Nockenwelle Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft MSc Präsentation Széchenyi István Universität Dr. Zsoldos Ibolya

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Die bei Nockenwellen am häufigsten verwendeten Grundwerkstoffe Werkstoff C Si Mn Cr Mo Cu V W Gusseisen mit hohem Chromgehalt 3,2 2,0 0,8 0,2 - Härtbares Gusseisen 1,2 0,6 Cr-Mo- Legierungs-Werkstoff 0,3 1,0 gesinterter Legierungs-Werkstoff 0,9 0,4 4,5 5,0 3,0 6,0 Der Chromgehalt (erste und zweite Tabellenreihe) ist beim Gusseisen zur Härtung nötig. Bei der Härtung entsteht in der Gusseisenschicht ein harter, hochfestiger martensitischer Gefügeaufbau. Die Nockenwelle wird aus Cr- Mo-Legierungen geschmiedet. Nach Schmieden wird der harte und verschleißbeständige Bereich mit Einsatzhärtung gesichert.   Der Gefügeaufbau der gesinterten Legierungen (4. Tabellenreihe) ist auch durch Ausscheiden von martensitischer, chrom- und Fe-Karbid- Dispersionen verstärkt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen Zur Herstellung von Nockenwellen wird am meisten Gusseisen verwendet, ein Gusseisen Nockenwelle wird in der Abbildung gezeigt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen Das geschmolzene Metall wird aus dem Schmelzofen in Gießer (mit Wärmeisoliereinsatz und Deckel) zu den Formen transportiert. Beim Ausgießen mit der Hand wird der Inhalt des Gießers in einige neben einander stehende Formen gegossen, dieser Schritt benötigt ca. 5 Minuten. Wenn die Erstarrtemperatur zu hoch ist, muss dieser Prozess sehr schnell durchgeführt werden, damit das Erstarren schon im Gießer vermieden werden kann. Bei einer niedrigeren Erstarrtemperatur kann dieser Prozess länger dauern. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen Beim Sandguss ist der Erstarrprozess sehr langsam, da die Wärmeleitung des Sandes sehr schwach ist. Demzufolge entstehen im Gefügeaufbau des Gusseisens lamellare Graphitanordnungen, der Abguss dehnt sich aus (Volumen-Vergrößerung). Die Festigkeit der Nockenwelle wird so wegen der lamellaren Graphitstruktur groß genug, während die Steifigkeit etwas kleiner. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen Gefügeaufbau der wärmebehandelten Nocken. Die weißen Bereiche sind die Zementits, die grauen Flächen die Perlite, die Härte ist in diesem Fall 50 HRC. Bei einer größeren als die kritische Abkühlgeschwindigkeit entsteht anstatt Perlit martensitischer Gefügeaufbau, und in diesem Fall kann die Härte sogar bis 63 HRC steigen. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen Im Gegensatz müssen die Nocken über eine große Festigkeit verfügen, deswegen ist die schnelle Abkühlung bei den Nocken erforderlich. Wenn der Erstarrprozess schnell genug ist, wird der Karbidgehalt nicht als Graphit, sondern als Zementit (Fe3C) ausscheiden, was hinsichtlich der Festigkeit viel besser ist, als der Gefügeaufbau mit Graphit. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Herstellung von Nockenwellen Die schnellere Abkühlung wird so gesichert, dass es bei den Positionen der Nocken in der Gusssandform ein aus Metalllegierung hergestellter Einsatz eingesetzt wird. Dieser Einsatz führt die Wärme schneller als der Sand ab, deswegen kann so eine Zementit-Gefügestruktur entstehen. Mit der Form und den Abmessungen dieses Einsatzes kann die Abkühlgeschwindigkeit aus Sicht der Gefügestruktur optimal reguliert werden. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Härte von Nocken Die Abbildung zeigt einen Querschnitt, wo die Festigkeitsmesspunkte in drei verschiedenen Richtungen zu sehen sind. Beim Umkreis beginnend orientieren sich die säulenförmigen Kristallite in der Gusseisenschale radial, die Gefügestruktur des mittleren Bereiches weicht ab und enthält lamellare Graphitkörnchen.   MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Härte von Nocken Die sich in drei verschiedenen Richtungen entwickelnden Härten werden in der Abbildung visualisiert. In der Gusseisenschale ändern sich die Werte zwischen 45-50 HRC, und im Kernbereich beträgt dieser Wert ca. 25 HRC. Der kleinere Härtewert des Kernes ist mit der langsameren Abkühlung begründet. Härte (HRC) MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Schmieden von Nockenwellen Werkstoff C Si Mn Cr Mo Cu V W Gusseisen mit hohem Chromgehalt 3,2 2,0 0,8 0,2 - Härtbares Gusseisen 1,2 0,6 Cr-Mo- Legierungs-Werkstoff 0,3 1,0 gesinterter Legierungs-Werkstoff 0,9 0,4 4,5 5,0 3,0 6,0 Aus Cr- und Mo-Legierungswerkstoffen (Stählen) werden die Nockenwellen mit Schmieden hergestellt. Nach dem Schmieden wird die harte, verschleißbeständige Gusseisenschale mit weiterer Einsatzhärtung gesichert. Bei den Mehrzylindermotoren ist die Anzahl der Ventile groß, und der Platz zwischen den Nocken relativ eng. In diesem Fall kann der vorher vorgestellte, mit Kühlung kombinierte Gussprozess nicht verwendet werden, so wird die Nockenwelle aus Schmiedeisen mit zusätzlicher Härtung gemacht. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Installierte Nockenwellen Werkstoff C Si Mn Cr Mo Cu V W Gusseisen mit hohem Chromgehalt 3,2 2,0 0,8 0,2 - Härtbares Gusseisen 1,2 0,6 Cr-Mo- Legierungs-Werkstoff 0,3 1,0 gesinterter Legierungs-Werkstoff 0,9 0,4 4,5 5,0 3,0 6,0 Die zusammengebauten Nockenwellen werden aus zwei Teilen montiert: auf die hohle Welle (Rohre) werden die Nocken befestigt. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Installierte Nockenwellen Das Grundmaterial der Welle ist ein Metallrohr. Die verschleißbeständigen, im Metallurgieprozess hergestellten und gesinterten Elemente sind die Nocken. Beim Sintern schmilzt das aus dem Pulver gepresste Volumen nicht durch (Sintertemperatur ist kleiner, als Schmelzpunkttemperatur), deswegen wird die Gefügestruktur ganz anders, als die von den bei Gussprozess hergestellten Nocken. Der Anteil der dispers vermischten, harten Karbidkörnchen ist grösser, so wird die Verschleißbeständigkeit der gesinterten Nocken auch besser. Laut der Tabelle (4. Reihe) wird auch Kupferpulver in kleinerer Menge zum gesinterten Werkstoffvolumen gemischt. Beim Sintern wird dieser Kupferanteil wegen dem niedrigeren Schmelzpunkt erschmelzen, damit eine stärkere Verbindung zwischen den Metalllegierungskörnchen gewährleistet. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Installierte Nockenwellen Die Montage der Nocken auf die Welle erfolgt durch Hydroforming, siehe Abbildung. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität

Ausgewählte Kapitel von der Materialwissenschaft Nockenwelle Installierte Nockenwellen Die Oberfläche des Rohres ist rau, gerippt. Das Rohr wird in die Bohrungen der Nocken gesteckt, die Befestigung ist wegen der Rauheit leichter. In der internen Bohrung wird das Rohr mit großem, hydraulischem Druck ausgedehnt, und als Ergebnis entsteht eine mechanische Verbindung zwischen Rohr und Nocken. Die Gestaltung der mechanischen Verbindung zwischen Welle und Nocken kann noch durch Schrumpfen der Nocken auch durchgeführt werden. MSc Lehrmaterial Széchenyi István Universität