DE102007000486A1 - Oberflächenbehandlung für Hartstoffe und Werkzeuge mit diesen Hartstoffen - Google Patents

Oberflächenbehandlung für Hartstoffe und Werkzeuge mit diesen Hartstoffen Download PDF

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Abstract

Eine Anwendung des Laserschockhämmerns zur Oberflächenverfestigung von sprödharten Hartstoffen (1), bei dem Laserimpulse (3) auf die Oberfläche (6) treffen und eine Plasmablase erzeugen, ein derartig behandelter Hartstoffeinsatz (10) sowie ein Werkzeuzg (8) mit einem Werkzeuggrundkörper (9) und diesem Hartstoffeinsatz (10).

Description

  • Stand der Technik
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die Erfindung bezeichnet eine Oberflächenbehandlung für sprödharte Materialien, derart behandelten Hartstoffe sowie Werkzeuge mit diesen, insbesondere Bohrer, Meissel, Sägeblätter zur Bearbeitung harter Werkstücke wie Beton oder Gestein.
  • Spröde Materialen wie Glas, Keramik, Beton oder Gestein unterscheiden sich im werkstoffwissenschaftlichen Grundmodell prinzipiell von duktilen (d. h. stark plastisch verformbaren) Materialen wie üblichen Metallen.
  • Dies beruht nach werkstoffwissenschaftlicher Betrachtung auf den prinzipiell unterschiedlichen Versagenskriterien und dem prinzipiell unterschiedlichen Verhalten von Rissen in diesen Materialen.
  • Das bei sprödharten Werkstoffen dominierende Versagenskriterium ist die Hauptnormalspannungshypothese, nachdem ein Versagen des ungeschädigten Materials bei Überschreiten einer max. Normalspannung (Zug, Druck) auftritt. Geschädigtes Material zeigt ein instabiles Bruchverhalten, welches sich ohne plastische Deformation der Rissspitze rein über einen Spannungsintensitätsfaktor beschreiben (Griffith-Gleichung) lässt, der selbst zur Beschreibung der nahe der (atomar scharfen) Rissspitze divergenten (d. h. an der Rissspitze unendlichen) Zugspannungen dient. Ein hinreichend geschädigter sprödharter Werkstoff versagt demnach bei Beanspruchung spontan durch instabiles Risswachstum.
  • Das bei duktilen Materialen dominierende Versagenskriterium ist die Gestaltänderungshypothese, nachdem ein Versagen des ungeschädigten Materials bei Überschreiten einer von-Mises-Vergleichsspannung (Oktaederschubspannung) auftritt. Geschädigtes Material zeigt ein stabiles Bruchverhalten, welches sich mit wesentlicher plastischer Deformation der Rissspitze nur energetisch beschreiben (Deformationsenergiedifferenz bzw. J-Integral) lässt, da es nahe der (stets endlich gerundeten) Rissspitze ab der Überschreitung der (endlichen) Fliesgrenze durch die von Mises-Vergleichsspannung zum lokalen Fliessen kommt. Ein hinreichend geschädigter duktiler Werkstoff versagt demnach bei Beanspruchung schrittweise durch stabiles Risswachstum.
  • Deshalb wird üblicherweise (nur) bei duktilen Materialien zur Steigerung der Dauerfestigkeit (gegenüber dynamischer Beanspruchung) des Werkstücks durch Verminderung von Rissinitiierung und Rissausbreitung eine Oberflächenverfestigung vorgenommen. Diese beruht nach dem oben beschriebenen Materialverhalten von duktilen Werkstoffen, insbesondere auf hydrostatischen Fliessprozessen (welche nach der Gestaltänderungshypothese gerade kein Versagen hervorrufen), welche Werkstoffschichten unterhalb der Oberfläche einstauchen und plastisch stark verformen. Dadurch dehnen sich diese Werkstoffschichten längs der Oberfläche aus und versuchen, die Oberfläche in ihre Ausgangsform zurückzubringen, wodurch direkt unter der Oberfläche ein Bereich kaltverformten Materials mit einer hohen Druckeigenspannung erzeugt wird. Nach gängiger Meinung der Fachwelt sind derartige Kaltverfestigungsverfahren prinzipiell nicht für sprödharte Materialien anwendbar, da dies (im werkstoffwissenschaftlichen Grundmodell) unmittelbar zu einem Versagen oder zumindest zu einer Schädigung der Oberfläche führen würde, da das zur Oberflächenverfestigung notwendige plastische Fliessen unterhalb der Oberfläche nicht möglich ist.
  • Dieses Grundmodell bestätigt EP 0946343 für das üblicherweise (nur) bei duktilen Materialien angewandte Kugelstrahlen, bei dem die Werkstückoberfläche mit einem kugelförmigen Strahlmittel bestrahlt wird und jede Kugel eine Kalotte in die Oberfläche einprägt, indem dort explizit die aufwändigen Versuche zur notwendigen Bestimmung sehr enger Verfahrensgrenzwerte (gerade noch zulässige Anzahl Kugeleindrücke je Fläche) erwähnt werden. Ausserhalb der engen Verfahrensgrenzen führt ein nach der US 3573023 dennoch im Labormassstab auf sprödharte Keramiken angewandtes Kugelstrahlen zur Zerstörung der Oberfläche des Werkstücks durch Oberflächenrisse. Die Ursache der Bildung von Oberflächenrissen durch Kugelstrahlen kann dabei in der Kontaktpaarung harte Kugel – sprödhartes Werkstück gesehen werden, die am Rand einer sehr kleinen, nach der Hertz'schen-Pressung bestimmten, Kontaktfläche von weniger als 1 mm^2 lokal zu sehr hohen Zugspannungen innerhalb der Oberfläche führen, die entsprechend der Hauptnormalspannungshypothese zum lokalen Versagen bzw. lokalen Schädigungen führen.
  • Ein prinzipiell anders wirkendes Kaltverfestigungsverfahren ist das nach den US 3850698 , US 4401477 bekannte Laserschockhämmern (engl. Laser Shock Peening), das üblicherweise nur bei duktilen Materialien angewandt wird. Dabei werden statt eines kugelförmigen Strahlmittels extrem kurze Laserimpulse durch ein an der Werkstückoberfläche anliegendes (transparentes festes oder flüssiges) Trägheitsmedium auf die Werkstückoberfläche geschossen, die dort zu einer lokalen Überhitzung (auf mehr als 10000 K) führen. Die somit an der Grenzfläche entstehende, durch die inhärente Trägheit des Trägheitsmedium abgedichtete, Plasmablase bewirkt eine Druckschockwelle, die (fokussiert durch das Trägheitsmedium) in das Werkstück hineinläuft und eine Verdichtung der tieferen Werkstoffschichten verursacht, welche letztendlich die Druckeigenspannungen in der Oberfläche erzeugen.
  • Bei der Bearbeitung spröder Werkstücke wie Beton oder Gestein durch zugeordnete Werkzeuge erfolgt der Materialabtrag weniger durch ein, bei der Bearbeitung von duktilen Werkstücken wie Metall charakteristisches, Spanen als vielmehr durch ein Zertrümmern des oberflächennahen Materialverbundes und dem Abtragen von Bruchstücken (engl. spalling/chipping). Dementsprechend müssen die Werkzeuge in der Wirkzone einerseits besonders hart ausgebildet sein, um in die Oberfläche des spröden Werkstücks eindringen und Risse initiieren zu können. Andererseits ist für das Abtragen der Bruchstücke durch Scherbeanspruchung sowie der Standfestigkeit bezüglich gelegentlicher duktiler Eisenarmierungstreffer eine hohe Zähigkeit erforderlich. Da aus rein werkstoffwissenschaftlicher Betrachtung heraus (für homogene Materialien) beide Forderungen gegenläufig sind, bedarf die Wirkzone derartiger Werkzeuge einer diesbezüglichen Optimierung, bspw. eine spezielle Härtung und Wärmenachbehandlung.
  • Üblicherweise weisen derartige Werkzeuge wie Schlagbohrer bspw. nach US 5553682 oder Steinsägeblätter bspw. nach DE 2 803850 zur Erzielung einer hohen Lebensdauer an den entsprechenden Wirkzonen aufgesetzte kompakte Hartstoffkronen bzw. eingesetzte plattenförmige Hartstoffeinsätze auf. Im Weiteren wird für beide Arten der Begriff Hartstoffeinsatz benutzt. Die verwendeten Hartstoffe zeichnen sich insbesondere durch eine hohe Härte aus. Dabei handelt es sich meist um Hartstoffe mit intermetallischen Phasen wie Metallkarbide und Metallnitride oder um Keramiken mit metallischem Bindungscharakter. Bei Hartmetallen sind diese Hartstoffe in eine metallische Matrix eingebettet, bspw. Wolframcarbid in eine Kobaltmatrix. Eine weitere Gruppe von Hartstoffeinsätzen besteht aus obigen Hartstoffen als Trägerkörper mit zusätzlich oberflächlich aufgetragenen superharten polykristallinen Diamantschichten (PKD).
  • Nach der US 6260639 weist ein derartiger Hartstoffeinsatz mit einer PKD-Beschichtung in dieser eine Druckeigenspannung auf, welche einer Rissinitiierung und Rissausbreitung entgegenwirkt und somit die Lebensdauer erhöht. Die Druckeigenspannung wird bei der Herstellung durch eine sich unterschiedlich ausbildende Schichtdicke der PKD-Beschichtung erzielt, indem der zu beschichtende, im grossen Massstab konvexe, Trägerkörper einen kleinen umlaufenden konkaven Bereich aufweist.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Erhöhung der Lebensdauer von Werkzeugen zur Bearbeitung von spröden Materialien, Hartstoffen für diese und ein Oberflächenverfestigungsverfahren für diese.
  • Die Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1, Anspruchs 6 und Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • So wird zur Oberflächenverfestigung von sprödharten Hartstoffen das Laserschockhämmern angewandt, bei dem Laserimpulse auf die Oberfläche treffen und eine Plasmablase erzeugen.
  • Das Laserschockhämmern funktioniert ohne die lokale Einprägung einer Kalotte und den damit verbundenen lokal hohen Zugspannungen in der Oberfläche, denn in der Plasmablase herrscht stets ein hydrostatischer Druck, der keine Zugspannungen auf der Werkstoffoberfläche bewirkt. Somit sind durch Laserschockhämmern auch bei sprödharten Hartstoffen technologisch einfach Druckeigenspannungen erzeugbar, ohne dass bereits die Überschreitung enger Verfahrensgrenzwerte (die bei einer Massenproduktion schwerlich einzuhalten sind) zu Oberflächenrissen führt. Somit ist gerade dieses spezielle Kaltverfestigungsverfahren besonders zur Oberflächenbehandlung von sprödharten Massenprodukten geeignet. Damit wird ein prinzipielles Vorurteil der Fachwelt überwunden, denn entgegen den Aussagen des Grundmodells der Werkstoffwissenschaft führt die Anwendung eines (speziellen) Kaltverfestigungsverfahren in Form des Laserschockhämmerns auf sprödharte Hartstoffe nicht wie theoretisch mit Sicherheit zu erwarten zu einer Schädigung oder dem Versagen der Oberfläche sondern – gerade und nur – im Falle des Laserschockhämmerns ebenfalls zu einer Druckeigenspannung und damit verbunden zu einer verminderten Rissinitiierung und Rissausbreitung.
  • Vorteilhaft wird über dem sprödharten Hartstoff eine Trägheitsschicht aus Wasser erzeugt, weiter vorteilhaft in einer Schichtdicke zwischen 0.3 mm und 3 mm, wodurch die Druckschockwelle in das Material hinein fokussiert wird.
  • Vorteilhaft wird der sprödharte Hartstoff vor dem Laserschockhämmern mit einer den Laserstrahl weitgehend absorbierenden Ablationsschicht beschichtet, wodurch die sehr kurzen (nur einige zehn fs langen) energiereichen (einige zehn J) Laserimpulse eines Nd:Glas-Pulslasers mit einer Wellenlänge von etwa 1[my]m weitgehend absorbiert werden.
  • Vorteilhaft erzeugt der Laserimpuls in der Ablationsschicht eine Plasmablase, welche bei einer Plasmalebensdauer zwischen 20 ns und 100 ns eine Druckschockwelle im Bereich zwischen 30000 bar und 300000 bar erregt, wodurch bei sprödharten Hartstoffen nach praktischen Versuchen Druckeigenspannungen im Bereich von 300 MPa bis 1000 MPa erzielt werden.
  • Vorteilhaft weist der Laserimpuls auf der Oberfläche des Werkstücks eine quadratische oder runde Querschnittsfläche auf, weiter vorteilhaft mit einem Flächeninhalt zwischen 10 mm^2 bis 100 mm^2, wodurch die Druckschockwellen eine zur Druckeigenspannungserzeugung in einer wirksame Tiefe von 300[my]m bis 2000[my]m erreichen.
  • Weiter besteht ein sprödharter Hartstoffeinsatz aus einem derart mit Laserschockhämmern oberflächenbearbeiteten Hartstoff.
  • Durch die Ausbildung des sprödharten Hartstoffeinsatzes als mit Laserschockhämmern oberflächenbearbeiteten Hartstoff, weist dieser eine tief druckeigenverspannte Oberfläche auf, die an der Oberfläche sowohl ein hartes als auch ein zähes Verhalten aufweist, welches eine Rissinitiierung und Rissausbreitung verhindert.
  • Weiter besteht ein Werkzeug zur Bearbeitung spröder Werkstücke aus einem Werkzeuggrundkörper (Bohrer, Meissel, Sägeblatt etc.), an deren zumindest einer Wirkzone zumindest ein sprödharter Hartstoffeinsatz aus mit Laserschockhämmern oberflächenbearbeiteten Hartstoff befestigt ist.
  • Die Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels näher erläutert mit:
  • 1a, 1b als Prinzip des Laserschockhämmerns
  • 2 als Druckeigenspannungsverlauf
  • 3 als Werkzeug mit Hartstoffeinsatz
  • Nach 1a wird zum Laserschockhämmern über einem sprödharten Hartstoff 1 eine Trägheitsschicht 2 aus Wasser in einer Schichtdicke von 1 mm erzeugt. Der Hartstoff 1 wird von einem pulsierenden Laserstrahl eines Nd:Glas-Pulslasers flächig abgerastert (nicht dargestellt), welcher eine Folge von 30 fs kurzen und mit 30 J energiereichen Laserimpulsen 3 mit einer Wellenlänge von 1[my]m aussendet, die eine auf dem Hartstoff 1 zuvor aufgetragene Ablationsschicht 4 weitgehend absorbiert. Auf der Oberfläche 6 weist der Laserimpuls eine quadratische Querschnittsfläche (nicht dargestellt) mit einer Seitenlänge L von 5 mm auf. Nach 1b entsteht dadurch während einer Plasmalebensdauer T von 50 ns eine Plasmablase 5, in der stets ein hydrostatischer Druck p herrscht, der keine Zugspannungen auf der Oberfläche 6 bewirkt. Die schnell gegen die Trägheitsschicht 2 anwachsende Plasmablase 5 erzeugt eine Druckschockwelle 7 von 100000 bar, die sich senkrecht zur Oberfläche 6 gerichtet in den Hartstoff 1 hinein fortpflanzt.
  • Nach 2 weist der mit dem Laserschockhämmern behandelte sprödharte Hartstoff 1 (1) an der Oberfläche eine Druckeigenspannung p von zwischen 300 MPa und 500 MPa auf, die sich nahezu konstant bis in eine Tiefe x von 350[my]m fortsetzt.
  • Nach 3 besteht ein Werkzeug 8 in Form eines Schlagbohrers zum Bohren von Beton aus einem Werkzeuggrundkörper 9 in Form eines Schaftes, an dessen werkstückseitigem Stirnende ein sprödharter Hartstoffeinsatz 10 in Form einer aufgesetzten kompakten Hartstoffkrone aus mit Laserschockhämmern, bei dem Laserimpulse 3 auf die Oberfläche 6 treffen und eine Plasmablase 5 (1b) erzeugen, oberflächenbearbeiteten Hartstoff 1 befestigt ist.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • - EP 0946343 [0007]
    • - US 3573023 [0007]
    • - US 3850698 [0008]
    • - US 4401477 [0008]
    • - US 5553682 [0010]
    • - DE 2803850 [0010]
    • - US 6260639 [0011]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Oberflächenverfestigung von sprödharten Hartstoffen (1), gekennzeichnet durch die Anwendung des Laserschockhämmerns, bei dem Laserimpulse (3) auf die Oberfläche (6) treffen und eine Plasmablase (5) erzeugen.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass über dem sprödharten Hartstoff (1) eine Trägheitsschicht (2) aus Wasser erzeugt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der sprödharte Hartstoff (1) vor dem Laserschockhämmern mit einer die Laserimpulse (3) weitgehend absorbierenden Ablationsschicht (4) beschichtet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserimpuls (3) an der Ablationsschicht (4) eine Plasmablase (5) erzeugt, welche bei einer Plasmalebensdauer (T) zwischen 20 ns und 100 ns eine Druckschockwelle (7) im Bereich zwischen 30000 bar und 300000 bar erregt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserimpuls (3) auf der Oberfläche (6) eine quadratische oder runde Querschnittsfläche aufweist.
  6. Sprödharter Hartstoffeinsatz, gekennzeichnet durch eine Oberflächenbearbeitung mit Laserschockhämmern.
  7. Werkzeug zur Bearbeitung spröder Werkstücke mit einem Werkzeuggrundkörper (9) und zumindest einem sprödharten Hartstoffeinsatz (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Hartstoffeinsatz (10) mit Laserschockhämmern oberflächenbearbeitet ist.
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