DE102006028431A1

DE102006028431A1 - Verbundstabile Beschichtung

Info

Publication number: DE102006028431A1
Application number: DE200610028431
Authority: DE
Inventors: Herbert Prof. Dr.-Ing. habil. Gropp; Bernhard Dr.-Ing. habil. Wielage; Siegfried Prof. Dr.-Ing. habil. Steinhäuser; Bernd Dipl.-Ing. Malzahn; Kai Dipl.-Ing. Malzahn (FH)
Original assignee: PAATZ VIERNAU GmbH
Current assignee: PAATZ VIERNAU GmbH
Priority date: 2006-06-19
Filing date: 2006-06-19
Publication date: 2007-12-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verbundstabile Beschichtung eines metallischen ersten Körpers (1), die bei Herstellen einer Pressung zwischen dem ersten Körper (1) und einem an die Beschichtung angrenzenden metallischen zweiten Körper (2) im Bereich der wirkenden Pressung einen Kraftschluss und Mikroformschluss zu den Körpern (1, 2) gewährleistet.

Description

Die Erfindung betrifft eine verbundstabile Beschichtung eines metallischen Körpers.
In DD 0152 972 wird ebenfalls eine Wellen-Naben-Verbindung beschrieben, mit welcher geringe Relativbewegungen zwischen den Passflächen zugelassen werden. Dazu werden eine oder beide Passflächen mit aus einer chemischen Verbindung des Grundwerkstoffs bestehenden nichtmetallisch-anorganischen Schicht versehen, die eine Übertragungsschicht aus Phosphophyllit aufweist. Nachteilig ist der mehrschichtige Aufbau und eine für das Herstellen einer Pressverbindung ungenügende Haftfestigkeit.
In DE 699 07 188 T2 wird der Aufbau und ein Verfahren zum Verbinden von Automobilblechen beschrieben, wobei eine unbeschichtete Stahlplatte mit einer mehrfach beschichteten Stahlplatte, verbunden wird. Die untere Schicht weist dabei Phosphophyllit auf und wird mit einer weiteren Überzugsschicht versehen. Als Ergebnis wird eine Zweiblechverbindung nur geringer Haftfestigkeit gebildet. Diese ist für das Erzeugen einer Pressverbindung und für die Übertragung von Kräften nicht vorgesehen und einsetzbar.
In DIN 50924 wird beschrieben, welche Phosphatschicht und welche Schichtdicke für welche Anwendung geeignet sind. Danach und aus „P. Volk, SurTec Deutschland GmbH, Phosphatierverfahren, 2004, ist entnehmbar, dass Manganphosphatierungen als Korrosionsschutz, zur Verbesserung von Gleiteigenschaften und als Haftgrund für Schmiermittel und anschließende Beschichtungen eingesetzt werden.
Andere Anwendungsgebiete für Manganphosphatierungen sind derzeit nicht bekannt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Beschichtung eines metallischen Körpers zu entwickeln, die einfach herstellbar ist und die Übertragung von Kräften zu einem anderen Körper ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des 1. Patentanspruchs gelöst.
Erfindungsgemäß gewährleistet die Beschichtung eines metallischen ersten Körpers bei Erzeugen einer Pressung zwischen dem ersten Körper und einem an die Beschichtung angrenzenden metallischen zweiten Körper im Bereich der wirkenden Pressung einen Kraftschluss und Mikroformschluss zu den beiden Körpern. Dabei geht die Beschichtung bei Herstellen der Pressung teilweise, weitestgehend oder vollständig in einen amorphen Zustand über und bildet ein Übertragungselement zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper. Gleichzeitig wird die Tribokorrosion eingeschränkt oder verhindert.
Die beiden Körper bestehen dabei z.B. bevorzugt aus Stahl.
Die Festigkeit der Beschichtung wird dabei bevorzugt so gewählt wird, dass bei Herstellen der Pressung das Eindringen von Rauhigkeitsspitzen des ersten und des zweiten Körpers in die Beschichtung gewährleistet ist. Dazu weist die Beschichtung eine Festigkeit auf, die gleich oder kleiner ist als die Festigkeit des ersten und/oder zweiten Körpers.
Weiterhin weist die Beschichtung vorteilhafter Weise einen hohen Haftbeiwert auf.
Vor dem Herstellen der Pressung besitzt die Beschichtung eine feinkristalline Struktur.
Vorzugsweise ist die Beschichtung in Form einer Manganphosphatschicht ausgebildet, die Huréaulith enthält.
Vor dem Herstellen der Pressung sollte die Beschichtung dehydratisiert werden.
Die Beschichtung kann eine Schichtdicke bis z.B. 20 μm, bevorzugt 3 bis 5 μm aufweisen.
Durch die erfindungsgemäße Beschichtung wird eine verdreh- und verschiebesichere Verbindung zwischen den zwei Körpern bei Auftreten einer Pressung hergestellt, wobei gleichzeitig die Tribokorrosion eingeschränkt oder verhindert wird.
Die Schicht bildet dabei ein Übertragungselement zwischen den beiden Körpern und weist ein feinkristallines einphasiges oder mehrphasiges Gefüge auf. Bevorzugt ist die Schicht eine Manganphosphatschicht, die Huréaulith enthält. Die Körper können flächige Bauteile oder eine Welle und eine Nabe sein, wobei dann entweder die Welle zumindest an ihrem Außendurchmesser und/oder die Nabe zumindest an ihrem Innendurchmesser teilweise oder vollständig mit der Beschichtung versehen ist.
Die Pressung kann z.B. durch eine Querpressverbindung oder eine Längspressverbindung hergestellt werden.
Zur Herstellung einer Pressverbindung wird zuerst mindestens ein Körper im Bereich der herzustellenden Verbindung mit der die Tribokorrosion einschränkenden bzw. verhindernden und einen Kraftschluss und Mikroformschluss gewährleistenden Beschichtung versehen und anschießend eine Pressverbindung zwischen beiden Körpern erzeugt, wobei die Schicht in einen teilweise, weitestgehend oder vollständig amorphen Zustand übergeht.
Die mit der Beschichtung zu versehenden Flächen werden vor dem Aufbringen der Schicht durch Vorspülen mit Wachstumskeimen versehen, die die Bildung einer feinkristallinen Beschichtung begünstigen.
Weiterhin wird die Beschichtung vor dem Herstellen der Pressung dehydratisiert.
Das Übermaß zwischen einer Welle und einer Nabe beträgt vor dem Aufbringen der Beschichtung in der Regel 20 μm bis 80 μm bezogen auf einen Pressfugendurchmesser von 30 mm.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass durch die Verwendung einer Beschichtung in Form einer Manganphosphatschicht, die Huréaulith enthält, eine hohe Sicherheit gegen ein Verschieben beider Körper bei Auftreten einer Pressung gewährleistet ist.
Bei einer Welle-Nabe-Verbindung wird dadurch sowohl eine Verdrehsicherheit als auch eine Sicherheit gegen axiales Verschieben geschaffen.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1a bis 1f: Herstellung einer Wellenbaugruppe mit mehreren darauf angeordneten Zahnrädern,
2: Vergrößerte Darstellung der Verbindung im Querschliff.
In 1a bis 1f werden die Arbeitsstufen zum Fügen einer Welle W mit 3 Zahnrädern Z1, Z2, Z3 im Längsschnitt dargestellt. Die Welle W weist gem. 1a in Montagerichtung (oder an beiden Enden) eine Fase auf, um das Aufschieben der Zahnräder ohne Verkanten zu gewährleisten. (Alternativ ist es möglich, die Zahnräder Z1, Z2, Z3 am Innendurchmesser d mit einer Montagefase zu versehen.) An der Welle W sind mit P1, P2, P3, die Positionen gekennzeichnet, an denen die Zahnräder Z1, Z2, Z3 positioniert werden sollen. Die Welle W ist an ihrem Außendurchmesser D vollständig mit einer Beschichtung S in Form einer Manganphosphatschicht versehen, wobei die Schichtdicke z.B. 2 μm beträgt und eine gute Haftfestigkeit und eine hohe Übertragungsfähigkeit der Manganphosphatschicht zu verzeichnen ist. Zwischen Außendurchmesser D der Welle W und Innendurchmesser d der Zahnräder Z1, Z2, Z3 besteht ein Übermaß von z.B. 50 μm.
Nun wird das erste Zahnrad Z1 mit Hilfe eines Hohlstempels H gem. 1b auf die Welle W in Längsrichtung bis zum Erreichen der Fügeposition P1 (1c) aufgepresst. Durch die verbundstabile Beschichtung S wird dabei ein Aufpressen ohne Fresserscheinungen gewährleistet. Nun erfolgt über den gleichen Fügeweg das Aufpressen des zweiten Zahnrades Z2 (1d) mit dem Hohlstempel H bis zum Erreichen der zweiten Fügeposition P2 (1e) und abschließend wird wiederum unter Verwendung des Hohlstempels H das dritte Zahnrad Z3 über den gleichen Fügeweg bis zur Fügeposition P3 (1f) in Längsrichtung auf die Welle W aufgepresst. Obwohl bereits die Zahnräder Z1 und Z2 über die Fügeposition P3 des dritten Zahnrades Z3 gepresst wurden, ist die Manganphosphatschicht (Beschichtung S) noch intakt, wenn auch das dritte Zahnrad Z3 aufgepresst wird. Nach dem Aufpressen der drei Zahnräder Z1, Z2, Z3 sitzen diese nun verdrehfest und verschiebefest auf der Welle W.
Die Beschichtung S wirkt somit als ein verdrehfestes und verschiebefestes Übertragungselement, welches eine Verbindung mit der Oberflächenstruktur der Welle W und den Zahnrädern Z1 bis Z3 eingegangen ist.
Zur Gewährleistung einer guten Haftung der Manganphosphatschicht t wurde die Welle vor dem Phosphatieren mit einem flüssigen alkalischen Reiniger entfettet, mit Salzsäure gebeizt und vor dem Aufbringen der Manganphosphatschicht die zu beschichtende Oberfläche mit Wachstumskeimen versehen. Weiterhin wurde die aufgebrachte Beschichtung vor dem Herstellen der Verbindung dehydratisiert (bei 100 bis 130°C).
2 zeigt den Schliff einer entsprechenden Verbindung eines ersten Körpers 1 und eines zweiten Körpers 2, die aus metallischen Werkstoff bestehen und zwischen welchen die Beschichtung S in Form einer Manganphosphatschicht angeordnet ist. Es wird deutlich, dass die Beschichtung S außer dem normalen Kraftschluss zusätzlich einen Mikroformschluss zu den angrenzenden Bauteilen 1, 2 herstellt und damit als Übertragungselement wirkt.
In die Beschichtung S (hier eine Manganphosphatschicht) sind die Rauhigkeitsspitzen der Bauteile bei Herstellen der Pressung/Pressverbindung eingedrungen, wodurch der Mikroformschluss und damit eine die verdrehsichere und verschiebesichere Pressverbindung erzeugt wurde. Die vor dem Herstellen der Pressung/Pressverbindung eine feinkristalline Struktur aufweisende Beschichtung ist weitestgehend in einen amorphen Zustand übergegangen.
Es wurde durch zahlreiche Versuchsreihen überraschender Weise nachgewiesen, dass eine Manganphosphatschicht erstmalig als „Übertragungselement" einer Pressung/Pressverbindung zwischen den angrenzenden metallischen Bauteilen eingesetzt werden kann und insbesondere bei Wellen-Naben-Verbindungen dazu geeignet ist, hohe Drehmomente zu übertragen und Tribokorrosion/Passungsrost zu verhindern. Es ist weiterhin erstmalig möglich, die erfindungsgemäße Verbindung bei Flächenpressungen einzusetzen, wobei dann eine hohe Verschiebesicherheit gewährleistet wird und ebenfalls Tribokorrosion/Passungsrost vermieden werden kann.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es erstmalig möglich, verdrehsichere Verbindungen zwischen Zahnrädern und/oder Lagern, die auf einer Hauptspindel und/oder Arbeitsspindel und/oder Zwischenwelle z.B. eines Mehrspindelkopfes oder eines Getriebes sitzen zu schaffen, die erstmals ohne spanungstechnischen Aufwand herstellbar sind und wobei Tribokorrosion vermieden wird.
Dadurch kann z.B. die Herstellung eines Mehrspindelbohrkopfes oder eines Getriebes, bei welchen dafür bisher Nut-Passfeder-Verbindungen eingesetzt wurden, wesentlich vereinfacht und kostengünstiger gestaltet werden.
Zusätzlich besteht ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung darin, dass Tribokorrosion/Passungsrost im Vergleich zu herkömmlichen Pressverbindungen und Nut-Passfeder-Verbindungen stark eingeschränkt bzw. vermieden wird.
Die Zahnräder und/oder Lager werden insbesondere bei der Herstellung einer Längspressverbindung einfach in Längsrichtung auf Hauptspindel und/oder Arbeitsspindel und/oder Zwischenwelle bis zur erforderlichen Position aufgepresst.

Claims

Verbundstabile Beschichtung eines metallischen ersten Körpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (S) bei Herstellen einer Pressung zwischen dem ersten Körper (1) und einem an die Beschichtung angrenzenden metallischen zweiten Körper im Bereich der wirkenden Pressung einen Kraftschluss und Mikroformschluss zu den Körpern (1, 2) gewährleistet
Beschichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei Herstellen der Pressung teilweise, weitestgehend oder vollständig in einen amorphen Zustand übergeht.
Beschichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung ein Übertragungselement zwischen dem ersten Körper und dem zweiten Körper bildet.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie die Tribokorrosion einschränkt oder verhindert.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Festigkeit der Beschichtung so gewählt wird, dass bei Herstellen der Pressung das Eindringen von Rauhigkeitsspitzen des ersten und des zweiten Körpers in die Schicht gewährleistet ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Festigkeit aufweist, die gleich oder kleiner ist als die Festigkeit des ersten und/oder zweiten Körpers.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine hohe Übertragungsfähigkeit aufweist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hohen Haftbeiwert aufweist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie vor dem Herstellen der Pressung eine feinkristalline Struktur aufweist
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Manganphosphatschicht ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie Huréaulith enthält
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass sie dehydratisiert ist.
Beschichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke bis 20 μm aufweist.
Verbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Schichtdicke von 3 bis 5 μm aufweist.