EP1753887B1

EP1753887B1 - Hochbeanspruchtes motorenbauteil

Info

Publication number: EP1753887B1
Application number: EP05751295A
Authority: EP
Inventors: Ernst Strian; Stefan Birkner; Stefan Dorn
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2005-05-12
Publication date: 2011-10-05
Anticipated expiration: 2025-05-12
Also published as: DE102004028221A1; EP1753887A1; ATE527388T1; WO2005121383A1

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein tribologisch und dynamisch hoch belastetes Motorenbauteil, welches als auf einen Gleitverschleiß beanspruchtes Element einer Brennkraftmaschine, wie Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb oder Pumpenstößel für einen Hochdruckpumpenantrieb, ausgeführt ist.

Hintergrund der Erfindung

In der Vergangenheit ist die spezifische Motorleistung vor allem durch Erhöhung der Drehzahl beträchtlich gesteigert worden. Eine Erhöhung der Drehzahl verursacht aber eine wesentlich höhere Belastung der beteiligten Motorkomponenten, wobei insbesondere die Flächenpressung erhöht wird, die wiederum zu einem erhöhten Verschleiß führt.
So ist dem Fachmann bekannt, dass bei einem Ventiltrieb für eine Brennkraftmaschine zwischen dem Nocken einer Nockenwelle und einem Stößel für ein Gaswechselventil beträchtliche Flächenpressungen auftreten, die einen hohen Verschleiß der beteiligten Partner verursachen. Um jedoch die Aufgabe der Motorsteuerung einwandfrei zu erfüllen, darf der Verschleiß der beteiligten Reibungspartner während ihrer gesamten Lebensdauer nicht mehr als einige µm betragen.
Nach dem bisherigen Stand der Technik hat man ein verbessertes Verschleißverhalten auf unterschiedliche Weise zu realisieren versucht:

So ist beispielsweise aus der DE 1 949 479 U1 ein Stößel bekannt, der an seiner vom Nocken beaufschlagten Anlagefläche mit einer auswechselbaren Einstellscheibe aus einem Hartmetall versehen ist. Eine ähnliche Lösung ist aus der
DE-OS 25 26 656 vorbekannt. In diesem Dokument ist ein Ventilstößel beschrieben, dessen hohler Schaft aus einem Einsatzstahl und dessen Bodenstück aus einem legierten Werkzeugstahl gefertigt ist. Auch aus der DE 32 39 325 A1 geht ein Ventilstößel für einen Verbrennungsmotor hervor, dessen Schaft aus Verschleißgründen mit einem Einsatzstück aus einem keramischen Sinterwerkstoff versehen ist.

Den vorstehend beschriebenen technischen Lösungen haftet jedoch der Nachteil an, dass zwar der Schutz gegen Verschleiß verbessert ist, dies aber nur auf aufwendige Weise zu realisieren ist. So müssen die verschleißfesten Elemente einzeln gefertigt und mit dem Stößel verbunden werden, was mit einem erheblichen Zeit- und Kostenaufwand verbunden ist.
Man hat auch auf andere Art und Weise versucht, den Verschleißschutz zu verbessern. So werden gemäß der EP 0 334 064 A1 der Oberfläche, an der ein Steuernocken anläuft, günstige Gleiteigenschaften durch Phosphatieren oder Kadmieren verliehen. Das hatte jedoch nur geringen, insbesondere zeitlich eingeschränkten Erfolg.
Man hat auch versucht, den Verschleiß durch Hartverchromung zu verringern. Diese ansonsten erfolgreiche Oberflächenbeschichtung brachte in der Praxis jedoch keinen Erfolg, weil die Chromschicht nach relativ kurzer Betriebsdauer abplatzte und damit den Verschleiß zusätzlich beschleunige. Aber auch wenn die Chromschicht nur in einem Bereich von 2,5 mm aufgebracht wurde, was ein Abplatzen verhindern sollte, so hat es sich gezeigt, dass immer ein zusätzlicher Arbeitsgang erforderlich ist, um die Oberfläche mit einer Verschleißschutzschicht zu versehen.
Die gleichen Nachteile treffen für die in der DE 41 27 639 C2 beschriebene Lösung zu. Die dort beschriebene reibungsarme Verschleißschutzschicht aus in Diamantbindungsstruktur vorliegendem Kohlenstoff für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine muß ebenfalls durch einen zusätzlichen Arbeitsgang aufgebracht werden.
In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, die Gleitflächen von einem Nocken bzw. Nockenfolger zur Verbesserung des Verschleißverhaltens einem aufwendigen Wärmebehandlungsprozess zu unterwerfen. So ist aus der DE 42 05 647 C2 ein Verfahren zur thermochemisch- thermischen Behandlung von Einsatzstählen bekannt, bei dem jeweils die Randzone eines Werkstücks, insbesondere von Tassenstößeln, Wälzlagerteilen, Getriebe- und Kupplungselementen, mit Kohlenstoff und Stickstoff angereichert und anschließend einer martensitischen Härtung unterworfen wird. Eine ähnliche Lösung geht aus der DE 44 18 245 C2 hervor. Nach diesem Dokument werden die Gleitflächen eines Nockengegenläufers und/oder eines Nockens einer Einsatzhärtung mit einer Aufkohlung unterworfen, der sich eine Abschreckung auf eine Temperatur deutlich unter dem Martensitstartpunkt der Randzone anschließt. Diese Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass sie mehrere Stunden andauern.
Schließlich ist es auch bekannt, verschleißfeste Bauteile aus einem sinterfähigen Eisenlegierungspulver herzustellen. So ist in der DE-OS 28 51 141 ein Verfahren zur Herstellung eines Nockens aus einem Eisenpulver beschrieben. Aus der DE 35 04 212 C2 geht ein solches Verfahren zur Herstellung einer Nockenwelle hervor. Dabei wird Metallpulver zunächst in einer Form unter Druck verdichtet und anschließend bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt geglüht. Beim Glühen des gepressten Körpers setzen Diffusionsvorgänge ein, durch die die Teilchen des Ausgangsgefüges an ihren Berührungsstellen zusammenwachsen. Das Sintern wird unterschieden in ein Vorsintern zur Erhöhung der Festigkeit der Presslinge und ein daran anschließendes Hochsintern zur maximalen Verdichtung. Die Herstellung von Formkörpern auf diese Art und Weise ist jedoch ebenfalls sehr aufwendig, da zur Verdichtung des Metallpulvers immer entsprechende Formen bereitgestellt werden müssen.
Das Dokument US 6 516 784 B1 offenbart eine Kraftstoffeinspritzpumpe mit einem als Nocken einer Brennkraftmaschine ausgebildeten, tribologisch und dynamisch hoch belasteten Motorenbauteil, welches aus einem verschleißfesten legierten Werkzeugstahl durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist.
In dem Dokument US 5 651 335 A , welches den Stößel des Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine betrifft, ist erwähnt, dass der Stößel, um einen hohen Verschleißwiderstand zu erhalten, aus einem Werkzeugstahl der Gruppe X210 hergestellt sein kann.
Aus dem Dokument US 5 810 947 A sind schließlich Beschichtungsverfahren für Werkzeugstähle, darunter auch das Nitrieren, bekannt.

Zusammenfassung der Erfindung

Ausgehend von den Nachteilen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, derartige Bauteile kostengünstig bei einem gleichzeitig wesentlich verbesserten Verschleißverhalten herzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach Anspruch 1 bei einem Ventilspielausgleichselement durch einen als Tassenstößel ausgebildeten Nockenfolger gelöst, der an seinem geschlossenen Boden von einem Nocken beaufschlagt ist, wobei der Tassenstößel und/oder der Nocken aus einem verschleißfesten legierten Werkzeugstahl der Marke DIN 1.3343 oder X210CrW12 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist.
Nach Anspruch 2 wird die Aufgabe bei einem Pumpenstößel erfindungsgemäß durch einen den Pumpenstößel bildenden Nockenfolger gelöst, der von einem Nocken beaufschlagt ist, wobei der Pumpenstößel und/oder der Nocken aus einem verschleißfesten legierten Werkzeugstahl der Marke DIN 1.3343 oder X210CrW12 durch pulvennetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist.
Ein Stahl der Marke DIN 1.3343 enthält 0,80-1,10 % C, 5,50-6,75 % W, 1,70-2,20 % V, 3,80-4,50 % Cr, 4,50-5,50 % Mo und Rest Fe. Ein Stahl der Marke X210CrW12 setzt sich zusammen aus 2,00-2,30 % C, 0,10-0,40 % Si, 0,30-0,60 % Mn, 11,00-13,00 % Cr, 0.60-0,80 % W, und Rest Fe.
Das pulvermetallurgische Spritzgießen, auch als Metal Injection Moulding (MIM) bezeichnet, ist an sich bekannt. Dabei werden die Freiheiten des Kunststoffspritzgießens bei der Bauteilgestaltung mit den Vorteilen der Pulvermetallurgie, eine breite Werkstoffpalette, sehr enge Toleranzen, kombiniert. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass feine Metallpulver im Bereich von 20 µm mit organischen Bindern zu einer homogenen Masse vermischt werden. Der Volumenanteil des Metallpulvers beträgt dabei in der Regel mehr als 50 %. Es wird so eine Masse erhalten, die analog zur Kunststoffverarbeitung auf Spritzgießmaschinen verarbeitbar ist. Im Spritzgießprozess werden Formkörper gefertigt, die schon alle typischen geometrischen Merkmale des fertigen Bauteils aufweisen, aber ein um den Bindergehalt vergrößertes Volumen besitzen. In einem Entbinderungsprozess werden dann die organischen Binder entfernt, wobei dies in Abhängigkeit vom eingesetzten Bindersystem entweder durch thermische Zersetzung und Verdampfung oder auch durch eine Lösungsmittelextraktion erfolgt. Die zurückbleibenden porösen Formkörper werden durch Sintern unter verschiedenen Schutzgasen oder unter Vakuum zu Bauteilen mit endgültigen geometrischen Eigenschaften verdichtet. Die dabei auftretende lineare Schwindung führt zu Enddichten größer 96 %.
Im Sinne der Erfindung ist der Begriff legierter Werkzeugstahl breit auszulegen. Zur Gruppe der Werkzeugstähle zählen für den Fachmann Edelstähle mit hoher Härte, hohem Verschleißwüderstand und hoher Zähigkeit, die sich zur Be- und Verarbeitung von Werkstoffen eignen. Sie müssen darüber hinaus eine gute Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Nach dem Stahllexikon der Fa. Peter Drösser unterteilen sich Werkzeugstähle in Kaltarbeitsstähle, Warmarbeitsstähle und Schnellarbeitsstähle.
Durch die Verwendung von legierten Werkzeugstählen besteht das Gefüge des Rohlings aus fein verteilten verschleißfesten Karbiden, die in eine abgestimmte martensitische, sorbitische oder perlitische Matrix eingesetzt sind. Diese Karbide sind für die Verschleißfestigkeit von eminenter Bedeutung. Der Vorteil eines solchen aus einem legierten Werkzeugstahl durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellten Bauteils liegt neben der endkontumahen Fertigung insbesondere auch darin, dass seine Eigenschaften, und damit auch seine Verschleißfestigkeit, über die ganze Bauteiltiefe hindurch konstant sind.
Nach einem weiteren Merlmal der Erfindung gemäß Anspruch 3 ist vorgesehen, dass der Werkzeugstahl ein Kaltarbeitsstahl oder ein Schnellarbeitsstahl ist. Kaltarbeitsstähle sind legierte Werkzeugstähle zur Fertigung von Werkzeugen, bei denen die Oberflächentemperatur von rund 200° Celsius im Allgemeinen nicht überschritten wird. In diesem Temperaturbereich haben die Stähle hohe Härten, gute Zähigkeiten und gute Schneidhaltigkeiten sowie ein gutes Widerstandsverhalten gegen Schlag, Druck und Verschleiß. Schnellarbeitsstähle sind höher legierte Werkzeugstähle, die vorwiegend zum Zerspanen von Werkstoffen bei hohen Schnittgeschwindigkeiten eingesetzt werden. Die Legierungselemente Chrom, Kobalt, Molybdän, Vanadium und Wolfram bzw. deren Sonderkarbide und die Wärmebehandlung verleihen den Schnellarbeitsstählen eine hohe Anlassbeständigkeit und Warmhärte bis zu Temperaturen von 600° C.
Aus Anspruch 4 geht hervor, dass ein durch pulvermetallurgisches Spritzgießen aus einem verschleißfesten legierten Werkzeugstahl hergestelltes Bauteil anschließend einer Wärmebehandlung, wie Härten und Anlassen, laserhärten oder Nitrieren unterworfen ist. Durch diese anschließende Wärmebehandlung werden die an sich bekannten guten Verschleißeigenschaften des Bauteils nochmals verbessert.
Nach Anspruch 5 ist es auch möglich, dass die Verschleißeigenschaften des Bauteils durch ein nachfolgendes Beschichtungsverfahren nochmals verbessert werden können. Dies könnte beispielsweise durch PVD- oder CVD-Verfahren vorgenommen werden.
Nach einem zusätzlichen weiteren Merkmal der Erfindung gemäß Anspruch 6 kann das Bauteil auch einer zusätzlichen mechanischen Nachbearbeitung unterworfen sein. Dies kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn in Einzelfällen genau definierte geometrische Abmessungen eingehalten werden müssen.
Ein erfindungsgemäß hergestelltes Motorenbauteil kann gemäß Anspruch 7 mit einer Anschlusskonstruktion durch ein Fügeverfahren, wie beispielsweise Kleben, Löten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder auch Verstemmen verbunden sein.
Insbesondere bei Pumpen-Düsen-Einspritzsystemen moderner Bauart treten hohe Einspritzdrücke auf, die zu höheren Belastungen der Hochdruckpumpe führen. Eine derartige Radialkolbenpumpe besteht in der Regel aus drei um 120° versetzt zueinander angeordneten Pumpenkolben, die von einer Exzenterwelle mit einem Mehrfachnocken angetrieben werden. Hierbei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, zwischen Mehrfachnocken und Pumpenkolben nach der Erfindung aus einem legierten Werkzeugstahl durch pulvermetallurgisches Spritzgießen gefertigte Tassenstößel einzusetzen, da diese, wie bereits vorstehend ausgeführt, eine hervorragende Verschleißbeständigkeit aufweisen. Auf nähere Ausführungen zum Aufbau und zur Wirkungsweise derartiger Hochdruckpumpen kann an dieser Stelle verzichtet werden, da sie dem Fachmann hinreichend bekannt und bereits vorbeschrieben sind. So ist beispielsweise in der Zeitschrift mot Nr. 11/2001, Seite 13-16 das Speichereinspritzsystem Common Rail ausführlich beschrieben.
Die Erfindung wird an nachstehendem Ausführungsbeispiel näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die einzige Figur zeigt eine Seitenansicht eines mechanischen Ventilstößels für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, teilweise geschnitten.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Der in der Figur dargestellte mechanische Tassenstößel 1 weist eine hohlzylindrische Wandung 2 auf, die an einem Ende durch einen Boden 3 verschlossen ist. In Richtung des offenen Endes des Tassenstößels 1 ist der Boden 3 mit einer Erhebung 4 versehen, die mit der Stirnseite eines Schaftes eines Gaswechselventiles 5 in Wirkverbindung steht. Von oben wird der Boden 3 durch einen Nocken 6 beaufschlagt, der auf einer Nockenwelle 7 angeordnet ist. Es liegt auf der Hand, dass bei hohen Drehzahlen und hohen Belastungen von modernen Motoren zwischen dem Nocken 6 und dem Boden 3 des Tassenstößels 1 hohe tribologische Belastungen auftreten, so dass beide Teile, nämlich der Nocken 6 und auch der Tassenstößel 1 bzw. dessen Boden 3 eine hohe Verschleißfestigkeit bei gleitender Reibung aufweisen müssen.
In erfindungsgemäßer Weise ist der Tassenstößel 1 aus einem hochverschleißfesten Schnellarbeitsstahl mittels pulvermetallurgischen Spritzgieβens hergestellt. Die entscheidenden Vorteile eines solchen Stößels liegen einerseits darin, dass seine gute Verschleißbeständigkeit über den ganzen Werkstoffquerschnitt gegeben ist. Es besteht also nicht die Gefahr, dass mit längerer Lebensdauer eine Verschleißanfälligkeit eintritt. Andererseits ist durch das pulvermetallurgische Spritzgießen sichergestellt, dass der Tassenstößel 1 in einfacher Weise endkontumah, d. h., auch mit seiner in Richtung Gaswechselventil gerichteten Erhebung 4, unkompliziert herstellbar ist. Das Gleiche trifft für den Nocken 6 zu, der ebenfalls in der vorstehend beschriebenen Weise durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist. Dieser Nocken 6 kann dann mit der Nockenwelle 7 beispielsweise durch einen Diffusionsvorgang verbunden sein.

Claims

Tribologisch und dynamisch hoch belastetes Motorenbauteil, welches als auf einen Gleitverschleiß beanspruchtes Ventilspielausgleichselement für einen Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine ausgeführt ist, mit einem als Tassenstößel (1) ausgebildeten Nockenfolger, der an seinem geschlossenen Boden (3) von einem Nocken (6) beaufschlagt ist, wobei der Tassenstößel (1) und/oder der Nocken (6) aus einem verschleißfesten legierten Werkzeugstahl der Marke DIN 1.3343 oder X210CrW12 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist.
Tribologisch und dynamisch hoch belastetes Motorenbauteil welches als auf einen Gleitverschleiß beanspruchter Pumpenstößel für einen Hochdruckpumpenantrieb einer Brennkraftmaschine ausgeführt ist, mit einem den Pumpenstößel bildenden Nockenfolger, der von einem Nocken beaufschlagt ist, wobei der Pumpenstößel und/oder der Nocken aus einem verschleißfesten legierten Werkzeugstahl der Marke DIN 1.3343 oder X210CrW12 durch pulvermetallurgisches Spritzgießen hergestellt ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkzeugstahl ein Kaltarbeitsstahl oder ein Schnellarbeitsstahl ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einer anschließenden Wärmebehandlung, wie Härten und Anlassen, Laserhärten oder Nitrieren unterworfen ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einem Beschichtungsverfahren unterworfen ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es einer mechanischen Nachbearbeitung unterworfen ist.
Motorenbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einer Anschlusskonstruktion durch ein Fügeverfahren wie Kleben, Löten, Schweißen, Diffusionsverbinden oder Verstemmen verbunden ist.