Paarungen auf fünfunddreißig Paarungen zu (8).
  • Trotz des häufigen Auftretens von Pittingbildung wird dieser Verschleißerscheinung bei den Untersuchungen weniger Aufmerksamkeit geschenkt als den beiden anderen. Die Pittingbildung an sich beeinflußt die Funktion des Nockens im Grunde nicht (6). Sie verringert aber die tragende Oberfläche, so daß die Flächenpressung ansteigt, wodurch ein Versagen durch Fressen hervorgerufen werden kann. Zudem läßt sich die Neigung zur Pittingbildung in Kurzzeittests mit erhöhter Last gut erkennen (7), während die Extrapolation bei Polier-und Freßverschleiß nur mit äußerster Vorsicht vorgenommen werden kann (8, 9). Die Pittingbildung ist also unkritisch, solange sie nur in geringem Maß auftritt. Außerdem kann sie versuchstechnisch leicht simuliert werden.
  • Die meisten Veröffentlichungen beschäftigen sich mit der Vermeidung des Freß- und Polierverschleißes. Dabei zielen alle Versuche darauf ab, Werkstoffe mit einem hohen Karbidanteil zu erzeugen (2, 6, 8, 9, 10, 11, 12, 13). Durch ihre große Härte verringern die Karbide die Eindringtiefe des Gegenkörpers. Dadurch wird die Größe der Verschleißteilchen und damit die mögliche Vershleißgeschwindigkeit erniedrigt (14). Die zweite Wirkung liegt in der geringen Adhäsionsneigung, die die Karbide aufweisen. Der Adhäsionsverschleiß wird durch die Karbide bei ausreichend großem Volumenanteil vollständig vermieden. Ansätze, den Nockenverschleiß durch einen Festschmierstoff, der im Nocken eingebettet ist, zu verringern, sind nicht bekannt.
  • Die Einbettung von Schmierstoffen bei gesinterten Legierungen wird schon seit langer Zeit verwendet, um selbstschmierende Lager herzustellen (15). Verwendet wird z. B. Blei, das durch Tränken in eine relativ komplexe Legierung (Fe-Co-Mo-Ni-Cr-Si-C) eingebracht wird. Diese Legierung bewährt sich beim Einsatz für Ventilsitze in Verbrennungsmotoren (16).
  • Über Kupfer als Legierungselement wurde in der Literatur bereits viel diskutiert, da es ein leicht zu verarbeitendes Element ist (sein Sauerstoffpotential ist wesentlich geringer als das von Eisen). Häufig werden die mechanischen Eigenschaften (17, 18) oder das Maßverhalten (19, 20) sowie die Homogenisierung (21) diskutiert. In der konventionellen Stahltechnologie ist Kupfer als Stahlschädling bekannt, da es die Neigung zum Rotbruch fördert (22). Bei der pulvermetallurgischen Herstellung spielt dieser Versagensfall jedoch keine Rolle, solange die Formteile nicht durch Sinterschmieden umgeformt werden sollen.
  • Der Einfluß von. Kupfer auf den Verschleiß von Sintereisen ist wesentlich geringer als der Einfluß der Dichte, zumindest bei Kupferbeimischungen von 0 bis 2 % (23). Es wurden Proben unterschiedlicher Dichte im Amsler-Tribometer (zwei Walzen rollen mit einem Schlupfanteil von 10 % gegeneinander ab) untersucht. Die Atmosphäre (Luft, Argon oder Sauerstoff) hat einen entscheidenden Einfluß auf den Verschleißbetrag, der Verschleiß unter Sauerstoff ist um den Faktor 72 größer als der an Luft. Da der Verschleiß unter Argon zwischen den beiden Werten liegt, ist ein Einfluß von Wasserdampf bei den Versuchen wahrscheinlich. Die Sinterbedingungen (1120 C) lassen vermuten, daß das Kupfer vollständig in der Matrix gelöst ist.
  • Es wurde auch der Einfluß von Kupferbeimischungen im Bereich von 0 bis 4 % zu verschiedenen phosphorhaltigen Sinterstählen untersucht (24). Bei den höherlegierten Varianten (4 % Mo, 4 % Ni oder 4 % MCM, einer Masterlegierung aus Molybdän, Chrom und Mangan) verursacht eine Zugabe von Kupfer eine Abnahme des Verschleißes im Stift-Scheibe-Versuch. Bei den niedriger legierten Varianten hat der Kupferzusatz einen relativ unsystematischen Einfluß. Die Wirkung des Kupfers beruht auf der Matrixhärtung. Obwohl die Sinterdichte mit steigendem Kupferanteil abnimmt, steigt die Härte kontinuierlich mit dem Kupfergehalt an. Es kann dabei wegen der Härtesteigerung davon ausgegangen werden, daß das Kupfer in der Matrix vollständig gelöst ist. Auch die Dichteabnahme ist ein Hinweis hierauf. Kupfer führt zu einer Dichteabnahme während des Sinterns, wenn es sich in der Matrix löst und an den Stellen, an denen es ursprünglich vorlag, Poren zurückbleiben.
  • Die Kombination einer Bindephase aus Kupfer, Mangan oder Nickel bzw. Kombinationen davon mit sehr harten HSS-Teilchen wurden auch schon untersucht (25). Die so erzeugte Struktur ist duktiler als reiner HSS und bewährt sich gut für Verschleißanwendungen.
  • In vielen anderen Untersuchungen (26, 27, 28, 29) dient Kupfer als Modellwerkstofffür Grundlagenuntersuchungen. Bemerkenswert erscheint der Befund, daß die Verschleißgeschwindigkeit von Kupfer beim trockenen Gleiten gegen Eisen um den Faktor 5 unter der von Nickel liegt (28). Dieses Ergebnis weist auf die geringe Adhäsionsneigung von Kupfer-Eisen-Paarungen und die damit verbundenen guten Notlaufeigenschaften des Kupfers hin.
  • Molybdän findet sich in sehr vielen P/M-Stählen. Der Grund für die häufige Verwendung von 0,5 % Molybdän ist sicher rein praktischer Natur. Im Handel befindliche Basiseisenpulver enthalten 0,5 % Molybdän. Eine bewußte Beimischung geschieht nur in den seltensten Fällen. Fe-P-Cu-Mo-Legierungen mit Cu-Gehalten bis 4 % und Mo-Gehalten von 2 % und 4 % wurden ebenfalls untersucht (17). Alle Legierungselemente wurden elementar beigemischt. Die Proben mit 2 % Mo und 4 % Cu weisen nach einer einstündigen Sinterung bei 1200 C ein irreguläres zweiphasiges Gefüge auf. Bei Erhöhung des Mo-Gehaltes auf 4 % ist diese Inhomogenität noch deutlicher. Kohlenstoff verlangsamt die Diffusion von Cu in Fe, er verhindert aber nicht die vollständige Auflösung.
  • Zur Beherrschung des Verschleißes des Nocken-Gegenkörper-Systems sind zahlreiche Versuche bekannt, die bisher alle auf der Erzeugung eines karbidreichen Gefüges basieren.
  • Von diesem Stand der Technik geht die Erfindung aus, die darauf abzielt, die Notlaufeigenschaften eines Nockens zu verbessern, was gemäß der Erfindung dadurch gelingt, daß die Legierung eine gehärtete Matrix mit eingelagertem Kupfer aufweist und aus 0,5 - 16 Gew.-% Molybdän, 1 - 20 Gew.- % Kupfer, 0,1 - 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und gegebenenfalls aus Beimengungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nickel von in der Summe max. 5 Gew.-% und aus dem Rest Eisen besteht. Die Beimengungen werden eingesetzt, um die Legierung dem Anwendungsfall in Hinblick auf die Sekundärhärte, die Verformungsverfestigung und die Durchhärtbarkeit anzupassen. Das Verfahren zur Herstellung eines solchen Nockens ist nun dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterpulver aus 0,5 - 16 Gew.-% Molybdän, 1 - 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 - 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und gegebenenfalls aus Beimengungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nikkel von in der Summe max. 5 Gew.-% und aus dem Rest Eisen zu einem Nockenformling mit einer Gründichte über 7 g/cm3 verpreßt wird und bei Temperaturen unterhalb von 1150 ° C während einer Sinterzeit von 10 bis 60 Minuten gesintert und anschließend vergütet wird.
  • Beispiel:
    • Auf der Basis eines vorlegierten Pulvers aus Eisen und Molybdän wurde eine Pulvermischung mit 1,5 Gew.-% Molybdän, 10 Gew.-% Kupfer, 0,8 Gew.-% Kohlenstoff und dem Rest Eisen hergestellt. Durch Pressen mit einem Druck von 1500 MPa wurden Nocken mit einer Gründichte von 7,2 g/cm3 hergestellt. Durch Sintern bei 1120 0 C für 30 min wurde das Gefüge konsolidiert. Ein anschließendes Vergüten durch Glühen bei 930 ° C für 60 min, Abschrecken in Öl und Anlassen bei 150 C für 60 min wurde ein Gefüge erzeugt, das eine Oberflächenhärte von 44,4 HRC (793 HVI) besitzt. Obwohl über 7 Vol.-% des Gefüges aus elementarem Kupfer bestanden, wurde die hohe Härte erreicht. Die Nocken erwiesen sich im Prüfstand als außerordentlich verschleißfest. Auch unter Bedingungen, bei denen Mangelschmierung auftritt und die daher adhäsiven Verschleiß fördern, wiesen die Nocken ein ausgezeichnetes Betriebsverhalten auf.
  • Die beigefügten Darstellungen zeigen ein Schliffbild eines erfindungsgemäßen Nockens, der nach dem oben erläuterten Beispiel gefertigt ist. Fig. 1 ist eine Vergrößerung im Maßstab 200 : 1; Fig. 2 eine Vergrößerung desselben Schliffbildes im Maßstab 500 : 1.
  • Das Schliffbild läßt ganz klar drei Phasen erkennen:
    • 1. Martensit (grau)
    • 2. Kupfer (hell)
    • 3. Poren (schwarz)
  • Der Martensit hat eine sehr gleichmäßige Erscheinungsform. Inhomogenitäten sind nicht zu erkennen. Das entspricht den Erwartungen, da ein vorlegiertes, also bereits homogenes Pulver verwendet wurde.
  • Das Kupfer liegt in unregelmäßigen Flecken gleichmäßig über das Gefüge verteilt vor. Die Größe der Kupferkörner liegt bei 10 bis 30 µm. Die Poren sind gut gerundet. Sie sind bimodal verteilt. Ein Größenbereich liegt um den bei Stählen normalerweise beobachteten Wert von 5 um, der zweite liegt um 50 um. Bei den großen Poren handelt es sich um Sekundärporen, die durch das Auflösen von Kupfer entstehen.
  • Mit Hilfe von Mikrohärtemessungen wurden einzelne Phasen identifiziert. Für die hellen Bereiche ergab sich eine Mikrohärte von unter 50 HV0,01. Da die Phase sehr fein verteilt vorlag, waren die Eindruckdiagonalen fast so groß wie die Bereiche selbst, so daß eine genaue Angabe der Mikrohärte nicht möglich ist. Die Härte von reinem Kupfer beträgt 34 HV (38).
  • Es ist damit sicher, daß es sich bei den hellen Bereichen um Kupfer und nicht etwa um Karbide oder eine Legierung aus Kupfer und Eisen oder eine intermetallische Phase aus Eisen und Molybdän handelt. An der Identität der Poren und des Martensits dürfte ohnehin kein Zweifel bestehen. Die martensitischen Bereiche im Kern hatten eine Härte von knapp 400 HV0,01. Die Makrohärte HV10 wurde zu 372 bestimmt. Die Härtewerte wurden im Kern gemessen.
  • Mit Hilfe der quantitativen Stereologie (Punktanalyse (30)) wurde der Volumenanteil des nicht gelösten Kupfers ermittelt. Es ergab sich ein Kupferanteil von 7,8 Vol.-%. Der chemisch analysierte Kupfergehalt wurde zu 7,4 Gew.-% ermittelt. Die Dichte von Kupfer ist etwas größer als die von Eisen, so daß sich ein gewichtsmäßig eher größerer Anteil aus der stereologischen Analyse ergeben würde. Im Rahmen der immer gegebenen Meßfehler können die Ergebnisse aus den beiden Analysen als gleich angesehen werden. Das bedeutet, daß das Kupfer vollständig ungelöst vorliegt, die Matrix ist wahrscheinlich völlig Cu-frei.
  • Der Volumenanteil der Poren wurde ebenfalls stereologisch und über gravimetrische Dichtemessungen ermittelt. Es ergab sich ein übereinstimmender Wert von 6,5 %.
  • Die Legierung Fe/1,5Mo/10Cu/0,8C besteht neben einem geringen Porenanteil aus elementarem Kupfer und Martensit, in dem nur verschwindend geringe Anteile von Kupfer gelöst sind. Während die an der Oberfläche liegenden Poren die Schmierung etwas verbessern, dient der Kupferanteil als Festschmierstoffzur Verbesserung der Notlaufeigenschaften. Der Martensit bedingt den Widerstand gegen abrasiven Verschleiß.
  • Bei der Verwendung von anlegiertem Pulver sinken die Preßkräfte, und auch der Verschleiß der Werkzeuge bei der Herstellung des Formlinges wird reduziert, und es können auch leichter verschiedene Legierungsgehalte eingestellt werden. Es ist aber auch denkbar, ein gemischtlegiertes Pulver einzusetzen, wobei aber unter Berücksichtigung der Diffusionseigenschaften von Kupfer und Molybdän nicht auszuschließen ist, daß sich ein deutlich anderes Gefügebild ergeben könnte, da sich dann Kupfer teilweise im Eisen lösen dürfte, so daß der Anteil des freien elementaren Kupfers im Gefüge drastisch sinkt.
  • Die durch die erfindungsgemäßen Vorschläge erzielten Ergebnisse sind selbst für den einschlägigen Fachmann überraschend. Nach den bisherigen Erfahrungen müßte sich ein großer Teil des in der Legierung enthaltenen Kupfers auch nach relativ kurzen Sinterzeiten und niedrigen Sintertemperaturen lösen. In einer grundlegenden Arbeit hat Bockstiegel (20) gezeigt, daß der Auflösungsvorgang bei 1150 C bereits nach weniger als 30 min vollständig abgeschlossen ist. Die Löslichkeit gibt Bockstiegel in Übereinstimmung mit (36) zu 7,5 % an. Bei einem Kupfergehalt von 10 % dürften daher nach ausreichender Sinterung nur noch 2,5 % unaufgelöstes Cu zu finden sein. Die quantitative Analyse der Legierung hat aber gezeigt, daß praktisch das gesamte Kupfer unaufgelöst in der Matrix vorliegt.
  • Hierfür kann wohl nur Molybdän verantwortlich gemacht werden. Die Unlöslichkeit von Kupfer in Molybdän (34) legt die Vermutung nahe, daß Molybdän die Löslichkeit von Kupfer in Eisen stark herabsetzt. Betrachtet man ein Phasendiagramm Fe-Mo, dann fällt auf, daß bei 2,6 Gew.-% (1,5 At.- %) Mo im Bereich um 1100 ° C der Übergang vom Gamma- ins a-Eisen stattfindet. Molybdän ist also ein sehr starker α-Öffner, d.h. der Stahl liegt bevorzugt in der krz-Struktur vor.
  • Die Löslichkeit von Kupfer in Eisen ist aber in der a-Phase wesentlich geringer als in der kfz Gamma-Phase: Während sich im Gamma-Eisen bis zu 7,5 Gew.-% lösen, beträgt die maximale Löslichkeit in der a-Phase nur 1,4 Gew.-% (36). Dadurch, daß die a-Phase durch das Molybdän (1,5 Gew.-%) weitestgehend stabilisiert wird, wird ein Eindiffundieren des Kupfers weitestgehend verhindert. Völlig unlöslich ist Kupfer in Fe-Mo jedoch offensichtlich nicht. Im System Fe-1%Mo wurde der Diffusionskoeffizient von Kupfer gemessen (37), was darauf schließen läßt, daß eine endliche Löslichkeit für Kupfer zumindest bei diesen kleinen Molybdän-Konzentrationen vorliegt.
  • Die Untersuchungsergebnisse weisen darauf hin, daß der Molybdängehalt in der richtigen Größenordnung gewählt wurde. Ein Gehalt von 0,5 % reicht wahrscheinlich nicht aus, um die Löslichkeit von Kupfer in dem hier beobachteten Maß zu erniedrigen. 0,5 % erscheint daher als eine vernünftige Untergrenze.
  • Die Obergrenze wird eher durch wirtschaftliche Überlegungen festgesetzt. Der Mo-Gehalt wird daher auf etwa 16 % beschränkt werden. Bei 16 Gew.-% Mo wird bei Sintertemperatur (1120 C) das a-Gebiet verlassen, was zu einer Änderung des Verhaltens der Legierung führen kann. Daher könnte diese Grenze als Obergrenze genannt werden.
  • Der Kupfergehalt muß so gewählt werden, daß er die erforderlichen Notlaufeigenschaften garantiert. Die Untergrenze kann auf etwa 1 % festgelegt werden, da darunter die Wirkung des Kupfers als Festschmierstoff kaum noch ausreichen wird. Als Obergrenze muß ein Wert gewählt werden, bei dem noch ein ausreichender Teil des Gefüges in Form der harten martensitischen Matrix vorliegt, um zu garantieren, daß die tragende Fläche noch genügend groß bleibt. Größenordnungsmäßig kann dabei von einer Obergrenze um 20 % ausgegangen werden.
  • Die erfindungsgemäße Legierung ist nur pulvermetallurgisch herstellbar. Das besondere Gefüge, das aus einer martensitischen Matrix und elementarem Kupfer besteht, wird durch den Sinterprozeß direkt erzeugt. Dabei wird die außerordentlich geringe Löslichkeit von Kupfer in Fe-Mo ausgenutzt, wodurch der Kupferanteil praktisch vollständig als Festschmierstoff zur Verfügung steht und auch nicht wie sonst bei Cu-legierten Werkstoffen zur Schwellung führt. Daß sich bei Verwendung eines gemischt- oder diffusionslegierten Pulvers ein vergleichbares Gefüge einstellt, kann angenommen werden.
  • Wie der Stand der Technik zeigt, sind zwar verschiedene Metalle als Festschmierstoffe in gesinterten Werkstoffen bekannt, die Anwendung von Kupfer als Problemlösung für das Nocken-Gegenkörper-System ist aber neu. Gegenüber einigen Verfahren, bei denen der Festschmierstoff, z.B. Blei, durch Tränken in die Matrix eingebracht wird, hat die erfindungsgemäße Legierung den Vorteil, daß das Kupfer von vorneherein im Werkstoff enthalten ist. Es ist aber auch möglich, das Kupfer durch Tränken eines Formteiles geringer Dichte einzubringen. Außerdem können eine gleichmäßige Kupferverteilung und ein fester Kupfergehalt garantiert werden, wogegen beim Tränken der Volumenanteil und die Verteilung durch die Verteilung und Größe der offenen Poren vorgegeben wird. Diese ist aber wesentlich schwerer zu beeinflussen als die Größe, Menge und Verteilung des Kupfers in der Pulvermischung, so daß die Prozeßsicherheit in dem hier vorgestellten System erhöht wird.
  • Molybdän verhindert sehr wirkungsvoll das Auflösen des Kupfers in der Matrix, so daß das Kupfer als Festschmierstoff zur Verfügung stehen kann. Durch den Einsatz eines Festschmierstoffes wird ein Hauptproblem des Verschleißes im Nocken-Gegenkörper-System, die Adhäsion, erfolgreich gelöst. Als positiven Zusatzeffekt verhindert das Molybdän die sonst bei kupferlegierten Werkstoffen beobachtete Schwellung. Hierdurch werden die Arbeitsgenauigkeit erhöht und die mechanischen Eigenschaften verbessert.
  • Werden die erfindungsgemäßen Vorteile insbesondere durch die Verwendung von vorlegiertem Pulver erzielt, so ist es auch denkbar, ein vergleichbares Gefüge anders herzustellen: Ein gemischtlegiertes Fe-C-Mo-Pulver wird zunächst durch Sintern verfestigt und homogenisiert. Durch Wahl einer sehr geringen Gründichte verbleiben in dem Gefüge offene Poren, die durch Tränken mit Kupfer geschlossen werden. Auch so kann ein vergleichbares Gefüge erzeugt werden. Dabei kann auch bei dieser Verfahrensvariante von einem vorlegierten Pulver ausgegangen werden.
  • Vorstehende Überlegungen, soweit sie sich auf die Verschleißeigenschaften von Nocken beziehen, sind auch relevant für andere Formteile, die einem Verschleiß unterworfen sind, beispielsweise Schlepphebel, Kipphebel usw., also Formteile, die auf Gleitverschleiß beansprucht sind.
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Claims (6)

1. Formteil, insbesondere Nocken aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung für eine baukastenartig zusammengesetzte Nockenwelle für Verbrennungskraftmaschinen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine gehärtete Matrix mit eingelagertem Kupfer aufweist und aus 0,5 - 16 Gew.-% Molybdän, 1 - 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 - 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und gegebenenfalls aus Beimengungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nickel von in der Summe max. 5 Gew.-% und aus dem Rest Eisen besteht.
2. Verfahren zur Herstellung eines Formteiles, insbesondere eines Nockens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sinterpulver aus 0,5 - 16 Gew.-% Molybdän, 1 - 20 Gew.-% Kupfer, 0,1 - 1,5 Gew.-% Kohlenstoff und gegebenenfalls aus Beimengungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nickel von in der Summe max. 5 Gew.-% und aus dem Rest Eisen zu einem Nockenformling mit einer Gründichte über 7 g/cm3 verpreßt wird und bei Temperaturen unterhalb von 1150 * C während einer Sinterzeit von 10 bis 60 Minuten gesintert und anschließend vergütet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein vorlegiertes Eisen-Molybdän-Pulver verwendet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Kupfer durch Zumischen in das vorlegierte Eisen-Molybdän-Pulver eingetragen wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein anlegiertes oder gemischt-legiertes Eisen-Molybdän-Pulver durch Sintern verfestigt und homogenisiert und anschließend das Kupfer durch Tränken in die offenen Poren des Gefüges des Werkstückes eingebracht wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoff durch Zumischen von Graphit zum Sinterpulver oder ganz oder teilweise durch eine aufkohlende Atmosphäre während des Sinterns und/oder während des Härtens eingebracht wird.
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