EP0435019B1

EP0435019B1 - Workpiece, especially cam from sintered powder metal alloy and process for preparing same

Info

Publication number: EP0435019B1
Application number: EP90123087A
Authority: EP
Inventors: Karl Leithner
Original assignee: Supervis
Current assignee: Supervis
Priority date: 1989-12-20
Filing date: 1990-12-03
Publication date: 1995-05-17
Anticipated expiration: 2010-12-03
Also published as: US5082433A; KR910011370A; EP0435019A1; KR0183390B1; CA2032300A1; ES2075122T3; CA2032300C; JPH03291361A; DE59009097D1; DE3942091C1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Nocken aus einer gesinterten, pulvermetallurgisch hergestellten Legierung für eine baukastenartig zusammengesetzte Nockenwelle für Verbrennungskraftmaschinen und ein Verfahren zu seiner Herstellung.The invention relates to a cam made of a sintered, powder-metallurgically produced alloy for a modular camshaft for internal combustion engines and a method for its production.

Aus der GB-A-15 80 686 ist eine Legierung mit den Bestandteilen 0,5 - 2,0 Gew.% C, 0 - 25 Gew.% Cu, 0,2 - 3 Gew.% Mo; Mangan, Silizium, Schwefel, Phosphor und andere Spurenelemente bis maximal 2,0 Gew.%, der Rest Eisen bekannt sowie deren Herstellung, deren wesentliches Merkmal entweder die hohe Porosität von 12% bis 15% oder ein Gefüge ist, das Kupfer als Festschmierstoff eingelagert hat. Dabei ist wesentlich, daß das Kupfer durch den allgemein bekannten Tränkvorgang in das Gefüge eingebracht wird. Kupfer als Festschmierstoff ist jedoch keineswegs essentiell in dieser Legierung, da ausgeführt wird, daß die Bauteile im Rahmen einer Nachbehandlung auch beschichtet werden können. Bei beschichteten Bauteilen spielt die Zusammensetzung der Matrix jedoch keine Rolle für den Verschleiß, da sie durch die Schicht vom Gegenkörper getrennt ist. Lediglich die Härte könnte in diesem Fall noch eine Rolle spielen. Sie sollte bei Hartstoffschichten (TiN, TiC usw.) ausreichend hoch sein, um ein Einbrechen der Schicht in die Matrix zu verhindern. Derartige Hartstoffschichten wird man bei Massenbauteilen jedoch aus Kostengründen nicht einsetzen.From GB-A-15 80 686 is an alloy with the components 0.5-2.0% by weight C, 0-25% by weight Cu, 0.2-3% by weight Mo; Manganese, silicon, sulfur, phosphorus and other trace elements up to a maximum of 2.0% by weight, the rest iron known and their production, their essentials Characteristic is either the high porosity of 12% to 15% or a structure that has copper embedded as a solid lubricant. It is essential that the copper is introduced into the structure by the well-known impregnation process. However, copper as a solid lubricant is by no means essential in this alloy, since it is stated that the components can also be coated as part of an aftertreatment. In the case of coated components, however, the composition of the matrix plays no role in wear, since it is separated from the counter body by the layer. Only the hardness could still play a role in this case. In the case of hard material layers (TiN, TiC, etc.), it should be sufficiently high to prevent the layer from breaking into the matrix. Such hard material layers will not be used in mass components for cost reasons.

Da der Einsatz als Kolben- oder Dichtungsring vorgesehen ist, die eine reversierende Gleitbewegung ertragen sollen, ist die Schmierung essentiell. In Verbrennungsmotoren und ähnlichen Aggregaten kommt es immer wieder zu kritischen Schmierzuständen, so z.B. beim Starten eines Motors. Zur Überbrückung dieser kurzzeitigen Ausfälle der zentralen Schmierung bietet sich die Ölspeicherung in den Oberflächenporen an. Alternativ ist eine Variante vorgesehen, bei der die Poren durch einen Tränkvorgang mit Kupfer gefüllt werden. Hierduch sinkt die Porosität von 14% auf 4% und damit die Ölspeicherfähigkeit der Oberfläche. Die Notlaufschmierung übernimmt in diesem Fall das Kupfer, das als Festschmierstoff gegenüber Stahl eingesetzt werden kann.Lubrication is essential since it is intended to be used as a piston or sealing ring, which is to withstand a reversing sliding movement. Critical lubrication conditions occur again and again in internal combustion engines and similar units, e.g. when starting an engine. Oil storage in the surface pores lends itself to bridging these short-term failures of the central lubrication. Alternatively, a variant is provided in which the pores are filled with copper by an impregnation process. This reduces the porosity from 14% to 4% and thus the oil storage capacity of the surface. In this case, the emergency lubrication takes over the copper, which can be used as a solid lubricant compared to steel.

Der Einsatz der Legierung für Kolben- und Dichtungsringe zeigt außerdem, daß die Legierung relativ geringe Flächenpressungen zu ertragen hat. Daher ist die geringe Härte, die ein leichtes Eindringen eines Gegenkörpers ermöglicht, zulässig. Höherbelastete Komponenten wie etwa Nocken mit einer Flächenpressung von bis zu 1900 MPa würden bei so geringer Härte einen erheblichen abrasiven Verschleiß aufweisen, da der Verschleiß mit der Flächenpressung stark anwächst. Die Legierung wäre für diesen Einsatzfall ungeeignet.The use of the alloy for piston and sealing rings also shows that the alloy has to endure relatively low surface pressures. Therefore, the low hardness, which allows easy entry of a counter body, is permissible. Components subject to higher loads, such as cams with a surface pressure of up to 1900 MPa, would have considerable abrasive wear with such low hardness, since the Wear increases sharply with the surface pressure. The alloy would be unsuitable for this application.

Molybdän und Kupfer werden in Konzentrationen eingesetzt, wie sie in Eisen noch gut lösbar sind, sieht man vom Beispiel 8 in Tabelle 1B auf Seite 3 dieser Vorveröffentlichung ab. In diesem Fall ist aber der Molybdängehalt so gering, daß die Löslichkeit von Kupfer in Eisen kaum beeinflußt wird und daher mehr als 75% des Kupfers gelöst werden. Molybdän soll hier auch gar nicht die Löslichkeit des Kupfers beeinflussen, sondern vielmehr die Härtbarkeit und Anlaßbeständigkeit der Legierung verbessern.Molybdenum and copper are used in concentrations which are still readily soluble in iron, except for Example 8 in Table 1B on page 3 of this prior publication. In this case, however, the molybdenum content is so low that the solubility of copper in iron is hardly influenced and therefore more than 75% of the copper is dissolved. Molybdenum should not influence the solubility of the copper, but rather improve the hardenability and tempering resistance of the alloy.

Kolbenringe werden zur Abdichtung des Verbrennungsraumes gegen den übrigen Bereich des Motors eingesetzt. Dementsprechend sind sie den Verbrennungsgasen ausgesetzt, die, je nach Zusammensetzung, unterschiedliche Wirkungen haben können. Schwefelbeimengungen im Kraftstoff können den Verschleiß durch Bildung von Schwefelsäure fördern. Die hohen Arbeitstemperaturen von bis zu 300°C fördern zusätzlich den Verschleiß- bzw. Korrosionsangriff. Die hohen Temperaturen machen außerdem eine Anlaßbeständigkeit der Legierung erforderlich. Das heißt, daß die Festigkeit sich auch nach längerem Anlassen bei 300°C nicht verringern darf. Da es sich um ein Federelement handelt, sollen Elastizitätsmodul und Streckgrenze möglichst hoch sein, um die Federkraft zu erzeugen. Die Flächenpressungen liegen mit ca. 1 MPa wesentlich niedriger als die bei Gleitlagern (Spitzendruck bei 2 bis 10 MPa) oder gar bei Nocken (maximale Hertsche Pressung bis 1900 MPa). Obwohl sich damit wesentlich leichter ein hydrodynamischer Schmierzustand ausbilden kann, ergibt sich das für Kolbenringe typische Problem der reversierenden Bewegung: Bei Bewegungsumkehr sinkt die Gleitgeschwindigkeit auf Null ab, was zum Abreißen des Schmierfilms führen kann. Ein großes Ölspeichervolumen im Kolbenring in Form hoher offener Porosität ist hier von Vorteil. Da die Bedingungen der kritischen Belastung (Gleitgeschwindigkeit 0) wesentlich öfter auftreten als bei Nocken (bei Nocken treten sie nur beim Motorstart auf, bei Kolbenringen zweimal pro Motorumdrehung, d.h. gut 10⁶ mal so oft), muß eine dauerhaftere Lösung als bei Nocken gefunden werden. Diese ist in der Ölspeicherung zu sehen, da das Ölreservoir ständig aufgefüllt werden kann, während sich ein in das Gefüge eingebetteter Festschmierstoff erschöpfen könnte. Dies kommt auch darin zum Ausdruck, daß in der GB-A-15 80 686 nur in einem von neun Beispielen eine Porosität von weniger als 12% vorgeschlagen wird. Das Anforderungsprofil an Kolbenringe und ähnliche Bauteile läßt sich folgendermaßen zusammenfassen:

· Gute Notlaufeigenschaften, d.h. hohe Ölspeicherfähigkeit zur Aufrechterhaltung des Schmierfilms bei Bewegungsumkehr.
· Konstante Dichtkraft auch bei längerem Einsatz unter hohen Temperaturen (Anlaßbeständigkeit).
· Korrosionsbeständigkeit gegen heiße Gase.
· Verschleißwiderstand beim Gleiten unter Schmierung bei Flächenpressungen im Bereich von 1 MPa.

Piston rings are used to seal the combustion chamber against the rest of the engine. Accordingly, they are exposed to the combustion gases, which, depending on their composition, can have different effects. Sulfur admixtures in the fuel can promote wear through the formation of sulfuric acid. The high working temperatures of up to 300 ° C also promote wear and corrosion attack. The high temperatures also require tempering resistance of the alloy. This means that the strength must not decrease even after long tempering at 300 ° C. Since it is a spring element, the modulus of elasticity and the yield point should be as high as possible in order to generate the spring force. At approx. 1 MPa, the surface pressures are significantly lower than those for plain bearings (peak pressure at 2 to 10 MPa) or even for cams (maximum Herts pressure up to 1900 MPa). Although this makes it much easier to develop a hydrodynamic lubrication state, the problem of reversing movement that is typical for piston rings arises: when the movement is reversed, the sliding speed drops to zero, which can lead to the lubrication film tearing off. A large oil storage volume in the piston ring in the form of high open porosity is an advantage here. Since the conditions of the critical load (sliding speed 0) occur much more often than with cams (with cams they only occur when the engine is started, with piston rings twice per engine revolution, ie a good 10⁶ times as often), a more permanent solution than with cams must be found. This can be seen in the oil storage, since the oil reservoir can be constantly refilled, while a solid lubricant embedded in the structure could be exhausted. This is also reflected in the fact that GB-A-15 80 686 suggests a porosity of less than 12% in only one of nine examples. The profile of requirements for piston rings and similar components can be summarized as follows:

· Good emergency running properties, ie high oil storage capacity to maintain the lubricating film when reversing movement.
· Constant sealing force even when used for long periods at high temperatures (temper resistance).
· Corrosion resistance to hot gases.
· Wear resistance when sliding under lubrication at surface pressures in the range of 1 MPa.

Des weiteren ist hier zum Stand der Technik auch die JP-A-59 038 354 zu erwähnen, die eine Legierung aus 1,5 - 20 Gew.% Cu, 1,0 - 5,0 Gew.% Ni, 0,2 - 2,0 Gew.% Mo; 0,5 - 3,5 Gew.% C und weniger als 2% Verunreinigungen, Rest Eisen beschreibt, bei der vor allem die ungewöhnliche Porenmorphologie auffällt. Bei kugelförmigen Poren ist der Volumenanteil genauso groß wie der Flächenanteil der Poren, d.h. das Porenvolumen, bezogen auf das Probenvolumen (Volumenanteil) entspricht dem Flächenanteil, den die Poren in einem Querschnitt einnehmen, bezogen auf die betrachtete Fläche. Dieser Zusammenhang gilt streng nur für kugelförmige homogen verteilte Poren. Die üblichen Abweichungen hiervon sind jedoch relativ klein. Die Poren der in der JP-A-59 038 354 beschriebenen Legierung weisen eine extreme Anisotropie auf, da ihr Flächenanteil doppelt so groß ist wie der Volumenanteil. Diese Form der Poren begünstigt offensichtlich die Schmiereigenschaften, insbesondere auch die Notlaufeigenschaften, da die Legierung für alle Teile der Nockenwelle, die eine Gleitbewegung ausführen, außer den Nockenkuppen selbst, eingesetzt werden soll. Der Einsatz für die Nockenkuppe verbietet sich aufgrund der geringen Härte von maximal 350 HV, bei der bei höherbelasteten Bauteilen mit erheblichem Abrasivverschleiß zu rechnen ist. Diese Veröffentlichung schreibt lediglich vor, daß es sich um eine Eisenlegierung mit mindestens einer Komponente aus den Legierungselementen Kohlenstoff, Kupfer, Nickel oder Molybdän handeln soll. Weiterhin läßt sie bis zu 2% beliebige Zusätze zu. Diese Angaben ermöglichen außerordentlich große Unterschiede in der Zusammensetzung. Da sich die wesentlichen Eigenschaften der Beispiele außerordentlich stark unterscheiden, ergibt sich der Schluß, daß die Zusammensetzung bei der Legierung nach der JP-A59 038 354 nicht zentraler Bestandteil sein kann. Vielmehr sollte ein Anhaltspunkt gegeben werden, in welchem Bereich sich die Zusammensetzung bewegen sollte, ohne dabei jedoch einzelnen Legierungselementen eine besondere Bedeutung zuzumessen, da außer Eisen alle Legierungselemente verzichtbar sind. Dies ist insbesondere hinsichtlich Kupfer und Molybdän bemerkenswert. Zentraler Gedanke ist daher nicht die Zusammensetzung, sondern vielmehr die Porenform.In addition to the prior art, JP-A-59 038 354 should also be mentioned here, which is an alloy of 1.5-20% by weight of Cu, 1.0-5.0% by weight of Ni, 0.2- 2.0 wt% Mo; 0.5 - 3.5% by weight C and less than 2% impurities, balance iron describes, in which the unusual pore morphology is particularly striking. In the case of spherical pores, the volume fraction is the same as the surface fraction of the pores, ie the pore volume, based on the sample volume (volume fraction) corresponds to the surface fraction that the pores occupy in a cross section, based on the surface under consideration. This relationship applies strictly only to spherical, homogeneously distributed pores. However, the usual deviations from this are relatively small. The pores of the alloy described in JP-A-59 038 354 have extreme anisotropy, since their area fraction is twice as large as the volume fraction. This shape of the pores obviously favors the lubricating properties, in particular also the emergency running properties, since the alloy is to be used for all parts of the camshaft that perform a sliding movement, except for the cam tips themselves. The use for the cam tip is forbidden due to the low hardness of maximum 350 HV, in which considerable abrasive wear can be expected with components that are subjected to higher loads. This publication only prescribes that it is an iron alloy with at least one component made of the alloying elements carbon, copper, nickel or molybdenum. Furthermore, it allows up to 2% of any additives. This information enables extraordinarily large differences in the composition. Since the essential properties of the examples differ extremely, it can be concluded that the composition of the alloy according to JP-A59 038 354 cannot be a central component. Rather, an indication should be given of the range in which the composition should move, without, however, attaching particular importance to individual alloy elements, since apart from iron, all alloy elements are dispensable. This is particularly noteworthy with regard to copper and molybdenum. The central idea is therefore not the composition, but rather the pore shape.

Nocken für den Ventiltrieb von Verbrennungsmotoren unterliegen einer komplexen Gleitbeanspruchung, die durch die von der Nockenform abhängigen Schmierungsbedingungen und maximalen Flächenpressungen gekennzeichnet ist. Daneben bestimmt auch die Art des Gegenkörpers (Tassen- oder Rollenstößel) die Höhe der maximalen Hertzschen Flächenpressung. Die Belastung liegt in der Regel oberhalb 1000 MPa. Das Versagen des Nockens tritt in der Regel in Form von übermäßigem Verschleiß auf, bei dem es sich um Polierverschleiß oder Fressen handeln kann. Pittingbildung führt zu einer Erhöhung der effektiven Kontaktspannung zwischen Nocken und Gegenkörper und beschleunigt damit auch das Auftreten der beiden anderen Verschleißerscheinungen. Pittingbildung in kleinem Maß bedeutet nicht zwangsweise ein Versagen des Bauteils. Aufgrund der geforderten hohen Lebensdauer soll der Nockenwerkstoff jedoch einen hohen Widerstand gegen Pittingbildung aufweisen, der das Ermüdungsrißwachstum - wie auch bei der Delamination - zugrunde liegt. Erreicht wird dies durch den Einsatz von Werkstoffen mit hoher statischer Festigkeit, da bei Sinterstählen meist die Dauerfestigkeit 1/3 der statischen Festigkeit beträgt. Neben der Verschleißproblematik während des Betriebs unter stationären Bedingungen ist auch die der Startvorgänge zu lösen. Die herrschende Mangelschmierung begünstigt das Auftreten von Adhäsionsverschleiß. Bei gebauten Nockenwellen kommt gegenüber geschmiedeten oder gegossenen Nockenwellen noch die Anforderung des Montageprozesses hinzu. Die unterschiedlichen Montageprozesse machen unterschiedliche Eigenschaften des Nockens erforderlich, wobei die meisten Montagearten eine hohe Festigkeit bei geringer Zugspannungsempfindlichkeit fordern.Cams for the valve train of internal combustion engines are subject to complex sliding loads, which are characterized by the lubrication conditions that depend on the cam shape and the maximum surface pressures. In addition, the type of counter body (cup or roller tappet) also determines the maximum Hertzian surface pressure. The load is usually above 1000 MPa. The Cam failure usually occurs in the form of excessive wear, which can be polishing wear or seizure. Pitting leads to an increase in the effective contact tension between the cam and the counter body and thus accelerates the occurrence of the other two signs of wear. Small-scale pitting does not necessarily mean component failure. However, due to the long service life required, the cam material should have a high resistance to pitting, which is the basis of fatigue crack growth - as is the case with delamination. This is achieved through the use of materials with high static strength, since the fatigue strength of sintered steels is usually 1/3 of the static strength. In addition to the wear problem during operation under steady-state conditions, that of the starting processes must also be solved. The prevailing lack of lubrication favors the occurrence of adhesive wear. In the case of assembled camshafts, there is also the requirement of the assembly process compared to forged or cast camshafts. The different assembly processes require different properties of the cam, whereby most types of assembly require high strength with low sensitivity to tensile stress.

Das Anforderungsprofil an einen Nocken für eine gebaute Nockenwelle läßt sich damit wie folgt zusammenfassen:

· Mittlere bis hohe Festigkeit für den Montageprozeß.
· Großer Widerstand gegen abrasiven und adhäsiven Verschleiß unter hohen Flächenpressungen von bis zu 1900 MPa.
· Gute Notlaufeigenschaften zur Aufrechterhaltung der Schmierung beim Motorstart.
· Hoher Widerstand gegen Ermüdungsrißausbreitung.

The profile of requirements for a cam for a built camshaft can thus be summarized as follows:

· Medium to high strength for the assembly process.
· Great resistance to abrasive and adhesive wear under high surface pressures of up to 1900 MPa.
· Good emergency running properties to maintain lubrication when starting the engine.
· High resistance to fatigue crack propagation.

Ausgehend vom aufgezeigten Stand der Technik und unter Berücksichtigung der an einen Nocken der gegenständlichen Art zu stellenden Anforderungen ist die Erfindung 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 Beimischungen von Chrom, Mangan, Silizium und Nickel von in der Summe maximal 5 Gew.-% und aus dem Rest Eisen besteht und das Eisen-Molybdän-Sinterpulver vorlegiert ist.On the basis of the prior art shown and taking into account the requirements to be placed on a cam of the type in question, the invention is characterized in that the alloy has a hardened matrix with embedded copper and consists of 0.5-16% by weight molybdenum, 1- 20% by weight of copper, 0.1-1.5% by weight of carbon and, if appropriate, admixtures of chromium, manganese, silicon and nickel of a total of at most 5% by weight and the remainder being iron and iron -Molybdenum sintered powder is pre-alloyed.

Die erfindungsgemäße Legierung wird für hochbelastete Nocken der gegenständlichen Art in Verbrennungsmotoren eingesetzt und muß daher den Belastungen, die zu Abrasion, Adhäsion und Pittingbildung führen können, gewachsen sein. Aus diesem Grund weist die Legierung eine sehr hohe Oberflächenhärte von fast 800 HV auf, die ein Eindringen von Rauheitsspitzen oder Zwischenstoffen (Quarzsand) in die Oberfläche vermindern. Zusätzlich verleihen die Oberflächenporen, vor allem jedoch das elementare Kupfer, der Legierung die Notlaufeigenschaften, die für einen Einsatz mit wechselnder Schmierung wesentlich sind. Elementares Kupfer soll als Festschmierstoff wirken und ist unverzichtbarer Bestandteil der Legierung. Ein zentraler Gedanke dieser Erfindung ist es, ein Gefüge mit den beschriebenen Eigenschaften auf möglichst einfachem Weg zu erhalten, also ohne aufwendige Nachbehandlung wie Tränken oder einer Glühbehandlung. Von den bekannten Festschmierstoffen wurde Kupfer ausgewählt, da es weder bei der Sinterung zerfällt, noch einen zu hohen Dampfdruck bei den üblichen Sintertemperaturen hat und auch, im Gegensatz zu Cadmium und Blei, ökologisch unbedenklich erscheint. Da sich in den üblichen Legierungssystemen bei Sintertemperatur bis zu 7,5% Kupfer in Eisen lösen, wäre ein sehr hoher Kupferanteil erforderlich gewesen, um ausreichend Kupfer als Festschmierstoff zur Verfügung zu stellen.The alloy according to the invention is used for highly loaded cams of the type in question in internal combustion engines and must therefore be able to withstand the loads which can lead to abrasion, adhesion and pitting. For this reason the alloy has a very high surface hardness of almost 800 HV, which reduces the penetration of roughness peaks or intermediates (quartz sand) into the surface. In addition, the surface pores, but above all the elementary copper, give the alloy the emergency running properties that are essential for use with changing lubrication. Elemental copper is said to act as a solid lubricant and is an indispensable component of the alloy. A central idea of this invention is to obtain a structure with the properties described in the simplest possible way, that is to say without complex post-treatment such as impregnation or an annealing treatment. Copper was selected from the known solid lubricants because it neither disintegrates during sintering, nor has an excessively high vapor pressure at the usual sintering temperatures, and, in contrast to cadmium and lead, also appears to be ecologically harmless. Since up to 7.5% of copper dissolves in iron at the sintering temperature in the usual alloy systems, a very high proportion of copper would have been necessary in order to provide sufficient copper as a solid lubricant.

Durch das Vorlegieren der Matrix mit Molybdän wird dieses verbleibende Problem gelöst. Das Molybdän liegt in für pulvermetallurgische Verhältnisse ungewöhnlich hohen Gehalten vor. Der Schritt, ein vorlegiertes Pulver zu wählen, ist keineswegs naheliegend, widerspricht es doch einem Grundprinzip der Stahlpulvermetallurgie: Legierungselemente, die eine geringe Oxidationsneigung zeigen, werden üblicherweise elementar zugemischt, um damit eine Matrixhärtung vor dem Preßvorgang zu vermeiden und eine gute Preßbarkeit des Pulvers zu garantieren. Molybdän ist eines der Elemente, die ohne besondere Anforderungen an das Schutzgas elementar zugemischt werden können, seine Reduktion ist sogar so einfach, daß es sogar als Oxid zugemischt wird. Es erscheint daher zunächst als überflüssig, Molybdän vorlegiert einzusetzen. Ohne diesen Schritt würde jedoch das Ziel, die Auflösung von Kupfer zu vermeiden, nicht erreicht, da Kupfer in Eisen einen größeren Diffusionskoeffizienten besitzt als Molybdän und damit aus einer Mischung aus elementarem Kupfer, Eisen und Molybdän sehr inhomogene Gefüge resultieren, bei denen die kupferreichen Phasen übenwiegen. Durch das Nichtauflösen von Kupfer wird auch erreicht, daß die Legierung außerordentlich maßstabil ist, womit eine hohe Arbeitsgenauigkeit ohne Nacharbeit ermöglicht wird. Ohne das Molybdän kommt es zur Kupferauflösung und damit zu Schwellvorgängen, die bis zu 7,5% Längenzunahme bedeuten, was aufgrund der unvermeidlichen Streuung der Zusammensetzung auch zu einer deutlichen Streuung der Schwellung und damit zu geringer Arbeitsgenauigkeit führt.This remaining problem is solved by pre-alloying the matrix with molybdenum. The molybdenum is present in unusually high levels for powder metallurgical conditions. The step to choose a pre-alloyed powder is by no means obvious, since it contradicts a basic principle of steel powder metallurgy: Alloy elements that show a low tendency to oxidize are usually mixed in elementally in order to avoid matrix hardening before the pressing process and to ensure good pressability of the powder to guarantee. Molybdenum is one of the elements that can be added elementally without special requirements for the protective gas, its reduction is so simple that it is even added as an oxide. It therefore initially appears to be superfluous to use pre-alloyed molybdenum. Without this step, however, the goal of avoiding the dissolution of copper would not be achieved, since copper in iron has a greater diffusion coefficient than molybdenum and therefore a very inhomogeneous structure results from a mixture of elemental copper, iron and molybdenum, in which the copper-rich phases weigh. By not dissolving copper it is also achieved that the alloy is extremely dimensionally stable, which enables a high level of working accuracy without reworking. Without the molybdenum, there is copper dissolution and thus swelling processes, which mean an increase in length of up to 7.5%, which, due to the inevitable spread of the composition, also leads to a clear spread of the swelling and thus to less working accuracy.

Das Verfahren zur Herstellung eines Nockens der gegenständlichen Art ist dadurch gekennzeichnet, daß ein vorlegiertes Eisen-Molybdän-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 maximal 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.The process for producing a cam of the type in question is characterized in that a pre-alloyed iron-molybdenum sinter powder of 0.5-16% by weight Molybdenum, 1 - 20% by weight copper, 0.1 - 1.5% by weight carbon and possibly from admixtures of chromium, manganese, silicon and nickel of a maximum of 5% by weight in total and iron from the rest is pressed into a cam form with a green density of over 7 g / cm³ and is sintered at temperatures below 1150 ° C. for a sintering time of 10 to 60 minutes and then tempered.

Bevorzugte Merkmale des Verfahrens sind in den Ansprüchen 3 und 4 genannt.Preferred features of the method are mentioned in claims 3 and 4.

Example:

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 °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 HV1) 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.On the basis of a pre-alloyed powder of iron and molybdenum, a powder mixture with 1.5% by weight of molybdenum, 10% by weight of copper, 0.8% by weight of carbon and the rest of iron was produced. Cams with a green density of 7.2 g / cm³ were produced by pressing with a pressure of 1500 MPa. The structure was consolidated by sintering at 1120 ° C. for 30 min. Subsequent annealing by annealing at 930 ° C for 60 min, quenching in oil and tempering at 150 ° C for 60 min resulted in a structure that had a surface hardness of 44.4 HRC (793 HV1). Although over 7% by volume of the structure consisted of elemental copper, the high hardness was achieved. The cams proved to be extremely wear-resistant on the test bench. The cams also showed excellent operating behavior under conditions in which insufficient lubrication occurs and which therefore promote adhesive wear.

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.The accompanying illustrations show a micrograph of a cam according to the invention, which is manufactured according to the example explained above. 1 is a 200: 1 magnification; Fig. 2 is an enlargement of the same micrograph on a scale of 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.The micrograph clearly shows three phases:

1. martensite (gray)
2.Copper (light)
3. pores (black)

The martensite has a very even appearance. No inhomogeneities can be seen. This is in line with expectations, since a pre-alloyed, i.e. already homogeneous powder was used.

Das Kupfer liegt in unregelmäßigen Flecken gleichmäßig über das Gefüge verteilt vor. Die Größe der Kupferkörner liegt bei 10 bis 30 »m. Die Poren sind gut gerundet. Sie sind bimodal verteilt. Ein Größenbereich liegt um den bei Stählen normalerweise beobachteten Wert von 5 »m, der zweite liegt um 50 »m. Bei den großen Poren handelt es sich um Sekundärporen, die durch das Auflösen von Kupfer entstehen.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 bimodally distributed. 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.

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).Individual phases were identified with the help of microhardness measurements. For the bright areas, the 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).

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.It is therefore certain that 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.

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.With the help of quantitative stereology (point analysis (30)) 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 of the weight would result from stereological analysis. In the context of the measurement errors that are always present, 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.

Der Volumenanteil der Poren wurde ebenfalls stereologisch und über gravimetrische Dichtemessungen ermittelt. Es ergab sich ein übereinstimmender Wert von 6,5 %.The volume fraction of the pores was also determined stereologically and using gravimetric density measurements. The corresponding value was 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 Festschmierstoff zur Verbesserung der Notlaufeigenschaften. Der Martensit bedingt den Widerstand gegen abrasiven Verschleiß.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 portion serves as a solid lubricant to improve the emergency running properties. The martensite causes the resistance to abrasive wear.

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.When using alloyed powder, the pressing forces decrease, the wear on the tools during the production of the molding is reduced, and it is also easier to set different alloy contents. However, it is also conceivable to use a mixed alloy powder, but taking into account the diffusion properties of copper and molybdenum, it cannot be ruled out that a significantly different microstructure could result, since copper should then partially dissolve in the iron, so that the proportion of the free elemental copper drastically decreases in the structure.

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.The results achieved by the proposals according to the invention are surprising even for the relevant expert. According to previous experience, a large part of the copper contained in the alloy would have to dissolve even after relatively short sintering times and low sintering temperatures. In a fundamental work, Bockstiegel (20) has shown that the dissolution process at 1150 ° C is already completed after less than 30 min. Bockstiegel gives 7.5% of the solubility in accordance with (36). With a copper content of 10%, only 2.5% undissolved Cu should be found after sufficient sintering. The quantitative analysis of the alloy has shown, however, that virtually all of the copper is present in the matrix undissolved.

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 α-Eisen stattfindet. Molybdän ist also ein sehr starker α-Öffner, d.h. der Stahl liegt bevorzugt in der krz-Struktur vor.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. Looking at a phase diagram of Fe-Mo, it is striking that the transition from gamma to α-iron takes place at 2.6% by weight (1.5 at%) Mo in the range around 1100 ° C. Molybdenum is therefore a very strong α-opener, i.e. the steel is preferably in the krz structure.

Die Löslichkeit von Kupfer in Eisen ist aber in der α-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 α-Phase nur 1,4 Gew.-% (36). Dadurch, daß die α-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.However, the solubility of copper in iron is much lower in the α phase than in the automotive gamma phase: while in the gamma iron up to Dissolve 7.5% by weight, the maximum solubility in the α phase is only 1.4% by weight (36). The fact that the α-phase is largely stabilized by the molybdenum (1.5% by weight) prevents the copper from diffusing in as far as possible. 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.

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.The results of the investigation indicate that the molybdenum content was chosen in the correct order. A content of 0.5% is probably not sufficient to lower the solubility of copper to the extent observed here. 0.5% therefore appears to be a reasonable lower limit.

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 -Gebiet verlassen, was zu einer Änderung des Verhaltens der Legierung führen kann. Daher könnte diese Grenze als Obergrenze genannt werden.The upper limit is rather set by economic considerations. The Mo content will therefore be limited to around 16%. With 16% by weight Mo, the 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.

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.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 selected as the upper limit, in which there is still a sufficient part of the structure 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.

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.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 also not for swelling as is the case with other Cu-alloyed materials leads. It can be assumed that a comparable structure occurs when a mixed or diffusion alloy powder is used.

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.As the prior art shows, different metals are known as solid lubricants in sintered materials, but the use of copper as a problem solution for the cam-counter body system is new. Compared to some processes in which the solid lubricant, e.g. Lead, which is introduced into the matrix by impregnation, has the advantage that the alloy according to the invention has the copper from the outset in the material. However, it is also possible to introduce the copper by soaking a low-density molded part. In addition, a uniform copper distribution and a fixed copper content can be guaranteed, whereas the volume fraction and the distribution are imposed by the distribution and size of the open pores when soaking. However, this is much more difficult to influence than the size, amount and distribution of the copper in the powder mixture, so that the process reliability in the system presented here is increased.

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.Molybdenum very effectively prevents the copper from dissolving in the matrix, so that the copper can be available as a solid lubricant. By using a solid lubricant, a major problem of wear in the cam-counter body system, the adhesion, is successfully solved. As a positive additional effect, the molybdenum prevents the swelling otherwise observed in copper-alloyed materials. This increases the working accuracy and improves the mechanical properties.

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.If the advantages according to the invention are achieved in particular through the use of pre-alloyed powder, it is also conceivable to produce a comparable structure differently: A mixed alloyed Fe-C-Mo powder is first solidified and homogenized by sintering. 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.

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.The above considerations insofar as they relate to the wear properties Obtaining from cams are also relevant for other molded parts that are subject to wear, for example rocker arms, rocker arms etc., i.e. molded parts that are subject to sliding wear.

Claims

A cam of a sintered alloy produced by powder metallurgy for a camshaft assembled in a modular manner for internal-combustion engines, wherein the alloy has a hardened matrix with embedded copper and consists of from 0·5 to 16% by weight of molybdenum, from 1 to 20% by weight of copper, from 0·1 to 1·5% by weight of carbon and optionally admixtures of chromium, manganese, silicon and nickel to a maximum of 5% by weight in total and the remainder iron, and the iron-molybdenum powder is master-alloyed.
A method of producing a cam according to Claim 1, wherein a master-alloyed iron-molybdenum sintered powder, consisting of from 0·5 to 16% by weight of molybdenum, from 1 to 20% by weight of copper, from 0·1 to 1·5% by weight of carbon and optionally admixtures of chromium, manganese, silicon and nickel to a maximum of 5% by weight in total and the remainder iron, is pressed to form a moulded cam blank with a green density of above 7 g/cm³ and is sintered at temperatures below 1150°C during a sintering period of from 10 to 60 minutes and is then tempered.
A method according to Claim 2, charaterized in that the copper is introduced into the master-alloyed iron-molybdenum powder by admixing.
A method according to one of Claims 2 or 3, characterized in that the carbon is introduced by the admixture of graphite to the sintered powder or completely or partially by a carburizing atmosphere during the sintering and/or during the hardening.