DE3712108C2

DE3712108C2 - Zusammengebaute Steuerwelle

Info

Publication number: DE3712108C2
Application number: DE3712108A
Authority: DE
Inventors: Yoshiaki Fujita; Satoshi Kawai; Shunsuke Takeguchi
Original assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Current assignee: Nippon Piston Ring Co Ltd
Priority date: 1986-04-11
Filing date: 1987-04-10
Publication date: 1993-10-07
Anticipated expiration: 2007-04-11
Also published as: JPH0542498B2; DE3712108A1; GB8708021D0; JPS62271913A; US5007956A; GB2189812A; GB2189812B

Description

Die Erfindung betrifft eine zusammengebaute Steuerwelle, deren montierter Teil mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einem gesinterten Material hergestellt ist, für eine Verbrennungskraftmaschine und insbesondere eine zusammengebaute Steuerwelle, bei welcher ein Nockenbuckel und ein Zapfen aus gesinterten Legierungen hergestellt und mit einem Stahlwellenteil verbunden sind.

Bei herkömmlich zusammengebauten Steuerwellen, bei denen ein Nockenbuckel, ein Zapfenglied und dergleichen separat hergestellt und mit einem Stahlwellenglied verbunden sind, bestehen die meisten Steuerwellenelemente wie beispielsweise der Zapfen und Zahnräder mit Ausnahme des Steuerbuckels aus Stahl. Obwohl es relativ leicht ist, Stahl abschließend zu bearbeiten, sind verschiedene Herstellungsstufen erforderlich, um den Zapfen und dgl. mit dem Stahlwellenglied zu verbinden, aufgrund der Bearbeitung dieser mechanischen Teile und Löten oder dgl. Aus diesem Grund ist die Herstellung einer derartigen Steuerwelle ziemlich teuer. Weiterhin ist die Abriebbeständigkeit eines gleitenden Abschnittes aus Stahl gering, insbesondere wenn dieser Abschnitt als Zapfen verwendet wird.

Gesinterte Legierungen für die Verwendung bei Verbrennungskraftmaschinen sind beispielsweise in den US-Patentschriften 4,388,114, 4,491,477, 4,345,943, 4,363,662, 4,505,988 und 4,334,926 beschrieben.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine zusammengebaute Steuerwelle anzugeben, welche eine hohe Verschleißbeständigkeit und eine gute Bearbeitbarkeit aufweist und weniger ein Gegenstück beschädigt, das mit der Steuerwelle in Gleitkontakt steht, wobei die Steuerwelle leicht herstellbar sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2 gelöst. Zweckmäßige Weiterbildungen ergeben sich aus den Ansprüchen 3 bis 5.

Die Gründe, warum die Prozentanteile der Bestandteile des gesinterten Materials wie angegeben begrenzt sind, sind nachfolgend erläutert.

Ein Teil des Kohlenstoffgehaltes von 0,5 bis 4,0 Gew.-% ist in dem Grundgefüge des gesinterten Materials fest gelöst, um die Matrix zu verfestigen, während der andere Teil ein Karbid bildet. Wenn der Kohlenstoff geringer als 0,5 Gew.-% ist, ist der oben erläuterte Effekt nicht erzielbar, so daß die Abriebbeständigkeit und die Fähigkeit der Selbstschmierung des gesinterten Materials herabgesetzt werden. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff höher als 4,0 Gew.-% liegt, können grobe Karbidkristallkörner gebildet werden, und der Kohlenstoff wirkt mit Phosphor zusammen, um eine überschüssige flüssige Phase zu bilden, so daß es unmöglich wird, die Ausbildung eines jeden zusammengebauten Teiles der Steuerwelle beizubehalten.

Phosphor wirkt als Bildner eines eutektischen Eisen-Kohlenstoff-Phosphor-Steadits, um die Verschleißbeständigkeit des gesinterten Materials zu erhöhen. Wenn der Phosphorgehalt geringer als 0,1 Gew.-% ist, ist die oben erläuterte Wirkung nicht erreichbar. Wenn der Phosphor mehr als 0,8 Gew.-% beträgt, wird die Menge des gebildeten Steadits übermäßig hoch, so daß die Bearbeitbarkeit des gesinterten Materials beeinträchtigt und dessen Versprödung gefördert wird.

Ein Teil des Kupferanteils von 5 bis 50 Gew.-% ist in dem Grundgefüge des gesinterten Materials fest gelöst, um dessen perlitische Matrix zu verfestigen, während der andere Teil das Löten eines jeden zusammengebauten Teiles der Stahlwelle verbessert und in dem gesinterten Material verteilt ist, um die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit zu erhöhen. Wenn der Kupfergehalt kleiner als 5 Gew.-% ist, ist der Anteil an freiem Kupfer zu gering, um das Löten zu fördern, und es ist unmöglich, die Bearbeitbarkeit und die Verschleißbeständigkeit des gesinterten Materials zu erhöhen. Wenn der Kupferanteil über 50 Gew.-% liegt, liegt Kupfer im Überschuß vor, verringert die Härte des gesinterten Materials und setzt demzufolge die Verschleißbeständigkeit herab. Weiterhin steigen die Materialkosten, so daß sich ein wirtschaftlicher Nachteil ergibt. Der bevorzugte Kupferanteil kann zwischen 15 und 40 Gew.-% liegen.

Wenn die Manganmenge mehr als 1,0 Gew.-% beträgt, wird die Sinterfähigkeit des Materials beschränkt, große Lücken erzeugt, und die Verdichtbarkeit des zu sinternden pulverförmigen Materials wird herabgesetzt.

Wenn die Siliziummenge mehr als 2 Gew.-% beträgt, wird das Grundgefüge des gesinterten Materials versprödet, und die Verdichtbarkeit des pulverförmigen Materials wird herabgesenkt, so daß dadurch die Verformung des Materials zur Zeit der Sinterung erhöht wird.

Nickel, Molybdän, Chrom und Bor bilden je Karbid zur Erhöhung der Verschleißbeständigkeit des gesinterten Materials und verfestigen dessen Grundgefüge. Wenn der Anteil an Nickel, Molybdän, Chrom und Bor geringer als 0,5 Gew.-%, 0,1 Gew.-%, 0,1 Gew.-% bzw. 0,01 Gew.-% ist, sind die oben erläuterten Wirkungen nicht erreichbar. Wenn die Mengen an Nickel, Molybdän, Chrom und Bor entsprechend höher als 3,0 Gew.-%, 2,0 Gew.-%, 2,0 Gew.-% und 1,0 Gew.-% sind, wird die Härte des gesinterten Materials nachteilig erhöht, und die Bearbeitbarkeit wird entsprechend herabgesetzt.

Wenn die Kohlenstoffmenge 1,0 Gew.-% oder mehr und die Phosphormenge 0,4 Gew.-% oder mehr beträgt, wird der Anteil der flüssigen Phase des gesinterten Materials erhöht, so daß ein Schrumpfen des montierten Teiles, das aus dem gesinterten Material hergestellt ist, 1 bis 15% des Außendurchmessers der Stahlwelle ausmacht. Demzufolge wird das freie Kupfer aufgrund einer Kapillarwirkung zur Oberfläche des mit der Stahlwelle verbundenen Abschnittes gebracht, und gleichzeitig wird der Spielraum zwischen dem montierten Teil und der Stahlwelle reduziert, um das Löten des montierten Teiles an der Stahlwelle zu stabilisieren. Daneben wird die Porosität des gesinterten Materials herabgesetzt, um eine bevorzugte scheinbare Härte von HRB im Bereich zwischen 80 und 110 zu schaffen.

Wenn eine hohe Genauigkeit des montierten Teiles gefordert ist, sollte dieses Teil aus einem in fester Phase gesinterten Material bestehen, dessen Kohlenstoffgehalt niedriger als 1,0 Gew.-% und dessen Phosphorgehalt niedriger als 0,4 Gew.-% ist, so daß das Schrumpfmaß 1% oder weniger beträgt. Wenn die zusammengebaute Steuerwelle hergestellt wird, wird das zu sinternde pulverförmige Material verdichtet und an der Stahlwelle angeordnet und dann bei einer Temperatur zwischen 1050 und 1200°C gesintert, so daß es fest mit der Stahlwelle verbunden ist.

Um die Herstellungskosten der zusammengebauten Steuerwelle herabzusetzen, ist es notwendig, alle montierten Teile zusammen unter den gleichen Bedingungen zu verbinden. Aus diesem Grund ist es bevorzugt, daß der Nockenbuckel, welcher einer der montierten Teile der Nockenwelle ist, aus einem gesinterten Material wie beispielsweise einer verschleißbeständigen gesinterten Legierung hergestellt ist, wie sie in dem US-Patent 4,790,875 beschrieben ist. Das dort erläuterte gesinterte Material besteht aus 1,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 1,2 Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% oder weniger Mangan, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 2 bis 20 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und Verunreinigungen. Das gesinterte Material kann weiterhin 0,01 bis 5,0 Gew.-% wenigstens eines der Elemente Zinn, Wismuth, Antimon und Kobalt aufweisen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine mikroskopische Aufnahme einer gesinterten Legierung, die erfindungsgemäß ausgebildet ist und aus welcher jedes montierte Teil einer zusammengebauten Steuerwelle mit Ausnahme des Nockenbuckels und der Stahlwelle besteht,

Fig. 2 eine mikroskopische Aufnahme des Verbindungsbereiches zwischen der Stahlwelle und dem montierten Teil mit Ausnahme des Nockenbuckels.

Ergebnisse von Qualitätsuntersuchungen an Ausführungsformen der Erfindung und an Vergleichsproben werden nachfolgend erläutert.

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, wurden Versuchsstücke zubereitet, die Zapfen als montierte Teile aus gesinterten Legierungen sind und erfindungsgemäß Zusammensetzungen Nr. 1 bis 6 aufweisen; Versuchsstücke aus einer gesinterten Legierung als Vergleichsproben haben die Zusammensetzungen Nr. 7 und 8, und ein Versuchsstück aus Stahl (SCM 440) als Vergleichsprobe hat die Zusammensetzung Nr. 9. Zur Herstellung einer jeden Sinterlegierung wurde das gepulverte Material bei einem Preßdruck von 390 bis 590 MPa verdichtet und dann unter einer Ammoniak-Spaltgasatmosphäre in einem Ofen während 1 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 1050 bis 1200°C (Durchschnittstemperatur betrug 1120°C) gesintert. Der Stahl wurde bei Verwendung des Ofens unter den gleichen Bedingungen wie die Sinterbedingungen hergestellt.

Verschleißtest

Es wurde die Oberflächenhärte eines jeden Versuchsstücks gemessen. An jedem der Stücke wurde ein Amsler-Verschleißtest durchgeführt. Zu dieser Zeit wurde das Versuchsstück auf einer Vorrichtung zum Untersuchen des Gleitabriebes gedreht und mit einer stationären Platte (Gegenstück) in Kontakt gebracht, die aus einer Aluminiumlegierung bestand. Den Kontaktflächen der beiden Stücke wurde kontinuierlich Schmieröl zugegeben. Die Versuchsbedingungen waren folgendermaßen:

Außendurchmesser des gedrehten Versuchsstückes\|40 mm
Schmieröl	10W-30
Öltemperatur	80°C
Ölmenge	0,5 l/min
Belastung der Stücke	981 N
Gleitgeschwindigkeit zwischen den Stücken	2,5 m/s
Laufzeit	150 Stunden

Wie in Tabelle 1 gezeigt ist, ist der Verschleiß der Versuchsstücke auf den gesinterten Legierungen gemäß Erfindung und des Gegenstückes weit geringer als bei den Versuchsstücken, die als Vergleichsproben verwendet wurden.

Untersuchung der Lebensdauer und Bearbeitungsspitze

Jedes Versuchsstück wurde in zylindrische Form mit einem Durchmesser von 48 mm und einer Dicke von 25 mm gebracht. Die Versuchsstücke wurden dann auf einer Drehbank von einer Werkzeugspitze geschnitten. Die Standzeit der Werkzeugspitze wurde gemessen. Die Schneidbedingungen waren folgendermaßen:

Drehgeschwindigkeit eines jeden Versuchsstückes
800 l/min
Zustellgeschwindigkeit	0,32 mm/Umdrehung
Einschnittiefe	1 mm

Dem Versuchsstück und der Werkzeugspitze wurde ein wasserlösliches Kühlmittel zugegeben.

In Tabelle 1 ist die Anzahl möglicher 1 mm-Schnitte des identischen Versuchsstücks mit einer einzigen Werkzeugspitze aufgeführt. Es sei hervorgehoben, daß aus Tabelle 1 die Standzeit der Werkzeugspitze beim Schneiden von Versuchsstücken aus erfindungsgemäß eingesetzten gesinterten Legierungen wesentlich höher als die der Werkzeugspitze, die zum Schneiden der Versuchsstücke eingesetzt wurde, welche als Vergleichsproben verwendet wurden, ist.

Fig. 1 zeigt eine 200fach vergrößerte mikroskopische Aufnahme einer mit einem Salpeterätzmittel geätzten Struktur einer gesinterten Legierung für die Stücke mit Ausnahme des Nockenbuckels entsprechend Zusammensetzung Nr. 1 und Tabelle 1. Es ist aus Fig. 1 zu ersehen, daß Karbid B (Zementit und Steadit), das der Erhöhung der Abriebbeständigkeit der gesinterten Legierung dient und freies Kupfer C, das der Verbesserung der Bearbeitbarkeit und der Verschleißbeständigkeit der gesinterten Legierung dient, in dem perlitischen Grundgefüge A verteilt sind. Fig. 2 ist eine mikroskopische Aufnahme (11fach vergrößert) der Struktur (mit einem Salpeterätzmittel geätzt) des Verbundbereiches der gesinterten Legierung D (nach Fig. 1) auf einem Stahlwellenglied E. In Fig. 2 ist ein Kupferlotteil F und ein mittels Diffusion verbundener Teil G auf der Basis einer Sinterung in flüssiger Phase gezeigt.

Es können also alle montierten Teile einer zusammengebauten Steuerwelle mit der Stahlwelle durch ein einmaliges Sintern verbunden werden und weisen eine hohe Abriebbeständigkeit auf. Mit der Ausnahme des Nockenbuckels und der Stahlwelle sind alle montierten Teile aus einer gesinterten Legierung hergestellt, die eine gute Bearbeitbarkeit des Materials ermöglicht. Demzufolge kann ein hoher Herstellungswirkungsgrad erreicht werden.

Claims

1. Zusammengesetzte Steuerwelle, deren montierter Teil mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einem gesinterten Material hergestellt ist, wobei dieses gesinterte Material aus 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 5 bis 50 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% oder weniger Mangan, 2 Gew.-% oder weniger Silizium, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

2. Zusammengesetzte Steuerwelle, deren montierter Teil mit Ausnahme eines Nockenbuckels aus einem gesinterten Material hergestellt ist, wobei dieses gesinterte Material aus 0,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,1 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 5 bis 50 Gew.-% Kupfer, 1 Gew.-% oder weniger Mangan, 2 Gew.-% oder weniger Silizium, wenigstens einem der Bestandteile, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus 0,5 bis 3,0 Gew.-% Nickel, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Molybdän, 0,1 bis 2,0 Gew.-% Chrom, 0,01 bis 1,0 Gew.-% Bor, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.

3. Zusammengesetzte Steuerwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Material 15 bis 40 Gew.-% Kupfer enthält.

4. Zusammengesetzte Steuerwelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gesinterte Material 15 bis 40 Gew.-% Kupfer enthält.

5. Zusammengesetzte Steuerwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Nockenbuckel aus einem gesinterten Material hergestellt ist, das aus 1,5 bis 4,0 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 1,2 Gew.-% Silizium, 1 Gew.-% oder niedriger Mangan, 0,2 bis 0,8 Gew.-% Phosphor, 2 bis 20 Gew.-% Chrom, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Nickel, Rest Eisen und Verunreinigungen besteht.