DE10022884A1

DE10022884A1 - Verfahren zur Bruchtrennung in Bauteilen oder deren Vormaterial

Info

Publication number: DE10022884A1
Application number: DE10022884A
Authority: DE
Inventors: Hans Mueller
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2000-05-10
Filing date: 2000-05-10
Publication date: 2001-11-15
Anticipated expiration: 2020-05-11
Also published as: EP1153686A2; EP1153686A3; DE10022884B4; DE50110981D1; EP1153686B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bruchtrennung in Bauteilen oder deren Vormaterial. Im Maschinenbau besteht vielfach der Wunsch, daß Bauteile aus duktilem Material einer Bruchtrennung unterworfen werden sollen. Als Beispiel sind hier Pleuelstangenköpfe zu nennen. Nach dem Stand der Technik ist es üblich, das gesamte Bauteil zum Zwecke der Versprödung abzukühlen. Dies erfordert einen erheblichen Aufwand, zumal wenn es sich um Massenartikel handelt. Erfindungsgemäß wird daher vorgeschlagen, daß nur im Bereich der Bruchtrennung durch eine örtlich begrenzte Wärmebehandlung eine versprödung gegenüber dem unbehandelten Bauteil herbeigeführt wird, derart, daß sich die Zone der Versprödung über einen größten Teil einer, für die sichere Fügung der bruchgetrennten Bauteile notwendigen Bruchtopographie erstreckt. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird Energie und Arbeitszeit eingespart.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren gemäß dem Gattungsbegriff des Patent anspruches 1.

Zur Bruchtrennung von Bauteilen ist es allgemein bekannt, die zu trennenden Bauteile in den Randbereichen der Bruchtopographie mit Starterkerben zu versehen. Ein derar tiges Verfahren ist aber nur bei spröden Materialien anwendbar. Im Maschinenbau ist es aber wünschenswert, daß das Bauteil aus duktilem Metall ausgebildet ist, um Sprödbruch zu vermeiden. Diese gegenläufigen Forderungen sind nicht zu erfüllen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Werkstück auch aus duktilem Metall bruchtrennfähig zu machen, bei spröden Metallen eine stärkere Versprödung zur Her absetzung der Bruchtrennkraft zu erreichen und den Bruchfortgang durch eine vorge gebene Topographie festzulegen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspru ches 1.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können besonders Werkstücke aus duktilen Metallen bruchgetrennt werden, wodurch extra spröde, bruchtrennfähige Werkstoffe nicht mehr benötigt werden und zudem Werkstücke die aus duktilen Metallen gefertigt werden müssen, wie etwa Fahrwerksteile, der Bruchtrenntechnologie zugänglich sind.

Werkstücke aus spröden Metallen werden durch die erfinderischen Vorgaben noch stärker versprödet, wodurch die Bruchtrennkräfte minimiert werden und teure lei stungsstarke Bruchtrennmaschinen durch preisgünstigere leistungsschwächere Bruch trennmaschinen ersetzt werden können. Die Kostenminimierung ist besonders wichtig bei der Herstellung von Massenprodukten, wie es im Fahrzeugbau der Fall ist.

Eine günstige Formgebung zur gezielten Bruchtrennung kann den Ansprüchen 2 und 3 entnommen werden.

Günstige Verfahren zur Versprödung durch Einsatzhärtung oder Nitrieren sind den Ansprüchen 4 und 5 zu entnehmen.

Vorteilhafte Verfahrensschritte für die Wärmebehandlung sind den Ansprüchen 4 bis 26 zu entnehmen.

Ein vorteilhaftes Verfahren zur Bruchtrennung aushärtbarer Legierungen ist Anspruch 27 zu entnehmen. Durch Anwendung von Laser, Elektronenstrahl und Lichtbogen ge lingt ein lokales Aufschmelzen. Durch Abschrecken oder Selbstabschrecken gelingt nachfolgend ein Aushärten und Bruchtrennen.

Die Ansprüche 28, 29 enthalten Verfahrensschritte für die Vor- bzw. Nachbehandlung von Werkstücken im Ofen.

Das erfindungsgemäße Verfahren setzt es sich zum Ziel, Bauteile aus duktilem Werk stoff der Bruchtrennung zugänglich zu machen. Im Maschinenbau ist es erwünscht ganze Bauteile aus duktilem Metall zu fertigen, um spontane Brüche zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird daher nur die Zone, in der die Bruchtopographie verlaufen soll, durch eine Wärmebehandlung versprödet, während das übrige Bauteil seine Eigen schaften behält.

Bei Bauteilen, welche von sich aus spröderen Werkstoffen gefertigt werden kann durch das erfindungsgemäße Verfahren der Arbeitsaufwand für die Bruchtrennung verringert werden.

Um den Bruch gezielt einzuleiten, können Starterkerben vorgesehen sein. Werkstücke die bereits aufgrund ihrer Formgebung Einschnürungen aufweisen bedürfen dieser Starterkerben nicht unbedingt. Dies gilt auch für Materialien die durch die Wärmebe handlung stark verspröden.

Die Verfahren für die Wärmebehandlung können den Unteransprüchen 4 bis 26 ent nommen werden.

Die in den Ansprüchen 2 und 3 angesprochene geometrische Formgebung und ein Pleuel als Beispiel für die Bruchtrennung an einem Bauteil aus duktilem Werkstoff soll an Hand der Zeichnungen erläutert werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird nachfolgend an Hand von Anwendungsbeispie len erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 Bruchtrennen eines Stabes durch Zug, bei dem der Stab auf Biegung beansprucht wird,

Fig. 2 Bruchtrennen eines Stabes durch Zug quer zur Stabachse, bei dem der Stab auf Zug beansprucht wird,

Fig. 3 Bruchtrennen eines Stabes durch Zug, bei dem der Stab auf Torsion beansprucht wird,

Fig. 4 Bruchtrennen eines Stabes durch Torsion, bei dem der Stab auf Torsion beansprucht wird,

Fig. 5 eine Vorbereitung zum Bruchtrennen eines Pleuelkopfes durch Abschrecken aus der Schmiedehitze mittels Wasserstrahl,

Fig. 6 eine Vorbereitung zum Bruchtrennen eines Lagerdeckels vom Lagerstuhl durch Aufschmelzen und Abkühlen.

Fig. 1 zeigt einen Stab 1, welcher durch Zugbelastung 2a, 2b bei der Bruchtrennung die angegebene Bruchform annimmt. Nach einer durch Wärmebehandlung hervorge rufenen Versprödung erfolgt der Bruch unter 45°, also in Ebenen mit höchster Schub spannung. Es können selbstverständlich auch andere Winkel der Bruchtrennung er reicht werden, wenn die Lage der Versprödungsbereiche dementsprechend gewählt wird. Der Rißfortgang in Bereiche in denen Risse nicht erwünscht sind, wird durch Rißstopper 1a verhindert. Rißstopper sind Bauteilbereiche in denen kein Material vor handen ist, oder in denen Material durch Bohrung vor dem Bruchtrennen entfernt wurde, oder in denen anderes Material 1b das den Riß nicht weiterlaufen läßt, eingebracht ist. Die Einbringung des Material 1b erfolgt durch Eingießen, wobei das einzugießende Material vorher zur Trennung mit Schlichte bestrichen wird. Nach dem Fügen kann der Stab, wenn er durch Schrauben oder dergleichen einer axialen Druckspannung 3a, 3b unterworfen wird der Aufnahme von Biegemomenten 4a, 4b dienen.

Fig. 2 zeigt ein Bauteil 1, welches nach dem Fügen auf Zug 5a, 5b belastbar ist. In die sem Fall ist es günstig, die Bruchtrennung durch eine Zugbelastung 6a, 6b quer zur Längsrichtung herbeizuführen. Die sich einstellende Bruchtopographie ist aus der Fi gur zu ersehen und verläuft wiederum längs einer Zone höchster Schubspannung unter 45°. Wie schon unter Fig. 1 beschrieben können wieder Rißstopper 1b, 1c angeordnet oder eingebracht werden. Beim Verspannen der getrennten Teile mittels Druckkräften 7a, 7b quer zur Längsrichtung können die Teile durch Formschluß in der durch Pfeile 5a, 5b angegebenen Richtung hohe Zugkräfte übertragen.

Gemäß Fig. 3 wird das Bauteil 1 durch Axialkräfte 8a, 8b getrennt. Der Verlauf der Bruchtopographie folgt wie dargestellt der Zone höchster Schubspannung. Nach dem Fügen kann das Bauteil 1 durch Formschluß ein hohes Drehmoment übertragen, wenn durch axiale Druckkräfte 9a, 9b gemäß Pfeilrichtung ein axiales Verschieben verhin dert wird.

Nach Fig. 4 erfolgt die Bruchtrennung mittels durch Pfeil angedeuteter Drehmomente 10a, 10b. Die Richtung höchster Schubbeanspruchung liegt wie gezeichnet unter 45° zur Achsrichtung. Das Bauteil 1 kann bei radialer und axialer Führung ein hohes Dreh moment übertragen.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren bei der Bruchtrennung von Pleuelstangen für Brennkraftmaschinen anwendbar. Das gesamte Pleuel kann aus duktilem Ausgangsmaterial durch Schmieden hergestellt werden.

Wie Fig. 5 zeigt, wird der noch glühende Schmiederohling 11 lokal durch Wasserstrah len 12 abgekühlt und dadurch versprödet. Nach der Versprödung kann der Pleuelkopf getrennt werden. Das restliche Pleuel verbleibt im ursprünglichen duktilen Gefüge.

Wie gezeigt kann die Abkühlung durch Wasserstrahlen 12 erfolgen. Die Zuleitung des Wassers erfolgt mittels der Rohre 13a, 13b. Diese weisen in dem Bereich, in dem die Versprödung erreicht werden soll Düsenbohrungen 14 auf, welche die Wasserstrah len 12 gegen das Bauteil zur gezielten lokalen Abkühlung richten. Nach dieser Be handlung kann der Pleuelkopf nach Erkalten durch Bruchtrennung gespalten werden.

Fig. 6 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit am Beispiel einer Kurbelwellenlage rung aus Gußeisen. Diese besteht aus einem Lagerstuhl 15 der fest mit einem Kurbel gehäuse verbunden ist und einem Lagerdeckel 16. Der Lagerdeckel 16 wird mit Bruchtrennen vom Lagerstuhl 15 getrennt. Zu diesem Zweck werden die Trennebenen 17a, 17b aufgeschmolzen, so daß bei nachfolgender Abkühlung der spröde Ledeburit entsteht. Durch den Ledeburit versprödet diese Schmelzzone, so daß der Lagerdeckel 16 mit geringem Kraftaufwand abgetrennt werden kann. Zur Einleitung des Bruches können Starterkerben 18a, 18b vorgesehen werden. Vorteilhaft ist die Anwendung von Rißstoppern 19a, 19b.

Claims

1. Verfahren zur Bruchtrennung in Bauteilen oder deren Vormaterial, insbeson dere bei Verwendung duktiler Metalle, dadurch gekennzeichnet, daß nur im Bereich der Bruchtrennung durch eine örtlich begrenzte Wärmebehandlung eine Versprödung gegenüber dem unbehandelten Bauteil herbeigeführt wird, derart, daß sich die Zone der Versprödung über einen größten Teil einer, für die sichere Fügung der bruchgetrennten Bauteile notwendigen Bruchtopographie erstreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruchtopogra phiebereich durch entsprechende geometrische Ausbildung der bruchtrennfähi gen Bereiche um konstruktive Schwachstellen des Werkstückes herumgelenkt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bruchtopogra phiebereich durch entsprechende geometrische Ausbildung der bruchtrennfähi gen Bereiche so gestaltet wird, daß örtliche mechanische Belastungen durch vergrößerten Formschluß verringert werden, insbesondere bei Biegung durch Hinterschneidung und bei Torsionsbelastung bei Wellen und Rohren durch wel lenförmiges oder sägezahnähnliches Profil.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versprödung durch Einsatzhärten über den gesamten, oder zumindest über den größten Teil des späteren Bruchbereiches erfolgt und die übrigen Bereiche des Bauteiles durch Abdeckmaßnahmen keine Einsatzhärtung erhalten.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versprödung durch Nitrieren über den gesamten, oder zumindest über den größten Teil des späteren Bruchbereiches erfolgt und die übrigen Bereiche des Bau teiles durch Abdeckmaßnahmen keine Nitrierung erhalten.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Aufschmelzen erfolgt, indem der Werkstoff ganz oder teilweise auf geschmolzen wird und dann wieder erstarrt und die sich bildende Grobkorn zone in der Wärmeeinflusszone zur Versprödung führt.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung bei härtbaren Eisenwerkstoffen durch Aufschmelzen erfolgt, indem der Werkstoff ganz, oder teilweise aufgeschmolzen wird und dann wieder erstarrt und die sich bildenden martensitischen Bereiche zur Versprödung führen.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Aufschmelzen erfolgt, indem der Werkstoff ganz, oder teilweise auf geschmolzen wird und hierbei versprödende Elemente oder Verbindungen in fester, flüssiger oder gasförmiger Form in die Schmelze eingeschmolzen werden.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Aufschmelzen erfolgt, indem der Werkstoff ganz, oder teilweise auf geschmolzen wird und hierbei Gase in die Schmelze eingeschmolzen werden die durch Porenbildung und daraus resultierender Mikrokerbwirkung zu einer Versprödung des wieder erstarrten Werkstoffes führen.

10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Erhitzung unterhalb der Schmelz- bzw. Solidustemperatur zur Er zielung von grobkörnigem Gefüge erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung bei ausscheidungshärtenden Legierungen durch Erhitzung zur Lösungs glühung erfolgt, danach abgeschreckt und ein Warm- oder Kaltauslagern durch geführt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung bei härtbaren Stahl- und Eisengußwerkstoffen durch Austenitisierung, vor teilhaft durch Erhitzung unterhalb der Schmelz- bzw. Solidustemperatur und Abschreckung, ggf. auch Selbstabschreckung, zur Erzeugung von martensiti schen oder bainitischen oder durch Erhöhung von perlitischen Gefügeanteilen oder durch eine Kombination zweier oder mehrerer dieser Gefüge erreicht wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung bei härtbaren Stahl- und Eisengußwerkstoffen durch örtliche Abschreckung aus dem Austenitbereich, bevorzugt aus der Warmumformung, durch gasförmi ge, flüssige oder feste Abschreckmedien erfolgt, um martensitische, bainiti sche, eine Erhöhung von perlitischen Gefügeanteilen oder eine Kombination zweier oder mehrerer dieser Gefüge zu erreichen.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 12, 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Ge fügeumwandlung aus dem α-γ-Zweiphasengebiet erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung bei Eisengußwerkstoffen durch Umschmelzen zu ledeburtitischen und/ oder mellierten Gefügebereichen erfolgt.

16. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung bei Eisengußwerkstoffen durch Abkühllcokillen in der Gießform zur Erzeugung von ledeburitischen und/oder mellierten Gefügebereichen erfolgt.

17. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch lokale induktive Erwärmung erfolgt.

18. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch lokale konduktive Erwärmung erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch lokale Widerstandserwärmung erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Erwärmung mittels Laser erfolgt.

21. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Laser erfolgt und die Oberflächenbereiche der Härtezone noch vor oder nach dem Härten durch Laserschmelzschneiden oder -brennschneiden gekerbt werden.

22. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Elektronenstrahl erfolgt.

23. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung lokal durch Fokussierung mittels Hochleistungslampen erfolgt.

24. Verfahren nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme behandlung durch Flammen erfolgt.

25. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehand lung durch Lichtbogenschweißen erfolgt.

26. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wännebehand lung durch Autogenschweißen erfolgt.

27. Verfahren nach den Ansprüchen 11, 20, 22, 25, dadurch gekennzeichnet, daß bei ausscheidungshärtenden Legierungen der Lösungsglühvorgang durch lokales Aufschmelzen im Bereich der vorgesehenen Bruchtopographie erfolgt und die weitere Wärmebehandlung durch konventionelles Abschrecken bzw. Selbst abschrecken und Auslagern erfolgt.

28. Verfahren nach Anspruch 1, 4, 7, 12, 13, 14, bzw. 17 bis 24, dadurch gekenn zeichnet, daß die erzeugten bruchtrennfähigen Werkstoffbereiche noch vor dem Trennen eine Anlaßbehandlung über Wärmeeinbringung im Ofen erhalten.

29. Verfahren nach Anspruch 1, 4, 7, 12, 13, 14, bzw. 17 bis 24, dadurch gekenn zeichnet, daß die erzeugten bruchtrennfähigen Werkstoffbereiche nach dem Trennen eine Anlaßbehandlung über Wärmeeinbringung im Ofen erhalten.