DE3224419A1

DE3224419A1 - Verfahren zur herstellung einer nocke-nockenwelle-baueinheit

Info

Publication number: DE3224419A1
Application number: DE19823224419
Authority: DE
Inventors: Shuichi Fujita; Koji Kazuoka; Hitoshi Toyota Aichi Nakamura; Tetsuya Nagoya Aichi Suganuma; Yoshitaka Toyota Aichi Takahashi; Katsuhiko Aichi Ueda
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Jidosha Kogyo KK
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1981-07-01
Filing date: 1982-06-30
Publication date: 1983-03-03
Also published as: DE3224419C2; JPS583902A; GB2104551A; GB2104551B; US4524046A; JPS6146522B2

Description

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ä _n ." 2 gis ° " " " : : .' Dipl.-lng. H.Tiedtke f

ORUPE - rTELLMANtt'*-AJIRÄMS" Dipl.-Chem. G. Bühling

Dipl.-lng. R. Kinne

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JOO/ / 1 Q Dipl.-lng. B. Pellmann

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Bavariaring 4, Postfach 202403 8000 München 2

Tel.: 089-539653

Telex: 5-24 845 tipat

cable: Germaniapatent München

30. Juni 1982 DE 2277.

Toyota Jidosha Kogyo Kabushiki Kaisha Toyota-shi, Japan

Verfahren zur Herstellung einer Nocke-Nockenwelle-

Baueinheit

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Nocke-Nockenwelle-Baueinheit, bei der ein aus einer bestimmten, verschleißfesten Sinterlegierung hergestelltes Exzenter- bzw. Nockenstück mit einer beispielsweise aus einem Stahlrohr bestehenden Nockenwelle verbunden ist.

Als Nocke-Nockenwelle-Baueinheiten für die Verwendung in Verbrennungsmotoren sind Baueinheiten angewandt worden, bei denen eine Nocke und eine Nockenwelle integral bzw. als Ganzes gegossen sind, wobei üblicherweise gewöhnliches Gußeisen oder durch Kokillenguß erhaltene Gußstücke aus legiertem Gußeisen verwendet werden. Außerdem ist in neuerer Zeit zur Verbesserung der Betriebsleistung des Motors und zur Gewichts- und Kostenverminderung usw. eine spezielle Sinterlegierung als Nockenteil bzw. Nockenbereich einer Gleitfläche verwendet worden. Es ist eine Nocke-Nockenwelle-Baueinheit vorgeschlagen worden, die durch Anbringen eines Werkstücks wie eines Nockenstücks oder eines Zapfenstücks bzw. Nockenzapfenstücks an einer rohrartigen Stahlwelle hergestellt wird.

B/25

Dresdner Bank (MOnchen) Kto. 3939844 Bayer. Vereinsbank (Münchan) Kto. 508941 Postscheck (München) Klo. 670-43-004

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Bei den bekannten Nocke-Nockenwelle-Baueinheiten sind die

Nockenwelle und die Nocke jedoch oft durch ein sekundäres 5

Verfahren, beispielsweise durch Hartlötung, Verschweißung oder mechanisches Verstemmen, miteinander verbunden worden. Bei solchen·, gebräuchlichen Verfahren sind für diesen Zweck spezielle Maschinen oder Vorrichtungen erforderlich. Außerdem können beschwerliche Verbindungsschritte nicht vermieden werden, weil die Anzahl der an der Welle anzubringenden Werkstücke relativ groß ist.

Zur Beseitigung dieser Nachteile, die bei den üblichen p. Nocke-Nockenwelle-Baueinheiten auftreten, ist das Diffu-

sions-Verbindungsverfahren vorgeschlagen worden, bei dem ein Werkstück wie eine Nocke oder ein Zapfenstück, das aus einer besonderen Sinterlegierung, die während des Sinterns eine flüssige Phase erzeugt, hergestellt worden ist, metallurgisch mit einer Stahlrohrwelle verbunden wird. Bei diesem Verfahren wird ein Werkstück, beispielsweise ein Nockenstück, das aus der vorstehend erwähnten, besonderen Legierung hergestellt worden ist, vorgesintert, und dieses vorgesinterte Werkstück wird durch ein Einpreßver-

2g fcihren oder ein Verstemmungsverfahren unter Anwendung eines Spielraums an der Welle angebracht. Dann wird das vorgesinterte Werkstück, das angebracht bzw. zusammengebaut worden ist, unter vorbestimmten Bedingungen gesintert, wobei es sich in ein verschleißfestes Werkstück, beispielsweise eine verschleißfeste Nocke, umwandelt, und wobei gleichzeitig eine metallische Verbindung des vorgesinterten Werkstücks mit dem Wellenelement erzielt wird. Das vorstehend erwähnte Verfahren ist infolgedessen unter dem Gesichtspunkt der Vereinfachung des Fertigungsverfahrens und der

35 Kostenverminderung vorteilhaft.

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Bei vielen Sinterlegierungen tritt jedoch eine Kontraktion

oder eine Ausdehnung ein, wenn sie während des Sinter-5 Schrittes erhitzt werden, weshalb der Innendurchmesser

eines Werkstücks wie eines Nockenstücks größer wird, was notwendigerweise· dazu führt, daß zwischen dem Werkstück und der Welle keine feste.und starre Verbindung erzielt werden kann. Eine Legierung für ein solches Werkstück muß nicht nur zu einer festen Verbindung führen, sondern auch verschleißfest sein, weshalb für diesen Zweck eine spezielle Sinterlegierung entwickelt werden mußte.

. _ Bei einem anderen, früher vorgeschlagenen Verfahren wird lb

eine verschleißfeste Sinterlegierung auf Eisenbasis eingesetzt, die Eisen und geeignete Anteile von Kohlenstoff, Molybdän., Phosphor, Bor und gegebenenfalls Kupfer und/oder Kobalt usw. enthält und dazu befähigt ist, während des

„_ Sinterns eine flüssige Phase zu erzeugen. Ein aus einer solchen verschleißfesten Legierung auf Eisenbasis hergestelltes, vorgesintertes Nockenstück, das an einer Welle angebracht worden ist, wird jedoch während des Sinterns in der Weise mit der Welle verbunden, daß sich der Innen-

2g durchmesser des Nockenstücks um etwas mehr als 1 %, auf den Innendurchmesser bezogen, ausdehnt und schließlich um etwas mehr als 1% zusammenzieht bzw. kontrahiert. Infolgedessen verbleiben die Probleme, daß die Anordnung bzw. Lokalisierung des gesinterten Werkstücks auf der rohrartigen Welle notwendigerweise nicht genau erzielt werden kann und daß die Verbindungsfestigkeit aufgrund einer zu geringen Kontraktion unzureichend wird. Die Verläßlichkeit der Verbindung ist infolgedessen notwendigerweise unbefriedigend.

35 In dem Fall, daß beim Zusammenbau das Übermaß, d.h. die

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Differenz zwischen dem Innendurchmesser des Nockens*tücks und dem Außendurchmesser der Nockenwelle, kleiner gewählt wird, um einen zu kleinen Betrag der Kontraktion zu kompensieren, können während des Einpreßverfahrens und/oder während der darauffolgenden Verfahrensschritte unerwartete Effekte erhalten werden, weil die vorgesinterte . Masse eine geringe mechanische Festigkeit hat.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Nocke-Nockenwelle-Baueinheit zur Verfügung zu stellen, das die bei den üblichen Verfahren auftretenden Nachteile nicht aufweist und eine Vereinfachung des Fertigungsverfahrens und eine Fertigung mit niedrigen Kosten ermöglicht.

Durch die Erfindung soll insbesondere ein Verfahren zum festen und starren Verbinden eines Werkstücks wie einer Nooke oder eines Zapfens mit einer Metallwelle durch Aus-

wahl eines geeigneten, scheinbaren Übermaßes des Werkstücks bezüglich der Metallwelle, durch Passung unter Anwendung des Übermaßes und durch Verbinden mittels Flüssigphasendiffusion unter Einsatz eines Materials, das eine flüssige Phase erzeugt und sich während des Sinterns stark zusammen-

zieht, zur Verfügung gestellt werden.

Gegenstand der Erfindung ist das im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Verfahren.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Werkstück wie ein Nockenstück oder ein Zapfen bzw. Nockenzapfen hergestellt, indem ein geformtes Produkt vorgesintert wird, wobei das geformte Produkt aus einem solchen Material hergestellt worden ist, daß das Verhältnis der Kontraktion des Innendurchmessers des Werkstücks nach dem Sintern zu

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dem ursprünglichen Innendurchmesser des Werkstücks vor dem Sintern mehr als 2% beträgt. Das vorgesinterte Werkstück wird an einer beispielsweise aus einem Stahlrohr hergestellten Metallwelle angebracht, und das angebrachte, vorgesinterte Werkstück wird zur Verbindung mit der Welle in der Weise gesintert, daß das Verhältnis der Differenz jQ zwischen dem Außendurchmesser der Metallwol1e und dem Innendurchmesser des gesinterten Werkstücks zu dem Außendurchmesser der Metallwelle (das scheinbare übcrman) mehr als 2% beträgt.

15 Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Sinterkurven (Dimensions-

kontraktionsverhältnis bzw. Dimensionsänderungs-20 verhältnis) der Sinterlegierungen von Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel 1 zeigt.

Fig. 2 ist eine Schnittansicht, die zur Erläuterung eines Verfahrens für die Messung der Verbindungsfestigkeit dient.

Fig. 3 ist ein Diagramm,in dem die Beziehung zwischen dem scheinbaren übermaii eines Sinterlegierungswerkstücks in bezug auf aiii Element, mit dem das Werkstück zu verbinden ist, und der Verbindungsfestigkeit erläutert wird.

Fig. 4 ist ein Diagramm,in dem die Beziehung zwischen dem

Kontraktionsverhältnis der Sinterlegierungen und 35 der Verbindungsfestigkeit erläutert wird.

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Fig. 5(a) und 5(b) sind perspektivische Ansichten des Nocken-Stücks bzvr. des Zapfenstücks von Beispiel 2.

Fig. 6 ist eine teilweise gebrochene Vorderansicht der in Beispiel 2 hergestellten Nocke-Nockenwelle-Baueinheit, bei der ein Sinterlegierungswerkstück mit einer Metallwelie'verbunden ist, und

Fig. 7 ist eine Mikrophotografie, die den Diffusionsverbindungszustand der Nocke-Nockenwelle-Baueinheit von Beispiel 2 zeigt.

Erfindungsgemäß wird zwischen einem Werkstück wie einem Nockenstück oder einem Zapfen und einer Metallwelle durch Passung unter Anwendung eines Übermaßes und durch Verbinden mittels einer flüssigen Phase, wobei als Material des Werkstücks ein Material eingesetzt wird, das eine flüssige Phase erzeugt und sich während des Sinterns in einem hohen Ausmaß zusammenzieht, eine feste und starre Verbindung erzielt.

Das Werkstück wird aus einem solchen Material hergestellt, daß das Verhältnis der Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Metallwelle und dem Innendurchmesser des Werkstücks (wobei dieser Innendurchmesser gemessen wird, wenn das Werkstück getrennt gesintert worden ist) zu dem Außendurchmesser der Metallwelle mehr als 2%, vorzugsweise mehr als 3% und insbesondere mehr als 4% beträgt. Das scheinbare Übermaßverhältnis beträgt vorzugsweise mehr als 3% und insbesondere mehr als 4%. Unter dem Ausdruck "scheinbares Übermaßverhältnis" ist das Verhältnis der Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Metallwelle und dem Innendurchmesser des Werkstücks nach dem Sintern in einem Zustand,

bei dem es nicht mit der Welle verbunden ist, zu dem Außendurchmesser der Welle zu verstehen. 5

Eine zu sinternde Legierung, die im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden kann, enthält vorzugsweise 2,5 bis 7,5 Gew.-% Cr, 0,1 bis 3,0 Gew.-% Mn, 0,2 bis 0,8 Gew.-% P, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Cu, 0,.5 bis 2,0 Gew.-% Si, weniger als 3 Gew.-% Mo, 1,5 bis 3,5 Gew.-% C und als Rest Fe mit weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen. Die Sinterlegierung mit der vorstehend erwähnten Zusammensetzung hat eine Dichte von mehr als 7,3 g/cm³ und eine scheinbare Härte Hv(10kg) von 350 bis 800 und zeigt in der Matrix eine

gleichmäßige Verteilung von M₃C-Carbiden mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 5 bis 30 μπι und/oder einer gehärteten Steaditschicht, wobei diese etwa 5 bis 30% der Matrixfläche ausmachen bzw. einnehmen.

Die erfindungsgemäß verwendete, vorgesinterte Legierung wird folgendermaßen erhalten:

Zuerst wird ein Legierungspulver mit der vorstehend er-2g wähnten Zusammensetzung mit Ausnahme von Kohlenstoff hergestellt. Dann wird zu dem auf diese Weise hergestellten Legierungspulver eine vorbestimmte Kohlenstoffmenge hinzugegeben, und dann wird daraus ein geformtes Pulverprodukt (komprimiertes Pulverprodukt) erhalten. Dann wird das qeformte Produkt nach einem Pulvermetallurgieverfahren bei einer vorbestimmten Temperatur vorgesintert, wobei das vorgesinterte Legierungsprodukt erhalten wird.

Im Rahmen der Erfindung kann als Sinterlegierung auch eine Sinterlegierung auf Eisenbasis mit einer hohen Dichte und einer hohen Härte eingesetzt werden, die 15 bis 25 Gew.-%

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Cr, 0 bis 3 Gew.-% Mo, 1 bis 5 Gew.-% Cu, 0,3 bis 0,8 Gew.-

% P, 2,0 bis 4,0 Gew.-% C und als Rest Fe mit weniger als 5

2 Gew.-% Verunreinigungen, wie sie in einer üblichen Legierung auf Eisenbasis enthalten sind, enthält und eine Dichte von mehr als 7,3 g/cm³ und eine Vickers-Härte Hv von 400 bis 700 hat. In dieser Sinterlegierung sind außerordentlich harte, feine Karbidteilchen aus (Fe, CrJ.C, oder (Fe, Cr, Mo)7C₃ in der harten (alpha-Phase + gamma-Phase)—

-Matrix des Fe-Cr-(Mo)-Cu-P-C-Typs gleichmäßig verteilt. Eine solche Sinterlegierung kann mit einer hohen Dichte und einer hohen Härte, wie sie vorstehend erwähnt wurden, fast nach dem gleichen Verfahren wie im Fall der Herstellung

J. O

der gewöhnlichen Sinterlegierung auf Eisenbasis erhalten werden. Die erfindungsgemäß eingesetzten Sinterlegierungen zeigen beim Verschleißtest eine gute Beständigkeit.

Nachstehend werden zuerst die Gründe für die Begrenzung des

Ä U

Gehalts der Elemente der erfindungsgemäß eingesetzten Sinterlegierung beschrieben:

Ein Teil des Chroms wird in der Matrix im festen Zustand gelöst und verstärkt die Matrix bzw. vergrößert deren Festig-

Λ Ό

keit, indem es bei dem auf das Sintern folgenden Kühlvorgang einen Martensit oder einen Bainit bildet, während sich der Rest des Chroms unter Bildung von gehärteten Karbidteilchon des M^C-Typs mit (Fe-Cr)₃C als Hauptbestandteil

yQ mit Kohlenstoff verbindet, wodurch die Eigenschaften der Sinterlegierung bezüglich des Verschleißschutzes und der Verhinderung des Fressens und Hängenbleibens verbessert werden. Die Zugabe einer Chrommenge von weniger als 2,5 Gew.-% ist unerwünscht, weil dies zu einer ungenügenden

3g Karbidbildung und dazu führt, daß sich Karbid in Form eines Netzwerks bzw. einer Netzstruktur an der Korngrenze an-

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reichert, wodurch die Struktur vergröbert und das Gleitvermögen in hohem Maße verschlechtert wird. Die Zugabe einer 7,5 Gew.-% überschreitenden Chrommenge führt unerwünschterweise nach dem Sintern zu einer übermäßigen Karbidmenge, zu einer Umänderung der Kristallstruktur vom M^C-Typ in den M^Cn-Typ und' faktisch zum Verschwinden der Phosphorverbindungsphase des Steadit-S", wodurch eine beträchtliche 2Q Änderung der Eigenschaften der Sinterlegierung hervorgerufen wird, die zu einer Veränderung des Gleitvermögens und sogar zu einer Verstärkung des Angriffs auf ein zu koppelndes Stück bzw. Element führt.

l§ Es wurde festgestellt, daß die Wirkung der Zugabe von Mn

auf die Aktivierung der Fe-Matrix für das Sintern auffällig ist, wenn Cr in einer Menge von 2,5 bis 7,5 Gew.-% hinzugegeben wird.

Wenn die beim Vorgang des Sinterns der Legierung erzeugte, flüssige Phase verwendet wird, um die Legierung mit einem anderen Stück bzw. Element, beispielsweise aus Stahl, das mit der Legierung in Berührung ist, zu verbinden, führt eine zu große Chrommenge, die die Obergrenze der Legierung überschreitet, zu einer ungenügenden Erzeugung von flüssiger Phase, wodurch die Verbindungsfestigkeit herabgesetzt wird. Andererseits wird die Bearbeitbarkeit herabgesetzt, wenn daa hinzugegebene Chromvolumen weiter erhöht wird, und außerdem wird die Aufbringbarkeit einer Schmiermittelschicht,

30 die zufVerbesserung der Anfangspassung dient, schlecht,

was zu einer Kostenerhöhung führt. Die Zugabe von Chrom ist infolgedessen auf 2,5 bis 7,5 Gew.-% eingeschränkt, wobei der optimale Bereich in jeder Hinsicht 4,5 bis 6,5 Gew.-% beträgt.

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Mangan spielt im Rahmen der Erfindung eine sehr bedeutsame

Rolle und zeigt die drei folgenden Wirkungen: 5

Mangan wird erstens im festen Zustand xn der Matrix gelöst und verstärkt die Matrix; und es verbessert außerdem die Härtbarkeit der Legierung in einem bedeutenden Ausmaß; des weiteren erhärtet Ma|^n)an bei einem langsamen, mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 10°C/min in dem üblichen, zum kontinuierlichen Sintern dienenden Ofen unter einer Atmosphäre aus zersetztem bzw. gespaltenem Ammoniakgas durchgeführten Kühlvorgang, wobei leicht eine scheinbare Hv-Härte (10 kg) von über 350 erzielt und dadurch das

Gleitvermögen verbessert werden kann. 15

Zweitens aktiviert Mn die Fe-Matrix für das Sintern und ermöglicht dadurch ein Sintern bei niedrigeren Temperaturen, was mit der Wirkung einer Verminderung der Energiekosten verbunden ist. Wie vorstehend erwähnt wurde, ist diese

Wirkung bedeutsam, wenn die Zugabe von Mn im Bereich von 2,5 bis 7,5 Gew.-% liegt.

Drittens unterdrückt Mn das Kristallwachstum, und Mn verfeinert das Karbid und trägt zur Sphäroidisierung bzw. Zusammenballung bei, wodurch das Gleitvermögen der Sinterlegierung verbessert wird.

Wenn das Werkstück aus dieser Legierung hergestellt wird, OQ kann es nach dem Vorsintern in einer AX-Gas-Atmosphäre bei 900 bis 1000 ⁰C bearbeitet und dann angebracht bzw. zusammengebaut werden. Die Zugabe von Mangan ist bezüglich der Erhöhung der Festigkeit des vorgesinterten Produkts in hohem Muße wirksam. Eine solche Wirkung der Erhöhung ■μ_ο dor Festigkeit des vorgesinterten Produkts ist praktisch nicht vorhanden, wenn weniger als βτ&\ % Mangan hinzugegeben

¹0,10^X

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werden, während die Zugabe einer 3,0 % überschreitenden c Manganmenge zu einer Sphäroidisierung bzw. Zusammenballung und zu einer Härtung des zerstäubten Legierungspulvers führt, wodurch nicht nur eine die Erzielung einer gewünschten Dichte oder Härte unmöglich machende, starke Verminderung der Zusammendrückbarkeit und Formbarkeit des Pulvers,

IQ sondern auch eine Erhöhung des Gehalts an restlichem Austenit während des Sinterns, eine Verminderung der Härte oder die Neigung zu einer Herabsetzung des Sinterungsvermögens durch Oxidation hervorgerufen werden. Die Zugabe von Mn ist infolgedessen auf eine Menge von 0,10 bis 3,0

15 Gew.-% und vorzugsweise von 0,10 bis 1,5 Gew.-% eingeschränkt .

Phosphor leistet zu der Sinterlegierung den Beitrag, daß es das Sintern aktiviert, indem es während des Sinterns

i^m festen Zustand in die Matrix hineingelöst wird, wobei die Wirkungen hervorgerufen werden, daß nicht nur ein Sintern bei niedrigeren Temperaturen ermöglicht wird, sondern mittels einer flüssigen Phase auch eine höhere Dichte erzielt wird, indem eine Steadiaphase mit niedrigem Schmelzpunkt gebildet wird. Wie vorstehend erwähnt wurde, trägt die Steadiaphase insbesondere dann zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit bei, wenn der Cr-Gehalt 2,5 bis 7,5 Gew.-% beträgt. Wenn der Cr-Gehalt 7,5 Gew.-% überschreitet, verschwindet die Steadiaphase fast vollständig, und die Steadiaphase kann kaum zur Verschleißbeständigkeit beitragen. Die Wirkung des Phosphors wird unbefriedigend, wenn es in einer Menge von weniger als 0,2 Gew.-% hinzugegeben wird. Andererseits führt die Zugabe einer 0,8 % überschreitenden Phosphormenge zur Bildung eines Übermaßes an flüssiger Phase, was zu einem abnormen Wachstum von Karbid und Steadia und zu einer Versprödung der Korngrenze führt,

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wodurch das Gleitvermögen herabgesetzt wird. Die Zugabe

von Phosphor ist infolgedessen auf 0,2 bis 0,8 Gew.-% fa

und vorzugsweise auf 0,35 bis 0,65 Gew.-% eingeschränkt.

Genauso wie Chrom erhöht Mo . nicht nur die Härte der Sintermaw-Äe, indem es die Matrix verstärkt und die Härtbarkeit verbessert, sondern es verbessert auch das Gleitvermögen, indem es ein gehärtetes, zusammengesetztes bzw. Mischkarbid mit (Fe.Cr.Mo)^C als Hauptbestandteil bildet. Auch ohne Zugabe von Mo kann das erforderliche Betriebsverhalten von verschiebbaren bzw. gleitfähigen Teilen wie

_ir Nocken sichergestellt werden, jedoch ist eine Zugabe von weniger als etwa 3 Gew.-% Mo nützlich, weil dadurch die Wirkung hervorgerufen wird, daß das Karbid stärker -^phäroidisiert bzw. zusammengeballt wird und daß die Aggressivität der Legierung gegenüber dem zu koppelnden Stück bzw.

2Q Element unterdrückt wird. Die Zugabe von Mo.' " ist infolgedessen auf weniger als 3 Gew.-% und vorzugsweise auf 0,5 bis 1,5 Gew.-% eingeschränkt, weil die Zugabe einer 3 Gew.-% überschreitenden MolybdSnmenge dazu führen würde, daß an der Korngrenze eine Netzstruktur des Karbids ge-

2g bildet wird, wodurch die Legierung verspröden und das Gleitvermögen herabgesetzt werden würde und die Kosten erhöht würden.

Kupfer, das in der Matrix im festen Zustand gelöst wird, stabilisiert das Sintern, erhöht die Festigkeit und Härte der Matrix, verfeinert das Karbid und trägt zu einer Sphäro-Ldisiorunq bzw. Zusammenballung des Kcirbids bei. Wenn Kupfer in einer Menge von weniger als 1,0 Gew.-% hinzugegeben wird, treten diese Wirkungen nicht auf. Andererseits wird die Korngrenze geschwächt, was nicht nur zu einem vermindertem Gleitvermögen, sondern auch zu einer Erhöhung der

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Kosten führt, wenn Kupfer in einer zu großen Menge hinzugegeben wird. Die Zugabe von Kupfer ist infolgedessen auf 5

1,0 bis 5,0 Gew,-% und vorzugsweise auf 1,5 bis 3,0 Gew.-%

eingeschränkt.

Silicium, das in der Matrix im festen Zustand gelöst wird,

stabilisiert das Sintern der Fe-Matrix. Silizium ist ins-10

besondere in Gegenwart von 2,5 bis 7,5 Gew.-% Chrom wirksam, um eine Streuung der Dichte oder Härte, die auf Veränderungen des Kohlenstoffgehalts beruht, zu unterdrücken, und es ist in gleicher Weise wirksam, um eine Sphäroidi-

sierung bzw. Zusammenballung der Karbidteilchen zu erzielen. 15

Silizium ist erforderlich als hauptsächliches Desoxidationsmittel für das geschmolzene Metall, wenn dieses zur Herstellung eines Legierungspulvers zerstäubt wird. Die Zugabe einer zu geringen Siliziummenge führt zu einer Beschlounigung der Oxidation des Pulvers, wodurch ein Verlust der des oxidierenden Wirkung hervorgerufen wird, während im Fall der Zugabe einer zu großen Siliziummenge nicht nur die Härtbarkeit der Matrix herabgesetzt wird, was zu einer Verminderung der Härte führt, sondern auch das Karbid vergröbert _oc wird und eine Absonderung bzw. Ausscheidung von Karbid an der Korngrenze verursacht wird, was zu einem geringeren Gleitvermögen führt. Die Zugabe von Silizium ist infolgedessen auf 0,5 bis 2 Gew.-% und vorzugsweise auf 0,7 bis 1,5 Gew.-% eingeschränkt.

Graphit, der als Kohlenstoffquelle einzusetzen ist und in

der Matrix in festem Zustand gelöst wird, erhöht die Härte und verstärkt die Matrix. Außerdem verbessert Kohlenstoff die Abriebbeständigkeit bzw. Verschleißfestigkeit, indem er zusammen mit Chrom und Molybdän zusammengesetzte bzw. Mischkarbide wie (Fe.Cr)₃C oder (Fe-Cr.Mo),C bildet und zur

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Bildung der Steaditphase (Fe-Fe₃C-Fe₃P) beiträgt.

Die Zugabe einer zu geringen Kohlenstoffmenge verursacht eine ungenügende Härte der Matrix und unzureichende Volumina von Karbid und Steadit, während die Zugabe einer zu großen Kohlenstoffmenge zu einer Vergröberung der Struktur und zur Bildung einer Netzstruktur des Steadit.s an der Korngrenze führt, wodurch das Gleitvermögen in beträchtlichem Maße verschlechtert und ein starker Angriff auf das gekoppelte Stück bzw. Element hervorgerufen wird. Die Zugabe von Kohlenstoff ist infolgedessen auf 1,5 bis 4,0 Gew.-% und vorzugsweise auf 1,8 bis 3,0 Gew.-% eingeschränkt.

Mit Ausnahme von Kohlenstoff werden die in der Legierung enthaltenen Elemente vorzugsweise in Form eines Eisenlegierungspulvers eingesetzt. Das Legierung^pulver, das als 2^ Material für die Sinterlegierung dient, wird im allgemeinen aus einem geschmolzenen Metall durch das Zerstäubungsverfahren erhalten.

Das Legierungspulvermaterial sollte wünschenswerterweise als Verunreinigungen weniger als 0,5 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 0,3 Gew.-% Sauerstoff und weniger als 0,3 Gew.-% und vorzugsweise weniger als 0,1 Gew.-% Kohlenstoff enthalten.

Beim Zerstäubungsverfahren können die geschmolzenen Legierungsmaterialien, die hergestellt werden, nachläem die pulverförmigen Legierungsmaterialien miteinander vermischt worden sind, zur Herstellung des zerstäubten Metalls von der Oberseite her zerstäubt werden, während ein Wasserstrahl von der Seite in einer N_-Atmosphäre gegen das tropfende, geschmolzene Metall gedrückt bzw. gespritzt wird. Die

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Korngröße des zerstäubten Legierungspulvers entspricht geeigneterweise einer lichten Maschenweite von weniger als 177 μΊη (80 mesh> , vorzugsweise von weniger als 149 μπι (100 mesh), wobei weniger als 40 % des Gesamtvolumens einer lichten Maschenweite von weniger als 45 μΐη (350 mesh ) entsprechen.

Der Gehalt an Verunreinigungen sowie die Korngröße (lichte

Maschenweite) des Legierungspulvers beinfluwen hauptsächlich die Zusammendrückbarkeit und die Formbarkeit während der Formung des Pulvers sowie die Eigenschaften und die

\SS/

-^5 Gebrauchsleistungen der Sintermawe als Bauteil.

Zu dem auf diese Weise erhaltenen, zerstäubten Legierungspulver wird Kohlenstoff, üblicherweise Graphit, hinzugegeben, und zwar vorzugsweise schuppenförmiger bzw. flocken-

20 graphit für die Pulvermetallurgie. Im allgemeinen wird Graphit mit einem mittleren Teilchendurchmesser von bis zu etwa 10-μπι eingesetzt, jedoch sind feine Teilchen von weniger als 2 - 3 μπι zu bevorzugen. Diese Elemente können durch ein übliches Verfahren vermischt werden, jedoch kann

ein besonderes Matrix-Mischverfahren,ein Mischverfahren

unter Druckentlastung oder ein Schwingmühlenverfahren angewandt werden. Diese Verfahren vermindern die Absonderung von Graphit bei den Misch- und Formungsvorgängen auf ein Mindestmaß, wodurch die Härte der Matrix und die Gestalt,

30 die Größe und die Verteilung der Karbide in verschiedenen Teilen des Produkts gleichmäßig gemacht werden und erwünschte Ergebnisse mit geringeren Unterschieden in den Eigenschaften des Produkts bezüglich der Verschleißfestigkeit und der Verhinderung des Fressens und des Hängen-

bleibens erzielt werden.

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Deis auf diese Weise hergestellte Material wird geformt, gesintert und dann·abgekühlt. Das Formen wird unter. Erzielung einer gewünschten Gestalt im allgemeinen unter einem Preßdruck von etwa 4,9 bis etwa 6,9 kbar (5 bis etwa 7 t/cm²) und vorzugsweise von etwa 5,4 bis etwa 6,4 kbar (5,5 bis etwa 6,5 t/cm²) durchgeführt. Die Dichte

des geformten Produkts beträgt geeigneterweise etwa 5,8 10

bis etwa 6,4 g/cm³ und vorzugsweise etwa 5,9 bis etwa 6,3 g/cm³. Als nächstes wird das komprimierte Pulver bei einer Temperatur im Bereich von etwa 1020 °C bis etwa 1180 ⁰C und vorzugsweise von etwa 1050⁰C bis 1150⁰C gesintert. Die Sinterdauer hängt von der Temperatur ab. Das Sintern wird üblicherweise etwa 30 bis bzw. oder etwa 90 min lang durchgeführt. Es ist erwünscht, daß das Sintern in einem Gas wie Wasserstoff, Stickstoff, einer Gasmischung aus "WÄser=*^ stoff und Stickstoff oder zersetztem bzw. gespaltenem Ammoniak oder im Vakuum durchgeführt wird. Der Taupunkt der angewandten Atmosphäre beträgt geeigneterweise weniger als minus 10 ⁰C und vorzugsweise weniger als minus 20⁰C.

\SS/

Die auf diese Weise erhaltene Sintermawe erhält die notwendige Härte durch Abkühlen auf etwa 600⁰C mit einer Gesciiwindigkett von etwn 10°C/min und vorzugsweise 20 bis 100°C/min.

Das Vorsintern wird bei einer Temperatur durchgeführt, wie OQ sie üblicherweise für diesen Zweck festgelegt wird.

,JJV

Als Wellenelement, an dem die vorgesinterte MaWe angebracht wird, werden ein Stahlrohr oder ein fester Stahlstab, wie sie üblicherweise für diesen Zweck verwendet werden, eingesetzt. Natürlich kann ein Bauteil bzw. Element, das bei der :Ünt ovi.omporatur seino Festigkeit verliert, nicht angewandt werden.

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Beispiel 1 '_;

g Eine Legierung mit"der Zusammensetzung: Fe, 5 Gew.-% Cr, 1 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% P und 2,5 Gew.-% C (Material "A") wurde als spezielle, verschleißfeste Sinterlegierung eingesetzt. Unter Verwendung eines gepulverten Materials aus dieser Legierung wurde eine vorge-

IQ sinterte Legierung mit einem Außendurchmesser von 50 mm,

einem Innendurchmesser von (28 + ^t ) mm und einer Dicke von 15 mm hergestellt. Das vorgesinterte Produkt wurde an einem Stahlrohr mit einem Außendurchmesser von 28 mm, einem Innendurchmesser von 20.mm und einer Länge.

von 30 mm, das aus S'45entsprechendem Material hergestellt worden war, angebracht. Danach wurde zur Herstellung einer verbundenen , als Probestück dienenden Baueinheit ein Sintern durchgeführt. Der Spielraum des Innendurchmessers des vorgesinterten Produkts wurde auf 0 mm, 0,3 mm, 0,6 mm, 0/8 mm und 1,0 mm festgelegt, wodurch mehrere Probestücke in Form von verbundenen Baueinheiten erhalten wurden. Bei jedem Probestück wurde die Scherfestigkeit bzw. die Schubfestigkeit in der in Fig. 2 gezeigten Weise gemessen, indem das Stählrohr 2 mittels einer Druck ausübenden Vorrichtung nach unten gestoßen wurde, während die SintermaNae auf einen Träger mit einem darin befindlichen Loch aufgelegt wurde.

Die Dimensionsänderungsverhältnisse (Kontraktionsverhältnisse) der Sinterlegierung wurden bei vorgesinterten Produkten, die nicht an dem Stahlrohr angebracht waren, gemessen. Das Sintern wurde durch 60-minütiges Erhitzen bei den angegebenen Temperaturen in AX-Gas durchgeführt. Die Ergebnisse der auf diese Weise gemessenen Dimensionsänderungsverhältnisse werden durch die Kurven "A" in Fig. 1 gezeigt. Die gemessenen Werte der Scharfestigkeit werden in den Fig. 3 und 4 und in Tabelle 1 gezeigt. Bei jedem Wert handelt es sich um den Mittelwert

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von 10 gemessenen Probestücken.

Vergleichsbeispiel·

Unter Anwendung einer Sinterlegierung mit der folgenden Zusammensetzung: Fe, 8 Gew.-% Mo, 5 Gew.-% Co, 2 Gew.-% Cu, 1,2 Gew.-% P, 0,06 Gew.-% B und 1 Gew.-% C (Material "B") zu Vergleichszwecken wurden die vorgesinterten Produkte und die verbundenen Baueinheiten ähnlich wie in Beispiel 1 hergestellt. Nach dem Verfahren von Beispiel wurden Teste durchgeführt, und die gemessenen Ergebnisse

i§ bezüglich der Dimensionsänderungsverhältnisse werden durch die Kurve VB" in Fig. 1 gezeigt, während die Ergebnisse der Messung der Scherfestigkeit in den Fig. 3 und 4 und in Tabelle 1 gezeigt werden.

co ω to to ι-· ι-·

σι ο σι ο σι ο σι

Tabelle 1

Material Sinter- Kontraktions- Kontraktions- Spiel- scheinbares scheinbares Verbindungen

temperatur verhältnis * betrag ** raumot/ Übermaß *** Übermaß festigkeit

(⁰C) (%) (mm) (mm) (mm) (%) (kg/mm²)

	1110	6,1	1,7	0	1,7	6,1 .	mehr 15 -	als 28
Ä	Il	η	Il	0,3	1,4	5,0	15 -	28
Il	Il	η	Il	0,6	1,1	3,9	14 -	26
Il	Il	π	Il	0,8	0,9	'3,2	10 -	22
Il	Il	H	Il	1,0	0,7	2,5	2 -	15
Il
	1150	1,2	0,3	0	0,3	1,1	1
B

3 2 2 U19

-22- DE 2277

Anmerkungen: * in dieser'Spalte wird das Kontraktionsver-

hältnis des Innendurchmessers des während des Sinterns nicht an dem Stahlrohr ange

brachten Legierungswerkstücks angegeben.

** in dieser Spalte wird der Kontraktionsbetrag des Innendurchmessers des während des Sinterns nicht an dem Stahlrohr angebrachten

Legierungswerkstücks angegeben.

ti

*** in dieser Spalte wird —' -g des Legierungswerkstücks an dessen Innendurchmesser· angegeben.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, zeigte die Sinterlegierung aus dem Material "A" von Beispiel 1 das maximale Kontraktionsverhältnis von etwa 6%, während die Sinterlegierung des Materials "B" des Vergleichsbeispiels einmal bei etwa 1100⁰C expandierte und sich dann bei höheren Temperaturen zusammenzog. Das maximale Kontraktionsverhältnis des Vergleichsbeispiels betrug etwa 1,2%.

25 Beispiel 2

Unter Anwendung der gleichen Legierung, die in Beispiel 1 verwendet wurde, wurden die in den Fig. 5(a) und (b) gezeigten, vorgesinterten Produkte (Innendurchmesser: 28,3 mm) hergestellt. Diese vorgesinterten Produkte wurden an einer Stahlrohrwelle mit einem Außendurchmesser von 28 mm angebracht und dann unter solchen Bedingungen gesintert, daß das maximale Kontraktionsverhältnis gewährleistet werden konnte, wodurch eine Nocke-Nockenwelle-Baueinheit für die verwendung in einem Motor, wie sie in Fig. 6 gezeigt wird,

-23- DE 2277

hergestellt wurde.

Der Innendurchmesser des Produkts, das unter den gleichen Sinterbedingungen gesintert worden war, während es nicht an der Stahlrohrwelle angebracht war, betrug 26,6 nun, wobei, der Kontraktionsbetrag 1,7 mm (= 28,3 mm - 26,6 mm) und das Kontraktionsverhältnis 6.0 % C= (1*7 x 100) / 28,3] betrug. Das scheinbare Übermaß betrug 1,4 mm (= 28,0 mm-26,6 mm), und das scheinbare Übermaßverhältnis in Bezug auf den Außendurchmesser der Stahlrohrwelle betrug 5,0 % E= (1/4 χ 100) / 28,Oj .

Wie aus der Mikrophotographie von Fig. 7 ersichtlich ist, wurde festgestellt, daß die Sintermawe durch eine Diffusions-Verbindungsschicht in hervorragender Weise metallurgisch mit dem Stahlrohr verbunden war. Die Scharfestigkeit der verbundenen Baueinheit betrug 17 kg/mm².

Fig. 3 faßt die in den Beispielen 1 und 2 erhaltenen Ergebnisse zusammen und erläutert die Beziehung zwischen dem Verhältnis des scheinbaren Übermaßes zu dem Außendurchmesser „,- des Bauteils bzw. Elementes, mit dem das Werkstück verbunden ist, wobei die Verbindungsfestigkeit der verbundenen Baueinheit, bei der die Sinterlegierung "A" eingesetzt und der Spielraum variiert wurde, durch die Schsrfestigkeit ausgedrückt w(r#(.

Wenn die minimalen Werte der Verbindungsfestigkeit betrachtet werden, beobachtet man, daß die Wirkung der Erhöhung dieser Werte bei einem Verhältnis über 2 % groß, bei einem Verhältnis von 3% auffallend und bei einem Verhältnis von mehr als 4% stabilisiert wird.

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Fig. 4 erläutert die Beziehung zwischen der Verbindungsfestigkeit und dem Dimensionskontraktionsverhältnis des

gesinterten Produkts, das nicht an der Welle angebracht 5

war, und zwar unter der Bedingung, daß der Spielraum auf Werte von weniger als etwa 1,0 mm festgelegt wurde, um die in Fig. 3 gezeigten, hervorragenden Werte für das scheinbare Übermaß zu gewährleisten.

Wenn auch die Minimalwerte der Verbindungsfestigkeit betrachtet werden, sieht man, daß die Wirkung der Erhöhung der Verbindungsfestigkeit bei DimensionskontraktionsverhältnisseV von mehr als 2% aufzutreten scheint. Je größer

das Kontraktionsverhältnis der eingesetzten Legierung, 15

beispielsweise mehr als 3%, mehr als 4% usw., ist, umso größer ist die Selekt^ivität des Bereichs, inpem der Spielraum festgelegt werden kann, um eine genügende Wirkung zu zeigen. Im Fall der Sinterlegierung "A", die sich mit einem

Verhältnis von 6,1 % zusammenzieht, wird auch bei einem 20

Spielraum von 1,0 mm eine zufriedenstellende Wirkung erzielt. Die Wirkung wird stabil, wenn der Spielraum auf weniger als 0,6 mm festgelegt wird.

__ Wie aus den Fig. 3 und 4 hervorgeht , wird eine ähnliche Wirkung erzielt, wenn der Spielraum auf einen negativen Wert festgelegt wird, d.h. wenn die Welle für eine Verbindung der Welle mit dem vorgesinterten Produkt durch Sintern in das vorgesinterte Produkt eingepreßt wird. Das

on an der Welle anzubringende Werkstück kann ein geformtes Pulverprodukt sein. Die Verwendung eines auch als vorhergesintertes Produkt oder als primärgesintertes Produkt bezeichneten, vorgesinterten Produkts wird bevorzugt, um eine bestimmte Festigkeit vom Standpunkt der Bearbeitbarkeit aus sicherzustellen. Das Sintern nach dem Anbringen bzw. dem Zusammenbau wird als EnVsinterung oder sekundäre

Sinterung bezeichnet.

Die Fig. 5 w\a Q zeigen ein Beispiel einer Nocke~Nockenwel.le-Baueinhait für die Verwendung in einem Notor, jbßi der Werkstücke wie ein Noekenstück und ein Zapfen, die aus der speziellen, verschleißfesten Sinterlegierung hergestellt worden sind/ nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit einem Stahlrohr verbunden sind. Es wurde beobachtet, daß das Kontraktionsverhältnis, das scheinbaEe Übermaß und die Vejrfrindungsfestigkeit dieser Baueinheit mit don entsprechenden Eigenschaften der Probestücke von Beispiel 1 in güter p. Übereinstimmung waren.

Beispiel 3

wie in Beispiel 2 wurden untor Verwendung verschic-2Q densr Zusammensetzungen Nocke-Nockenwellen^Daueinheiten hergestellt, wobei öio in 'fabeile 2 geaeigfcön Ergebnisse erhalten wurden.

Werkstück	Charakteristische Wer te der Sintermagje	scheinbare Härte Hv.ClO .kg)	Verbin- dungs-	Verschleißfestigkeitstest	Betrag des Ab riebs des entge genwirk. Kipp- VxaVval e f ι ml **	Anmerkung (Warte in Gew.-%)
Legierung 1	Dichte	370	festigk. (Kg/W²)	Betrag des Nockenab riebs (μΐη) *	20
ι. ₂	7,36	560	15 - 28	95	3	2,5Cr-O_y10Mn-5Cu-0,5Si-O,7Ρ-1,5C
3	7,45	780	16 - 27	22	8	5,OCr-I _f.0Mn-2Cu-lSi-0 ,5P-2 ,5C .
4	7,62	660	15 - 29	25	2	7,5Cr-3_#OMn-lCu-2,OSi-0_/2P-3,5C
7,63	14 - 28	19 .	Legierung¹"'^{2 + 3Mo}

Anmerkung: * Betrag des Abriebs in Richtung der Nockennase ** Maximale Tiefe des Abriebbereichs im Kifphebel-Gleitkissen

σ w

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* mm ι» ■. Λψτ

-27- DE 2277

Die Erfindung ist vorstehend unter Bezugnahme auf die

Sinterlegierung mit der in der Beschreibung zuerst er-5

wähnten Zusammensetzung erläutert worden, jedoch können gleiche oder ähnliche Wirkungen auch erzielt werden, wenn die Sinterlegierung mit der an zweiter Stelle beschriebenen Zusammensetzung eingesetzt wird. Die an erster Stelle genannten Sinterlegierungen entsprechen der US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 213239, während die an zweiter Stelle genannten Sinterlegierungen der aus der Japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2777/1977 bekannten ' Sinterlegierung entsprechen.

Leerseite

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung einer Nocke-Nockenwelle-Baueinheit, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Formen eines Werkstücks mit einem darin befindlichen Durchgangsloch aus einem zu sinternden Legierungsmaterial, wobei das Material die Erzielung eines ersten Verhältnisses, nämlich des Verhältnisses der Kontraktion des Innendurchmessers des Werkstücks am Verbindungsbereich im Fall der Sinterung des Werkstücks als Einzelteil zu dem Innendurchmesser des Werkstücks vor dem Sintern, mit einem Wert von mehr als 2% ermöglicht,

(b) Vorsintern des Werkstücks,

(c) Anbringen des Werkstücks an einer Metallwelle in der Weise, daß die Metallwelle in das Durchgangsloch eingesetzt wird, und

(d) Sintern des an der Metallwelle angebrachten Werkstücks, wobei das Verbinden des Werkstücks mit der Metallwelle in der Weise durchgeführt wird, daß ein zweites Verhältnis, nämlich das Verhältnis der Differenz zwischen dem Außendurchmesser der Metallwelle und dem Innendurchmesser des kontrahierten Werkstücks nach dem Sintern zu dem Außendurchmesser der Metallwelle, mehr als 2% beträgt.

B/25

Dresdner Bank (München) Ktq. 3939 844

Bayer, yerglnsbgnk (Manchen) Kto. §98941

Postscheck (München) KtQ, 670-43-804

-2- DE 2277

naohqereioht]

2. Verfahren zur Herstellung einer Nocke-Nockenwelle-

Baueinheit, dadurch gekennzeichnet, daß das zu sinternde

Legierungsmaterial während des Sinterns eine flüssige Phase erzeugt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn_n zeichnet, daß das Werkstück ein Nockenstück oder ein Zapfen bzw. Nockenzapfen ist und daß die Metallwelle eine Nockenwelle ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, je dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Verhältnis mehr als

3% beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Verhältnis mehr als 4% beträgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 2,5 bis 7,5 Gew.% Cr, o,1 bis 3,0 Gew.-% Mn, 0,2 bis 0,8 Gew.-% P, 1,0 bis 5,0 Gew.-% Cu, 0,5bis 2,0 Gew.-% Si, 0 bis 3,0 Gew.-% Mo, 1,5 bis 3,5 Gew.-% C und als Rest Fe mit weniger als 2,0 Gew.-% Verunreinigungen enthält.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 4,5 bis 6,5 Gew.-% Cr, 0,1 bis 1,5 Gew.-% Mn, 0,35 bis 0,65 Gew.-% P,- 1,5 bis 3,0 Gew.-% Cu, 0,7 bis 1,5 Gew.-% Si, 0,5 bis 1,5 Gew.-% Mo, 1,8 bis 3,0 Gew.-% C und als Rest Fe mit weniger als 2 Gew.-% Verunreinigungen enthält.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 15 bis 25 Gew.-% Cr, 0,3 bis 0,8 Gew.-% P, 0 bis 3,0 Gew.-% Mo, 2,0 bis 4,0 Gew.-% C und als Rest Fe mit weniger als 2 Gew*-# Verunreinigungen enthält.