DE102010005076A1 - Pressed unit e.g. transverse press connection, has components pressed with each other in connection region, where one component is made of metal matrix composite-material such as light metal, and hard particles embedded in component - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine verpresste Bauteilgruppe, umfassend zumindest zwei in zumindest einem Verbindungsbereich miteinander verpresste Bauteile.The The invention relates to a compressed component group comprising at least two compressed in at least one connection area components.
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.at usual Press connections are z. B. a shaft and a hub currently z. B. made of steel or cast iron alloys. It will ever according to the required strength different metallic Materials for z. B. the shaft and z. B. the hub used. Problematic with such as transverse or longitudinal spring connection designed compressed component groups, is a torque transmission capability or fatigue strength of the compressed connection area.
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.to Improvement of the tribological properties of the connection area such a compressed component group, can nowadays at least a component to be provided with a metal coating, in the Hard material particles such. As diamond, silicon carbide or corundum are stored. So z. Example by means of a nickel dispersion coating method a shaft and / or a hub with a nickel base layer, the so-called nickel matrix, coated in the z. B. the previous embedded hard material particles are embedded. At least protrude partly the hard material particles out of the nickel matrix. To the compression of at least one component with such a coating with another component that also has such a coating may or may not produce the outstanding hard particles Microforming between the two pressed components in the respective connection area. Thereby can improves the tribological properties of the connection area become. However, this coating process is expensive, complicated and needed a comprehensive knowledge.
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.The present invention employs dealing with the problem, for Such a compressed component group and an associated manufacturing method to provide an improved or at least another embodiment, which in particular by a low weight of the component group and good tribological properties of the connecting region between the Designates components of the component group.
Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Eine vorteilhafte Ausführungsform ist Gegenstand des abhängigen Anspruches.According to the invention this Problem with the objects the independent one claims solved. An advantageous embodiment is the subject of the dependent Claim.
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.The Invention is based on the general idea, in a compressed Component group comprising at least two in at least one connection region components pressed together, and an associated manufacturing process, at least one component in at least one such connection region from a metal matrix composite (MMC) material, wherein the MMC material, in particular a light metal having, metal matrix has, are embedded in the hard material particles. Through the training the connection region of at least one component made of an MMC material Is it possible, to improve the tribological properties of the connection area.
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.Furthermore, if such an MMC material has a light metal or if the metal matrix of the MMC material consists of a light metal or a light metal alloy, then a significantly lower weight of the compressed component group can be achieved in comparison to conventional press connections made of steel or cast iron alloys the density of today's common steel or cast iron alloys is approximately between 7.1 to 7.9 kg / dm 3 , while the density of z. B. aluminum alloys between 2.6 to 2.8 kg / dm 3 can be significantly lower. Thus, at about the same level with light metals or light metal alloys can be achieved by about 2/3 lower weight of the compressed component group. In addition, usually the tensile strength z. As a gray iron alloys between 100 to 170 N / mm 2 significantly below the tensile strength z. B. an aluminum alloy of 300 to 450 N / mm 2 . Also, the tensile strengths of most currently used steel alloys with 310 to 510 N / mm 2 are not significantly higher than the tensile strength z. B. an aluminum alloy. Thus, it is possible to light metals or light metal alloys such. B. to use an aluminum alloy as an alternative material for such compressed component groups.
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.There such compressed component groups z. B. transverse or longitudinal press connections have, transmitted to each other torques due to the frictional connection areas, is the life of the component group of the frictional press connections dependent. The frictional Press connection in turn depends on the coefficient of adhesion, the by the tribological properties of the connection area is determined. Thus, the connection quality is the torque transmission capability and the fatigue strength of such a compressed component group the higher, ever higher the Adhesion coefficient is or the better the tribological properties the press connection are formed. Under the concept of tribological Properties are in the case of such a press connection or a such a connection area the friction, in particular the static friction, and the wear of the Combined connection area.
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.is now one of the components of the component group of an MMC material made, so can the tribological properties, in this case the friction and the wear, of the compressed connection area clearly with respect to a higher torque transmission capability, the connection quality and the durability of the joint area improved become.
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.MMC materials are made of a metallic base material, the so-called metal matrix (MM), constructed in the hard material particles, such. B. crystalline Carbon, diamond, silicon carbide, boron carbide, cubic boron nitride, Sulfur nitride, alumina, silicon primary crystals, silicon carbide or the like, are stored. Such MMC materials can be made by adding hard material particles be prepared in the melt flow, in sintering technology or by Enrichment or formation of such particles in subsequent Treatment of the metal matrix. By training an MMC material can they tribological and / or mechanical properties such as modulus of elasticity, Hardness, Yield strength, operating and fatigue strength are influenced, where this in turn by the hard material particles used in kind, proportion, Size and shape and controlled by the properties of the matrix material can.
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.As well can thermal properties such as solidus temperature, thermal shock resistance, Heat storage capacity as well the thermal conductivity, Thermal expansion, heat radiation and convection coefficient both by the hard material particles used in type, proportion, size and shape influenced as well as by the properties of the used Matrix material.
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.For the tribological Properties and also for the quality The press connection is essentially the proportion, the size and the Form of hard material particle reinforcement responsible. In addition, you can MMC materials are produced which have an increasing gradient on hard material particles to the surface towards. It picks up from a core area of the material, the number of hard material particles oriented towards the surface towards. Thereby can further advantageous material properties are generated.
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.By Use of such MMC material are the tribological properties a connection region of two components of a component group improved, if at least one component of such an MMC material at least is made in the connection region of the component group.
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.When MM material of such an MMC material may preferably be a light metal or a light metal alloy can be used. In the case of Use of light metal or light alloys is also a significant weight reduction of the pressed component group possible. So can z. As aluminum, titanium, boron, silicon and other light metals or also their alloys and their alloys with admixtures of other metals. For example, the use of a hypereutectic aluminum-silicon alloy advantageous because in In this case, such an aluminum-silicon alloy a high proportion of primary silicon crystals, which act as hard particles, has. Preferred is a ALSI20 used with 10% silicon carbide content, where in this Case also silicon carbide acts as a hard material particles.
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.So can Components made of such an aluminum MMC alloy by casting or by spray compaction produced by mechanical, or machining be completed. After that, such Aluminum MMC components with themselves or with other components be pressed.
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.to increase However, the tribological properties, it is advantageous, at least partly the surface chemically in the connection area to be subsequently pressed treat such that at the surface partially the metal matrix superseded is and at least partially the lying on the surface of hard particles be exposed so that they are made of the remaining metal matrix protrude. For this purpose, after the machining, a surface treatment z. B. with an etchant be made. This is done by chemical and / or electrochemical etching in an aqueous etchant, such as As sodium hydroxide solution, at least superficially detached metal matrix, while from material characteristics and chemical reasons between the metal matrix embedded hard material particles, eg. B. ceramic hard material particles, individual primary silicon crystals and / or other intermetallic phases, unaffected by the etchant and remain embedded in the remaining metal matrix.
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.To such a chemical surface treatment has the treated surface one new micro-contour with many plateau surfaces. These plateau areas are against the etchant resistant and have a much higher one Hardness. Depending on the strength of the etchant and duration of the etching process is the amount of eroded MM material or the roughness or the surface structure over the new micro contour adjustable.
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.Thus, the surface of the treated bonding area has different tribological properties than the original surface, which due to the increased harder and ver more durable plateau surfaces at the connection area a future press connection is significantly optimized.
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.Consequently let yourself in a particular embodiment the proportion compared to the MM material of embedded ceramic hard particles, stand-alone Primary silicon crystals and other intermetallic phases at the treated interface in comparison at least double to the aluminum MMC alloy of the core region of the component.
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.by virtue of the on the surface At least partially exposed hard particles occur after the Joining in Connection area through the hard particles microforming on. Through the microforming the coefficient of adhesion of the press connection is significantly increased and thus the maximum torque transfer capability with simultaneously improved and extended durability and safety raised.
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.moreover owns after surface treatment the connection area increased metallic purity, whereby a significant increase in the adhesion and affinity inclination is made. This brings another technical advantage for the press connection, because of the high adhesion and affinity inclination across from to be joined to the other Component another increase of the adhesion coefficient can be achieved. Furthermore, in particular in the case of aluminum alloys, the chemical reactivity in the connection area shortly after the treatment with the etchant, high activated, since impurities on the surface are greatly reduced. As a result of a first air contact after the surface treatment, becomes the surface due to the oxygen in the air, undergo self-passivation. Due to the self-passivation, a new, constant, composite-stable metal oxide or aluminum oxide layer, in addition improves the tribological properties of the connection area. In this case, this metal oxide layer acts as a protective layer against Contact and fretting corrosion, which increases the service life and the connection quality of the press connection are further improved.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Further important features and advantages of the invention will become apparent from the Dependent claims, from the drawings and from the associated description of the figures the drawings.
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.It it is understood that the above and the following yet to be explained features not only in the specified combination, but also in other combinations or alone, without to leave the scope of the present invention.
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.preferred embodiments The invention are illustrated in the drawings and in the following description explains where like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components relate.
Es zeigen, jeweils schematisch:It show, each schematically:
Wie
in
Im
Falle von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, wie z. B. einer
hypereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, können primär Siliziumkristalle
Wird
nun, wie in
Claims (3)
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