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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Metalllegierungsgegenständen, und insbesondere von Magnesiumlegierungsgegenständen, durch den Auftrag einer Beschichtung aus korrosionsbeständigen Zusammensetzungen auf die Oberfläche des Gegenstands. Die korrosionsbeständigen Zusammensetzungen können als Barrierebeschichtungen oder Opferbeschichtungen (sacrificial coatings) dienen und können durch Reibrührverarbeitung aufgebracht werden, indem mittels eines Verschleißwerkzeugs Werkzeugmaterial auf die Oberfläche des Gegenstandes übertragen wird.
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Ein gattungsgemäßes Verfahren geht der Art nach im Wesentlichen aus der
JP 2009 - 166 132 A hervor.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine breite Palette von Kraftfahrzeugbauteilen wird herkömmlicherweise aus Stahllegierungen und, in jüngster Zeit, aus Aluminiumlegierungen geformt. In vielen Beispielfällen kann die Korrosionsbeständigkeit dieser Zusammensetzungen durch die Aufbringung von Beschichtungen unterstützt werden, um eine längere Produktlebensdauer in korrosionsfördernden Umgebungen zu gewährleisten. Bei den Beschichtungen kann es sich um Barrierebeschichtungen handeln, die dazu bestimmt sind, die korrosionsfördernde Umgebung von dem Gegenstand fernzuhalten, oder um Opferbeschichtungen, die anstelle des Gegenstands korrodieren, wenn sie einer korrosionsfördernden Umgebung ausgesetzt sind. Diese Beschichtungen, welche organische Beschichtungen und Metallbeschichtungen umfassen können, können unter Verwendung einer Vielfalt von Verfahren aufgebracht werden, wie etwa durch das Eintauchen des Gegenstands in Bäder aus geschmolzenem Metall, durch Prozesse der Metallbesprühung, des Metallanstrichs und durch verschiedene elektrolytische Abscheidungsprozesse, wie beispielsweise durch Galvanisieren.
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In den letzten Jahren waren Magnesiumlegierungen, insbesondere in Form von Gussteilen, Gegenstand eines beträchtlichen Forschungs- und Entwicklungsaufwands, und zwar aufgrund ihrer relativ geringen Dichte im Vergleich zu anderen Konstruktionsmetallen. Allerdings sind solche Legierungen auf Magnesiumbasis, die im Allgemeinen 85 Gewichts-% oder mehr an Magnesium und an Legierungselementen wie unter anderem Aluminium, Zink, Silizium und Mangan enthalten, im Fall eines Kontakts mit Wasser oder mit wässerigen Salzlösungen korrosionsanfällig. Besonders problematisch ist die galvanische Korrosion dann, wenn die Magnesiumlegierung mit anderen, weniger korrosionsanfälligen Legierungen, wie beispielsweise Stahl und Aluminium, die herkömmlicherweise in Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommen, in Kontakt steht.
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Magnesiumlegierungen eignen sich für viele der Beschichtungsprozesse, die entwickelt wurden, um Stahl und Aluminium gegen Korrosion zu schützen, nicht besonders gut und vertragen sich mit manchen davon nicht. So wird etwa der Phosphatierungsprozess, durch welchen eine korrosionsbeständige Phosphatschicht auf Stahl aufgetragen werden soll, unwirksam, wenn diese über eine bestimmte Zeit hinweg mit Magnesiumlegierungen in Kontakt steht. Daher sind viele dieser Gussteile bzw. Gegenstände aus Magnesiumlegierung in Umgebungen zum Einsatz gekommen, in denen kein Kontakt mit korrosionsfördernden Medien zu erwarten ist oder ein solcher Kontakt in kontrollierten Grenzen gehalten werden kann. An typischen Anwendungen sind hier unter anderem Lenksäulenbauteile, Instrumententafelträger, Kupplungs- und Bremspedalbügel sowie Getriebekästen und -gehäuse zu nennen.
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Ein breiterer Anwendungsbereich für Metalle und Legierungen im Allgemeinen, und für Magnesiumlegierungen im Besonderen, darf erwartet werden, wenn sich deren Korrosionsverhalten verbessern lässt, und zwar beispielsweise durch die Aufbringung einer Oberflächenbeschichtung aus einer korrosionsbeständigeren Zusammensetzung oder aus einer Opferschichtzusammensetzung. Herkömmliche Beschichtungsprozesse haben sich jedoch für Magnesiumlegierungen nicht als sonderlich geeignet erwiesen, und die derzeit verfügbaren alternativen Beschichtungstechniken, wie beispielsweise die Funkenanodisierung (Mikrolegierungen im Bogen, plasma-elektrolytische Oxidation, usw.) oder thermische Spritzverfahren waren bisher nur in eingeschränktem Ausmaß von Erfolg gekrönt.
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Es besteht daher ein Bedarf an einem wirkungsvollen und einfach zu handhabenden Verfahren zur Veränderung der Oberflächenzusammensetzung von Metallgegenständen und insbesondere von Magnesiumlegierungsbauteilen, um solchen Bauteilen eine größere Korrosionsbeständigkeit zu verleihen.
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit eines Metalllegierungsgegenstands vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
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In einer Ausführungsform kann ein Auftrag oder eine Beschichtung in reiner Form (Reinauftrag oder Reinbeschichtung) ausgebildet sein, wenn das aufgetragene Material abgesehen davon, dass es fest an dem Gegenstand anhaftet, nicht mit der Zusammensetzung des Metallgegenstands in Reaktion tritt oder in Legierung geht. In einer anderen Ausführungsform kann der Auftrag oder die Beschichtung mit der Oberfläche des Metallgegenstands in Reaktion treten, in Legierung gehen oder in diese hineindiffundieren, um eine Schicht oder einen Auftrag in gemischter Form (Mischschicht oder Mischauftrag) auszubilden, in dessen Zusammensetzung Materialbeiträge von sowohl dem Werkstück als auch dem Reinauftrag einfließen. Es ist festzustellen, dass je nach den Bedingungen, unter denen der Auftrag erfolgt, insbesondere je nach Auftragstemperatur, ein und dasselbe Metall-Werkzeugmaterial auf dem Gegenstand entweder eine Reinbeschichtung oder eine Mischbeschichtung ausbilden kann. Außerdem kann insbesondere in komplexen Legierungssystemen mehr als eine Mischbeschichtungszusammensetzung ausgebildet werden.
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Insbesondere aufgrund der begrenzten Anzahl an geeigneten Ansätzen zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit von Magnesiumlegierungsgegenständen bietet sich das Verfahren im Besonderen für die Anwendung auf solche Magnesiumlegierungsgegenstände an. Geeignete Magnesiumlegierungszusammensetzungen können Magnesium in einem Mengenverhältnis von 85 Gewichts-% oder mehr in Kombination mit Legierungselementen wie beispielsweise Aluminium, Zink, Silizium und Mangan mit jeweils kleinen Anteilen an üblichen Verunreinigungen enthalten. Als beispielhafte Legierungen sind unter anderem etwa zu nennen AZ31 (mit einem Nominalgehalt von 3 Gew.-% Aluminium, 1 Gew.-% Zink und dem verbleibenden Anteil an Magnesium), AZ91 (mit einem Nominalgehalt von 9 Gew.-% Aluminium, 1 Gew.-% Zink, und dem verbleibenden Anteil an Magnesium) und AM60 (mit einem Nominalgehalt von 6 Gew.-% Aluminium, ungefähr 0,4 Gew.-% Mangan, und dem verbleibenden Anteil an Magnesium).
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Das korrosionsbeständige Verhalten der Beschichtung kann auf zweierlei Art zum Ausdruck kommen. Für Metall- oder Legierungsschichten kann das Werkzeugmaterial so ausgewählt sein, dass es anodischer als der darunter liegende Gegenstand ist, so dass es den Gegenstand schützt, indem es ihm als eine Opferschicht dient, welche als erstes, anstelle des Gegenstands, korrodiert. Alternativ dazu kann das Werkzeugmaterial so ausgewählt sein, dass es weniger anodisch als der Gegenstand ist und den Gegenstand schützt, indem es auf der Oberfläche des Gegenstands eine Barriereschicht bildet und so korrosionsfördernde Umgebungen nicht mit dem Gegenstand in Kontakt treten lässt. Für hochgradig anodische Magnesiumlegierungen kommen üblicherweise Barriereschichtbeschichtungen zu Anwendung.
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Bei den Werkzeugmaterialien kann es sich um Metalle oder um Legierungen handeln. Dabei soll das Werkzeugmaterial weicher als der Gegenstand sein, so dass ein Abrieb des Werkzeugmaterials auf den Gegenstand erfolgt. Da das Werkzeug zumindest durch die Reibung gegen den Gegenstand reibungserwärmt wird, erfolgt diese Übertragung von Material von dem Werkzeug auf den Gegenstand bei hoher Temperatur und kann durch die Auswahl von Werkzeugen mit thermischen Eigenschaften, welche relativ zu den thermischen Eigenschaften des Gegenstands zweckentsprechend sind, erleichtert werden. Konkret sollte die Schmelztemperatur (für ein Metall-Werkzeug) oder die Solidustemperatur, also die niedrigste Temperatur, bei welcher eine Legierung vollständig fest ist (für ein Legierungs-Werkzeug) niedriger als die Solidustemperatur des Gegenstands, d.h. für Magnesiumlegierungen im Allgemeinen niedriger als ungefähr 650 °C sein. Als geeignete Werkzeugmaterialien zum Auftrag einer solchen Barrierebeschichtung auf Magnesium und dessen Legierungen sind unter anderem Aluminium, Zink, Zinn und deren Legierungen zu nennen, wobei mit allen von diesen Reinaufträge oder Mischaufträge erzeugt werden können.
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Das Werkzeug kann mit einer angemessenen Geschwindigkeit über die gesamte Oberfläche des Gegenstands geführt werden, um der gesamten Oberfläche einen Korrosionsschutz zu verleihen, oder die Beschichtung kann auch nur auf ausgewählte Abschnitte der Oberfläche aufgetragen werden oder mit diesen in Legierung gehen. Eine selektive Anlage des Werkzeugs kann in jenen Fällen bevorzugt werden, in denen Oberflächen des Gegenstands in örtlichem Kontakt mit einem weniger reaktionsfähigen Metall stehen, was einer galvanischen Korrosion zuträglich wäre. In dieser Situation kann durch die Aufbringung entweder eines Reinauftrags oder eines Mischauftrags eine galvanischen Korrosion, zu welcher es ansonsten kommen könnte, unterbunden oder minimiert werden.
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Bei dem Reibrührprozess kann ein im Allgemeinen zylinderförmiges Werkzeug zum Einsatz kommen, das sich um seine Zylinderachse dreht und in einer im Allgemeinen ebenen oder leicht gekrümmten Werkstück-Kontaktfläche endet. Wird ein solches rotierendes Werkzeug gegen ein Werkstück gepresst, so kommt es aufgrund der daraus resultierenden Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück in dem Kontaktbereich zu einer Wärmeentwicklung. Geeignete Werkzeug-Rotationsgeschwindigkeiten liegen in einem Bereich zwischen ungefähr 1.500 bis ungefähr 10.000 Umdrehungen pro Minute (U/min), wobei Anpresskräfte von zwischen 1,33 kN und 2,22 kN bevorzugt werden.
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Bei der Umsetzung dieser Erfindung wird ein Werkzeug mit relativ geringer Wärmebeständigkeit verwendet. Da sich das Werkzeug durch Reibung erwärmt, kann das Werkzeug dabei weicher und verformbarer werden. Unter aggressiven Bearbeitungsbedingungen, wie etwa bei sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten, die zu einer großen Wärmeerzeugung führen, kann es zu einer Überschreitung der Solidustemperatur oder Schmelztemperatur des Werkzeugs kommen, wodurch bewirkt wird, dass das Werkzeug zumindest teilweise schmilzt. Das erweichte oder zum Schmelzen gebrachte Werkzeugmaterial kann auf die Werkstückoberfläche übertragen werden und dort einen Reinauftrag bilden, indem es nur an dem Werkstück anhaftet, oder es kann einen Mischauftrag bilden, indem es mit der Werkstückoberfläche in Reaktion tritt oder in Legierung geht. Bei dem Reaktions- oder Legierungsprodukt kann es sich um eine Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt oder um eine eutektische Zusammensetzung handeln, die bei der Verarbeitungstemperatur schmilzt und flüssig wird. Die Zusammensetzung des Werkzeugs kann je nach spezifischer Zusammensetzung des Magnesiumlegierungsgegenstands variiert werden. Die Zusammensetzung des Werkzeugs kann so ausgewählt werden, dass die sich daraus ergebende Reinbeschichtung oder Mischbeschichtung, die auf die Werkstückoberfläche aufgebracht wird, eine höhere Korrosionsbeständigkeit, als die unveränderte Werkstückoberfläche aufweist.
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In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann dem in Rotation befindlichen Reibrührwerkzeug zusätzliche Wärme zugeführt werden, um eine Übertragung von Material von dem Werkzeug auf das Werkstück zu erleichtern.
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Es ist festzustellen, dass der Zweck darin liegt, das Werkzeug selektiv zu erwärmen, ohne dabei das Werkstück mitzuerwärmen, dessen Temperatur in etwa auf Umgebungstemperatur gehalten werden soll. Als geeignete Erwärmungsverfahren sind Induktionserwärmung, Strahlungserwärmung oder Flammerwärmung durch Verbrennung brennbarer Gase zu nennen. In allen Fällen kann die Auslegung der Heizvorrichtung so gewählt sein, dass eine maximale Wärmemenge auf das Werkzeug gelenkt wird und der Wärmestrom auf das Werkstück minimiert wird. Eine nicht gleichförmige Werkzeugerwärmung kann bevorzugt sein, da die Übertragung von Material von dem Werkzeug zu dem Werkstück nur in jenem Bereich erfolgt, in dem Werkzeug und Werkstück miteinander in Kontakt sind. Somit können etwa eine geeignete Heizelement-Geometrie und gegebenenfalls auch in geeigneter Weise positionierte Wärmeabschirmungen oder Wasserkühlmäntel oder eine ähnliche Ausrüstung zum Einsatz kommen, um die Wärme gezielt zu dem Werkzeug/Werkstück-Kontaktbereich des Werkzeugs zu lenken und die Wärmeeinwirkung auf andere Abschnitte des Werkzeugs zu begrenzen.
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Eine Druckanwendung auf das erwärmte und erweichte Ende des Werkzeugs kann dieses verformungsanfällig machen und bewirken, dass es sich seitlich verbreitert. Daher kann es vorzuziehen sein, das Werkzeug in seiner Gesamtheit bis auf dessen Gegenstands-Kontaktende innerhalb einer eng anliegenden Umhüllung oder Hohlummantelung mit einer zu dem Werkzeugquerschnitt komplementären Innenquerschnittsform verschiebbar zu umgeben. Bei dieser Auslegung kann durch die von der Ummantelung bereitgestellte Unterstützung verhindert werden, dass sich das Werkzeug großflächig pilzförmig verformt, es kann jedoch gleichzeitig in dem Maße, in dem es aufgebraucht wird, allmählich durch die Ummantelung hindurch vorgeschoben werden und somit in ständigem Kontakteingriff mit dem Werkstück gehalten werden.
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In das Werkzeug ist eine Bohrerspitze oder ein anderes rotierendes Metallabtrags- und Lochbohrwerkzeug von geringerem Durchmesser, wie etwa ein Stirnfräser, integriert. Die Drehachse des lochbohrenden Schneidwerkzeugs kann mit der Drehachse des Werkzeugs zusammenfallen. Das Schneidwerkzeug mit geringerem Durchmesser steht über das zylindrische Reibrührwerkzeug mit geringem thermischen Widerstand und größerem Durchmesser vor, so dass das Reibrühr-Kombinationswerkzeug die allgemeine Form eines abgestuften Zylinders aufweist. Die Stufe oder Schulter stellt die Werkstück-Kontaktfläche des Werkzeugs mit geringem thermischen Widerstand dar.
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Wird dieses Werkzeug in das Werkstück hinein vorgeschoben, so tritt das vorstehende Schneidwerkzeug als erstes mit der Werkstückoberfläche in Kontakt. Bei fortgesetztem Vorschub schneidet das Schneidwerkzeug ein zylindrisches Loch in das Werkstück und bei einem weiteren Werkzeugvorschub wird ein Kontakt zwischen der Werkzeugschulter und der Werkstückoberfläche ermöglicht und Werkzeugmaterial auf einen den Lochhohlraum umgebenden, ringförmigen Bereich übertragen. Es ist festzustellen, dass im Hinblick auf die Spanabfuhr das Schneidwerkzeug um eine Strecke über den Zylinder mit geringem thermischen Widerstand vorstehen sollte, die größer als eine Werkstückdicke ist, so dass ein Durchgangsloch ausgebildet wird, bevor die Schulter mit dem Werkstück in Kontakt tritt.
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Eine solche Werkstückauslegung, nämlich ein unbeschichteter, zylindrischer Lochhohlraum umgeben von einem oberflächenbeschichteten Ringbereich, kann die Verwendung von mechanischen Befestigungselementen, wie beispielsweise Bolzenschrauben aus Stahl, ermöglichen, ohne dass dazu die Verwendung einer isolierenden Unterlegscheibe unter dem Kopf der Bolzenschraube erforderlich ist. Sofern der maximale Durchmesser des Ringbereichs größer als die maximale Abmessung des Schraubenbolzenkopfs ist, steht die Unterseite des Stahl-Bolzenschraubenkopfes mit dem weniger korrosionsanfälligen, beschichteten Ring in Kontakt, so dass eine galvanische Korrosion hintangehalten werden kann.
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Im Fall einer Mutterschraube kann das von dem Werkzeug geschnittene, zylindrische Loch so bemessen sein, dass es den Schraubenschaft aufnimmt, und kann die Schraube mit einer Mutter befestigt werden. Da der Ringbereich jedoch nur an der dem Schraubenkopf zugewandten Seite des Werkstücks ausgebildet wird, kann eine korrosionsbeständige Unterlegscheibe unter der Mutter erforderlich sein, falls diese Seite der Bolzenschraube ebenfalls einer korrosionsfördernden Umgebung ausgesetzt ist.
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Bei dickeren Werkstücken kann das Durchgangsloch mit einem Gewinde versehen sein, wenn die Unterseite des Werkstücks keiner korrosionsfördernden Umgebung ausgesetzt ist. Auch hier liegt wiederum die Unterseite des Bolzenschraubenkopfes auf dem umgebenden, ringförmigen, beschichteten Oberflächenbereich des Werkstücks auf.
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Gegebenenfalls kann der Gegenstand mit seiner Reinschicht oder Mischschicht einer weiteren Bearbeitung unterzogen werden. Beispielsweise kann die Schichtoberfläche geglättet oder hochglanzpoliert werden, um ihr eine gefälligere Optik zu verleihen oder um den Gegenstand auf eine bevorzugte Größenabmessung zu bringen. Alternativ oder zusätzlich dazu kann der Gegenstand wärmebehandelt werden, um eine Diffusion und Interaktion zwischen dem aufgetragenen Werkzeugmaterial und der Zusammensetzung des Gegenstands zu unterstützen und zu erhöhen und so eine Reinbeschichtung zu einer Mischbeschichtung werden zu lassen oder um eine bereits zuvor ausgebildete Mischbeschichtung zu einer anderen Mischbeschichtung werden zu lassen.
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Figurenliste
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- 1 zeigt im Querschnitt eine Fläche, mit welcher ein Reibrühr-Verschleißwerkzeug gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform im Hinblick auf die Übertragung von Werkzeugmaterial von dem Werkzeug auf das Werkstück in Kontakt steht.
- 2 ist eine schematische perspektivische Veranschaulichung eines Getriebekastens für ein Automobil, in welcher ein erstes Reibrührwerkzeug gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zum Auftrag von Werkzeugmaterial über einen bestimmten Abschnitt der Kastenoberfläche und ein zweites Reibrührwerkzeug gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einem darin integrierten Schneidwerkzeug zum Vorbereiten eines Lochs und zum Beschichten von dessen Umgebungsbereich gezeigt sind.
- 3 ist eine Querschnittsansicht eines erwärmten Werkzeugs gemäß einer nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform zum Beschichten eines eingefassten Blechteils, in welcher die Verwendung eines Strahlungsheizelements oder einer Induktionsspule zum Erwärmen des Werkzeugs veranschaulicht ist.
- 4 zeigt in allgemeiner Draufsicht eine zinnhaltige Aufbringung, die in Umsetzung der Erfindung auf die Oberfläche eines AZ31-Magnesiumlegierungsblechs aufgetragen wurde.
- 5 zeigt in Schnittansicht die zinnhaltige Aufbringung auf dem AZ31-Legierungsblech aus 4 nach dem Polieren auf metallurgische Planheit.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Material kann unter Verwendung eines Reibrührprozesses, bei dem ein rotierendes Werkzeug zur Erzeugung von Reibungswärme gegen ein Werkstück gepresst wird, auf die Oberfläche eines Gegenstands aufgetragen werden. Das Werkzeugmaterial kann so ausgewählt sein, dass es eine Korrosion des Gegenstands, auf den es aufgetragen wird, verhindert. Bei dem Werkzeug handelt es sich um ein Verschleißwerkzeug und für dieses wird häufig ein Material ausgewählt, dessen Schmelzpunkt (falls es in reiner Form vorliegt) oder dessen Solidustemperatur (falls es eine Legierung ist) niedriger ist als der Schmelzpunkt oder die Solidustemperatur des Gegenstands, dessen Oberflächenzusammensetzung es zu verändern gilt. Durch die Rotation des Werkzeugs wird Wärme erzeugt und ein bestimmter Abschnitt des Werkzeugs wird durch den Anpressdruck und die Drehwirkung des Werkzeugs auf die Oberfläche des Gegenstands übertragen und haftet an dieser an, um eine aus dem Werkzeugmaterial bestehende Beschichtung zu bilden. Eine solche Beschichtung wird als Reinschicht bezeichnet. Die Schicht kann anodischer als der Gegenstand sein und kann bevorzugt korrodieren, um den Schutz einer Opferschicht bereitzustellen, oder kann weniger anodisch als der Gegenstand sein und kann als Barriereschicht dienen, welche das korrosionsfördernde Medium daran hindert, mit dem Gegenstand in Kontakt zu treten.
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Der Arbeitsablauf bietet sich insbesondere bei Magnesiumlegierungsgegenständen an, wo er dafür verwendet werden kann, eine korrosionsbeständigere Barriereschicht oder sogar eine Opferschicht auf die Oberfläche der Magnesiumlegierung aufzutragen. Da jedoch nur wenige Metalle anodischer als Magnesium und dessen Legierungen sind, kommen Barrierebeschichtungen häufiger zur Anwendung. Bei einer Ausführungsform des Verfahrens ist beabsichtigt, dass die Werkzeugzusammensetzung dergestalt ausgewählt wird, dass sie korrosionsbeständiger als der Magnesiumgegenstand ist und eine Reinschicht ausbildet. Bei einer anderen Ausführungsform kann das Werkzeugmaterial so ausgewählt sein, dass es mit der Magnesiumlegierung in Reaktion tritt oder in die Magnesiumlegierung hineindiffundiert. Eine solche Schicht wird als Mischschicht bezeichnet und soll ebenfalls dazu dienen, dem Gegenstand einen Korrosionsschutz zu verleihen. Als geeignete Werkzeugmaterialien kommen Aluminium, Zink, Zinn und deren Legierungen in Frage.
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In 1 ist ein zylindrisches Werkzeug 10 veranschaulicht, das im Wesentlichen normal zu der Oberfläche 18 des Magnesiumgegenstands 20 ausgerichtet ist, in einer durch den Pfeil 12 angezeigte Richtung um seine Mittellinie 14 rotiert und. Das Werkzeug 10 wird unter der Einwirkung der Last P, die in Richtung des Pfeils 16 ausgeübt wird und im Allgemeinen parallel mit der örtlichen Normalen zu der Oberfläche des Gegenstands 20 verläuft, gegen die Oberfläche 18 des Magnesiumgegenstands 20 gepresst, der auf einem Amboss oder auf einer anderen geeigneten Tragstruktur (nicht gezeigt) abgestützt ist. Als Ergebnis der Reibungserwärmung wird ein bestimmter Teil des Materials des Werkzeugs 10 auf die Oberfläche des Magnesiumgegenstands 20 als Auftragsschicht 22 aufgetragen. Die Auftragsschicht 22 kann bis zu ungefähr 100 Mikrometer dick sein, es können jedoch auch bedeutend dünnere Beschichtungen von ungefähr 5 Mikrometer oder dergleichen abgelegt werden. Durch eine Seitenbewegungsmöglichkeit, beispielsweise entlang der von dem Pfeil 24 angezeigten Richtung, und eine Neuausrichtungsmöglichkeit des Werkzeugs, die eine allgemeine Ausrichtung mit der Oberflächen-Normalen ermöglicht, wird ein kontinuierlicher Auftrag von Werkzeugmaterial gewährleistet. Eine geeignete, daraus resultierende Werkzeugauslegung ist in gestrichelter Darstellung unter 10' angegeben und ist aufgrund der weiter fortschreitenden Abgabe von Werkzeugmaterial an die Auftragsschicht 22 kürzer als das Werkzeug 10 dargestellt. Das Werkzeug 10' kann in Richtung des Pfeils 12' um die Mittellinie 14' rotieren und kann durch die durch den Pfeil 16' gezeigte Last P gegen die Werkstückoberfläche 18 gedrückt werden.
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In die Auftragsschicht 22, welche primär von dem Werkzeug 10 stammt, können außerdem Fragmente von irgendeiner, oder irgendwelchen, natürlich vorkommenden Oxidschicht(en), die entweder auf dem Werkzeug 10 oder auf dem Werkstück 20 vorhanden sein können, sowie ein gewisser Materialbeitrag von dem Werkstück 20 integriert sein. Häufig kann es sich bei der Auftragsschicht jedoch um eine Reinschicht handeln, wobei Werkstückmaterial nur in jenen Mengen vorhanden ist, die ausreichen, um eine solide Haftung zwischen dem Werkstückmaterial und dem Werkzeugmaterial an deren Grenzfläche zu gewährleisten.
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Als für die Umsetzung der Erfindung geeignete Magnesiumlegierungen kommen jene Legierungen in Frage, die handelsüblich als Knetprodukte, primär als Blechprodukte, erhältlich sind und jene, die als Gussprodukte, oft als Druckgussprodukte, verfügbar sind. Diese Legierungen enthalten in der Regel 85 Gewichts-% oder mehr an Magnesium in Kombination mit einem oder mehreren Legierungselementen, einschließlich Aluminium, Zink, Silizium und Mangan, in Mengen von bis zu 10 Gewichts-% für jedes Element und mit geringen Mengen an Verunreinigungselementen. Als beispielhafte Legierungen sind hier unter anderem AZ31, AZ91 und AM 60 zu nennen.
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Das Werkzeugmaterial und die Prozessbedingungen können außerdem dergestalt gewählt sein, dass es zu einer Legierungsbildung mit dem Magnesium kommt. Dies kann am einfachsten dadurch erfolgen, dass ein Werkzeugmaterial verwendet wird, das, wenn es mit dem Magnesium in Legierung geht, eine Zusammensetzung ausbildet, die einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die Werkzeug-Zusammensetzung alleine, und dass der Prozess mit einer hohen Temperatur vonstattengeht. Die hohe Temperatur kann durch aggressive Prozessbedingungen, beispielsweise durch eine sehr hohe Werkzeugdrehzahl von 10.000 U/min oder darüber, oder durch eine externe Erwärmung des Werkzeugs verursacht sein. Unter diesen Bedingungen kommt es, während das Werkzeugmaterial mit dem Magnesiumlegierungsgegenstand in Wechselwirkung tritt, zu einem Schmelzen der Zusammensetzung mit dem niedrigeren Schmelzpunkt und zur Ausbildung einer Schmelzschicht zwischen Werkzeug und Werkstück. Die Schmelzschicht fördert die Diffusion und die fortgesetzte Legierungsbildung und wirkt dadurch unterstützend bei der Entwicklung einer abgelegten Mischbeschichtung von im Allgemeinen gleichförmiger Zusammensetzung, während das Werkzeug das Werkstück durchdringt.
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Als geeignete Zusammensetzungen sind Aluminium, Zink und Zinn, sowie deren Legierungen zu nennen, welche alle eine eutektische Zusammensetzung mit niedrigem Schmelzpunkt und/oder eine Verbindung mit einem niedrigen Schmelzpunkt bilden.
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In 2 ist eine Anwendungsmöglichkeit für die Magnesiumlegierung gezeigt, und zwar ein Verteilergetriebe 50 für ein Fahrzeug mit Vierradantrieb, in das eine im Allgemeinen ebenflächige Oberfläche 40 und ein erhabener Vorsprung 76 integriert sind. In 2 ist weiterhin die Anwendung zweier erfindungsgemäßer Reibrührwerkzeug-Ausführungsformen auf einen solchen Magnesiumlegierungsgegenstand veranschaulicht. Das Werkzeug 30, welches im Wesentlichen mit dem in 1 gezeigten Werkzeug identisch ist, wird durch eine in Richtung des Pfeils 34 gerichtete Last P' gegen die Oberfläche 40 des Verteilergetriebes 50 gepresst, während sich das Werkzeug 30 in Richtung des Pfeils 36 um die Mittellinie 32 herum dreht. Das Werkzeug 30 durchmisst den Pfad 38 und ist dergestalt dimensioniert, dass die Breite des Materialauftrags durch das Werkzeug 30, während dieses eine der Teilstrecken 42, 44, 46, 48 und 52 des Pfads 38 zurücklegt, sich bis zu dem Auftrag hin erstreckt, der während des Zurücklegens einer benachbarten Teilstrecke angebracht wurde. Das heißt, die Ränder der Breite des Werkzeugmaterials, das durch das Werkzeug beim Zurücklegen der Teilstrecke 46 abgelegt wird, erstrecken sich so weit, dass zumindest eine minimale Überlappung mit den Rändern des Materials stattfindet, das von dem Werkzeug 30 beim Zurücklegen der Teilstrecken 44 und 48 abgelegt wird.
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Außerdem ist in 2 das Werkzeug 60 gezeigt, das einen Körper 62 aus einem Material von geringem thermischem Widerstand und in Form eines Hohlzylinders aufweist, der ein Schneidwerkzeug 64 umgibt und im Wesentlichen koaxial mit diesem verläuft, welches hier, als Beispiel ohne einschränkenden Charakter, als Bohrerspitze dargestellt ist. Das Schneidwerkzeug 60 wird durch die Aufwendung einer Last P", die entlang dem Pfeil 66 gerichtet ist, gegen das Verteilergetriebe 50 gedrückt und dreht sich dabei in eine durch den Pfeil 70 angezeigte Richtung um die Mittellinie 68.
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Das Werkzeug 60 ist im Speziellen dafür geeignet, das Loch 74 in den erhabenen Vorsprung 76 zu schneiden, während es gleichzeitig eine korrosionsbeständige Beschichtung auf die Oberfläche 72 des erhabenen Vorsprungs aufträgt. Beim ersten Vorschub gegen das Verteilergetriebe 50 tritt das Ende des Werkzeugs 60 mit dem erhabenen Vorsprung 76 in Eingriff, in welchen ein eingegossenes Loch integriert sein kann oder auch nicht. Bei fortgesetztem Vorschub schneidet das Werkzeug 64 das Loch 74 und/oder bringt dieses auf Maß, und durchbricht sodann die Getriebewand, bevor die Werkzeugschulter mit dem erhabenen Vorsprung 72 in Eingriff tritt. Ein noch weiterer Vorschub des Werkzeugs 60 führt zu einem Reibkontakt zwischen der Werkzeugschulter und der Oberfläche 72 des erhabenen Vorsprungs, was eine Übertragung des Werkzeug(schulter)materials 62 auf die Oberfläche des erhabenen Vorsprungs und ein mögliches In-Legierung-gehen mit dieser zur Folge hat, und zwar analoger zu der Art und Weise, wie dies bei der Wechselwirkung des Werkzeugs 30 mit der Oberfläche 40 der Fall war.
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In 3 ist eine dritte erfindungsgemäße Ausführungsform veranschaulicht. Ein Werkstück 90 bestehend aus einer Flanschverbindung, die aus zwei dünnen Blechen, einer Außenverkleidung 80 und einer Innenverkleidung 88, gefertigt ist, ist zwischen dem Amboss 84 und dem Reibrühr-Beschichtungswerkzeug 86 positioniert gezeigt. Wie bereits weiter oben ist auch hier beabsichtigt, dass das Werkzeug 86 um seine Mittellinie (nicht gezeigt) rotiert und durch Aufwendung einer Last, die zu dem Stützamboss 84 hin gerichtet ist, gegen das Werkstück 90 gedrückt wird. Bei dieser Ausführungsform ist das Werkzeug 86 verschiebbar innerhalb der eng anliegenden Ummantelung 100 enthalten, einer länglichen, dünnwandigen und an beiden Enden offenen Metallumhüllung mit einer Innenöffnung, welche der Form und Größe nach komplementär zu der Außenoberfläche des Werkzeugs 86 ausgebildet ist. Wenn beispielsweise das Werkzeug 86 zylindrisch ist, so kann es sich bei der Ummantelung 100 um einen Hohlzylinder handeln, der einen Innendurchmesser aufweist, welcher geringfügig größer als der Durchmesser des Werkzeugzylinders ist, so dass das Werkzeug auf einfache Weise an einem Ende eingeführt und anschließend die Ummantelung entlanggeschoben werden kann, um mit dem Werkstück in Eingriff zu treten. Das Ende 102 der Ummantelung 100 kann in einer im Allgemeinen kleinen, vorbestimmten Beabstandung von beispielshalber 1 - 2 Millimeter von dem Werkstück 90 gehalten werden, während das Werkzeug 86 mit dem Werkstück in Kontakt gedrückt wird. Indem dies so gehandhabt wird, kann die Ummantelung 100 eine Stauchung des Werkstück-Kontaktendes 104 des Werkzeugs 86 unter Kontrolle halten oder begrenzen und dadurch eine ansonsten mögliche Tendenz des Werkzeugendes 104 zu einer seitlichen, pilzförmigen Verbreiterung während der Bearbeitung begrenzen, wenn das Werkzeug 8 mit dem Werkstück in Kontakt gedrückt wird.
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Bei dem Werkstück 90 kann es sich beispielsweise um eine Türeinfassung handeln, bei welcher die Außenverkleidung 80 ein Aluminiumlegierungsblech und die Innenverkleidung 88 ein Magnesiumlegierungsblech oder ein dünnwandiges Magnesium-Druckgussteil ist. Bei dieser Materialkombination kann es durch den Kontakt mit Feuchtigkeit oder einer wässerigen Streusalzlösung zu einer galvanischen Korrosion der Magnesiumlegierung kommen. Dieses Korrosionspotenzial kann verringert werden, wenn Werkzeugmaterial 98 von dem Werkzeug 86 dergestalt aufgebracht wird, dass es den Rand 96 des in der Außenverkleidung 80 ausgebildeten Randflansches überlappt. Aufgetragenes Werkzeugmaterial 98 kann sich auch auf beiden Seiten des Randes 96 eine bestimmte Strecke seitwärts erstrecken, so dass es Abschnitte der Innenverkleidung 88 und der Außenverkleidung 80 bedeckt. Mit einer geeigneten Auswahl des Werkzeugmaterials zur Verringerung des Korrosionspotenzials zwischen Magnesiumlegierung und Werkzeugmaterialbelag 98 lässt sich eine galvanische Korrosion der Innenverkleidung 88 aus Magnesiumlegierung minimieren. In ähnlicher Weise können durch die Beabstandung des Magnesiums von dem Aluminium die Möglichkeiten einer galvanischen Reaktion zwischen Magnesium und Aluminium ebenfalls verringert werden.
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Eine selektive Erwärmung des Werkzeugs 86, im Besonderen der Werkstück-Kontaktfläche des Werkzeugs 86, kann erfolgen, um die Übertragung von Material von dem Werkzeug 86 und dessen Auftrag auf eine Werkstückoberfläche zu begünstigen. Zahlreiche Beheizungsverfahren, einschließlich Flammerwärmung und Infrarot-Wärmelampen, können dabei zum Einsatz kommen, doch 3 umfasst nur Darstellungen von zwei Verfahren zum selektiven Erwärmen des Werkzeugs 86. Ein Verfahren besteht in der Benutzung einer elektrisch erwärmten Heizmanschette 92, die eng anliegend an den Durchmesser des rotierenden, zylinderförmigen Werkzeugs 86 angepasst ist und eine Strahlungserwärmung des Werkzeugs 86 ermöglicht. Ein alternatives Verfahren besteht in der Induktionserwärmung, indem ein elektrischer Wechselstrom mit hoher Frequenz, durch die gestrichelt dargestellte (wassergekühlte) Spule 94 hindurchgeführt wird. Diese ist der Klarheit der Darstellung halber zwar als von dem Werkzeug 86 entfernt abgebildet, es ist jedoch bevorzugt, dass die Spule 94, ebenso wie die Heizmanschette 92, in enger Beabstandung zu dem Werkzeug 86 angeordnet ist. Durch eine angemessene Auswahl der Spulenauslegung und -frequenz kann eine geeignete Kopplung zwischen Werkzeug und Spule erhalten werden, um damit ein gewünschtes Temperaturprofil zu erzielen.
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Es ist festzustellen, dass Material ausschließlich von jenem Abschnitt des Werkzeugs zu übertragen ist, welcher mit dem Werkstück in Kontakt steht, so dass eine Erwärmung ausschließlich auf den Werkstück-Kontaktbereich des Werkzeugs begrenzt werden kann. Eine solche örtliche Erwärmung kann durch Steuern der Heizelement-Geometrie erreicht werden, beispielsweise indem im Fall der Induktionsspule 90 die Beabstandung von Wicklung zu Wicklung und deren Platzierung verändert werden. Alternativ dazu können zur Unterstützung des gewünschten Temperaturprofils isolierende, reflektierende oder wassergekühlte Wärmeabschirmungen (nicht gezeigt) selektiv zwischen Heizelement und Werkzeug platziert werden.
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Solche Heizverfahren können für alle Werkzeugmaterialien zum Einsatz kommen, können ihren Nutzen jedoch am besten dann entfalten, wenn das Werkzeug eine Solidustemperatur oder einen Schmelzpunkt aufweist, der mit der Solidustemperatur oder dem Schmelzpunkt des Werkstücks vergleichbar oder höher als diese(r) ist. Die Festigkeit von Metallen und Legierungen ist im Allgemeinen von ihrer homologen Temperatur abhängig, das heißt, dem Verhältnis ihrer Ist-Temperatur zu ihrer Solidustemperatur, beides ausgedrückt in Kelvin. Legierungen mit einer hohen Solidustemperatur behalten daher ihre Festigkeit bis hinauf zu höheren gemessenen Temperaturen als Materialien mit niedriger Solidustemperatur.
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Im Hinblick auf den Auftrag von Werkzeugmaterial auf das Werkstück sollte der Werkstück-Kontaktabschnitt des Werkzeugs ausreichend weich sein, so dass durch den Kontakt mit einem härteren Werkstück Material abgerieben oder sonst wie von dem Werkzeug abgetragen werden kann. Wenn es sich nämlich bei dem Werkzeug um ein Metall mit höherem Schmelzpunkt oder um eine Legierung mit höherer Solidustemperatur als das Werkstück handelt, so kann, wenn beide auf derselben Temperatur gehalten werden, das Werkzeug härter als das Werkstück sein, so dass ein Auftrag von Werkzeugmaterial nicht stattfindet. Durch selektives Erwärmen des Werkzeugs, und im Besonderen des Werkstück-Kontaktabschnitts des Werkzeugs, kann auch der Auftrag von Werkzeugmaterialien ermöglicht werden, die eine höhere Solidustemperatur als das Werkstück aus Magnesiumlegierung aufweisen.
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Als Beispiel ohne einschränkenden Charakter wurde in einem Beispiel eines solchen Prozesses eine Zinnbeschichtung örtlich auf einen Magnesiumblech-Legierungsgegenstand AZ31 (nominell 3 Gew.-% Aluminium, 1 Gew.-% Zink) aufgebracht. Ein Ende eines technisch reinen, zylinderförmigen Zinnstabs, der sich mit 3.000 U/min um seine Zylinderachse dreht, wird mit der Oberfläche des AZ31-Gegenstands in Kontakt gebracht und wird für ungefähr 45 Sekunden jedoch unter nur minimaler Last mit der Oberfläche in Kontakt gehalten. Der Stab wird anschließend inkrementell in stufenartiger Weise durch Aufwendung einer Last, die entlang der Zylinderachse ausgeübt wird, in die Oberfläche des AZ1-Gegenstands hinein vorgeschoben. Dies wird so lange fortgesetzt, bis sich die aufgewendete Last auf ungefähr 1,69 kN erhöht, woraufhin das Werkzeug zurückgezogen und mit der Oberfläche außer Eingriff gebracht wird.
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4 zeigt in allgemeiner Draufsicht den auf der Oberfläche 18' des AZ31-Blechs 20' (5) abgelegten Reinauftrag 22' nach der Anwendung des obigen Arbeitsablaufs, während 5 eine Schnittansicht von Reinauftrag 22' und Werkstück 20' nach dem Polieren auf metallurgische Planheit zeigt. Der Auftrag 22' weist eine im Allgemeinen gleichförmige Dicke von ungefähr 100 Mikrometer auf.
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Die in dem obigen Beispiel verwendeten Bearbeitungsparameter sollen lediglich veranschaulichenden Charakter haben und sind nicht als einschränkend zu betrachten. Beispielsweise ist zu erwarten, dass ein gewisser Nutzen aus der Verwendung einer höheren Drehzahl erwachsen könnte, um die Wärmeerzeugungsrate zu erhöhen. Das Werkstück 20' kann mitsamt seinem daran anhaftenden Reinauftrag 22' weiterbearbeitet werden, um dessen Eigenschaften weiter zu verbessern. Als weitere Bearbeitungsschritte wären etwa das Glätten, Schwabbeln oder Hochglanzpolieren des Auftrags 22' zu nennen, um ein gefälligeres Erscheinungsbild zu erzielen, oder um die Abmessungen des nunmehr beschichteten Gegenstands 20' in kontrollierten Grenzen zu halten. Alternativ dazu kann der Gegenstand 20' auf eine Temperatur erwärmt werden, die geeignet ist, um eine Diffusion zu unterstützen, so dass der Reinauftrag 22' mit dem Gegenstand 20' in Reaktion treten kann und in einen Mischauftrag verwandelt werden kann. Bei komplexen Legierungssystemen kann auch ein aufgetragener Mischauftrag durch nachfolgende Wärmebehandlung in einen anderen Mischauftrag verwandelt werden.
