DE102010005076A1

DE102010005076A1 - Verpresste Bauteilgruppe

Info

Publication number: DE102010005076A1
Application number: DE201010005076
Authority: DE
Inventors: Ihsan Özer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2010-01-20
Filing date: 2010-01-20
Publication date: 2010-08-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine verpresste Bauteilgruppe (1, 7), umfassend zumindest zwei in zumindest einem Verbindungsbereich (4) miteinander verpressten Bauteile (1, 7), wobei zumindest ein Bauteil (1) zumindest in einem solchen Verbindungsbereich (4) aus einem MMC-Material hergestellt ist. Aufgrund der Einlagerung von Hartstoffpartikeln (3, 3', 3") in eine Metallmatrix (2) des MMC-Materials, können die tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches (4) der verpressten Bauteilgruppe (1, 7), verbessert werden. Wird zudem ein Leichtmaterial, wie z.B. eine Aluminiumlegierung, verwendet, ist zudem eine erhebliche Gewichtsreduktion bei gleichbleibender Größe der verpressten Bauteilgruppe möglich.

Description

Die Erfindung betrifft eine verpresste Bauteilgruppe, umfassend zumindest zwei in zumindest einem Verbindungsbereich miteinander verpresste Bauteile.
Bei herkömmlichen Pressverbindungen sind z. B. eine Welle und eine Nabe derzeit z. B. aus Stahl oder Graugusslegierungen hergestellt. Dabei werden je nach der erforderlichen Festigkeit unterschiedliche metallische Materialien für z. B. die Welle und z. B. die Nabe eingesetzt. Problematisch bei solchen als Quer- oder Längspressverbindung ausgelegten verpressten Bauteilgruppen, ist eine Drehmomentübertragungsfähigkeit bzw. Betriebsfestigkeit des verpressten Verbindungsbereiches.
Zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches einer solchen verpressten Bauteilgruppe, kann heutzutage zumindest ein Bauteil mit einer Metallbeschichtung versehen werden, in die Hartstoffpartikel wie z. B. Diamant, Siliziumkarbid oder Korund eingelagert sind. So kann z. B. mittels eines Nickeldispersions-Beschichtungsverfahren eine Welle und/oder eine Nabe mit einer Nickelgrundschicht, der sog. Nickelmatrix, beschichtet werden, in die z. B. die vorhergehend genannten Hartstoffpartikel eingebettet sind. Dabei ragen zumindest teilweise die Hartstoffpartikel aus der Nickelmatrix heraus. Nach der Verpressung von zumindest einem Bauteil mit einer solchen Beschichtung mit einem anderen Bauteil, das ebenfalls eine solche Beschichtung aufweisen kann oder nicht, erzeugen die herausragenden Hartstoffpartikel Mikroformschlüsse zwischen den beiden verpressten Bauteilen in dem jeweiligen Verbindungsbereich. Dadurch können die tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches verbessert werden. Dieses Beschichtungsverfahren ist jedoch teuer, kompliziert und benötigt ein umfangreiches Wissen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine solche verpresste Bauteilgruppe und ein zugehöriges Herstellungsverfahren eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch ein geringes Gewicht der Bauteilgruppe und gute tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches zwischen den Bauteilen der Bauteilgruppe auszeichnet.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist Gegenstand des abhängigen Anspruches.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer verpressten Bauteilgruppe, umfassend zumindest zwei in zumindest einem Verbindungsbereich miteinander verpresste Bauteile, und einem dazugehörigen Herstellungsverfahren, zumindest ein Bauteil in zumindest einem solchen Verbindungsbereich aus einem Metal Matrix Composite (MMC) Material herzustellen, wobei das MMC-Material eine, insbesondere ein Leichtmetall aufweisende, Metallmatrix aufweist, in die Hartstoffpartikel eingelagert sind. Durch die Ausbildung des Verbindungsbereiches zumindest eines Bauteils aus einem MMC-Material ist es möglich, die tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches zu verbessern.
Weist des Weiteren ein solches MMC-Material ein Leichtmetall auf bzw. besteht die Metallmatrix des MMC-Materials aus einem Leichtmetall bzw. einer Leichtmetalllegierung, so ist zudem ein deutlich geringeres Gewicht der verpressten Bauteilgruppe im Vergleich zu herkömmlichen Pressverbindungen aus Stahl oder Graugusslegierungen erreichbar, da die Dichte der heutzutage gängigen Stahl oder Graugusslegierungen ca. zwischen 7,1 bis 7,9 kg/dm³ liegt, während die Dichte von z. B. Aluminiumlegierungen zwischen 2,6 bis 2,8 kg/dm³ deutlich darunter liegen kann. Somit lässt sich bei ungefähr gleichen Maßen mit Leichtmetallen oder Leichtmetalllegierungen ein um ca. 2/3 geringeres Gewicht der verpressten Bauteilgruppe erreichen. Zudem liegt üblicherweise die Zugfestigkeit z. B. einer Graugusslegierungen zwischen 100 bis 170 N/mm² deutlich unter der Zugfestigkeit z. B. einer Aluminiumlegierung von 300 bis 450 N/mm². Auch sind die Zugfestigkeiten von den meisten derzeit eingesetzten Stahllegierungen mit 310 bis 510 N/mm² nicht deutlich höher als die Zugfestigkeit z. B. einer Aluminiumlegierung. Somit ist es möglich, Leichtmetalle bzw. Leichtmetalllegierungen wie z. B. eine Aluminiumlegierung als alternatives Material für solche verpresste Bauteilgruppen zu verwenden.
Da solche verpresste Bauteilgruppen, die z. B. Quer- oder Längspressverbindungen aufweisen, untereinander Drehmomente aufgrund der reibschlüssigen Verbindungsbereiche übertragen, ist die Lebensdauer der Bauteilgruppe von der reibschlüssigen Pressverbindungen abhängig. Die reibschlüssige Pressverbindung wiederum ist von dem Haftbeiwert abhängig, der durch die tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches bestimmt wird. Somit ist die Verbindungsqualität, die Drehmomentübertragungsfähigkeit sowie die Betriebsfestigkeit einer solchen verpressten Bauteilgruppe umso höher, je höher der Haftbeiwert ist bzw. je besser die tribologischen Eigenschaften der Pressverbindung ausgebildet sind. Unter dem Begriff der tribologischen Eigenschaften sind im Falle einer solchen Pressverbindung bzw. eines solchen Verbindungsbereiches die Reibung, insbesondere die Haftreibung, und der Verschleiß des Verbindungsbereiches zusammengefasst.
Ist nun eines der Bauteile der Bauteilgruppe aus einem MMC-Material hergestellt, so können die tribologischen Eigenschaften, in diesem Fall die Reibung und der Verschleiß, des verpressten Verbindungsbereiches deutlich hinsichtlich einer höheren Drehmomentübertragungsfähigkeit, der Verbindungsqualität sowie der Betriebsfestigkeit des Verbindungsbereiches verbessert werden.
MMC-Materialien sind aus einem metallischen Grundmaterial, der sog. Metal Matrix (MM), aufgebaut, in die Hartstoffpartikel, wie z. B. kristalliner Kohlenstoff, Diamant, Siliziumkarbid, Borkarbid, kubisches Bornitrid, Schwefelnitrid, Aluminiumoxid, Siliziumprimärkristalle, Siliziumkarbid oder dergleichen, eingelagert sind. Solche MMC-Materialien können durch Zugabe von Hartstoffpartikeln in den Schmelzfluss hergestellt werden, in Sintertechnik oder durch Anreicherung bzw. Ausbildung solcher Partikel bei nachträglicher Behandlung der Metal Matrix. Durch Ausbildung eines MMC-Materials können die tribologischen und/oder mechanischen Eigenschaften wie Elastizitätsmodul, Härte, Streckgrenze, Betriebs- und Dauerfestigkeit beeinflusst werden, wobei dies wiederum durch die verwendeten Hartstoffpartikel in Art, Anteil, Größe und Form sowie durch die Eigenschaften des Matrixmaterials gesteuert werden kann.
Ebenso können die thermischen Eigenschaften wie Solidustemperatur, Thermoschockbeständigkeit, Wärmespeicherkapazität sowie der Wärmeleitfähigkeits-, Wärmeausdehnungs-, Wärmestrahlungs- und Wärmekonvektionskoeffizient sowohl durch die verwendeten Hartstoffpartikel in Art, Anteil, Größe und Form beeinflusst werden, als auch durch die Eigenschaften des verwendeten Matrixmaterials.
Für die tribologischen Eigenschaften und auch für die Qualität der Pressverbindung sind im Wesentlichen der Anteil, die Größe und die Form der Hartstoffpartikelverstärkung verantwortlich. Zudem können MMC-Materialien hergestellt werden, die einen ansteigenden Gradienten an Hartstoffpartikeln zur Oberfläche hin aufweisen. Dabei nimmt aus einem Kernbereich des Materials kommend, die Anzahl an Hartstoffpartikel zur Oberfläche hin orientiert zu. Dadurch können weitere vorteilhafte Materialeigenschaften erzeugt werden.
Durch Verwendung eines solchen MMC-Materials sind die tribologischen Eigenschaften eines Verbindungsbereiches zweier Bauteile einer Bauteilgruppe verbessert, wenn zumindest ein Bauteil aus einem solchen MMC-Material zumindest im Verbindungsbereich der Bauteilgruppe hergestellt ist.
Als MM-Material eines solchen MMC-Materials kann bevorzugt ein Leichtmetall oder eine Leichtmetalllegierung eingesetzt werden. Im Falle des Einsetzens von Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen ist zudem eine deutliche Gewichtsreduzierung der verpressten Bauteilgruppe möglich. So können z. B. Aluminium, Titan, Bor, Silizium und andere Leichtmetalle bzw. auch deren Legierungen und deren Legierungen mit Beimengungen von anderen Metallen, eingesetzt werden. Z. B. ist der Einsatz einer hypereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung vorteilhaft, da in diesem Fall eine solche Aluminium-Silizium-Legierung einen hohen Anteil von Primärsiliziumkristallen, die als Hartstoffpartikel fungieren, aufweist. Bevorzugt wird eine ALSI20 mit 10%-igem Siliziumkarbidanteil verwendet, wobei in diesem Fall ebenfalls Siliziumkarbid als Hartstoffpartikel wirkt.
So können Bauteile aus einer solchen Aluminium-MMC-Legierung durch Gießen oder durch Sprühkompaktierung hergestellt werden und nach dem Urformen durch eine mechanische, bzw. spanabhebende Bearbeitung fertiggestellt werden. Danach können solche Aluminium-MMC-Bauteile mit sich selbst oder mit anderen Bauteilen verpresst werden.
Zur Erhöhung der tribologischen Eigenschaften ist es jedoch vorteilhaft, zumindest teilweise die Oberfläche in dem nachfolgend zu verpressenden Verbindungsbereich chemisch derart zu behandeln, dass an der Oberfläche teilweise die Metallmatrix abgelöst wird und zumindest teilweise die an der Oberfläche liegenden Hartstoffpartikel so freigelegt werden, dass sie aus der verbleibenden Metallmatrix vorstehen. Dazu kann nach der spanabhebenden Bearbeitung eine Oberflächenbehandlung z. B. mit einem Ätzmittel vorgenommen werden. Dazu wird durch chemisches und/oder elektrochemisches Ätzen in einem wässrigen Ätzmittel, wie z. B. Natronlauge, zumindest oberflächlich die Metallmatrix abgelöst, während aus werkstoffcharakteristischen und chemischen Gründen die zwischen der Metallmatrix eingebetteten Hartstoffpartikel, z. B. keramische Hartstoffpartikel, einzeln stehende Primär-Silizium-Kristalle und/oder andere intermetallische Phasen, vom Ätzmittel nicht angegriffen werden und in der verbleibenden Metallmatrix eingebettet verbleiben.
Nach einer solchen chemischen Oberflächenbehandlung weist die behandelte Oberfläche eine neue Mikrokontur mit vielen Plateauflächen auf. Diese Plateauflächen sind gegen das Ätzmittel beständig und haben eine deutlich höhere Härte. Je nach der Stärke des Ätzmittels und Dauer des Ätzvorgangs ist die Menge an abgetragenem MM-Material bzw. die Rauheit bzw. die Oberflächenstruktur über die neue Mikrokontur einstellbar.
Somit weist die Oberfläche des behandelten Verbindungsbereiches andere tribologische Eigenschaften auf, als die ursprüngliche Oberfläche, wodurch aufgrund der vermehrten härteren und verschleißfesteren Plateauflächen an dem Verbindungsbereich eine zukünftige Pressverbindung deutlich optimiert ist.
Somit lässt sich in einer besonderen Ausführungsform der Anteil im Vergleich zum MM-Material von eingebetteten keramischen Hartstoffpartikeln, einzeln stehenden Primär-Silizium-Kristallen und anderen intermetallischen Phasen an der behandelten Grenzfläche im Vergleich zur Aluminium-MMC-Legierung des Kernbereiches des Bauteils zumindest verdoppeln.
Aufgrund der an der Oberfläche zumindest teilweise freigelegten Hartstoffpartikel treten nach dem Fügen im Verbindungsbereich durch die Hartstoffpartikel Mikroformschlüsse auf. Durch die Mikroformschlüsse ist der Haftbeiwert der Pressverbindung deutlich erhöht und somit die maximale Drehmomentübertragungsfähigkeit bei gleichzeitig verbesserter und verlängerter Betriebsfestigkeit und Sicherheit angehoben.
Zudem besitzt nach der Oberflächenbehandlung der Verbindungsbereich eine erhöhte metallische Reinheit, wodurch eine deutliche Erhöhung der Adhäsions- und Affinitätsneigung hergestellt ist. Dies bringt einen weiteren technischen Vorteil für die Pressverbindung, da aufgrund der hohen Adhäsions- und Affinitätsneigung gegenüber dem anderen zu fügenden Bauteil eine weitere Erhöhung des Haftbeiwertes erreicht werden kann. Des Weiteren ist insbesondere im Falle von Aluminium-Legierungen die chemische Reaktionsfähigkeit im Verbindungsbereich kurz nach der Behandlung mit dem Ätzmittel, hoch aktiviert, da Verunreinigungen auf der Oberfläche stark vermindert sind. In Folge eines ersten Luftkontaktes nach der Oberflächenbehandlung, wird die Oberfläche aufgrund des Luftsauerstoffes, eine Eigenpassivierung erfahren. Aufgrund der Eigenpassivierung bildet sich eine neue, konstante, verbundstabile Metalloxid- bzw. Aluminiumoxidschicht, die zudem die tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches verbessert. Dabei wirkt diese Metalloxidschicht als eine Schutzschicht gegen Kontakt- und Reibkorrosion, wodurch die Lebensdauer und die Verbindungsqualität der Pressverbindung weiter verbessert sind.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
1 ein oberflächenbehandeltes Bauteil aus einem MMC-Material,
2 einen Verbindungsbereich einer Bauteilgruppe, umfassend ein erstes Bauteil aus einem MMC-Material und ein zweites metallisches Bauteil.
Wie in 1 gezeigt, weist ein erstes Bauteil 1 aus einem MMC-Material eine Metallmatrix 2 auf, mit mehreren darin eingelagerten Hartstoffpartikeln 3, 3', 3''.
Im Falle von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wie z. B. einer hypereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, können primär Siliziumkristalle 3, Korund 3' oder Siliziumkarbid sowie intermetallische Phasen 3'' als Hartstoffpartikel in die Metallmatrix, respektive in das Aluminium oder in eine Aluminiumlegierung, eingelagert sein. Einen solchen Aufbau weist das erste Bauteil 1 in einem Verbindungsbereich 4 auf. An der ursprünglichen Oberfläche 5 dieses Verbindungsbereiches 4 ist die Metallmatrix 2 durch eine chemische Oberflächenbehandlung um eine Eindringtiefe 6 eines Ätzmittels entfernt worden, sodass zumindest teilweise die Hartstoffpartikel 3, 3', 3'' aus der Oberfläche 5' nach Behandlung der Teilmatrix herausragen.
Wird nun, wie in 2 gezeigt, ein zweites Bauteil 7 in dem Verbindungsbereich 4 mit dem ersten Bauteil 1 verpresst, wobei das zweite Bauteil ebenfalls als MMC-Bauteil ausgebildet sein kann, oder als metallisches Bauteil ohne Hartstoffpartikel, so werden in einem Fügebereich 8 aufgrund des Hineinpressens der überstehenden Hartstoffpartikel 3, 3', 3'' in das zweite Bauteil 7 durch die Hartstoffpartikel 3, 3', 3'' Mikroformschlüsse 9, 9', 9'' erzeugt. Dadurch sind die tribologischen Eigenschaften des Verbindungsbereiches 4 zwischen den zwei Bauteilen 1, 7, verbessert.

Claims

Verpresste Bauteilgruppe, umfassend zumindest zwei in zumindest einem Verbindungsbereich (4) miteinander verpresste Bauteile (1, 7), wobei zumindest ein Bauteil (1) zumindest in einem solchen Verbindungsbereich (4) aus einem MMC-Material besteht, in dessen, insbesondere ein Leichtmetall aufweisenden, Metallmatrix (2) Hartstoffpartikel (3, 3', 3'') eingelagert sind.
Verpresste Bauteilgruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein solches Bauteil (1) einen zu einer Oberfläche des Verbindungsbereichs (4) ansteigenden Gradienten an Hartstoffpartikel (3, 3', 3'') aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer verpressten Bauteilgruppe, umfassend zumindest zwei Bauteile (1, 7), wobei zumindest ein Bauteil (1) zumindest in einem verpressten Verbindungsbereich (4) der zumindest zwei Bauteile (1,7) aus einer mit eingelagerten Hartstoffpartikeln (3, 3', 3'') versehenen Metallmatrix (2) besteht, – bei dem die Metallmatrix (2) zumindest eines Bauteils (1) zumindest teilweise an einer Oberfläche des Verbindungsbereich (4) derart chemisch abgetragen wird, dass an der Oberfläche Hartstoffpartikel (3, 3', 3'') über die verbleibende Metallmatrix (2) vorstehen, – bei dem die zumindest zwei Bauteile (1, 7) in einem Verbindungsbereich (4) miteinander verpresst werden.