Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Fertigung von Maschinenteilen, genauer auf Verfahren zur Verfestigung von Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit.
Die Erfindung kann bei der Herstellung von Teilen für Verbrennungsmotoren, insbesondere von Kurbelwellen, Zylinderlaufbuchsen sowie von Zahnrädern, Nockenwellen, Scheiben, Ventilführungsbuchsen und ähnlichen Teilen angewendet werden,
Allgemein bekannt sind Verfahren zur Verfestigung von Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit, die den Arbeitsgang der Nitrierung einschliessen.
In den bekannten Fällen werden Teile aus Gusseisen mit Kugelgraphit vor dem Nitrieren dem Erwärmen auf eine Temperatur von 860-950"C, dem Halten auf dieser Temperatur, der Kühlung und dann dem Anlassen bei einer Temperatur von 600-740"C unterworfen.
Das Nitrieren wird in der Regel bei einer Temperatur von 600-650 C durchgeführt.
Zu den Nachteilen der bekannten Verfahren gehört folgendes. Die Ausscheidung und Koagulation von Einschlüssen des Phosphideutektikums bei einer Temperatur über 920" und Senkung als Folge hiervon der Festigkeit und besonders der Plastizität.
Unvollständige Austenitisierung des Gefüges bei einer Temperatur unterhalb 880"C, wodurch der Ferritgehalt 50 und mehr % erreicht, führt zum Abfall der Festigkeit des Kerns und zur Verminderung der Härte der Nitrierschicht.
Bei einer Anlass- und Nitriertemperatur oberhalb 600"C geht ein bedeutender Zerfall des eutektoiden Zementits vor sich, was zur Senkung der Festigkeit, einem starken Verziehen der Teile und zu Schwierigkeiten bei deren Richten führt.
Ausserdem ist beim Nitrieren der Teile unterhalb t 550"C die Diffusion von Stickstoff erschwert, wobei es infolgedessen praktisch unmöglich ist, eine grosse Schichtdicke (0,5-0,8 mm) zu erhalten.
Niedrige und in manchen Fällen unzureichende Ermüdungs- und Verschleissfestigkeit der Teile entsteht wegen Vorhandensein itn Metallgefüge einer grossen Menge des groben Phosphideutektikums von Ferrit als Folge der Durchführung der Austenitisierung bei Temperaturen oberhalb 9200C und unterhalb 8800C und der Durchführung des Anlasses bei einer Temperatur oberhalb 6000C.
Lange Dauer des Produktionszyklus und grosse Arbeitsintensität bei der Herstellung von Teilen (der Zyklus der thermischen Behandlung von z.B. Wellen erreicht 200 bis 250 Std.).
Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der vorgenannten Nachteile.
Der Erfindung ist die Aufgabe zugrundegelegt, ein solches Verfahren zur Verfestigung von Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit zu schaffen, mittels dessen es möglich ist, die Beständigkeit des Metalls gegen Strukturumwandlungen, Ermüdungs- und Kontaktfestigkeit sowie Verschleissfestigkeit zu erhöhen, den Produktionszyklus zu reduzieren und den Arbeitsaufwand bei der Fertigung von Teilen herabzusetzen.
Die gestellte Aufgabe wird mit Hilfe eines Verfahrens zur Verfestigung von Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit gelöst, welches den Arbeitsgang der Nitrierung einschliesst, und bei welchem erfindungsgemäss die Teile einer thermischen Vorbehandlung und nach dem Nitrieren der Kaltverfestigung unterworfen werden.
Im folgenden wird die vorliegende Erfindung durch ausführliche Beschreibung und konkrete Ausführungsbeispiele erläutert.
Das bevorzugte Verfahren besteht darin, dass die Teile aus Gusseisen mit Kugelgraphit dem Gas-, Flüssigkeits- oder lonennitrieren bei einer Temperatur von 550-580 C unterworfen werden. Beim Gusseisen, das durch Cr, Ni, Mo und Cu legiert ist und gegenüber unlegiertem Gusseisen sich durch höhere Beständigkeit des Gefüges gegen Graphitierung auszeichnet, kann die Nitriertemperatur um 20-30"C gesteigert werden. Die Nitrierdauer und dementsprechend die technologische Tiefe der Nitrierschicht sollen gewährleisten, dass ein fertiges Teil mit einer Härte HRC 1 40 unter Berücksichtigung der Metallabnahme wegen Verzugs erhalten wird.
Die technologische Tiefe der Nitrierschicht für Teile vom Typ der Kurbelwellen und Zylinderlaufbuchsen liegt praktisch in einem Bereich von 0,3 bis 0,8 mm.
Die thermische Vorbehandlung der Teile umfasst folgende Arbeitsgänge: Erwärmen der Teile auf eine Temperatur von 880-920oC, Halten auf dieser Temperatur bis zur Erzielung des austenitischen Gefüges im Metall, dann Abkühlung, Anlassen und (oder) Alterung bei einer Temperatur von 580 650"C.
Die Verfahrensweise der thermischen Vorbehandlung wird in Abhängigkeit vom Gefüge und dem Graphitierungsgrad von Gusseisen im (gegossenen) Ausgangszustand sowie von der chemischen Zusammensetzung des Gusseisens gewählt. Je mehr im Gefüge Ferrit vorhanden und je höher der Graphitierungsgrad von Gusseisen im Ausgangszustand ist, desto höher ist die Austenitisierungstemperatur und länger die Hal- tezeit: Um die Erscheinung der Graphitierung während der Abkühlung nach der Austenitisierung zu beseitigen, werden die zu bearbeitenden Teile in Öl (Härtung) oder an Luft mit Zwangsumlauf (Normalisierung) gekühlt.
Bei der Steigerung der Austenitisierungstemperatur über 920"C hinaus geht an den Grenzen und Stossstellen der eutektischen Körner die Ausscheidung und Koagulation von Einschlüssen des Phosphideutektikums (eutektische Korngrenzablagerung), der Abfall der Festigkeit und besonders der Plastizität (spezifische Dehnung weist Werte unter 1,5% auf) vor sich. Bei einer Temperatur unterhalb 8800C ist die Austenitisierung des Gefüges unvollständig, und der Ferritgehalt im Gefüge nach der Abkühlung erreicht 35% und mehr.
In unlegiertem Gusseisen beträgt bei einem Ferritgehalt von 60-85% die Bruchfestigkeit von Gusseisen 48-52 kp/mm2, was ungefähr um 30% weniger ist als beim perlitischen Gefüge mit 7-15% Ferrit (Bruchfestigkeit 65-75 kp/mm2).
Eine langsame Abkühlung der Teile nach der Austenitisierung (beispielsweise die Abkühlung von grossen Kurbelwellen auf dem Ofenherd ohne Zwangsumlauf) ist äusserst unerwünscht, da in diesem Falle im Gefüge von Gusseisen eine merkliche Graphitierung des eutektoiden Zementits beobachtet, die von der Vergrösserung der Ferritmenge und der Verminderung der Festigkeit (um 20-35%) begleitet wird und die eine intensive Graphitierung des Gefüges bei dem nachfolgenden Anlassen, Alterung, Nitrierung und thermischen Richtvorgängen hervorruft.
Die Anlasstemperatur der Teile wird in Abhängigkeit von dem Graphitierungsgrad des Gefüges, die nach der Abkühlung ab der Austenitisierungstemperatur erhalten wurde, und von der chemischen Zusammensetzung von Gusseisen eingestellt. Für unlegiertes Gusseisen wird die Anlasstemperatur in einem Bereich von 580-600"C eingestellt. Bei einer höheren Anlasstemperatur (besonders beim normalisierten Zustand) findet eine merkliche Graphitierung von Gusseisen und ein Abfall der Festigkeit statt. Der Prozess verstärkt sich bei nachfolgender Alterung, Nitierung und thermischen Richtvorgängen.
Für legiertes Gusseisen (Gusseisen mit 0,5-1% Cu, Ni + Mo; Ni + Mo + Cu; Cr + Ni + Mo + Cu usw.) wird die Anlasstemperatur zweckmässigerweise bis auf 630-650"C erhöht.
In diesem Fall wird neben den hohen mechanischen Eigenschaften die Beseitigung der bleibenden Spannungen und ein minimaler Verzug der Teile beim Nitrieren sichergestellt. So z.B. erlaubte eine Erhöhung der Anlasstemperatur der Zylin derlaufbuchsen aus Gusseisen mit Kugelgraphit, legiert durch
1-1,5% Ni, 0,3-0,5% Mo, von 580-6000C bis auf 630-6500C.
den Ausschuss der Laufbuchsen wegen Verzug zu beseitigen, bei denen die Veränderung des Innendurchmessers in einer Reihe von Fällen 1-2 mm erreichte.
Für unlegierte Gusseisen, die sich durch eine niedrige Beständigkeit des Gefüges gegen Graphitierung auszeichnen, ist es nicht zweckmässig, den Anlassvorgang durchzuführen. Diese Empfehlung bezieht sich in erster Linie auf zu nitrierende Teile aus Gusseisen mit Kugelgraphit, an welche die Anforde rungen einer hohen Kontakt- und Ermüdungsfestigkeit (Zahn räder, Kurbelwellen) gestellt werden.
Die Alterung der Teile wird bei einer Temperatur von 580-650"C nach Abnahme der Schnittzugabe in Höhe von
50-90% vorgenommen. Die Dauer der Alterung beträgt 5-12
Std. Die Abkühlungsgeschwindigkeit nach der Alterung soll in einem Bereich von 40-l000/Std. liegen.
In manchen Fällen ist der Ausgangszustand von Gusseisen durch hohe Beständigkeit gegen die Graphitierung gekennzeichnet. Dies ist der Fall bei Gussstücken aus legierten Guss eisen oder bei Gussstücken, die nach Beendigung der Kristallisation z.B. durch Ausschlagen der Gussstücke aus den Formen bei einer Temperatur von 900-850"C beschleunigt abgekühlt wurden. In diesen Fällen kann die thermische Vorbehandlung von Gusseisen vor dem Nitrieren aus dem Anlassen allein bestehen.
Wenn z.B. die Dauerfestigkeit des der Normalisierung, dem Anlassen, der Alterung, Nitrierung und den thermischen
Richtvorgängen ausgesetzten Gusseisens bei einer gut ausgeprägten Graphitierung des Gefüges im Endzustand (Ferrit gehalt 50%) für 100% bewertet wird, so ist bei einem vor der Nitrierung nur dem Anlassen unterworfenen und ebenfalls 50% Ferrit enthaltenden, aber keine merkliche Graphitierung aufweisenden Gusseisen die Dauerstandfestigkeit um 20% höher (beispielsweise ist die Dauerstandfestigkeit der Kurbelwelle des Diesellokmotors durch Spannungen in Kehlen von 2500 kp/mm2 bzw. 3100 kp/mm2 gekennzeichnet).
Die thermische Vorbehandlung, die Graphitierungserscheinung und die Ausgangsstruktur beeinflussen die Härte und Verschleissfestigkeit der Nitrierschicht.
Bei ferritischem Gusseisengefüge der Kurbelwellen von Diesellokmotoren ist es beim Gasnitrieren in Öfen mit 5 m3 und mehr Muffelraum fast unmöglich, die Härte der Schicht über HRC = 36-40 zu erhalten, während bei perlitischem Gefüge die Härte der Schicht HRC = 45-50 beträgt. Bei der Prüfung auf einer Reibungsmaschine von nitrierten Kurbelwellenmustern aus Gusseisen mit Kugelgraphit und einer Härte von HRC = 38-40 im Paar mit einem Einsatzstück mit Anti friktionsschicht aus Bleibronze oder Aluminiumlegierung ist die Verschleissfestigkeit der Welle mit perlitischem Gefüge des Kerns ebensolche wie bei einer Welle mit dem Gefüge Ferrit + 10fYo Perlit.
Jedoch ist die Kontaktfestigkeit von nitriertem Gusseisen mit Kugelgraphit bei perlitischem Gefüge um 50-60So höher als bei Gusseisen mit ferritischem Gefüge des Kerns.
Die thermische Vorbehandlung übt ihren Einfluss auch auf den Verzug von Teilen beim Nitrieren aus. Je weniger das Gusseisengefüge gegen die Graphitierung beständig ist und je stärker diese beim Nitrieren verläuft, um so grösser sind Volumenänderungen und Verformung des Teils infolge der Gefügeumwandlungen und folglich auch der Verzug des Teils, da in diesem Falle die von den Gefügeumwandlungen des Kerns herrührende Verformung sich mit der Verformung summiert, die durch die Formierung der Diffusionsschicht in den Oberflächenschichten des Metalls hervorgerufen wird.
Der Kaltverfestigung durch Kugelstrahlhärtung werden die Abschnitte der nitrierten Teile aus Gusseisen mit Kugelgraphit unterworfen, die die grössten Spannungen bei der Arbeit erfahren (Kehlen der Kurbelwellen, Zahnlücken der Zahnräder u.ä.).
Die Kugelstrahlhärtung wird mittels Stahlkugeln ° 0,62,0 mm bei einem Druck von 4-5 atm während 0,5-1 min bei einem Abstand zwischen Düse und Teil von 150 bis 300 mm durchgeführt. Bei dieser Kugelstrahlhärtung ergibt sich die folgende Kennlinie der bleibenden Spannungen in der Tiefe der Nitrierschicht: in einer Tiefe von 0,02-0,04 mm sind die bleibenden Druckspannungen gleich 65-80 kp/mm2, nehmen dann allmählich auf null an der Grenze der Nitrierschicht mit dem Kern ab (ohne die Kugelstrahlhärtung haben die bleibenden Spannungen ein komplizierteres Bild:
so wird z.B. bei einer Nitrierschicht von 0,7 mm Dicke in einer Tiefe von 0,20,04 m an der Kennlinie der Restspannungen das erste Maximum mit einem Druckspannungswert bis 40-50 kp/mm2 beobachtet; in einer Tiefe von 0,1-0,2 mm sind Zugspannungen von 0 bis 8 kp/mm2 zu verzeichnen; dann ist das zweite Maximum mit der Grösse der Druckspannungen bis 15-25 kpmm2 zu vermerken). Also erhöht die Kugelstrahlhärtung die Druckspannungen in der ganzen Tiefe der Nitrierschicht. Als Resultat wird die Dauerstandfestigkeit von nitriertem Gusseisen durch Kugelstrahlhärtung zusätzlich um 20-45% erhöht.
Dank der Steigerung der Dauerstandfestigkeit (Ermüdungsfestigkeit) wird es möglich, die thermische Vorbehandlung zu vereinfachen (beispielsweise Normalisierung und Härtung mit Alterungsvorgang aufzuheben), den Sicherheitsgrad und folglich auch die Betriebssicherheit und Nutzungsdauer des Teils zu erhöhen und in manchen Fällen für die Herstellung von Teilen Gusseisen mit Kugelgraphit anstatt des legierten Stahls (beispielsweise für die Herstellung von nitrierten Kurbelwellen der Dieselokmotoren anstatt der Wellen aus le legiertem Stahl) zu verwenden.
Die Kalverfestigung durch Druckhärtung führt man nach der Abnahme der Nitrierschicht durch. Die Nitrierschicht wird abgehoben und dann das Metall der Kaltverfestigung auf den Abschnitten des Teils unterworfen, die in konstruktiver Hinsicht am meisten beansprucht sind (z.B. Kehlen der Kurbelwellen). Die Nitrierschicht wird in den Kehlen vollständig durch mechanische Bearbeitung abgehoben, worauf die Kehlen der Druckhärtung durch Rollen unterworfen werden.
Hierbei sieht man vor dem Nitrieren eine Zugabe in den Kehlen vor, die so gewählt wird, dass zwischen Kehle und Nitrierschicht am Zapfen eine Trennzone von 1-2 mm Breite und zwischen Kehle und Kurbelwange - bis 5 mm Breite verbleibt.
Die Zugabe für mechanische Bearbeitung nach der Tiefe soll die Dicke der Nitrierschicht um 30-70% überschreiten. Die Trennzonen zwischen der Nitrierschicht und der plastisch verformten Zone der Kehle verhindern, dass die Nitrierschicht bei der Druckhärtung beschädigt wird und die Zugspannungen, welche an den Kanten der Nitrierschicht in der Zone der maximalen Spannungskonzentration (in den Kehlen) entstehen, die Ermüdungsfestigkeit der Welle beeinflussen.
Bei einer derartigen Technologie der Fertigung und Verfestigung von Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit wird es möglich, das Richten der Teile zu vereinfachen, eine gegen über einem nitrierten Teil höhere Ermüdungsfestigkeit und darunter auch die Beständigkeit gegen einmalige dynamische Überlastungen unter Beibehaltung einer hohen Verschleissfestigkeit der Oberflächen der Teile sicherzustellen, die auf Verschleiss beansprucht werden (beispielsweise der zylindrische Teil von Kurbelwellenzapfen).
Die Frage des Verzugs von nitrierten Teilen ist die Hauptfrage. Es ist unmöglich, den Verzug von Teilen völlig zu vermeiden, weshalb zur Beseitigung des Verzugs eine Schnittzugabe vorgesehen und das Richten verwendet wird. So z.B.
erreicht die Schnittzugabe für Kurbelwellen 0,3 mm für jede Seite bei der Tiefe der Schicht 0,7 mm, während sie für Zylinderlaufbuchsen 0,2 mm bei 6 mm Schichttiefe beträgt. Das Schlagen von nitrierten Kurbelwellen aus Gusseisen mit Ku gelgraphit, deren Länge 200S2500 mm beträgt, erreicht 0,5-2 mm. Solche Kurbelwellen werden dem thermischen Richten im Ofen unter Last oder ohne Last bei einer Temperatur von 500-550"C unterworfen. Die Methode ist unvollkommen, da hierbei eine teilweise Entfestigung einer Reihe von Kehlen stattfindet, wobei die nitrierten Wellen infolge ihrer hohen Elastizität schwer zu richten sind. Die Anzahl der Richtvorgänge erreicht 3-5. Es gelingt nicht, das Verziehen und Richten der Wellen sogar bei deren Drehung während der Nitrierung zu vermeiden.
In Verbindung damit ist die Anwendung der Flüssigkeitsnitrierung (z.B. des Tenifer-Prozesses) zur Verfestigung von kompliziert gestalteten und langen Teilen ausgeschlossen, da ihr Verzug grösser ist als die Tiefe der Schicht. Es sei auch bemerkt, dass ein wesentlicher Nachteil der Herstellungstechnologie von nitrierten Teilen, die Verzug haben, darin besteht, dass von der Oberfläche des Teils der härteste und folglich auch verschleissfesteste Anteil der Diffusionsschicht abgehoben wird.
Die Verwendung der Druckhärtung mit vorangehender Abnahme der Nitrierschicht z.B. bei Kurbelwellen erlaubt es: - auf das unvollkommene thermische Richten der Wellen zu verzichten und die für das Richten einer Welle erforderliche Zeit um das 10-15fache zu reduzieren; - die Steigerung der Ermüdungsfestigkeit der Welle gegenüber einer Welle mit nitrierten Kehlen um 30-50 s sicherzustellen;
; - die Nitriertemperatur (für legierte Gusseisen) um 20 40 C zu erhöhen und um das 2fache und noch mehr die technologische Tiefe der Nitrierschicht zu vermindern (beispielsweise ist für zylindrische Teile der Wellenzapfen 0,3 mm anstatt 0,7-0,8 mm ausreichend), und dadurch den Nitrierzyklus um das 1,5-4fache zu reduzieren (zur Zeit erreicht der Zyklus des Gasnitrierens von z.B.
Zylinderlaufbuchsen und Kurbelwellen aus Gusseisen mit Kugelgraphit 110-150 Std.); - das Abheben beträchtlich zu vermindern und auf das Schleifen von zylindrischen Teilen der Wellenzapfen nach der Nitrierung dank Beseitigung des Wellenverzugs mittels Druckhärtens von Kehlen ganz zu verzichten; - die härteste Oberflächenschicht beizubehalten und als Folge hiervon eine Erhöhung der Verschleissfestigkeit und die Steigerung der Nutzungsdauer der Welle um das 1,5-2fache zu gewährleisten; - gleichwertige Kenndaten der Ermüdungs- und Verschleissfestigkeit von nitrierten Wellen aus Gusseisen mit Kugelgraphit mit nitrierten Wellen aus legiertem Stahl zu erzielen.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Verfestigung der Teile gestattet es, die Fertigungstechnologie von nitrierten Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit bedeutend zu vereinfachen und die Betriebssicherheit sowie Nutzungsdauer von Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit erheblich zu steigern. Die Anwendung dieses Verfahrens zur Verfestigung der Kurbelwellen von Diesellokmotoren hat es ermöglicht, auf die Herstellung von nitrierten Wellen aus legiertem Stahl zu verzichten und deren Selbstkosten etwa um 65% zu senken. Gegenüber den nichtnitrierten Wellen aus Gusseisen mit Kugelgraphit weisen die nach dem vorgeschlagenen Verfahren hergestellten Kurbelwellen eine um mehr als das 2,5fache höhere Verschleissfestigkeit auf.
Die Verschleissfestigkeit der nitrierten Zylinderlaufbuchsen aus Gusseisen mit Kugelgraphit ist fünfmal höher als die der Laufbuchsen aus legiertem Grauguss während die Festigkeit 1,5-2mal höher ist.
Es sei besonders hervorgehoben. dass an den Stollen der Spannungskonzentration von nitrierten Teilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit die Anwendung der Kaltverfestigung durch Druckhärten nach der Abnahme der Nitrierschicht an diesen Stellen beim Einsatz von hartmetallbestückten Meisseln möglich wurde. So z.B. wurde die Nitrierschicht in den Kehlen einer Kurbelwelle aus Gusseisen mit Kugelgraphit mittels eines hartmetallbestückten Meissels bei Drehzahl der Welle 12 U/min und Meisselvorschub 0,2-0,4 mm/Umdrehung abgehoben.
Die bekannten Methoden (beispielsweise Verzinnen, Bestreichen mit Wasserglas) zum Nitrierschutz von Abschnitten, in denen die Nitrierschicht zur Durchführung des Druckhärtens abgehoben wird, werden zweckmässig nicht angewendet, da diese Methoden arbeitsintensiv sind und keine scharfe Trenngrenze zwischen Nitrierschich t und druckgehärtetem Metall sicherstellen.
Besonders schwer sind die genannten Schutzverfahren gegen das Nitrieren an grossen und kompliziert gestalteten Teilen (beispielsweise Kurbelwellen von Diesellokmotoren) zu realisieren.
Deshalb erscheint es zweckmässiger, die Nitrierschicht von den Teilen nur an den Stellen der Spannungskonzentration abzuheben und dann nur diese Stellen der Kaltverfestigung durch Druckhärten zu unterziehen.