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Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Metallbauteils.
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Zur Verbesserung der Festigkeit von Metallbauteilen existiert eine Vielzahl von Verfahren. Dazu gehören mechanische Verfahren wie etwa das Kugelstrahlen, aber auch Diffusionsverfahren wie das Nitrieren. Das Nitrieren (chemisch korrekt eigentlich Nitridieren) wird fachterminologisch auch als Aufsticken bezeichnet.
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Nitridieren ist im Stand der Technik bekannt als ein Verfahren zum Härten von Stahl bzw. Stahlbauteilen. Beim Nitrieren werden Stickstoffatome in die Oberfläche des Stahlbauteils eingebracht. Dies führt zu Eigenspannungen im Bauteil und somit zu einer erhöhten Verschleißfestigkeit und Lebensdauer.
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Gängige Verfahren sind das Salzbadnitrieren, das Gasnitrieren und das Plasmanitrieren. Beim Plasmanitrieren wird ein Stickstoffplasma, häufig mit Beimischungen anderer Gase, erzeugt und das zu bearbeitende Bauteil über einen definierten Zeitraum im Plasma platziert.
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Damit die im Plasma befindlichen Stickstoffionen zum Bauteil wandern, werden Bauteil und Wand des Plasmagefäßes entsprechend elektrisch vorgespannt. Die auf der Oberfläche auftreffenden Ionen diffundieren in das Material und werden in die Gitterstruktur des Stahls eingebaut.
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Nitrierte Oberflächen besitzen jedoch Nachteile, wenn sie nachträglich mit anderen Bauteilen verschweißt werden sollen. Durch die beim Schweißvorgang eingebrachte Wärme gast der Stickstoff aus und bildet zum Teil millimetergroße Blasen in der Schweißnaht (Lunker). Diese schwächen die Naht und führen zu einer Verminderung der Lebensdauer.
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Dieses Problem ist bekannt. Es wird daher angestrebt, Schweißstellen an nitrierten Bauteilen möglichst stickstofffrei zu halten. Die Schweißstellen werden während des Plasmaprozesses maskiert, wobei allgemein zwei Methoden üblich sind.
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Eine Möglichkeit ist die Maskierung mit Abdeckungen aus Metall, die entsprechend der zu schützenden Fläche geformt sind und diese bedecken. Dabei ist noch ein gewisser Spaltabstand (0,6 bis 1 mm) zwischen Bauteil und Maske zulässig, in den das Plasma nicht eindringen kann und in dem die Oberfläche nicht nitriert wird. Dieser Grenzabstand darf aber nicht überschritten werden.
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Die Einhaltung des Grenzabstandes ist jedoch insbesondere bei Massenfertigung komplex geformter Bauteile nur schwer einzuhalten, da solche Abdeckungen über viele Plasmabehandlungen hinweg immer wieder auf Prozesstemperatur (–500°C) aufgeheizt und danach wieder auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Dadurch wird das Material stark belastet, was wiederum Verzüge und Materialermüdung zur Folge hat. Damit ist zum einen die korrekte Platzierung der Maske auf dem Bauteil nicht mehr gewährleistet, zum anderen kann dann auch das Maximalmaß für den Spalt zwischen Bauteil und Maske überschritten werden. Beide Fehler führen dazu, dass Oberflächenbereiche mit dem Plasma in Berührung kommen, die eigentlich von Stickstoff frei bleiben sollen.
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Je kleiner und komplexer die Flächen sind, die durch die Maske abgedeckt werden sollen, um so schwieriger gestaltet sich der Prozess. Gerade wenn auch der Übergang von nitrierten zu stickstofffreien Flächen sehr scharf sein soll, wird dies durch die eben beschriebenen Intoleranzen erschwert. Außerdem ist die Fertigung und Positionierung solcher Masken sehr schwierig. Daher stößt diese Vorgehensweise insbesondere bei einer Massenfertigung an seine Grenzen.
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Wenn größere Flächen abgedeckt werden sollen, ist es möglich eine einzige große Maske zu verwenden, die beispielsweise den gesamten Endabschnitt eines Metallprofils abdeckt. Es findet eine großflächige Maskierung statt über das notwendige Maß hinaus. Dadurch werden zwar die benötigten Schweißstellen stickstoffrei gehalten, allerdings verhindert man dadurch auch die maximal mögliche Oberflächenvergütung des Bauteils.
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Eine weitere Möglichkeit der partiellen Abdeckung ist der Auftrag einer Abdeckpaste, beispielsweise einer Kupferpaste. Diese Vorgehensweise ist jedoch ungeeignet für eine Massen- bzw. Serienfertigung. Mit dieser Methode werden daher zumeist vereinzelte Musterteile bearbeitet. Außerdem wird nach dem Nitrieren ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig, in dem die Paste wieder entfernt und das Bauteil nochmals gereinigt wird.
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Durch die
DE 34 29 994 C1 ist es bekannt, zum partiellen Abdecken von zu schützenden Oberflächenbereichen von Metallteilen beim Salzbadnitrieren eine Nickelschicht zu verwenden, die vorzugsweise mittels eines chemischen Verfahrens aufgebracht wird.
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Die
EP 0 867 524 B1 beschreibt eine Markierungsmethode zur lokalen Carbonisierung oder Nitrierung eines Metalles, indem partiell ein Pulver aufgetragen wird, welches anschließend durch einen Laserstrahl erhitzt und geschmolzen wird.
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Der aus der
DE 24 41 309 A1 bekannte Vorschlag sieht vor, zum Abdecken partieller Oberflächenbereiche von metallischen Werkstücken bei thermochemischer Behandlung ein selbstklebendes Textilband zu verwenden, in dessen Klebschicht Metallpulver eingelagert ist.
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Der Erfindung liegt – ausgehend vom Stand der Technik – die Aufgabe zu Grunde, ein kostengünstiges und rationelles Verfahren aufzeigen zur Herstellung eines zumindest partiell durch Nitrieren gehärteten Metallbauteils aus mehreren schweißtechnisch gefügten Einzelbauteilen, bei dem insbesondere scharf abgegrenzte Flächen auf einem Bauteil in einem Plasmanitrierofen frei von Stickstoff gehalten werden können.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung drei eigenständige Lehren vor, deren technologischer Zusammenhang in einem druck- oder sprühtechnischen Auftrag der Abdeckung zu sehen ist.
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Gemäß Anspruch 1 erfolgt ein druck- oder sprühtechnischer Auftrag der Abdeckung.
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Anspruch 2 sieht vor eine, insbesondere stark pigmentierte, Tinte als Abdeckung einzusetzen.
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Anspruch 3 zielt auf den Einsatz eines für ein Druckverfahren geeigneten Lacks als Abdeckung ab.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lösungen zeigen die abhängigen Ansprüche 4 und 5 auf.
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Das bzw. die erfindungsgemäßen Verfahren sind besonders vorteilhaft zur Herstellung von Kraftfahrzeugbauteilen aus Stahl in Form von Schweißkonstruktionen geeignet, welche zumindest partiell durch Nitrieren oberflächengehärtet sind. Das Verfahren ist kostengünstig und einfach durchzuführen. Besonders vorteilhaft können auch integriert in eine Serien- oder Massenfertigung scharf abgegrenzte Flächen auf einem Metallbauteil bzw. Metallprofil in einem Plasmanitrierofen frei von Stickstoff gehalten werden.
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Die Abdeckung wird mittels Druck- oder Sprühverfahren auf das Bauteil aufgebracht. Da die aufgetragene Abdeckung in Form einer Schutzschicht aus vorzugsweise einer Tinte oder einem Lack nur relativ dünn sein muss, trocknet sie nach dem Aufdruck sehr schnell an. Es erfolgt eine präzise und konturscharfe Abdeckung durch den Auftrag einer partiellen Beschichtung in dem Fügebereich bzw. der Schweißzone in der in einem nachfolgenden Arbeitsschritt ein Anbauteil schweißtechnisch gefügt werden soll.
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Durch die hohe Geschwindigkeit, mit der Druckverfahren oder Sprühverfahren durchgeführt werden können, kann ein solcher Schritt problemlos in eine laufende Fertigung eingepasst werden.
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Die in den Fügebereichen bzw. Schweißzonen beschichteten Metallprofile werden anschließend in einfachen Halterungen in den Nitrierofen eingelegt. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Vorgehensweise ist eine Maskierung mit Schablonen zeitaufwändiger, da diese äußerst präzise positioniert werden müssen und entsprechende Halterungen aufwändiger gestaltet werden müssen.
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Die vorgesehenen Materialien für die Abdeckung sind ausreichend stabil für die während der Nitrierung vorherrschenden Temperaturen (–500°C). Ein nachfolgender Schweißschritt wird durch die Abdeckung nicht beeinträchtigt, sondern kann ohne eine zwischengeschaltete Reinigung des Bauteils durchgeführt werden. Vielmehr besteht sogar die Möglichkeit, die Abdeckung als Positionierhilfe für die anzuschweißenden Bauteile zu nutzen.
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Sollte eine Entfernung trotzdem notwendig sein, ist dies durch den sehr dünnen Auftrag der Schutzschicht viel einfacher möglich als beispielsweise bei Kupferpaste.
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Durch die hohe mögliche Präzision des Druck- oder Sprühverfahrens, verbessert sich auch die Prozesssicherheit, da die zunehmenden Verzüge von mechanischen Masken nicht mehr berücksichtigt werden müssen. Außerdem können auch relativ feine und komplexe Figuren ohne Mehraufwand realisiert werden, da dafür im Wesentlichen nur eine Umprogrammierung der Druckmaschine/Sprühmaschine notwendig wird.
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Gleichzeitig entfällt eine mit der thermischen Belastung der Metallmasken einhergehender Wartungsaufwand, um die Verzüge und Verformungen der Masken zu reparieren.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Metallbauteil bestehend aus einem Metallprofil mit schweißtechnisch daran festgelegten metallischen Anbauteilen und
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2 das Metallprofil der 1 mit der Darstellung von Schweißstellen an denen die Anbauteile später gefügt werden.
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In der 1 ist ein Ausschnitt aus einem Metallbauteil dargestellt. Das Metallbauteil 1 umfasst im Wesentlichen ein Metallprofil 2, an dem diverse Anbauteile 3–7 schweißtechnisch festgelegt sind.
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Das zumindest im Endabschnitt 8 hohl ausgeführte Metallprofil 2 besteht aus einem Stahlwerkstoff. Der sich an den Endabschnitt 8 anschließende Längenabschnitt 9 des Metallprofils 2 ist U- oder V-förmig eingeformt und doppellagig gestaltet. Bei dem Metallprofil 2, wie hier dargestellt, handelt es sich um das Torsionsprofil einer Verbundlenkerachse.
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Das Metallprofil 2 wird vor dem Fügen der Anbauteile 3–7 einer Oberflächenhärtung durch Plasmanitrieren unterzogen. Beim Nitrieren werden Stickstoffatome in die Oberfläche des Metallprofils 2 eingebracht, sodass eine gehärtete Oberflächenschicht entsteht.
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Bevor das Metallprofil 2 der Oberflächenhärtung unterzogen und nitriert wird, werden die Fügebereiche B an bzw. in denen nachfolgend die Anbauteile 3–7 schweißtechnisch festgelegt werden sollen, durch eine Abdeckung 10 maskiert bzw. geschützt. Die Abdeckung 10 wird druck- oder sprühtechnisch aufgetragen und besteht aus einer Tinte, insbesondere einer hochpigmentierten Tinte oder einem Lack. Die zum Einsatz gelangenden Lacke und Tinten sind temperaturstabil, um den Prozesstemperaturen beim Nitrieren von 500°C bis 520°C standzuhalten. Die Abdeckwerkstoffe verhindern zuverlässig ein Eindiffundieren von Stickstoff in die Oberfläche des Metallprofils 2 im abgedeckten Bereich.
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Die Abdeckung 10 schützt den Fügebereich B während des Nitriervorgangs, sodass hier kein Stickstoff eingelagert wird und dementsprechend die Oberflächenschicht in dem Fügebereich B von der Nitrierbehandlung ausgenommen bleibt.
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Nach der Oberflächenhärtung können die Abdeckungen 10 entfernt werden und die Anbauteile 3–7 dort problemlos angeschweißt werden. Es ist auch möglich, dass die Abdeckungen 10 auf dem Metallprofil 2 verbleiben und beim Anschweißen der Anbauteile 3–7 eine Positionierhilfe bilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Metallbauteil
- 2
- Metallprofil
- 3
- Anbauteil
- 4
- Anbauteil
- 5
- Anbauteil
- 6
- Anbauteil
- 7
- Anbauteil
- 8
- Endabschnitt v. 2
- 9
- Längenabschnitt v. 2
- 10
- Abdeckung
- B
- Fügebereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3429994 C1 [0013]
- EP 0867524 B1 [0014]
- DE 2441309 A1 [0015]
