WO2011101074A1 - Verfahren zur herstellung eines gesinterten oder geschmiedeten bauteils - Google Patents

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Clemens Luchner
Marc Kronenberg
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2220/00—Shaping
    • F16C2220/20—Shaping by sintering pulverised material, e.g. powder metallurgy

Definitions

  • The. invention relates to a method for producing a component, in particular a connecting rod, with a bore and an at least partially annealed bore surface.
  • Connecting rods for motor vehicle internal combustion engines are usually produced in a forging, sintering or sintering / forging process.
  • the inner surfaces of the connecting rod eyes represent the bearing surfaces which are tempered or coated due to the high stress.
  • DE 10 2006 015 888 A1 describes how, in the case of a connecting rod forged from a steel material, the small connecting-rod eye can be tempered by inductive heat treatment or laser radiation. To reduce the heat distortion, only the bore of the connecting rod is heat treated, in such a way that a heat-treated zone does not reach to the axial edge of the hole.
  • connecting rods which are drop-forged from a steel material.
  • powder-metallurgically produced connecting rods of iron-based, carbon-containing powder are not included.
  • pre-processing is required before tempering (full drilling), which leads to an increased effort in the production of the connecting rod.
  • tempering full drilling
  • Further disadvantages are the narrow process parameter limits and the technical difficulties in the subsequent inductive tempering.
  • the object of the invention is to provide a cost effective and efficient method for producing a component, in particular a connecting rod, with an at least partially annealed bore surface, with which the above limitations and disadvantages are avoided.
  • This object is achieved by a method having the features of claim 1 and by a method having the features of claim 4.
  • Advantageous and expedient embodiments of the method according to the invention are specified in the subclaims.
  • the method according to the invention for producing a component, in particular a connecting rod, having a bore and an at least partially annealed bore surface comprises according to a first aspect the following steps:
  • the invention is based on the recognition that in a component with a bore to be annealed, in particular a connecting rod, in which the bore is not first incorporated after sintering, but is already present in the green, no further processing of the bore surface is required before this is remunerated.
  • the method according to the invention therefore provides a preformed green compact which is sintered and the bore surface of which is directly subjected to a tempering process.
  • the process chain is shortened in the powder metallurgical production of the component, since the hole is not formed after sintering and then still has to be processed; Consequently labor costs and costs can be reduced. Due to the shortened process chain, the area required for the processing machines is also reduced; Less cooling lubricant (KSS) tools are needed, and overall the energy required to manufacture the component is reduced. Disposal is also simplified, since less chips are produced during production.
  • KSS cooling lubricant
  • the method according to the invention comprises the following steps:
  • the annealing of the bore surface follows a forging process, that is, it is assumed that a forged connecting rod, as it is used in particular in commercial vehicles. Again, due to the unnecessary prior processing of the surface to be annealed bore substantially the same advantages as previously described in connection with a sintered component.
  • FIG. 1 is a connecting rod in plan view
  • FIG. 3 is a sectional view of a Pleueldetails.
  • the component 10 shown in FIGS. 1 and 2 has a shaft 12, a larger bore 14 and a smaller bore 16.
  • the component 10 is designed as a connecting rod for a motor vehicle internal combustion engine, wherein the larger bore 14 a large connecting rod for supporting a crankshaft and the smaller bore 16 a small connecting rod for the storage of a Piston pin corresponds.
  • the larger bore 14 a large connecting rod for supporting a crankshaft
  • the smaller bore 16 a small connecting rod for the storage of a Piston pin corresponds.
  • only the smaller bore 16 shown in detail in FIG. 3 will be discussed.
  • the surface 18 of the bore 16 is, as will be described in more detail later, depending on the requirement completely or partially tempered.
  • FIG. 3 shows an example of a tempered partial surface 18a. It can be seen that the tempered part 18a of the bore surface 18 extends here only by approximately 180 ° around the bore circumference.
  • the axial extent of the remuneration may vary; For example, a certain axial distance from the axial bore edge may be provided, which may also depend on the outer shape of the bore 16 surrounding the component portion (here: the small connecting rod eye).
  • a sintered green compact made of an iron-based carbonaceous powder having a carbon content of 0.3 to 0.8% is provided in the pre-pressed green part.
  • the bore 16 preferably also the outer shape of the component section surrounding the bore 16 (eg trapezoidal shape, bow shape, stepped shape), is provided even before the sintering process.
  • the bore 16 can be formed by the pressing tool with which the green compact is produced, or by a mechanical processing of the pre-pressed green compact.
  • the thus pre-pressed and preformed green compact is compacted and cured by heat treatment below the melting temperature. It is assumed that the component 10 is edge-decarburized after sintering, at least in the area of the bore surface 18, although this does not necessarily have to be the case.
  • the annealing of the bore surface 18 involves a heat treatment and is preferably done by induction or laser hardening.
  • the parameters of the heat treatment are selected so that a hardening depth of 0.2-1.5 mm relative to the finished component is achieved.
  • the machining allowance for equalizing the shape and position inaccuracies of the green body and / or the thickness of the edge-decarburized zone is maintained.
  • Annealing may be performed inductively in an RF generator, thermally in a continuous furnace, or with the aid of another suitable thermal process.
  • a forging blank is provided instead of the sintered green compact.
  • the steel material of the blank in turn has a carbon content of 0.3 to 0.8%.
  • a contour of the later bore 16 is preformed.
  • the outer shape of the bore 16 surrounding the component portion may be present on the blank before forging. Again, it is assumed that the component 10 is randentkohlt after forging.
  • the bore 16 is punched in the forged component 10.
  • the hole 16 is punched using a device integrated into a trimming tool, so that after trimming no separate operation is required in an additional processing machine.
  • the subsequent tempering of the bore surface 18 or a portion 18a thereof is as described above - d. H. in particular without prior special processing of the bore surface 18 - by means of a heat treatment by induction or laser hardening and subsequent tempering.
  • the process parameters are in turn chosen so that a hardening depth of 0.2 - 1, 5 mm based on the finished component is achieved.

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Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung (16) und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche (18) umfasst folgende Schritte: - Bereitstellen eines Sintergrünlings; - Vorsehen einer Bohrung (16) im Grünling; - Sintern des Grünlings; und - Vergüten wenigstens eines Teils (18a) der Bohrungsoberfläche (18) ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche (18). Alternativ zu einem Sintergrünling kann auch ein Schmiederohling bereitgestellt werden. In diesem Fall wird der Rohling geschmiedet, und es wird eine Bohrung (16) im geschmiedeten Bauteil (10) vorgesehen, bevor wenigstens ein Teil der Bohrungsoberfläche (18) ohne vorherige Bearbeitung vergütet wird.

Description

Verfahren zur Herstellung eines gesinterten oder geschmiedeten Bauteils
Die. Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche. Pleuel für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen werden üblicherweise in einem Schmiede-, Sinter- oder Sinter/Schmiedeverfahren hergestellt. Bei Pleueln ohne gesonderte Gleit- oder Wälzlager (sogenannte Integralpleuel) stellen die Innenflächen der Pleuelaugen (Bohrungsoberflächen) die Lagerflächen dar, die aufgrund der hohen Beanspruchung vergütet oder beschichtet werden. In der DE 10 2006 015 888 A1 ist beschrieben, wie bei einem aus einem Stahlwerkstoff geschmiedeten Pleuel das kleine Pleuelauge durch induktive Wärmebehandlung oder Laserstrahlung vergütet werden kann. Um die Wärmeverzüge zu reduzieren, wird nur die Bohrung des Pleuelauges wärmebehandelt, und zwar so, dass eine wärmebehandelte Zone nicht bis an den axialen Bohrungsrand reicht.
Das bekannte Verfahren ist jedoch auf Pleuel beschränkt, die aus einem Stahlwerkstoff gesenkgeschmiedet sind. Insbesondere pulvermetallurgisch hergestellte Pleuel aus Eisen-basiertem, Kohlenstoff-haltigem Pulver sind nicht umfasst. Bei gesenkgeschmiedeten Stahlpleueln für Kraftfahrzeug- Brennkraftmaschinen (Pkw-, Nfz- und Motorradmotoren) ist vor dem Vergüten eine Vorbearbeitung erforderlich (Vollbohren), was zu einem erhöhten Aufwand bei der Fertigung des Pleuels führt. Außerdem besteht beim Induktionshärten mit einem HF-Generator die Gefahr der Überhitzung des oberflächennahen Werkstoffbereichs. Weitere Nachteile sind die engen Prozessparametergrenzen und die technischen Schwierigkeiten beim anschließenden induktiven Anlassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Pleuels, mit einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche anzugeben, mit dem die obigen Beschränkungen und Nachteile vermieden werden. Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche, umfasst gemäß einem ersten Aspekt folgende Schritte:
Bereitstellen eines Sintergrünlings;
- Vorsehen einer Bohrung im Grünling;
Sintern des Grünlings; und
Vergüten wenigstens eines Teils der Bohrungsoberfläche ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einem Bauteil mit einer zu vergütenden Bohrung, insbesondere einem Pleuel, bei dem die Bohrung nicht erst nach dem Sintern eingearbeitet wird, sondern schon vorher im Grünling vorhanden ist, keine Bearbeitung der Bohrungsoberfläche mehr erforderlich ist, bevor diese vergütet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb einen Grünling mit vorgeformter Bohrung vor, der gesintert wird und dessen Bohrungsoberfläche direkt im Anschluss einem Vergütungsprozess unterworfen wird.
Insgesamt ergibt sich ein robuster Prozess, bei dem die Prozessparametergrenzen für das Vergüten weiter sind, als es bei Bauteilen mit bearbeiteter Bohrungsoberfläche möglich wäre. Insbesondere die Gefahr der Überhitzung an der Bohrungsoberfläche und an den Bohrungsrändern ist verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, wahlweise eine zu den axialen Bohrungsrändern hin auslaufende oder nicht-auslaufende Härtezone prozesssicher herzustellen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren verkürzt sich die Prozesskette bei der pulvermetallurgischen Herstellung des Bauteils, da die Bohrung nicht nach dem Sintern gebildet wird und anschließend noch bearbeitet werden muss; somit können Arbeitsaufwand und Kosten reduziert werden. Aufgrund der verkürzten Prozesskette verringert sich auch der Flächenbedarf für die Bearbeitungsmaschinen; es werden weniger Kühlschmierstoff- (KSS-) Werkzeuge benötigt, und insgesamt ist der Energiebedarf bei der Herstellung des Bauteils reduziert. Auch die Entsorgung vereinfacht sich, da bei der Herstellung weniger Späne anfallen.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:
Bereitstellen eines Schmiederohlings;
- Schmieden des Rohlings;
- Vorsehen einer Bohrung im geschmiedeten Bauteil; und
- Vergüten wenigstens eines Teils der Bohrungsoberfläche ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche.
In diesem Fall folgt das Vergüten der Bohrungsoberfläche auf einen Schmiedeprozess, das heißt es wird von einem geschmiedeten Pleuel ausgegangen, wie es insbesondere in Nutzfahrzeugen eingesetzt wird. Auch hier ergeben sich aufgrund der nicht erforderlichen vorherigen Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie zuvor im Zusammenhang mit einem gesinterten Bauteil beschrieben.
Details der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
- Figur 1 ein Pleuel in Draufsicht;
- Figur 2 das Pleuel aus Figur 1 im Längsschnitt; und
- Figur 3 eine Schnittansicht eines Pleueldetails.
Das in den Figuren 1 und 2 dargestellte Bauteil 10 weist einen Schaft 12, eine größere Bohrung 14 und eine kleinere Bohrung 16 auf. Das Bauteil 10 ist als Pleuel für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei die größere Bohrung 14 einem großen Pleuelauge zur Lagerung einer Kurbelwelle und die kleinere Bohrung 16 einem kleinen Pleuelauge zur Lagerung eines Kolbenbolzens entspricht. Im Folgenden wird nur auf die in Figur 3 im Detail dargestellte kleinere Bohrung 16 eingegangen.
Die Oberfläche 18 der Bohrung 16 ist, wie später noch genauer beschrieben wird, je nach Anforderung ganz oder teilweise vergütet. In Figur 3 ist beispielhaft eine vergütete Teiloberfläche 18a gezeigt. Es ist erkennbar, dass sich der vergütete Teil 18a der Bohrungsoberfläche 18 hier nur um ca. 180° um den Bohrungsumfang erstreckt. Auch die axiale Ausdehnung der Vergütung kann variieren; beispielsweise kann ein bestimmter axialer Abstand vom axialen Bohrungsrand vorgesehen sein, der auch von der äußeren Form des die Bohrung 16 umgebenden Bauteilabschnitts (hier: des kleinen Pleuelauges) abhängen kann.
Um die Herstellung eines solchen Bauteils 10 effizient zu gestalten, werden Maßnahmen getroffen, damit keine (mechanische) Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche 18a unmittelbar vor dem Vergüten durchgeführt werden muss.
Im Falle eines pulvermetallurgisch hergestellten Bauteils 10 wird ein Sintergrünling aus einem Eisen-basiertem, Kohlenstoff-haltigem Pulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8 % bereitgestellt. Im vorgepressten Grünling ist bereits vor dem Sinterprozess zumindest die Bohrung 16, vorzugsweise auch die äußere Form des die Bohrung 16 umgebenden Bauteilabschnitts (z. B. Trapezform, Bügelform, abgestufte Form), vorgesehen. Die Bohrung 16 kann durch das Presswerkzeug, mit dem der Grünling hergestellt wird, oder durch eine mechanische Bearbeitung des vorgepressten Grünlings gebildet werden.
Im anschließenden Sinterprozess wird der so vorgepresste und vorgeformte Grünling durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Es wird davon ausgegangen, dass das Bauteil 10 nach dem Sintern randentkohlt ist, zumindest im Bereich der Bohrungsoberfläche 18, obwohl dies nicht zwingend so sein muss.
Ohne spezielle Bearbeitung der Bohrungsoberfläche 18 wird diese nach dem Sintern vergütet. Dabei kann, wie oben bereits angedeutet, die komplette Bohrungsoberfläche 18, ein Ringausschnitt und/oder ein Umfangsabschnitt (Segment) der Bohrungsoberfläche 18 zur Vergütung vorgesehen sein. Ein Vergüten anderer Abschnitte des Bauteils 10 ist nicht vorgesehen.
Das Vergüten der Bohrungsoberfläche 18 beinhaltet eine Wärmebehandlung und erfolgt vorzugsweise durch Induktions- oder Laserhärten. Die Parameter der Wärmebehandlung sind so gewählt, dass eine Einhärtetiefe von 0,2 - 1 ,5 mm bezogen auf das fertige Bauteil erzielt wird. Die Bearbeitungszugabe zur Egalisierung der Form- und Lageungenauigkeiten des Grünlings und/oder der Dicke der randentkohlten Zone wird vorgehalten.
Anschließend erfolgt ein Anlassen zumindest der zu vergütenden Bohrungsoberfläche 18a. Das Anlassen kann induktiv in einem HF-Generator, thermisch in einem Kammer- bzw. Durchlaufofen, oder unter Zuhilfenahme eines anderen geeigneten thermischen Prozesses durchgeführt werden.
Im Falle eines aus einem Stahlwerkstoff bestehenden und durch Schmieden hergestellten Bauteils wird anstelle des Sintergrünlings ein Schmiederohling bereitgestellt. Der Stahl Werkstoff des Rohlings hat wiederum einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8 %.
Beim Schmieden des Rohlings wird unter anderem eine Kontur der späteren Bohrung 16 vorgeformt. Die äußere Form des die Bohrung 16 umgebenden Bauteilabschnitts kann am Rohling bereits vor dem Schmieden vorhanden sein. Auch hier wird davon ausgegangen, dass das Bauteil 10 nach dem Schmieden randentkohlt ist.
Nach dem Schmieden wird die Bohrung 16 im geschmiedeten Bauteil 10 gelocht. Das Lochen der Bohrung 16 erfolgt in mithilfe einer in ein Abgratwerkzeug integrierten Einrichtung, sodass nach dem Abgraten kein separater Arbeitsschritt in einer zusätzlichen Bearbeitungsmaschine erforderlich ist.
Das anschließende Vergüten der Bohrungsoberfläche 18 oder eines Teils 18a hiervon erfolgt wie oben beschrieben - d. h. insbesondere ohne vorherige spezielle Bearbeitung der Bohrungsoberfläche 18 - mittels einer Wärmebehandlung durch Induktions- oder Laserhärten und anschließendes Anlassen. Die Prozessparameter sind wiederum so gewählt, dass eine Einhärtetiefe von 0,2 - 1 ,5 mm bezogen auf das fertige Bauteil erzielt wird.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung (16) und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche (18), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Sintergrünlings;
- Vorsehen einer Bohrung ( 6) im Grünling;
- Sintern des Grünlings; und
- Vergüten wenigstens eines Teils (18a) der Bohrungsoberfläche (18) ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche
(18).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) im Grünling vor dem Sintern mithilfe eines Presswerkzeugs gebildet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) im Grünling vor dem Sintern durch mechanische Bearbeitung des Grünlings gebildet wird.
4. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung (16) und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche(18), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Schmiederohlings;
- Schmieden des Rohlings;
- Vorsehen einer Bohrung (16) im geschmiedeten Bauteil(10); und
- Vergüten wenigstens eines Teils der Bohrungsoberfläche ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche (18).
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmieden des Rohlings die Kontur der späteren Bohrung (16) vorgeformt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) im geschmiedeten Bauteil (10) gelocht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) mithilfe einer in ein Abgratwerkzeug integrierten Einrichtung gelocht wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergüten ein Induktions- oder Laserhärten beinhaltet, vorzugsweise mit einer Einhärtetiefe von 0,2 bis 1 ,5 mm.
9. Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein nachfolgendes Anlassen wenigstens der gehärteten Bohrungsoberfläche (18).
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Grünlings bzw. des Rohlings einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8 % aufweist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die äußere Form des die Bohrung (16) umgebenden Bauteilabschnitts am Grünling vor dem Sintern bzw. am Rohling vor dem Schmieden gebildet wird.
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