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DE3506302A1 - Gusseisenartikel und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Gusseisenartikel und verfahren zu dessen herstellung

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DE3506302A1
DE3506302A1 DE19853506302 DE3506302A DE3506302A1 DE 3506302 A1 DE3506302 A1 DE 3506302A1 DE 19853506302 DE19853506302 DE 19853506302 DE 3506302 A DE3506302 A DE 3506302A DE 3506302 A1 DE3506302 A1 DE 3506302A1
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Germany
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metal
cast iron
high hardness
plasma arc
range
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Application number
DE19853506302
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English (en)
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DE3506302C2 (de
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Hisao Saitama Hirono
Tsuyoshi Kawagoe Saitama Makita
Toshihiko Sayama Saitama Saga
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Honda Motor Co Ltd
Original Assignee
Honda Motor Co Ltd
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Publication date
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Publication of DE3506302C3 publication Critical patent/DE3506302C3/de
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Description

Beschreibung
Gußeisenartikel und Verfahren zu dessen Herstellung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich generell auf einen Gußeisenartikel und auf ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf einen Gußeisenartikel, wie er für eine abriebfeste Nockenwelle und einen abriebfesten Kipphebel von Brennkraftmaschinen gehärtet ist, sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Artikels..
Bei der Brennkraftmaschine sind die Drehung einer Kurbelwelle und die Öffnungs-Schließ-Wirkung von Ventilen mittels einer Kombination aus einer Nockenwelle und eines Kipphebels derart miteinander gekuppelt, daß die Ventile zeitlich abgestimmt geöffnet und geschlossen werden, um ein Kraftstoff-Luft-Gemisch abzugeben bzw. die verbrannten Gase abzuführen. Die Nockenwelle und der Kipphebel einer Brennkraftmaschine mit oben liegender Nockenwelle (vom OHC-Typ) sind an gewissen Teilen direkt in Gleitkontakt miteinander gebracht. Bei einer Brennkraftmaschine mit hängenden Ventilen (vom OHV-Typ)steht, eine Druck- bzw. Schieberstange in einem Teil eines Stößels in Gleitkontakt mit der Nockenwelle und in einem weiteren Teil mit einem Teil des Kipphebels. Deshalb ist es bezüglich der Nockenwelle ebenso wie bezüglich des Kipphebels erforderlich, daß diese in einem Bereich ihrer einen Oberflächenschicht eine höhere Abriebfestigkeit
aufweisen als der übrige Teil.
Gemäß einem herkömmlichen Verfahren zur Herstellung eines Gußeisenartikels, wie der Nockenwelle, die in einem Bereich eine höhere Abriebfestigkeit benötigt, wird ein Metall hoher Härte, wie Chrom oder Molybdän einem geschmolzenen Metall hinzugesetzt, wenn der Artikel gegossen wird, und ein Abkühlblock wird auf einen Teil einer Metallform aufgesetzt, um gleichzeitig mit dem Gießen eine abgekühlte Schicht von ausgezeichneter Abriebfestigkeit im Kontaktbereich mit dem Kühlblock zu bilden.
Um die Härte der abgekühlten Schicht zu erhöhen und um damit die Abriebfestigkeit welter zu steigern, wird einfach die Menge des eine hohe Härte aufweisenden, dem geschmolzenen Metall hinzuzusetzenden Materials erhöht* Sine derartige Zunahme in der hinzuzusetzenden Menge bringt jedoch infolge des Zusatzes des eine hohe Härte aufweisenden Metalls auch eine Steigerung in der Härte des anderen Teiles, wie eines Lagerteiles des betreffenden Artikels mit sich, der dann mit dem Kühlblock in Kontakt 1st. Dadurch ist es dann schwierig, nach dem Gießen einen Schneidvorgang vorzunehmen. In einem gewissen Fall kann die abgekühlte Struktur auch in dem Teil gebildet sein, der außerhalb des Kontakts mit dem Kühlblock steht, womit es sehr schwierig wird, die betreffende Anordnung nachher einem Schneidvorgang zu unterziehen.
Aus einem derartigen Grunde weist unter Berücksichtigung eines nachfolgenden Schneidvorgangs der Anteil des hinzuzusetzenden, eine hohe Härte aufweisenden Metalls eine Obergrenze von 1,0 Gewichtsprozent auf,
wenn eine einzige Sorte eines eine hohe Härte aufweisenden Metalls hinzugesetzt wird, oder 1,4 Gewichtsprozent sogar in dem Fall, daß eine Vielzahl
von Metallsorten hinzugesetzt wird, über diese Grenze hinaus ist die Zusetzung eines eine hohe Härte aufweisenden Metalls für den Schneidvorgang unpraktisch. Demgemäß wird bei dem herkömmlichen Gußeisenartikel die abriebfeste Schicht in einem Teil des betreffenden Artikels ungenügend gebildet.
Um einen derartigen Mangel zu überwinden, ist bereits ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei dem in einem Gießschritt ein Gußartikel in einer üblichen Weise gegossen wird, ohne daß ein eine hohe Härte aufweisendes Metall bis zu einem Ausmaß hinzugesetzt wird, welches ein Schneiden des betreffenden Artikels schwierig macht, und ohne Aufsetzen eines Kühlblocks auf einen Teil einer Metallform. Nach der Durchführung des Gießschrittes ist dann nicht mehr als ein Teil bzw. Bereich, der abriebfest sein soll, einer Härtebehandlung ausgesetzt. Als beispielhaft für diese Verfahrensweise ist die Verfahrensweise, welche beschrieben ist in der japanischen Patentanmeldung No. SHO 53-115203 vom 21.9.1978 (entsprechend der DE-Anmeldung P 27 42 597.4 vom 22.9.1974), offengelegt als japanische Offenlegungsschrift No. SHO 54-57010 vom 8.5.1979.
Bei dem Verfahren nach dem zuvor angegebenen Stand der Technik wird ein Elektronenstrahl auf den die Abriebfestigkeit benötigenden Teil bzw. Bereich gerichtet, um diesen Teil wieder zu schmelzen, bevor er selbst sich wieder abkühlen kann, um einen abgekühlte Schicht
zu bilden.
In Übereinstimmung mit einem derartigen Wiederschmelzung s-Härtungs-Verfahren 1st jedoch der Aufbau der schließlich gebildeten abgekühlten Schicht der gleiche wie der des Gußartikels als des Mutterkörpers des betreffenden Artikels, weshalb keine gehärtete
Schicht auf diese Art und Weise erhalten wird, die sich durch eine besonders ausgezeichnete Härte bzw. Abriebfestigkeit auszeichnet, wenn man den betreffenden Artikel vergleicht mit einer gehärteten Schicht, die durch Verwendung eines Abkühlblockes bzw. Abschreckblockes gebildet ist.
Durch die vorliegende Erfindung werden nun derartige herkömmliche Probleme eines Gußeisenartikels gelöst.
Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, einen Gußeisenartikel zu schaffen, der in einem bestimmten Bereich eine wieder geschmolzene behandelte Schicht aufweist, die eich durch eine bemerkenswert ausgezeichnete Abriebfestigkeit im Vergleich zu einer unter Verwendung eines Abkühl- bzw. Abschreckblockes gebildeten abgekühlten bzw. abgeschreckten Schicht auszeichnet. Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Gußeisenartikels geschaffen, werden.
Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe durch die in den Patentansprüchen erfaßten Merkmalen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Gußeisenartikel geschaffen, der aus Chrom, Moly.bdän, Nickel, Wolfram, Vanadium und Niob zumindest eine Sorte eines eine hohe Härte aufweisenden Metalls enthält, welches als feste Lösung in Form einer einfachen Substanz, einer
Legierung oder einer Zusammensetzung dispergiert oder vorhanden ist, wobei in einem bestimmten Bereich einer Oberflächenschicht des Artikels eine durch Wiederschmelzung behandelte Schicht dadurch gebildet ist, daß eine partielle Härtebehandlung erfolgt, bei der ein Schritt des Auflösens darin besteht, das eine hohe Härte aufweisende Metall durch einen Plasmabogen
-TO-
in ein Substrat des Artikels zu mischen, und in einem Kühlschritt erfolgt anschließend eine Verfestigung des betreffenden Artikels.
Gemäß der Erfindung ist darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines Gußeisenartikels geschaffen, gemäß dem aus Chrom, Molybdän, Nickel, Wolfram, Vanadium und Niob zumindest eine Sorte des eine hohe Härte aufweisenden Metalls als feste Lösung in Form einer einfachen Substanz, einer Legierung oder einer Zusammensetzung in dem betreffenden Artikel dispergiert oder in diesem bereitgestellt wird. Das Verfahren gemäß der Erfindung umfaßt einen ersten Schritt, der darin besteht, daß ein bestimmter Bereich einer Oberflächenschicht des Artikels gegenüber einem Plasmabrenner gebracht wird. Ein zweiter Schritt besteht darin, daß eine Elektrode des Plasmabrenners und des Artikels mit einem Minusanschluß bzw. Plusanschluß einer Gleichspannungsquelle verbunden wird. Ein dritter Schritt besteht darin, daß ein Plasmabogen von dem Plasmabrenner her zu dem betreffenden bestimmten Bereich der Oberflächenschicht hin entladen wird, um in dieser ein Schmelzbad zu bilden, währenddessen das eine hohe Härte aufweisende Metall als Pulver in den Plasmabogen abgegeben wird. Ein vierter Schritt besteht darin, daß man den Plasmabrenner innerhalb eines Bereiches des bestimmten Teiles der Oberflächenschicht eine Bewegung ausführen läßt, während die Entladung des Plasmabogens sowie die Abgabe des pulverförmigen,
eine hohe Härte aufweisenden Metalls in dem Plasmabogen fortgesetzt wird. Ein fünfter Schritt besteht darin, die Entladung des Plasmabogens sowie die Abgabe des pulverförmigen, eine hohe Härte aufweisenden Metalls in dem Plasmabogen zu stoppen. Ein sechster Schritt besteht darin, das Schmelzbad abzukühlen. Ein siebter Schritt besteht darin, den Artikel wegzunehmen bzw. heraus zunehmen.
-ΐί-
Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an einer bevorzugten Ausf uhrungsform im einzelnen erläutert.
Fig. 1 zeigt in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht einen wesentlichen Teil eines Plasmabrenners in der Anwendung zur Herstellung eines Gußeisenartikels gemäß der Erfindung.
Fig. 2A, 2B und 2C zeigen Analysenbilder aus einem elektronischen Proben-Mikroanalysiergerät, wobei die Verteilung der wesentlichen Elemente in einer wiedergeschmolzenen behandelten Schicht des Gußeisenartikels veranschaulicht ist.
Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen, die in einer Teilschnittansicht den Innenaufbau eines Plasmabrenners 1 veranschaulicht, der sich eignet für die Herstellung eines Gußeisenartikels 11 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Plasmabrenner 1 weist innerhalb einer hohl ausgebildeten Abschirmkappe 2 eine einzelne Düse aus Kupfer auf, zwischen der und der Kappe 2 eine axiale Bahn 4 festgelegt ist, welche die Hinzuführung eines Schutzgases, wie eines reaktionslosen Gases bzw. Edelgases ermöglicht. In der Mitte der Düse 3 ist eine weitere axiale Bahn 5 gebildet, die ein Arbeitsgas, wie ein Argongas, abzugeben gestattet, welches in ein Plasmagas umzuwandeln ist. Um diese Bahn 5 herum befindet sich eine am Ende geschlossene Bahn 6 für die Zirkulation eines Kühlmittels. Eine VoIframelektrode 7 ist axial in der Bahn 5 des Arbeitsgases vorgesehen, wobei die Bahn bzw. der Veg 5 an seinem unteren Ende derart verjüngt ist, daß eine öffnung 8 als Plasmastrahlloch für die Abgabe des Plasmagases festgelegt ist.
Darüber hinaus weist die Abschirm- bzw. Schutzkappe 2 eine Vielzahl von rohrförmigen Führungen 9 auf, die
"-Ύ2-
ι eich schräg durch die betreffende Kappe hindurch erstrecken, um um die Düse 3 in einer gleichen Winkelteilung herum angeordnet zu sein. Die Führungen 9 tragen Jeweils eines der in einer Vielzahl vorgesehenen Metallpulver-Zuführungsrohre 10, die in die betreffenden Führungen so eingesetzt sind, daß eine Verlängerung der Achse des jeweiligen Rohres 10 durch einen Punkt auf einer Verlängerung der Achse der öffnung 8 hindurchtritt.
Welter unten wird ein Verfahren zur Herstellung des Gußeisenartikels 11 gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, bei dem der zuvor beschriebene Plasmabrenner 1 verwendet ist.
Der Gußeisenartikel 11 wird nunmehr als in einem Zustand angenommen, wie er in einer üblichen Weise gegossen ist, ohne daß ein eine hohe Härte aufweisendes Metall in einem Ausmaß hinzugesetzt ist, welcher einen Schneidvorgang stören könnte, und ohne daß ein Kühl- bzw..Abschreckblock verwendet und nach dem Schneidvorgang ein Schneiden vorgenommen ist.
Zunächst wird, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist, der Plasmabrenner 1 gegenüber einem bestimmten Bereich 11a angeordnet, d.h. gegenüber einem Bereich, bezüglich dessen die Forderung besteht, daß er sowohl gegenüber einem Abrieb als auch einem Ausschleifen gegenüber beständig ist. Dieser Bereich einer Oberflächenschicht des Gußeisenartikels wird dann durch einen Schneidvorgang einer Endbearbeitung unterzogen.
Sodann wird die Wolframelektrode 7 mit einem Minusanschluß (nicht dargestellt) einer Gleichspannungsquelle (nicht dargestellt) verbunden, und der
Gußeisenartikel 11 wird mit dem Plusanschluß (nicht dargestellt) der betreffenden Spannungsquelle verbunden. Das Schutzgas wird durch den axialen Weg 4 abgegeben, und das Arbeitsgas, wie beispielsweise ein Argongas, wird durch den axialen Weg 5 abgegeben. Infolgedessen nimmt die Elektrode 7 eine Entladung vor und tiberführt das Arbeitsgas des Weges 5 in einen Plasmazustand, um das Plasmagas zu erzeugen, welches an der öffnung bzw. an dem Loch 8 eine verringerte Strömungsbahnfläche aufweist und sich von dort aus in Form eines Plasmabogens 12 schnell ausbreitet, d.h. zu einem Plasmastrahl hoher Temperatur und hoher Geschwindigkeit, der von der Düse 3 abgegeben wird. Der abgeführte Plasmabogen 12 ist auf den bestimmten Bereich 11a der Oberflächenschicht des Gußeisenartikels 11 gerichtet, welcher ein positives Potential in bezug auf die Wolframelektrode 7 führt. Mit der Bogenhitze bildet sich dort ein Schmelzbad 13 in dem Bereich 11a.
Gleichzeitig mit diesen Vorgängen wird in den Plasmabogen 12 ein Pulver 14, bestehend aus einer oder mehreren Sorten des eine hohe Härte aufweisenden Metalls, durch die Metallpulver-Zuführungsrohre 10 eingeführt. Das eine hohe Härte aufweisende Metall ist in korrekter Weise auswählbar aus Chrom, Molybdän, Nickel, Wolfram, Vanadium,Niob und dgl.; es kann in geeigneter Weise in Form einer einzigen Substanz irgendeines Elements aus den betreffenden Elementen, in Form einer Legierung von zwei oder mehr Elementen aus den betreffenden Elementen oder aus einer oder mehreren der betreffenden Metalle mit einem anderen Metall oder anderen Metallen und/oder als Gemisch bzw. Verbindung eines oder mehrerer der betreffenden Metalle mit Kohlenstoff und/oder dgl. hinzugegeben werden. Die Menge des in den Plasmabogen 12 einzuführenden
Pulvers 14 ist beschränkt, und zwar in Werten eines Gewichtsanteiles des eine hohe Härte aufweisenden Metalls zu dem Schmelzbad 14; vorzugsweise liegen die Werte innerhalb eines Bereiches von 1,0 bis 15,0 Ge-Wichtsprozent, wenn die Anzahl der Sorten des eine hohe Härte aufweisenden, hinzuzufügenden Metalls eins beträgt; die betreffenden Werte liegen indessen in einem Bereich von 0,7 bis 15f0 Gewichtsprozent für jede Sorte, und innerhalb eines Lareiches von 1,4 bis 16,0 Gewichtsprozent insgesamt, wenn mehr als ein Metall verwendet ist. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß bei solchen Mengen des Pulvers 14, die unzureichend sind, um die untere Grenze eines entsprechenden Bereiches der vorstehend angegebenen Gewichtsprozentbereiche zu erreichen, der Bereich 11a des Gußeisenartikels 11 bei Behandlung durch eine Wiederschmelzung zur partiellen Härtung unwesentlich bzw. unwirksam verschieden ist hinsichtlich der Abriebfestigkeit von jenen Werten, die sonst durch einen konventionellen Abschreckprozeß erzielt würden, womit ein Mangel an ausreichender Härte vorhanden wäre. Im Gegensatz dazu kann in dem Fall, daß die Obergrenze überschritten wird, die Härte zu hoch werden, um eine unerwünschte Brüchigkeit zu vermeiden, was zu einer verminderten Abschleiffestigkeit führt. Außerdem ist die Ausbildung von Bruchstellen bzw. Rissen wahrscheinlich, wenn die Abkühlung nach der Wiederschmelzung durch das Plasma erfolgt, sowie dann, wenn ein Schleifen erfolgt.
Bei der oben beschriebenen Wiederschmelzungs-Behandlung wird das Metallpulver 14, wenn es in den Plasmabogen 12 eingeführt wird, zwangsweise in dem Bogen 12 gehalten, wodurch es beschleunigt und erwärmt wird und wodurch es mit hohen Geschwindigkeiten und hohen Temperaturen auf die Oberfläche des Schmelzbades 14 derart geschleudert wird, daß es in dem Bad 13 gemischt wird, während das betreffende Schmelzbad 13
einen Oberflächenbereich aufweist, der eine Ausnehmung durch den Druck des darauf ausgeübten Plasmabogens 12 zeigt. Der betreffende Ausnehmungsbereich wird veranlaßt, sich zu kreuseln und längs der Bewegungen des Plasmabrenners 1 mitzulaufen, so daß das betreffende Schmelzbad 13 wirksam durchrührt wird. Demgemäß wird das Pulver 14 aus dem eine hohe Härte aufweisenden Metall beim Vermischen in dem Schmelzbad 13 gleichmäßig in diesem Bad durch den Rühreffekt verteilt.
Infolgedessen wird das betreffende Pulver 14 in dem Fall, daß es einen hinreichend niedrigen Schmelzpunkt hat oder bezüglich des Schmelzbades 13 auflösbar ist, gleichmäßig mit dem Substrat des betreffenden Bades 13 vermischt, womit eine Legierung gebildet und/oder eine Verbindung entwickelt bzw. freigemacht wird. In dem Fall, daß das Pulver 14 widerstandsfähig bzw. hitzebeständig gegenüber dem Bad 13 ist, wird es gleichmäßig in dem betreffenden Bad dispergiert, ohne daß die chemische Zusammensetzung sich ändert.
Durch Abkühlen des Schmelzbades 13 weist der Gußeisenartikel 11 in dem Oberflächenbereich 11a eine wieder geschmolzene behandelte Schicht auf, die eine homogenisierte Legierung mit einem oder mehreren, eine hohe Härte aufweisenden Metallen und/oder abriebfesten Partikeln enthält, die gleichmäßig dispergiert sind. Diese wieder geschmolzene behandelte Schicht ist somit ausgezeichnet gegenüber dem Abrieb und Ausschleifen beständig.
Nachstehend wird eine Anzahl von wesentlichen Betriebsbedingungen erläutert werden, um eine wieder geschmolzene behandelte Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung zu bilden, welche eine hohe Abriebfestigkeit und eine Anti-Abschleifqualität aufweist.
Für den Transport des Metallpulvers 14 wird ein Pulver-Trägergas verwendet, welches durch die Metallpulver-Zuführungsrohre 10 hindurchgelassen wird. Die Strömungsgeschwindigkeit des betreffenden Gases kann vorzugsweise auf 0,5 m/s oder auf einen höheren Wert eingestellt sein, um das Pulver 14 in dem Plasmabogen 12 festzuhalten. In bezug auf das Arbeitsgas, welches durch die axiale Bahn 5 abzugeben ist, kann die Strömungsrate vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 0,3 bis 3 Liter/min begrenzt sein, um stark reduziert zu sein von einem Bereich eines gewöhnlichen Plasmaschmelzens, der bei 30 bis 60 Liter/min liegt, damit verhindert ist, daß das Pulver 14 aus dem Schmelzbad herausspratzt. Um die Arbeitsgasströmung zu verringern, kann überdies die Partikelgröße des Pulvers 14 in vorteilhafter Weise beschränkt sein innerhalb eines Bereiches von 1 bis 200/um oder vorzugsweise, auf einen Bereich von 1 bis 100/um.
Darüber hinaus kann der Bogenstrom, der in geeigneter Weise einzustellen ist in Übereinstimmung mit dem Material, den Abmessungen und der Konfiguration des Gußeisenartikels 11 als des wieder zu schmelzenden Substrates sowie in Übereinstimmung mit der wieder zu schmelzenden Fläche und Tiefe und der Menge des Metallpulvers 14 und der Bewegungsgesehwihdigkeit des Plasmabrenners 1, vorzugsweise weitgehend innerhalb eines Bereiches von 30 bis 200 A reguliert werden, indem eine Spannung innerhalb eines Bereiches von 20 bis 30V abgegeben wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform gemäß der Erfindung kann das Pulver 14 eine oder mehrere Sorten aus einem eine hohe Härte aufweisenden Metall und eine einzige Substanz aus Schwefel oder einem Sulfid eines eine hohe Härte aufweisenden Metalls
aufweisen, wodurch das eine hohe Härte aufweisende Metall gleichmäßig in Form eines Sulfides in der wieder geschmolzenen behandelten Schicht zu dispergieren oder aufzulösen ist. Dadurch wird die Schmierfähigkeit gesteigert, wodurch die Abriebfestigkeit weiter erhöht ist. Die hinzuzusetzende Schwefelmenge ist begrenzt, und zwar in Werten eines Gewichtsanteiles von Schwefel zu der wieder geschmolzenen behandelten Schicht ausgedrückt in Werten, die vorzugsweise innerhalb eines Bereiches von 0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent liegen. In dem Fall, daß der Gewichtsanteil kleiner ist als 0,2 Gewichtsprozent, wird die Schmierfähigkeit nicht merklich hoch sein; wenn demgegenüber der betreffende Gewichtsanteil mehr als 1,5 Gewichtsprozent beträgt, wird die wieder geschmolzene behandelte Schicht brüchig, womit die Abschleiffestigkeit verringert ist.
Im übrigen sei angemerkt, daß eine oder mehrere Sorten des eine hohe Härte aufweisenden Metalls dem Schmelzbad 13 in Form einer eisenhaltigen Legierung oder eines Karbides zugeführt sein kann.
Die Fig. 2A, 2B und 2C zeigen Analysenbilder, die die Ergebnisse eines Elektronen-Proben-Microanalysiergerätes veranschaulichen. Dabei sind die Analyseergebnisse bezüglich einer wieder geschmolzenen behandelten Schicht veranschaulicht, die dadurch gebildet ist, daß einzelne Substanzen aus Chrom und Molybdän als Metall hoher Härte hinzugefügt sind und daß Schwefel hinzugesetzt ist. Jedes Diagramm überdeckt einen Tiefenbereich von 1,0 bis 1,1 mm von der Oberfläche der wieder geschmolzenen behandelten Schicht. Wie aus den Analysebildern ersehen werden kann, ist die wieder geschmolzene behandelte Schicht nahezu homogen bezüglich S, Cr und Mo.
Im folgenden werden die Ergebnisse einer Anzahl von Vergleichsexperimenten erläutert, bei denen jeweils ein Gußeisenartikel gemäß der Erfindung verglichen wird mit einem konventionellen Gußeisenartikel bezüglieh der Abriebfestigkeit.
Experiment I
Eine Nockenwelle für Automobile als Gußeisenteil mit der Bezeichnung FC3O (Grauguß, Grad 5) nach den japanisehen Industrienormen wurde einer groben Schneidbehandlung unterzogen und einer Wiederschmelzungsbehandlungs dadurch unterworfen, daß die Oberfläche eines Nocken-Hubbereiches der betreffenden Nockenwelle einem Plasmabogen ausgesetzt wurde, während ein Metallpulver aus Cr unter folgenden Bedingungen hinzugesetzt wurde:
Wiederschmelzungs-Behandlungsbedingungen: Plasmabogenstrom 85 A
Arbeitsgasströmung 0,3 Liter/min
Menge des hinzugesetzten Cr-Pulvers 1,4 g/min Bewegungsgeschwindigkeit des 1 m/min Plasmabrenners
Der Nocken-Hubteil wies eine wieder geschmolzene behandelte und für die Härtung abgeschreckte Schicht auf, die 1,6 mm tief war und deren Härte nach der Rockwell Härteskala C, JIS, 63 Härteeinheiten betrug; die betreffende Schicht enthielt weitgehend homogen etwa 13 Gewichtsprozent Cr. Die Nockenwelle wurde dann einer Endbearbeitung durch Schleifen eines Nockenbereiches unterzogen und als Teststück A bezeichnet.
Auf der anderen Seite wurde eine weitere Nockenwelle mit 0,9 Gewichtsprozent Cr im Substrat gegossen, wobei nicht mehr als ein Nocken-Hubbereich der betreffenden Nockenwelle durch Anwendung eines Abschreckblockes abgeschreckt wurde. Auch diese Nockenwelle wurde dann
einer Endbearbeitung durch Schleifen eines Nockenteiles unterzogen und als Teststück B bezeichnet.
Die beiden Teststücke A und B wurden in einer tatsächliehen Maschine getestet, und zwar bei einer Motordrehzahl von 1000 U /min und bei einer öltemperatür von 65°C während einer Dauer von 200 Stunden. Die Testergebnisse zeigten eine maximale Abriebtiefe von 25/um bezüglich des Nockenteiles des Teststücks A und eine maximale Abriebtiefe von 105/um bezüglich des Nockenteiles des Teststücks B. Damit zeigte sich das Teststück A hinsichtlich der Abriebfestigkeit als deutlich überlegen.
Eperiment II
Eine Nockenwelle für Motorräder als Gußeisenteil mit der Bezeichnung FCD 55 (Spherο-Graphiteisenguß Klasse 3) nach der japanischen Industrienorm wurde einer groben Schneidbehandlung unterzogen und einer Wiederschmelzungsbehandlung dadurch unterzogen, daß die Oberfläche eines Nocken-Hubteiles mit einem Plasmabogen wieder geschmolzen wurde, während ein Metallpulver aus MOpC mit Partikelgrößen innerhalb eines Bereiches von 10 bis 50/um unter folgenden Bedingungen hinzugesetzt wurde :
Wiederschmelzungs-Behandlungsbedingungen: Plasmabogenstrom 80 A
Arbeitsgasströmung 0,5 Liter/min
Menge des hinzugesetzten Mo2C-Pulvers 0,3 g/min Bewegungsgeschwindigkeit des Plasma- 1,2 m/min brenners
Eine so erhaltene wieder geschmolzene behandelte Schicht wurde abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Die Schicht wies eine Tiefe von 1,8 mm auf, und die HRC-Härte (Rockwell-Härte) betrug 57; die betreffende Schicht wies 1,5 Geschwichtsprozent Mo auf. Die Nockenwelle wurde dann durch Schleifen eines Nockenteiles
fertig bearbeitet und als Teststück C bezeichnet.
Andererseits wurde eine weitere Nockenwelle als Gußeisenteil mit der Bezeichnung FCD 55 nach der japanisehen Industrienorm gegossen und abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Auch diese Nockenwelle wurde .durch Schleifen eines Nockenteiles fertig bearbeitet und als Teststück D bezeichnet.
Die beiden Teststücke C und D wurden in einer tatsächlichen Maschine unter ähnlichen Bedingungen getestet wie beim Beispiel I. Die Testergebnisse zeigen eine maximale Abriebtiefe von 80/um für den Nockenteil des Teststücks C und eine Abriebtiefe von 120/um für den Nockenteil des Teststücks D. Damit zeigte sich das Teststück C gegenüber dem Teststück D in der Abriebfestigkeit als überlegen.
Experiment III
Eine Nockenwelle für Automobile wurde als Gußeisenteil mit der Bezeichnung FC 30 (entsprechend den oben angegebenen Normen) einer groben Schneidbehandlung unterzogen und einer Wiederschmelzungsbehandlung dadurch unterworfen, daß die Oberfläche eines Nocken-Hubteiles mit einem Plasmabogen wieder geschmolzen wurde, während der betreffenden Anordnung ein Cr^Cp-Pulver und ein Mo-Pulver in einem Gewichtsverhältnis von 50% zu 50% gemischt hinzugesetzt wurden, wobei die Partikelgrößen innerhalb eines Bereiches von 2 bis 60/um lagen. Die betreffende Behandlung erfolgte unter folgenden Bedingungen:
Wiederschmelzungs-Behandlungsbedingungen: Plasmabogenstrom 80 A
Arbeitsgasströmung 0,5 Liter/min
Menge von hinzugesetztem Cr-zCp+Mo 0,3 g/min
Bewegungsgeschwindigkeit des 1 m/min
Plasmabrenners
Eine so auf dem Nocken-Hubteil erhaltene wieder geschmolzene behandelte Schicht wurde abgeschreckt, um zu härten. Die Schicht wies eine Tiefe von 1,7 mm und eine HRC-Härte von 58 auf; sie enthielt etwa 0,9 Ge-Wichtsprozent Mo und etwa 0,8 Gewichtsprozent Cr. Die Nockenwelle wurde dann durch Schleifen eines Nockenteiles einer Endbearbeitung unterzogen und als Teststück E bezeichnet.
Demgegenüber wurde eine weitere Nockenwelle als Gußeisenteil aus einem FC-30-Material gegossen, welches 0,3 Gewichtsprozent Mo und 0,6 Gewichtsprozent Cr enthielt. Das betreffende Gußeisenteil wurde abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Auch diese Nockenwelle wurde durch Schleifen eines Nockenteiles einer Endberarbeitung unterzogen und als Teststück F bezeichnet.
Die beiden Teststücke E und F wurden in einer tatsächlichen Maschine unter ähnlichen Bedingungen getestet, wie sie beim Experiment I angegeben sind. Die Testergebnisse zeigten eine maximale Abriebtiefe von 63/um für den Nockenteil des TestStücks E und eine maximale Abriebtiefe von 110 /um für den Nockenteil des Teststücks F. Damit zeigte sich das Teststück E hinsichtlieh seiner Abriebfestigkeit als extrem überlegen.
Experiment IV
Eine Nockenwelle für Automobile wurde als Gußeisenteil aus dem FC-30-Material gegossen, einer groben Schneidbehandlung unterzogen und dadurch einer WiederschmelZungsbehandlung unterworfen, daß die Oberfläche eines Nocken-Hubteiles mit einem Plasmabogen wieder geschmolzen wurde, während eine Mischung aus einem Cr,C2-Pulver und einem Mo-Pulver in einem Gewichts-
verhältnis von 65% zu 35% bei Partikelgrößen innerhalb eines Bereiches von 2 bis 60/um unter folgenden Bedingungen hinzugesetzt wurde:
Wiederschmelzungs-Behandlungsbedingungen:
Plasmabogenstrom 80 A
Arbeitsgasströmung 0,5 Liter/min
Menge an hinzugesetztem Cr,Cp+Mo 1,6 g/min Bewegungsgeschwindigkeit des 0,5 m/min Plasmabrenners
Eine so erhaltene wieder geschmolzene behandelte Schicht auf dem Nocken-Hubteil wurde abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Die Schicht wies eine Tiefe von 1,5 mm und eine HRC-Härte von 64 auf; sie enthielt etwa 5,6 Gewichtsprozent Mo und etwa 9,4 Gewichtsprozent Cr. Die Nockenwelle wurde dann durch Schleifen eines Nockenteiles einer Endbearbeitung unterzogen und als Teststück G bezeichnet.
Andererseits wurde eine weitere Nockenwelle als Eisenlegierungs-Gußteil aus einem FC-30-Material gegossen, welches 0,3 Gewichtsprozent Mo und 0,6 Gewichtsprozent Cr enthielt. Dieses Gußteil wurde abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Auch diese Nockenwelle wurde durch Schleifen eines Nockenteiles einer Endbearbeitung unterzogen und als Teststück H bezeichnet.
Die beiden Teststücke G und H wurden in einer tatsächlichen Maschine unter ähnlichen Bedingungen getestet, wie sie beim Experiment I angegeben sind. Die Testergebnisse zeigten eine maximale Abriebtiefe von 38/um bei dem Nockenteil des Teststücks G, und eine maximale Abriebtiefe von 110/um bei dem Nockenteil des Teststücks H. Damit zeigte sich das Teststück G hinsichtlich der Abriebfestigkeit als extrem überlegen.
Experiment V
Eine Nockenwelle für Automobile wurde als Gußeisenteil aus dem FC-30-Material hergestellt, einer groben Schneidbehandlung unterzogen und einer Wiederschmelzung sbehandlung dadurch unterworfen, daß die Oberfläche
eines Nocken-Hubteiles mit einem Plasmabogen wieder geschmolzen wurde, während ein Gemisch aus einem Cr,Cp-Pulver und aus einem MoSp-Pulver bei einem Gewichtsverhältnis von 50% zu 5056 und Partikelgrößen innerhalb eines Bereiches von 2 bis 10/um unter den folgenden Bedingungen hinzugesetzt wurde:
Wiederschmelzungs-Behandlungsbedingungen: Plasmabogenstrom 8OA
Arbeitsgasströmung 0,5 Liter/min
Menge an hinzugesetzem Cr,C2+MoS2 0,8 g/min Bewegungsgeschwindigkeit des 0,9 m/min Plasmabrenners
Eine so erhaltene wieder geschmolzene behandelte Schicht auf dem Nocken-Hubteil wurde abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Die Schicht wies eine Tiefe von 1,6 mm und eine HRC-Härte von 63 auf; sie entielt etwa 3,4 Gewichtsprozent Mo, 4,8 Gewichtsprozent Cr und 0,82 Gewichtsprozent S. Die Nockenwelle wurde dann durch Schleifen eines Nockenteiles einer Endbearbeitung unterzogen und als Teststück I bezeichnet.
Andererseits wurde eine weitere Nockenwelle als Eisenlegierungs-Gußteil aus einem FC-30-Material gegossen, enthaltend 0,3 Gewichtsprozent Mo und 0,6 Gewichtsprozent Cr. Dieses Gußteil wurde abgeschreckt, um gehärtet zu werden. Auch diese Nockenwelle wurde durch Schleifen eines Nockenteiles einer Endbearbeitung unterzogen und als Teststück J bezeichnet, dessen chemische Zusammensetzung die gleiche ist wie jene des Teststücks F beim Experiment III.
Die beiden Teststücke I und J wurde in einer tatsächlichen Maschine unter ähnlichen Bedingungen getestet, wie sie beim Experiment I angegeben sind. Die Testergebnisse zeigten eine maximale Abriebtiefe von 26/um bei dem Nockenteil des Teststücks I, und eine maximale
Abriebtiefe von 110/um bei dem Nockenteil des Teststücks J. Damit zeigte sich das Teststück I hinsichtlich der Abriebfestigkeit als extrem überlegen.
Wie aus der vorstehenden Beschreibung konkret ersichtlich sein dürfte, ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gußeisenartikel, wie eine Nockenwelle oder ein Kipphebel nach erfolgtem Gießen in einem bestimmten Teil seiner einen Oberflächenschicht dadurch neu gebildet bzw. geformt worden, daß eine Wiederschmelzungs-Behandlungsschicht gebildet ist, die eine oder mehrere Sorten von eine hohe Härte aufweisenden Metallen, wie Gr und Mo, gleichmäßig darin dispergiert oder aufgelöst enthält. Dies ermöglicht nicht mehr als den beil 5 stimmten Teil der Oberflächenschicht in einem hohen Ausmaß zu härten, während der Rest bei hinreichend niedriger Härte verbleibt, was die zugehörige Bearbeitung bzw. Schneidarbeit erleichtert. Dadurch kann ein Gußeisenartikel erzielt werden, der nicht nur in einem bestimmten Bereich hinsichtlich der Abriebfestigkeit und der Anti-Abschleifqualität überlegen ist, sondern der als solcher hinsichtlich der Schneidbearbeitungsfähigkeit auch ausgezeichnet ist.
Durch Hinzufügen von S neben einem derartigen, eine hohe Härte aufweisenden Metall kann überdies die Abriebfestigkeit noch weiter erhöht werden.
Es dürfte ohne weiteres einzusehen sein, daß die vorliegende Erfindung auf irgendeinen Gußeisenartikel, einschließlich einer Nockenwelle und eines Kipphebels, angewandt werden kann, bei dem ein Teil abriebfest sein muß und bei dem der übrige Teil eine gute Bearbeitbarkeit, wie für einen Schneidvorgang, aufzuweisen hat.
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Claims (15)

Patentansprüche 10
1. Gußeisenartikel, enthaltend aus Chrom, Molybdän, Nickel, Wolfram, Vanadium und Niob zumindest eine Metallsorte der eine hohe Härte aufweisenden Metalle, dispergiert oder vorhanden als feste Lösung in Form einer einzelnen Substanz, einer Legierung oder einer Zusammensetzung, dadurch gekennzeichnet, daß in einem bestimmten Bereich (11a) einer Artikel-Oberflächenschicht (11) eine wiedergeschmolzene behandelte Schicht durch eine partielle Härtung sbehandlung gebildet ist, bei der durch Auflösen das eine hohe Härte aufweisende Metall durch einen Plasmabogen (12) in ein Substrat des betreffenden Artikels gemischt ist, woraufhin eine Abkühlung zur Verfestigung erfolgt ist.
2. Gußeisenartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Sorte der eine hohe Härte aufweisenden Metalle in Form der einfachen Substanz oder der Zusammensetzung aufgelöst ist,
um in dem genannten Substrat vermischt zu werden, und daß der Anteil der betreffenden einen Metallsorte der eine hohe Härte aufweisenden Metalle zu der wieder geschmolzenen behandelten Schicht innerhalb eines Bereiches von 1,0 bis 15,0 Gewichtsprozent liegt.
3. Gußeisenartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zumindest zwei Sorten der eine hohe Härte aufweisenden Metalle in Form der einfachen Substanzen oder der Zusammensetzung aufgelöst sind, um in dem genannten Substrat vermischt zu werden, und daß der Anteil der zumindest beiden Metallsorten zu der wieder geschmolzenen behandelten Schicht innerhalb eines Bereiches von 0,7 bis 15,0 Gewichtsprozent für jedes der eine hohe Härte aufweisenden Metalle und innerhalb eines Bereiches von 1,4 bis 16,0 Gewichtsprozent insgesamt liegt.
4. Gußeisenartikel nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet ,daß die Zusammensetzung der eine hohe Härte aufweisenden Metallsorten ein Sulfid enthält.
5. Gußeisenartikel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil von Schwefel in dem Sulfid zu der wieder geschmolzenen behandelten Schicht innerhalb eines Bereiches von 0,2 bis 1,5 Gewichtsprozent liegt.
6. Gußeisenartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß eine Verbindung bzw. ein Gemisch der eine hohe Härte aufweisenden Metallsorten ein Karbid enthält.
7. Gußeisenartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß er eine Nockenwelle für Brennkraftmaschinen umfaßt, und daß die
wieder geschmolzene behandelte Schicht (11) auf einer Nockenfläche der Nockenwelle gebildet ist.
8. Gußeisenartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß er einen Kipphebel für Brennkraftmaschinen umfaßt und daß die wieder geschmolzene behandelte Schicht auf einer Nockenfolgerfläche des betreffenden Kipphebels gebildet ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Gußeisenartikels, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der betreffende Gußeisenartikel zumindest eine Metallsorte der eine hohe Härte aufweisenden Metalle Chrom, Moly.bdän, Nickel, Wolfram, Vanadium und Niob dispergiert oder als feste Lösung in Form einer einfachen Substanz, einer Legierung oder einer Verbindung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein bestimmter Bereich (11a) einer Oberflächenschicht (11) des Gußeisenartikels gegenüber einem Plasmabrenner (1 ) angeordnet wird, daß eine Elektrode des Plasmabrenners und der betreffende Artikel mit dem Minusanschluß bzw, dem Plusanschluß einer Gleichstromquelle verbunden wird, daß ein Plasmabogen (12) von dem Plasmabrenner an den betreffenden bestimmten Bereich der Oberflächenschicht unter Bildung eines Schmelzbades (13) abgegeben wird, während die genannten Metallsorten als Pulver in den Plasmabogen (12) abgegeben werden, daß der Plasmabrenner sich innerhalb eines Bereiches des bestimmten Oberflächenschichtbereiches bewegt, während die Abgabe des Plasmabogens sowie die Abgabe des pulverförmigen, eine hohe Härte aufweisenden Metalls in den Plasmabogen (12) fortgesetzt wird, daß die Abgabe des Plasmabogens sowie die Abgabe des pulverförmigen, eine hohe Härte aufweisenden Metalls in den Plasmabogen (12) gestoppt wird,
daß das Schmelzbad (13) abgekühlt wird und daß der genannte Artikel weggenommen wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch g e kennzeichnet, daß als pulverförmiges
Metall hoher Härte ein Pulver aus der einfachen Substanz, eine Legierung, ein Karbid oder ein Sulfid der eine hohe Härte aufweisenden Metallsorten verwendet wird.
10
11. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß das pulverförmige Metall hoher Härte mit einer Partikelgröße innerhalb eines Bereiches von 1 bis 200/um verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß ein Trägergas verwendet wird, durch das das pulverförmige Metall hoher Härte transportiert wird und das mit einer Strömungsgeschwindigkeit von nicht weniger als 0,5 m/sec verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß ein Arbeitsgas verwendet wird für die Erzeugung des Plasmabogens und daß dieses Arbeitsgas mit einer Rate innerhalb eines Bereiches von 0,3 bis 3 Liter/min abgegeben wird.
14. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch g e kennzeichnet, daß für die Erzeugung des Plasmabogens eine Spannung innerhalb eines Bereiches von 20 bis 30 V und ein Strom innerhalb eines Bereiches von 30 bis 200 A bereitgestellt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet , daß das pulverförmige
Metall hoher Härte mit einer Rate innerhalb eines Bereiches von 0,3 bis 1,6 g/min zugeführt wird und daß der Plasmabrenner mit einer Bewegungsgeschwindigkeit innerhalb eines Bereiches von 0,5 bis 1,2 m/min bewegt wird.
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