DE102008027596A1

DE102008027596A1 - Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils

Info

Publication number: DE102008027596A1
Application number: DE102008027596A
Authority: DE
Inventors: Christian Dipl.-Ing. Russer; Volker Dipl.-Ing. Voggeser
Original assignee: Daimler AG; Wieland Werke AG
Current assignee: Wieland Werke AG
Priority date: 2008-06-10
Filing date: 2008-06-10
Publication date: 2009-12-24
Also published as: WO2009149861A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils, beispielsweise eines Pleuels, wobei ein Pleuelrohling durch ein Umformverfahren oder ein Urformverfahren hergestellt wird und in ein Pleuelauge des Pleuelrohlings ein Lagerring eingefügt wird, wobei der Pleuelrohling beim Einfügen des Lagerrings eine Temperatur von mehr als 300°C aufweist. Beim Einfügen des Lagerrings kann die Wärme des Umform- oder Urformvorgangs genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerbauteils nach Anspruch 1.
Lagerbauteile, wie z. B. Pleuel, die in modernen Motoren eingesetzt werden, sind insbesondere an ihren Lageraugen sehr hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt. Um die Lageraugen tribologisch auf die darin gelagert Materialien abzustimmen, ist es üblich, spezielle Lagerwerkstoffe in die Lageraugen einzusetzen. Diese sind häufig aus weicherem Material als die gelagerten Werkstoffe, damit eine Materialabrasion minimiert wird.
In Verbrennungsmotoren werden sind gecrackte Stahlpleuel weit verbreitet. Crackpleuel werden erst einteilig hergestellt, dann mit Bruchkerben oder mit einer Laserkerbe versehen und danach gezielt in zwei Teile gebrochen (Cracken). Die Bruchflächen sind hinsichtlich Festigkeit, Kosten und Fertigungsgenauigkeit optimiert. Beide Teile passen zur Pleuelmontage per Verschrauben exakt zusammen. Pleuel und Pleueldeckel müssen aufgrund der individuellen Bruchgeometrie immer beisammenbleiben.
In der EP 0635 104 B1 ist ein Pleuel beschrieben, das mit einer Lagerschicht ausgestattet ist, wobei die Lagerschicht mit dem Pleuel durch Bruchtrennung geteilt wird.
In der DE 10 2004 041 042 A1 ist beschrieben, wie ein Lagerring in Form einer Presspassung in ein Lagerauge eingepasst wird.
In der DE 103 44 723 B4 ist ein Lagerbauteil beschrieben, das eine galvanisch aufgebrachte Gleitschicht aufweist.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lagerbauteil bereit zu stellen, das gegenüber dem Stand der Technik kostengünstiger herstellbar ist und dabei über gute mechanische Eigenschaften verfügt.
Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Lagerbauteil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Das Verfahren zu Herstellung eines Lagerbauteils, beispielsweise eines Pleuels besteht darin, dass ein Bauteilrohling des Lagerbauteils durch ein thermisches Urform- oder ein Umformverfahren hergestellt wird. Es ist vorgesehen, dass ein Bauteilrohling durch ein thermisches Umformverfahren oder thermisches Urformverfahren hergestellt wird und hierauf in ein Lagerauge des Bauteilrohlings ein Lagerring eingesetzt wird, wobei der Bauteilrohling beim Einfügen des Lagerrings eine Temperatur aufweist, die ein Aufsintern des Lagerrings ermöglicht. Beim Einsetzen des Lagerringes findet durch Sintervorgänge zwischen dem Metall des Pleuels und der korrespondierenden Oberfläche des Lagerringes ein Versintern statt, welches die Haftung wesentlich unterstützt. dass der Lagerring unmittelbar nach dem thermischen Um- oder Urformverfahren vor dem Abkühlen des Bauteils in das Lagerauge des Bauteilrohlings eingefügt wird.
Es ist besonders zweckmäßig, die Prozesswärme des Ur- oder Umformverfahrens für den Bauteilrohling zu nutzen, das heißt den Lagerring unmittelbar nach diesem thermischen Prozess schritt einzusetzen und die Prozesshitze für den Sinterprozess zu nutzen. Natürlich ist es auch möglich das Bauteil zunächst kontrolliert oder auch unkontrolliert auf eine Zwischentemperatur oder Raumtemperatur abkühlen zu lassen und hierauf auf eine definierte Sintertemperatur zum Einfügen des Lagerrings wieder aufzuheizen.
Wesentlich ist, dass ein Lagerring, der eine spätere Lagerfläche darstellt, in ein Lagerauge des Bauteilrohlings bei einer Temperatur eingefügt wird, welche Sinterprozesse zwischen Lagerring und Bauteil zulässt. Dabei ist der Lagerring so ausgestaltet, dass er auf das Bauteil aufsintern kann. Für das Aufsintern des Lagerrings weist der Bauteilrohling je nach Beschaffenheit der die Kontaktfläche bildenden Oberfläche des Lagerrings, eine Temperatur von mehr als 300°C, bevorzugt mehr als 400°C, insbesondere mehr als 1150°C auf. Aufgrund der hohen Temperaturen des Bauteilrohlings können Diffusionsprozesse und Sinterprozesse zwischen den im engen Kontakt liegenden Metallflächen stattfinden und es resultiert eine feste form- und materialschlüssige Verbindung.
Unter dem Umformverfahren zur Herstellung des Bauteils bei dem ein Halbzeug unter Einbringen einer äußeren Kraft und unter Zufuhr von Wärme, meistens in einer dafür vorgesehenen Form zu einem Rohling oder bereits zu einem fertigen Bauteil umgeformt wird. Das wichtigste Umformverfahren ist hierbei das Schmieden. Unter Urformen versteht man eine Herstellungsverfahren, wobei eine formbare, häufig flüssige oder thixotrope Masse unter Aufbringung einer äußeren Kraft (einschließlich der Schwerkraft), in der Regel unter erhöhter Temperatur in eine Form gebracht wird, wobei darauf eine Verfestigung der Masse erfolgt und ein Bauteilrohling oder ein fertiges Bauteil abgebildet wird. Beispiele für Urformen sind Metallgießverfahren (Druckguss, Sandguss, Thixoguss) oder Spritzgussverfahren.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, dass die Prozesswärme aus der Bauteilherstellung, insbesondere die Schmiedewärme eines geschmiedeten Stahlbauteils, für das Aufsintern des Lagerrings genutzt wird. Der Lagerring wird daher bevorzugt unmittelbar an die Bauteilherstellung in das heiße Bauteil eingebracht. In der Regel reicht die Prozesswärme zum Aufsintern aus, so dass keine zusätzliche Erwärmung oder Temperaturnachbehandlung mehr erforderlich sind.
So lässt sich die Umformwärmeenergie nutzen, was zu Energieeinsparungen im Herstellungsprozess führt.
In weiterer Ausgestaltung kann die Temperatur auch für kurze Zeit zur Unterstützung des Sinterprozesses konstant gehalten werden, bzw. die schnelle Abkühlung unterbunden werden. Bevorzugt wird hierzu eine Haltezeit von 5 bis 10 Minuten bei oder in der Nähe der Temperatur des Einfügens des Lagerringes gewählt.
Das Urformverfahren ist bevorzugt ein Schmiedeverfahren, wobei der Bauteilrohling bevorzugt aus einem Schmiedestahl besteht.
Es ist zweckmäßig, den Lagerring in das Lagerauge einzupressen, wodurch die Festigkeit der Verbindung zwischen Lagerauge und Lagerring noch einmal erhöht wird. Das Lagerauge des Bauteilrohlings zieht sich beim Abkühlen von der Aufsintertemperatur auf Raumtemperatur zusammen. Bevorzugt wird der Lagerring in kälterem Zustand, eingebracht, so dass die thermische Schwindung des Lagerauges größer ist als diejenige des Lagerrings. Hierdurch schrumpft das Bauteil auf den Lagerring auf, wodurch die Sinterprozesse unterstützt werden und eine zusätzliche Presspassung aufgebaut wird. Durch angepasste Geometrie von Lagerauge und Lagerring kann dieser Aufschrumpf-Effekt weiter verstärkt werden.
Nach dem Einbringen des Lagerrings in das Lagerauge kann das Lagerauge und der darin befindliche Lagerring durch ein Bruchtrennverfahren, auch Cracken genannt, getrennt werden und wieder zusammengefügt werden. So lässt sich eine zu lagernde Welle in das Lagerauge einsetzen. Für das Bruchtrennen ist es zweckmäßig, dass der Lagerring, gegebenenfalls auch das Lagerauge eine Sollbruchstelle aufweist. Insbesondere weist der Lagerring bereits vor dem Einfügen eine Sollbruchstelle auf.
Der Lagerring ist in der Regel einteilig ausgestaltet, es kann jedoch auch ein zwei- oder mehrteiliger Lagerring zweckmäßig sein. Dies erleichtert die spätere Bruchtrennung.
Der Lagerring besteht dabei aus einer für die darin gelagerte Welle tribologisch besonders günstigen Werkstoff, bevorzugt besteht der Lagerring aus einer Messinglegierung oder aus einer Bronzelegierung. Hierbei kann aber auch auf die gängigen Lagermetalllegierungen zurückgegriffen werden.
Die Messing-, Bronze- und Lagermetalllegierungen haben den Vorteil, dass sie niedrigschmelzend sind und insofern bei der Prozesswärme der Ur- oder Umformung des Bauteilrohlings sinterfähig sind.
Der Lagerring kann auch auf einer Kontaktfläche mit dem Bauteilrohling bzw. des Lagerauges ein Lotmaterial, beispielsweise auf der Basis der Legierungen von Zn, Ag, Sn oder Cu aufweisen. Durch das Lotmaterial kann die Anbindung an das Lagerbauteil noch verbessert werden. Das Lotmaterial kann bei der gegebenen Prozesstemperatur sowohl Aufschmelzen als auch nur durch Sinterprozesse an den Untergrund anbinden. Die Übergänge sind dabei fließend.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und besondere Merkmale werden an Hand der folgenden Spezialbeschreibung und an Hand der beiden Figuren näher erläutert.
Dabei zeigen:
1, ein Rohling eines Pleuel mit eingepresstem Lagerring und
2 ein fertiges Pleuel mit eingepresstem Lagerring.
In 2 ist ein fertiggestelltes Pleuel 2 dargestellt, dass z. B. als Verbindung zwischen einem Kolben in einem Verbrennungsmotor und einer Kurbelwelle dient. Der Herstellungsprozess dieses Pleuels 2 wird im Folgenden näher beschrieben.
In einem nicht dargestellten Schmiedewerkzeug wird ein ebenfalls nicht dargestelltes Schmiedestahlhalbzeug durch einen Schmiedeprozess zu dem Pleuelrohling 4 umgeformt. Die Schmiedetemperatur beträgt dabei zwischen 1000°C und 1200°C.
Der Pleuelrohling 4 weist zwei Lageraugen auf, ein unters Lagerauge 6, in dem in einem fertig montierten Motor die Kurbelwelle gelagert ist und ein oberes Lagerauge 16, auf das im Weiteren nicht näher eingegangen wird (das jedoch gleichermaßen behandelt werden kann) und in dem ein Stift gelagert ist der mit dem Kolben in Verbindung steht.
Der Pleuelrohling 4 wird dem Schmiedewerkzeug entnommen, wobei ein Lagerring 8, der auch als Buchse bezeichnet werden kann, und in diesem Beispiel Raumtemperatur aufweist, in das Lagerauge 4 eingepresst wird. Der Pleuelrohling 4 hat hierbei eine Temperatur von ca. 350 bis 450°C. Diese Temperatur ist in zweckmäßiger Weise an die Anwendungstemperatur des Lotmaterials bzw. die Sintertemperatur der Lagerring-Oberfläche anzupassen.
Beim Einpressen weist der Lagerring 8 einen gleichgroßen oder geringfügig größeren Außendurchmesser auf als der Innendurch messer des Lagerauges 6 bei der jeweiligen Einpresstemperatur.
Der Lagerring 8 weist dabei auf seiner Außenseite, also der einer Innenseite 7 des Lagerauges 6 zugewandten Seite ein Lot auf Zinnbasis auf. Das Lot kann auch aus einer Zink- oder Kupferlegierung bestehen, die die jeweils anderen genannten Elemente als Legierungsbestandteil enthalten kann. Das Lot schmilzt beim Einpressen zumindest teilweise auf und verbindet sich so mit dem Material des Pleuelrohlings 4. Bei diesem Legierungsprozess, der grundsätzlich auch ohne Zugabe von Lotmaterial zwischen dem Lagerringmaterial und dem Pleuelrohlingmaterial stattfinden kann, wird aus der zunächst rein formschlüssigen eine stoffschlüssige Verbindung.
Diese Verbindung wird noch verstärkt, indem sich der Pleuelrohling 4 abkühlt, was zu einem geringfügigen Schrumpfungsprozess führt, bei dem sich auch der Durchmesser des Lagerauges verkleinert. Durch das Schrumpfen des Lagerauges 6 wird dieses noch zusätzlich radial nach innen gerichtet auf den Lagerring 8 gepresst.
Nach dem Einpressen des Lagerringes 8 in das Lagerauge 4 erfolgt eine weitere Bearbeitung des Pleuelrohlings 4 und des eingepressten Lagerringes 8. Der Lagering 8 wird dabei spanend bearbeitet und mit einem entsprechenden Aufmaß zum Endmaß vorgedreht.
Nach dem Vordrehen erfolgt das Bruchtrennen, das sogenannte Cracken. Bei diesem an sich bekannten Verfahren wird der Pleuelrohling 4 im Bereich des Lagerauges 6 an einer eigens hierfür angebrachten Sollbruchstelle, beispielsweise einer Kerbe gebrochen. Eine Sollbruchstelle 10 ist in diesem Beispiel auch im Lagerring 8 enthalten. Der relativ spröde Schmiedewerkstoff des Pleuelrohlings bricht ohne nennenswerte elastische Verformung in zwei Bruchstückhälften 18, 20 und hinterlässt ein einmaliges Bruchgefüge. Beide Bruchstückhälf ten 18, 20 passen dabei so genau ineinander, dass keine noch so aufwendige mechanische Bearbeitung eine so gute Passung bilden könnte.
Die so entstandenen Bruchstücke 18 und 20 werden durch eine Verschraubung 14 aneinander gefügt. Anschließend erfolgt eine Feinbearbeitung durch einen Honprozess, abschließend kann gegebenenfalls noch ein Gleitlack auf die Gleitfläche des Lagerrings 8 aufgebracht werden.
In diesem Beispiel ist beschrieben, dass der Lagerring 8 in den Pleuelrohling eingepresst wird, wenn dieser noch vom Umformvorgang erwärmt ist. Sollte es die Prozesskette erfordern, so kann der Pleuelrohling auch später wieder erhitzt werden und der Lagerring später eingepresst werden, was natürlich einen zusätzlichen Energieaufwand zur Folge hat.
Der Lagerring kann auch durch ein so genanntes Rollverfahren eingebracht werden, wobei der Lagerring zyklisch bewegt, rotiert oder hin und her bewegt wird.
Weitere möglich Bauteile für die Anwendung des beschrieben Verfahrens sind alle Arten von Lagern. Neben dem Pleuel könnte diese Technik auch in einem Lagerstuhl für eine Kurbelwelle angewendet werden, wobei der Lagerstuhl meistens aus einer Aluminiumlegierung gegossen wird.

2: Pleuel
4: Pleuelrohling
6: Pleuelauge
7: Innenseite Pleuelauge
8: Lagerring
10: Sollbruchstelle
12: Pleuelstange
14: Verschraubung
16: oberes Lagerauge
18: Bruchstück
20: Bruchstück

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 0635104 B1 [0004]
- DE 102004041042 A1 [0005]
- DE 10344723 B4 [0006]

Claims

Verfahren zu Herstellung eines Lagerbauteils mit einem Lagersitz, insbesondere einem Pleuel, wobei ein Bauteilrohling durch ein thermisches Umformverfahren oder thermisches Urformverfahren hergestellt wird und hierauf in ein Lagerauge des Bauteilrohlings ein Lagerring eingesetzt wird, wobei der Bauteilrohling beim Einfügen des Lagerrings eine Temperatur aufweist, die ein Aufsintern des Lagerrings ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring unmittelbar nach dem thermischen Um- oder Urformverfahren vor dem Abkühlen des Bauteils in das Lagerauge des Bauteilrohlings eingefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling eine Temperatur von mehr als 300°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Oberfläche des Lagerringes, die in Kontakt mit dem Lagerauge des Bauteilrohlings kommt, aus einem bei Temperaturen von 300 bis 1100°C sinterfähigen Material besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling mit eingefügtem Lagerring für mindestens 5 Minuten auf Sintertemperatur gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring aus einer Messinglegierung oder einer Bronzelegierung besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Lagerring an Kontaktflächen mit dem Bauteilrohling ein Lotmaterial aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Lotmaterial die Elemente Zinn, Silber, Zink und/oder Kupfer umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling durch Schmieden aus Stahl hergestellt wird und der Lagerring unmittelbar nach dem Schmieden in den noch schmiedeheißen Bauteilrohling eingefügt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerbauteil ein Pleuel ist und der Lagering in das Pleuelauge des Pleuelrohlings eingepresst wird und das Pleuelauge beim Abkühlen auf den Lagerring aufschrumpft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling beim Einfügen des Lagerrings eine Temperatur von mehr als 400°C aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling beim Einfügen des Lagerrings eine Temperatur von mehr als 1150°C aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagering in das Lagerauge eingepresst wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während und nach dem Einfügen des Lagerringes in das Lagerauge des Bauteilrohlings ein Stoffschluss durch Versintern oder Diffusion erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling aus einem Schmiedestahl besteht und durch ein Schmiedeverfahren umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilrohling aus Austempered Ductile Iron (ADI) besteht und das Einfügen des Lagerringes unmittelbar nach dem Tempern des Bauteilrohlings erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bruchtrennen des Lagerauges nach dem Einfügen des Lagerrings erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring eine Sollbruchstelle aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring aus zwei oder mehreren Lagerschalen zusammengesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein Pleuel (2) für einen Verbrennungsmotor ist.