DE102016210061A1 - Verfahren zur Herstellung eines Hybridgegenstands bestehend aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteil, die miteinander verbunden sind und aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen bestehen - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Hybridgegenstands bestehend aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteil, die miteinander verbunden sind und aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen bestehen Download PDF

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Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Hybridgegenstands (8) bestehend aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteil (1, 6), die miteinander verbunden sind und aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen bestehen, wobei das erste Bauteil (1) zumindest in einem Verbindungsbereich mit einer Vermittlerschicht (3) belegt wird, auf die in einem additive Verfahren eine Fügeschicht (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht wird, mit welcher Fügeschicht (5) das zweite Bauteil (6) in einem Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridgegenstands bestehend aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteil, die miteinander verbunden sind und aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen bestehen.
  • Bei der Fertigung von hybriden Bauteilen aus verschiedenen Metallen oder Metalllegierungen wie beispielsweise Aluminium-Stahl, Aluminium-Nickelbasis-Legierung, Aluminium-Titan etc. werden bei Gussteilen stoffliche Verbindungen zum Verbund beider Werkstoffe genutzt. Ein Beispiel hierfür stellt die Verbindung von Ringträgern aus austenitischem Gusseisen und Aluminium-Kolben dar, die mittels des sogenannten Al-Fin-Verfahren hergestellt werden. Ein derartiges Verfahren ist beispielsweise aus EP 1 356 125 B1 bekannt. Ein Beispiel für ein solches hybrides Bauteil sind Aluminium-Kolben für Motoren, bei denen die Nut für den ersten Kolbenring im Regelfall durch eingegossene Bewehrungen aus austenitischem Gusseisen, die als Ringträger bezeichnet werden, gegen Verschleiß geschützt werden. Wesentlich hierbei ist die gute Verbindung zwischen dem Gusseisenteil, hier also dem Ringträger und dem Grundwerkstoff, hier des Kolbens, also dem Aluminium. Um hier eine stoffschlüssige Verbindung zu ermöglichen, wird der Ringträger in eine Al-Si-Schmelze eingetaucht, so dass sich am Ringträger eine Schicht aus Eisenaluminiden bildet. Dieser getauchte Ringträger wird sodann dem Gussprozess des Kolbens zugeführt, wobei das Aluminium, über das der Kolben gebildet wird, sich stoffschlüssig mit der Eisenaluminidschicht des Ringträgers verbinden kann.
  • Dieses Verfahren ist jedoch nur in einem extrem schnellen Gussprozess mit genauer Prozesskontrolle möglich und daher technologisch schwer umsetzbar. Insbesondere das Einlegebauteil muss nach dem Eintauchen in die Aluminiumschmelze noch heiß sein, um ein vollständiges Erstarren der Tauchschicht zu verhindern. Andererseits besteht die Gefahr, dass kein lückenloser Stoffschluss zur Angussgeometrie ausgebildet werden kann.
  • Weiterhin sind mit dem beschriebenen Verfahren auch nur Hybridbauteile mittels Gießtechnik umsetzbar. Konventionelle Fügebauteilkonstruktionen lassen sich damit nicht herstellen.
  • Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, ein Verfahren anzugeben, das die Herstellung eines Hybridgegenstandes auch aus separaten Bauteilen in einem Fügeverfahren unter stoffschlüssigem Verbund ermöglicht.
  • Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das erste Bauteil zumindest in einem Verbindungsbereich mit einer Vermittlerschicht belegt wird, auf die in einem additiven Verfahren eine Fügeschicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht wird, mit welcher Fügeschicht das zweite Bauteil in einem Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden wird.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das erste Bauteil mit einer Vermittlerschicht belegt, die beispielsweise durch Tauchen des ersten Bauteils in eine Schmelze aufgebracht wird. Hierbei kann es sich, wie bisher auch, beispielsweise um eine AlSi-Schmelze handeln. Alternativ ist auch eine Abscheidung aus der Gasphase denkbar. Diese Vermittlerschicht in Form einer metallischen Phase bzw. Tauchschicht stellt eine Beschichtung der Oberfläche des ersten Bauteils dar und dient als Grundlage für den nächsten Prozessschritt. Das erste Bauteil selbst kann beispielsweise aus Eisen, Titan, Nickel oder dergleichen oder entsprechenden Basislegierungen bestehen, während wie beschrieben die Vermittlerschicht beispielsweise über die Gasphase oder in einem Tauchbad unter Verwendung einer AlSi-Schmelze aufgebracht wird.
  • In einem zweiten Schritt wird in einem additiven Verfahren eine Fügeschicht aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht. Diese Fügeschicht stellt hinreichend Material für den nachfolgenden Fügeprozess zur Verfügung, in dem das zweite Bauteil stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil verbunden wird. Nach additivem Aufbringen der Fügeschicht wird sodann das zweite Bauteil angesetzt und mit der Fügeschicht in einem vorzugsweise thermischen Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden.
  • Durch die Kombination der drei Verfahrensschritte (Ausbilden der Vermittlerschicht, Ausbilden der Fügeschicht, Fügen des zweiten Bauteils) ist es möglich, Hybridbauteile zu fertigen, welche bis dato noch nicht herstellbar waren. Insbesondere ist es möglich, Hybridbauteile auch ohne Gussprozess zu realisieren. Auch ist es möglich, bisher nicht oder nur schwer fügbare Werkstoffe miteinander kombinieren zu können.
  • Die Vermittlerschicht selbst ist aus einem Metall oder Metalllegierung, die einen stoffschlüssigen Verbund sowohl mit dem ersten Bauteil als auch dem Metall oder der Metalllegierung der Fügeschicht eingeht. Die Vermittlerschicht stellt also eine intermetallische Schicht dar, die sowohl zum ersten Bauteil als auch der Fügeschicht eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Aufgrund des homogenen Stoffschlusses sind mit besonderem Vorteil keine Lufteinschlüsse oder sonstige Fehlstellen in den jeweiligen Verbindungsebenen gegeben, so dass ein ungehinderter Wärmeübergang und eine verbesserte Kraftübertragung möglich ist.
  • Die Fügeschicht selbst ist bevorzugt aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metalllegierung wie das zweite Bauteil. Alternativ kann die Fügeschicht auch aus einem unterschiedlichen Metall oder einer unterschiedlichen Metalllegierung wie das zweite Bauteil sein, so lange eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Fügeschicht und zweitem Bauteil möglich ist.
  • Wie bereits beschrieben wird die Vermittlerschicht bevorzugt durch Tauchen des ersten Bauteils in eine Schmelze aufgebracht, beispielsweise eine AlSi-Schmelze. Dies ist jedoch nicht zwingend. Denkbar wäre es auch, die Vermittelschicht beispielsweise durch ein CVD- oder PVD-Verfahren aus der Gasphase abzuscheiden oder Ähnliches.
  • Das zweite Bauteil wird bevorzugt in einem thermischen Fügeverfahren an der Fügeschicht angefügt. Verwendet werden kann jedes thermische Fügeverfahren, solange ein vollständiger homogener Stoffschluss zwischen den Fügepartnern erreicht wird. Denkbar ist beispielsweise eine thermische Verbindung von Fügeschicht und zweitem Bauteil durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen, Reibschweißen oder Elektronenstrahlschweißen.
  • Wie beschrieben wird die Fügeschicht durch ein additives Verfahren auf die Vermittlerschicht aufgebracht. Ein solches additives Verfahren kann beispielsweise 3D-Drucken sein. Alternativ ist auch ein additives Auftragen beispielsweise durch Sprühkompaktieren oder durch Schweißen, insbesondere Laserauftragschweißen oder WIG-Schweißen denkbar.
  • Das erste und das zweite Bauteil können quasi aus beliebigen Metallen respektive Metalllegierungen bestehen, beispielsweise aus Stahl, Gusseisen, Aluminium, Nickel, Titan oder Legierungen basierend auf diesen Metallen.
  • Neben dem Verfahren selbst betrifft die Erfindung ferner einen Hybridgegenstand, hergestellt nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren.
  • Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
  • In dieser ist in Form von Prinzipdarstellungen der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt.
  • Im Figurenteil a) ist das erste Bauteil 1, beispielsweise eine Scheibe oder ein Ring, gezeigt. Dieses erste Bauteil 1 besteht beispielsweise aus Stahl oder Gusseisen. Um es mit einem zweiten Bauteil aus einem anderen Metall oder einer anderen Metalllegierung fest zu verbinden, wird das erste Bauteil 1, vorzugsweise nach vorheriger Reinigung, in eine Schmelze 2 aus einem Metall oder einer Metalllegierung, beispielsweise AlSi getaucht. Dies führt zur Ausbildung einer oberflächlichen, sehr dünnen Vermittlerschicht 3, beispielsweise aus Eisenaluminiden, vgl. Teilfigur b).
  • Im nächsten Schritt wird nun in einem additiven Verfahren ein Metall oder eine Metalllegierung 4 auf das mit der Vermittlerschicht 3 belegte erste Bauteil 1 aufgebracht, so dass sich, siehe Teilfigur c), eine lokale Fügeschicht 5 in hinreichender Dicke ausbildet. Beispielsweise handelt es sich bei der Fügeschicht 5 um einen Fügeflansch aus einer Aluminiumlegierung. Das Aufbringen der Fügeschicht 4 erfolgt in einem additiven Verfahren, beispielsweise 3D-Druck oder durch Laserauftragschweißen oder WIG-Schweißen. Gegebenenfalls ist eine Nachbearbeitung zur Ausbildung der entsprechenden Kontur der Fügeschicht 5 erforderlich, solange diese nicht bereits durch das additive Auftragen herausgearbeitet werden kann, was beispielsweise beim 3D-Druck der Fall ist. Die Vermittlerschicht 3 bildet eine intermetallische Schicht, die mit dem Bauteil 1 und mit der Fügeschicht eine stoffschlüssige Verbindung eingeht.
  • Das derart mit der Fügeschicht 5 versehene Bauteil 1 soll nun fest und stoffschlüssig mit einem zweiten Bauteil 6 verbunden werden. Dieses zweite Bauteil 6 ist hier in Form eines Ringes dargestellt. Dieses zweite Bauteil 6 wird, siehe Teilfigur d), auf die Fügeschicht 5 aufgeschoben, so dass sich eine hinreichend passgenaue Anlage zwischen Fügeschicht 5 und zweitem Bauteil 6 ergibt. Die Fügeschicht 5 und das Bauteil 6 sollen nun in einem thermischen Fügeverfahren stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Hierzu wird im Bereich der Fügeschicht 7 beispielsweise durch Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen eine lokale Aufschmelzung erreicht, so dass sich die Fügeschicht 5 und das zweite Bauteil 6 stoffschlüssig miteinander verbinden, wie in Teilfigur e) gezeigt, in der das fertige Hybridbauteil 8 bestehend aus dem ersten Bauteil 1 und dem zweiten Bauteil 6 dargestellt ist. Das zweite Bauteil 6 besteht bevorzugt aus der gleichen Metalllegierung oder dem gleichen Metall wie die Fügeschicht 5, hier also ebenfalls beispielsweise einer Aluminiumlegierung.
  • Die Figur zeigt lediglich exemplarische Geometrien der entsprechenden Bauteile. Selbstverständlich sind beliebig ausgeformte Bauteile auf die erfindungsgemäße Weise miteinander verbindbar. Auch kann es sich bei den verwendeten Metallen oder Metalllegierungen der Fügepartner um unterschiedlichste Kombinationen handeln, solange jeweils ein stoffschlüssiger Verbund zwischen den einzelnen Fügepartnern erreicht wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 1356125 B1 [0002]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Hybridgegenstands (8) bestehend aus wenigstens einem ersten und einem zweiten Bauteil (1, 6), die miteinander verbunden sind und aus unterschiedlichen Metallen oder Metalllegierungen bestehen, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1) zumindest in einem Verbindungsbereich mit einer Vermittlerschicht (3) belegt wird, auf die in einem additive Verfahren eine Fügeschicht (5) aus einem Metall oder einer Metalllegierung aufgebracht wird, mit welcher Fügeschicht (5) das zweite Bauteil (6) in einem Fügeverfahren stoffschlüssig verbunden wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermittlerschicht (3) aus einem Metall oder einer Metalllegierung ist, die einen stoffschlüssigen Verbund sowohl mit dem ersten Bauteil (1) als auch dem Metall oder der Metalllegierung der Fügeschicht (4) eingeht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeschicht (5) aus dem gleichen Metall oder der gleichen Metalllegierung ist wie das zweite Bauteil (6), oder dass die Fügeschicht (5) aus einem unterschiedlichen Metall oder einer unterschiedlichen Metalllegierung ist, das oder die mit dem Metall oder der Metalllegierung des zweiten Bauteils (6) stoffschlüssig verbindbar ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vermittlerschicht (3) durch Tauchen des ersten Bauteils (1) in eine Schmelze (2) oder durch eine Gasphasenabscheidung aufgebracht wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze (2) eine Al-Si-Schmelze ist.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (6) in einem thermischen Fügeverfahren an der Fügeschicht (5) angefügt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (6) durch Schweißen, insbesondere Laserschweißen oder Elektronenstrahlschweißen angefügt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fügeschicht (5) durch 3D-Drucken, Sprühkompaktieren oder Schweißen, insbesondere Laserauftragschweißen oder WIG-Schweißen aufgebracht wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zweite Bauteil (1, 6) aus Stahl, Gusseisen, Aluminium, Nickel oder Titan oder Legierungen basierend auf diesen Metallen bestehen.
  10. Hybridgegenstand, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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