DE102016119642A1

DE102016119642A1 - Verfahren zur Herstellung tragfähiger und verschleißfester Oberflächen oder Teiloberflächen von tribologisch stark beanspruchten metallischen Bauteilen sowie Bauteile

Info

Publication number: DE102016119642A1
Application number: DE102016119642.8A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Olfe; Florian Borm; Jochen Brand; Peter Kästner; Thomas Speck
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Technische Universitaet Braunschweig; Volkswagen AG
Current assignee: Technische Universitaet Braunschweig Koerpers De; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2016-10-14
Filing date: 2016-10-14
Publication date: 2018-04-19

Abstract

Um ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung tragfähiger und verschleißfester Oberflächen oder Teiloberflächen von metallischen Bauteilen (10) ermöglicht, bei denen das metallische Grundmaterial (14) bei einer Oberflächenhärtung keine Diffusionsschicht ausbildet, wird vorgeschlagen, dassdas metallische Bauteil (10) bereitgestellt wird,zumindest teilweise das Bauteil (10) einer Oberflächenstrukturierung und anschließendeiner Oberflächenhärtung der strukturierten Oberfläche des Bauteils (10) unter Ausbildung einer Umwandlungsschicht (12) unterzogen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer tragfähigen und verschleißfesten Oberfläche oder Teiloberfläche eines metallischen Bauteils sowie metallische Bauteile.
Es ist üblich, stark beanspruchte metallische Bauteile einer Oberflächenhärtung beziehungsweise einer Randschichthärtung zu unterziehen, um längere Standzeiten zu erzielen. Dies kann beispielsweise mittels verschiedener Diffusionsverfahren wie Nitrierung, Nitrocarburierung, Carbunitrieren, Carburierung (Aufkohlen) oder Borierung erfolgen.
So ist beispielsweise aus der DE 100 06163 A1 eine Reibpaarung für eine Synchronisiereinrichtung in Zahnräderwechselgetrieben bekannt, bei der ein Synchronring aus einem Eisenwerkstoff teilweise mit einer Molybdänschicht versehen ist, der einem Nitrier- oder einem Nitrocarburiervorgang unterworfen wurde, sodass eine Verbindungsschicht auf der unbeschichteten Oberfläche des Synchronringes und zwischen Oberfläche des Synchronringes und der Molybdänschicht gegeben ist. Somit sind durch die Molybdänschicht ein optimiertes Reibungsverhalten und durch die Verbindungsschicht in den sonstigen Bereichen verbesserte mechanische Eigenschaften gegeben.
Nicht alle Metalle jedoch, wie beispielsweise Aluminium eignen sich zum Härten, da diese bei den genannten Diffusionsbehandlungen zwar eine Umwandlungsschicht beziehungsweise Verbindungsschicht ausbilden, sodass eine gehärtete Randschicht gegeben ist, nicht jedoch eine Diffusionsschicht. Daher ist diese Umwandlungsschicht nicht in gewünschtem Maße belastbar. Bei Eisen beispielsweise ist eine derartige Diffusionsschicht zwischen der Verbindungsschicht und dem Grundmaterial befindlich. Diese Diffusionsschicht, die üblicherweise einen Härtegradienten aufweist, stützt die harte Umwandlungsschicht beziehungsweise Verbindungsschicht gegenüber dem weichen Grundmaterial ab, sodass diese belastbarer ist.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das die Herstellung tragfähiger und verschleißfester Oberflächen oder Teiloberflächen von metallischen Bauteilen ermöglicht, bei denen das metallische Grundmaterial bei Verfahren zur Oberflächenhärtung keine Diffusionsschicht ausbildet.
Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, metallische Bauteile mit einer tragfähigen und verschleißfesten Oberfläche oder Teiloberfläche bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer tragfähigen und verschleißfesten Oberfläche oder Teiloberfläche eines metallischen Bauteils gelöst, bei dem

a) das metallische Bauteil bereitgestellt wird,
b) zumindest teilweise das Bauteil einer Oberflächenstrukturierung und anschließend
c) einer Oberflächenhärtung der strukturierten Oberfläche des Bauteils unter Ausbildung einer Umwandlungsschicht unterzogen wird,

Vorzugsweise werden Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen oder austenitischer Stahl eingesetzt, um eine höhere Tragfähigkeit der Umwandlungsschicht bei hohen Belastungen zu erreichen.
Grundsätzlich lässt sich das Verfahren zwar auch bei anderen Metallen oder Legierungen, die bei einer Oberflächenhärtung Diffusionsschichten ausbilden, einsetzen, jedoch ist hierbei nicht das der Erfindung zugrunde liegende Problem gegeben, dass die Umwandlungsschicht nicht hoch genug belastbar ist.
Unter Oberflächenstrukturierung ist zu verstehen, dass durch diese Maßnahme ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Tiefenprofil von Vertiefungen in der Oberfläche erzeugt wird, sodass bei Ausbildung einer Umwandlungsschicht im darauffolgenden Verfahrensschritt, diese nicht nur „plan“ auf dem Grundmaterial geschichtet ist, sondern über das Tiefenprofil im Grundmaterial verankert ist, da über die Wandungen der Vertiefungen die Oberflächenhärtung auch in tieferen Schichten des Grundmaterials stattfinden kann.
Tiefenprofil bedeutet, dass in die Oberfläche Vertiefungen eingebracht sind, die unterschiedlich beschaffen und angeordnet sein können.
So ist es möglich, dass alle Vertiefungen eine identische Tiefe aufweisen und regelmäßig oder unregelmäßig über die Oberfläche verteilt sind.
Möglich ist es auch, dass die Vertiefungen eine unterschiedliche Tiefe aufweisen, wobei die unterschiedlichen Tiefen zufällig in Relation zueinander angeordnet sind oder wobei durch eine gezielte Anordnung beispielsweise eine Art Wellenprofil hinsichtlich der Tiefe ausgebildet wird.
Wesentlich ist, dass durch vorgenannte Maßnahmen nach der Oberflächenhärtung ein makroskopischer Härtegradient in das Grundmaterial hinein gegeben ist.
Vorgenannte Varianten sind auch vorteilhaft miteinander kombinierbar.
So können besonders belastete Bereiche der Oberfläche ein anderes Tiefenprofil aufweisen als geringer belastete, um den Aufwand bei der Oberflächenstrukturierung zu verringern.
Die Oberflächenstrukturierung kann durch dem Fachmann bekannte Maßnahmen erfolgen. Bevorzugte Verfahren zur Oberflächenstrukturierung sind Ätzen, Laserbehandlung oder Prägen, wobei Prägen besonders bevorzugt wird, da hiermit eine wirtschaftliche Serienfertigung möglich ist. So können beim Prägen entsprechende Prägeplatten oder -walzen Anwendung finden.
Die durch die Oberflächenstrukturierung in die Oberfläche eingebrachten Vertiefungen sind vorzugsweise trichterförmige und/oder zylindrische Vertiefungen, wobei die Vertiefungen eine bessere Verankerung der Umwandlungsschicht auf dem Grundmaterial bewirken.
Die Vertiefungen werden vorzugsweise derart dimensioniert, dass bei der nachfolgenden Ausbildung einer Umwandlungsschicht diese wieder ganz oder teilweise, vorzugsweise ganz geschlossen werden, da bei der Ausbildung der Umwandlungsschicht durch die Einlagerung von „Fremd“-Atomen das Volumen der Umwandlungsschicht größer ist als das des zuvor gegebenen Grundmaterials.
Die gewünschte Stärke der Umwandlungsschicht lässt sich durch die Verfahrensführung bei der Herstellung der Umwandlungsschicht beeinflussen. Die Schichtdicke der Umwandlungsschicht beträgt vorzugsweise 5 bis 25 µm besonders bevorzugt 5 bis 10 µm die Tiefe der trichterförmigen und/oder zylindrischen Vertiefungen liegt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 50 µm besonders bevorzugt 5 bis 25 µm und/oder weisen einen Durchmesser von vorzugsweise kleiner als 15 µm besonders bevorzugt 2 bis 10 µm auf. Der Abstand der Vertiefungen zueinander ist vorzugsweise kleiner als 35 µm besonders bevorzugt 10 bis 20 µm.
Vorgenannte Dimensionen sind bevorzugt, jedoch sind Abweichungen davon unter der Maßgabe möglich, wie auch bei der bevorzugten Variante, dass die Vertiefungen bei der angestrebten Schichtdicke während des Schichtwachstums zuwachsen und sich eine geschlossene Schicht an der Oberfläche bildet.
Vorteilhafterweise sind die erfindungsgemäß hergestellten Umwandlungsschichten dicker als die Umwandlungsschichten, die ohne vorherige Strukturierung (Stand der Technik) erzeugt werden. Zudem weisen die erfindungsgemäßen Umwandlungsschichten vorteilhafterweise einen makroskopischen Härtegradienten auf.
Bei den Verfahren zur Ausbildung einer Umwandlungsschicht handelt es sich vorzugsweise um ein Nitrierung, Nitrocarburierung, Carbunitrieren, Carburierung, Borierung oder Eloxal-Verfahren wobei Nitrierung und Nitrocarburierung bevorzugt sind.
Bekannt sind zu den Verfahren verschiedenen Varianten, die alle grundsätzlich geeignet sind. Bevorzugt werden jedoch plasmagestützte Verfahren (zum Beispiel Plasmanitrierung), da diese eine größere Maßhaltigkeit aufweisen, sodass die Umwandlungsschicht präzise dimensioniert werden kann. Auch ist die Möglichkeit der Verwendung von mechanischen Maskierungen vorteilhaft bei der Oberflächenhärtung von Teilflächen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich durch übliche Zwischenschritte zur Reinigung, Maskierung und dergleichen ergänzen.
Gegenstand der Erfindung ist ein metallisches Bauteil, dessen Oberfläche ganz oder teilweise gemäß voranstehenden beschriebenen Verfahren behandelt wurde.
Zudem wird ein metallisches Bauteil mit einer tragfähigen und verschleißfesten Oberfläche oder Teiloberfläche beansprucht, wobei die Oberfläche oder Teiloberfläche des Bauteils mit einer Umwandlungsschicht überzogen ist, die direkt auf einem Grundmaterial des Bauteils befindlich ist, wobei die Grenzfläche zwischen der Umwandlungsschicht und dem Grundmaterial über Strukturen verfügt, die durch ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Tiefenprofil von durch die Umwandlungsschicht zugewachsenen Vertiefungen in der Oberfläche bedingt sind. Die Merkmale dieser Ausführungsform, insbesondere die Abmessungen der Vertiefungen, der Umwandlungsschicht und dergleichen entsprechen denen, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben wurden.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist in dem durch die Oberflächenstrukturierung erzeugten Härtegradient, der sich in die Tiefe erstreckt, zu sehen, da hierüber eine höhere Schichtdicke und eine verbesserte Tragfähigkeit der Umwandlungsschicht erzielt werden, sodass sich damit deutlich verbesserte Verschleißeigenschaften gegenüber Oberflächenhärtungen ohne angrenzende Diffusionsschicht ergeben.
So wird insbesondere der Einsatz von Aluminiumwerkstoffen bei tribologisch hochbelasteten Teilen ermöglicht.
Die Strukturierung ermöglicht während des Plasmanitrierens ein tieferes Eindringen des Stickstoffs in die Bauteiloberfläche entlang der Wandungen der Vertiefungen. Dadurch wird die Bildung von Aluminiumnitrid in tieferen Bereichen der Oberfläche ermöglicht.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
Die Erfindung wird nachfolgend an Beispielen und anhand von Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 in einer geschnittenen Teilansicht ein metallisches Bauteil mit Umwandlungsschicht und ohne Diffusionsschicht nach dem Stand der Technik, und
2 in einer geschnittenen Teilansicht ein erfindungsgemäßes metallisches Bauteil mit Umwandlungsschicht auf einer strukturierten Oberfläche.

1 zeigt einen Schnitt durch ein metallisches Bauteil 10, wobei eine Umwandlungsschicht 12 auf dem Grundmaterial 14 des Bauteils 10 angeordnet ist. Durch die mangelnde Abstützung der Umwandlungsschicht 12 durch eine hier nicht vorhandene Diffusionsschicht, die bei bestimmten Metallen oder Legierungen bei Nitrierungen oder dergleichen nicht ausgebildet wird, sind derartige Bauteile nur bedingt belastbar und sind daher für viele Anwendungen nicht verwendbar.
Bei der 2 wird ein erfindungsgemäßes Bauteil 10 gezeigt, bei dem ebenfalls eine Umwandlungsschicht 12 auf ein Grundmaterial 14 mit den gleichen Eigenschaften wie das Grundmaterial 14 der 1 aufgebracht ist. In der Umwandlungsschicht 12 befinden sich Vertiefungen 18, die ursprünglich durch eine Oberflächenstrukturierung in das Grundmaterial 14 eingebracht wurden und bei der anschließenden Oberflächenhärtung beziehungsweise der Ausbildung der Umwandlungsschicht 12 durch die Volumenzunahme des Grundmaterials 14 zugewachsen sind. Die Vertiefungen 18 haben ursprünglich eine unterschiedliche Tiefe aufgewiesen, wie in der 2 ersichtlich, wobei die unterschiedlich tiefen Vertiefungen 18 derart angeordnet sind, dass im Schnitt eine Art Wellenstruktur gegeben ist, wobei hier nur ein kleiner Teil der „Welle“ dargestellt ist. Erfindungsgemäß sind auch vielfältige andere Strukturen vorsehbar. Beim Eindiffundieren von beispielsweise Stickstoff in das Grundmaterial 14 während der Oberflächenhärtung, kann dieser in Abhängigkeit der Tiefe der Vertiefungen 18 unterschiedlich tief eindringen. Die sich dabei bildende Umwandlungsschicht 12 ist somit mit dem Grundmaterial 14 über Strukturen 16, die sich durch das unterschiedliche Eindringen von Stickstoff gebildet haben, fest verankert. Die gebildeten Strukturen 16 der Grenzschicht zwischen Umwandlungsschicht 12 und dem Grundmaterial 14 korrespondieren naturgemäß mit der Beschaffenheit der Vertiefungen, wobei sich zwischen den Vertiefungen 18 spitze Strukturen 16 befinden können, die sich vom Grundmaterial 14 in Richtung der Oberfläche des Bauteils 10 erstrecken. Die genaue Beschaffenheit dieser Strukturen 16 kann der Fachmann über die entsprechenden Verfahrensparameter steuern. So können die spitzen Strukturen 16 sehr wenig oder auch gar nicht ausgeprägt sein oder diese können sich auch nahezu bis zur Oberfläche des Bauteils 10 erstrecken, wobei auf der Oberfläche natürlich stets eine durchgehende Umwandlungsschicht 12 gegeben ist.
Ab einer bestimmten Tiefe nimmt der Anteil des weichen Grundmaterials 14 mit zunehmendem Abstand zur Oberfläche zu und der Anteil der harten Umwandlungsschicht 12 wird geringer. Mit zunehmender Tiefe nimmt damit auch eine über die Fläche gemittelte Härte ab und ein makroskopischer Gradient, der durch einen Pfeil repräsentiert wird, entsteht.
Die Tiefe der Vertiefungen 18 ist dabei so zu wählen, dass sich die Umwandlungsschicht 12 auf der gesamten Tiefe ausbilden kann, wie bereits auch schon hinsichtlich der Strukturen 16 erläutert. Eine geschlossene Umwandlungsschicht 12 wird dadurch erreicht, dass die Vertiefungen 18 in ihrer Breite so dimensioniert sind, dass sie bei gegebener Schichtdicke der Umwandlungsschicht 12 während des Schichtwachstums zuwachsen. Somit wird durch die Strukturierung der Oberfläche die erzeugte Schichtdicke der Umwandlungsschicht 12 gesteigert.
Zur Herstellung der Umwandlungsschicht 12 werden zuerst die Vertiefungen 18 in das Grundmaterial 14 durch Ätzen, Laserbestrahlung, Prägen oder andere geeignete Methoden in definierter Weise eingebracht.
Anschließend wird ein Reinigungsvorgang durchgeführt, beispielsweise mittels Plasmaätzen mit folgenden Betriebsparametern: 100 %Argon; 20-100 Pa; 300-600 V; 400-480 °C.
Die folgende Diffusionsbehandlung ist bevorzugt Plasmanitrieren mit folgenden Parametern: 100 % Stickstoff; 100-300 Pa; 400-600 V; 400-480 °C.
Bezugszeichenliste

10: metallisches Bauteil
12: Umwandlungsschicht
14: Grundmaterial
16: Struktur
18: Vertiefung
Pfeil: Härtegradient

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10006163 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer tragfähigen und verschleißfesten Oberfläche oder Teiloberfläche eines metallischen Bauteils (10), dadurch gekennzeichnet, dass a) das metallische Bauteil (10) bereitgestellt wird, b) zumindest teilweise das Bauteil (10) einer Oberflächenstrukturierung und anschließend c) einer Oberflächenhärtung der strukturierten Oberfläche des Bauteils (10) unter Ausbildung einer Umwandlungsschicht (12) unterzogen wird, wobei das metallische Bauteil (10) aus einem Metall oder einer Legierung besteht, das oder die keine Diffusionsschicht bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärtung derart geführt wird, dass eine geschlossene Umwandlungsschicht (12) auf der Oberfläche oder Teiloberfläche des Bauteils (10) entsteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (10) aus Aluminium, Magnesium, Titan oder deren Legierungen oder aus austenitischem Stahl besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstrukturierung durch Ätzen, Laserbehandlung oder Prägen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Oberflächenstrukturierung ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Tiefenprofil von Vertiefungen (18) in der Oberfläche erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Oberflächenstrukturierung trichterförmige und/oder zylindrische Vertiefungen (18) in die Oberfläche oder Teiloberfläche des Bauteils (10) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Vertiefungen (18) im Bereich von 2 bis 50 µm besonders bevorzugt 5 bis 25 µm liegt, dass die Vertiefungen (18) einen Durchmesser von vorzugsweise kleiner als 15 µm besonders bevorzugt 2 bis 10 µm aufweisen und/oder der Abstand der Vertiefungen (18) zueinander kleiner als 35 µm besonders bevorzugt 10 bis 20 µm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtdicke der Umwandlungsschicht (12) vorzugsweise 5 bis 25 µm besonders bevorzugt 5 bis 10 µm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenhärtung mittels Nitrierung, Nitrocarburierung, Carbunitrieren, Carburierung, Borierung oder Eloxieren durchgeführt wird, vorzugsweise durch Plasmanitrierung oder Plasmanitrocarburierung.
Metallisches Bauteil (10) hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9
Metallisches Bauteil (10) mit einer tragfähigen und verschleißfesten Oberfläche oder Teiloberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche oder Teiloberfläche des Bauteils (10) mit einer Umwandlungsschicht (12) überzogen ist, die direkt auf einem Grundmaterial (14) des Bauteils (10) befindlich ist, wobei die Grenzfläche zwischen der Umwandlungsschicht (12) und dem Grundmaterial (14) über Strukturen (16) verfügt, die durch ein regelmäßiges oder unregelmäßiges Tiefenprofil von mit der Umwandlungsschicht (12) zugewachsenen Vertiefungen in der Oberfläche bedingt sind.