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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, insbesondere eines Hybridzahnrads, ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
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Zur Verringerung der Masse sind Leichtbauteile in vielfältigen Anwendungen bekannt. Bei Maschinenelementen wie beispielsweise Zahnrädern haben sich dazu unterschiedliche Möglichkeiten durchgesetzt. Insbesondere wird der Leichtbau hierbei durch konstruktive Maßnahmen erreicht, bei denen beispielsweise Hohlräume in gering belasteten Bereichen des jeweiligen Maschinenelements angeordnet werden. Die dadurch erreichbare Masseneinsparung ist jedoch begrenzt.
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Auch sind hybride Bauteile bekannt, wie beispielsweise Zahnräder aus Faser-KunststoffVerbund oder Zahnräder mit Metallzähnen, die in eine Kunststoff- oder Metallschaum-Matrix eingebettet und von dieser gehalten sind. Auch das Auftragschweißen von hochlegiertem Stahl auf niedriglegierten Stahl ist zur Steigerung der Festigkeit eines Kegelrads bekannt. Auf diese Weise wird eine härtere Oberfläche erzielt. Ein Auftragschweißen von Stahl auf Aluminium ist aufgrund der deutlich niedrigeren Schmelztemperatur des Aluminiums hingegen nicht möglich. Durch Strangpressen eines Aluminiumwerkstoffs auf ein Stahlrohr kann ebenso ein Hybridbauteil hergestellt werden, welches allerdings im äußeren Bereich das weniger feste Aluminium aufweist.
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Den beschriebenen Lösungen ist gemein, dass sie mit hohem fertigungstechnischem Aufwand und somit hohen Herstellungskosten verbunden sind.
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DE 10 2013 020 800 A1 beschreibt ein Hybridbauteil für einen Kraftwagen, welches ein Stahlbauteil und ein damit gefügtes Leichtmetallbauteil umfasst. Das Stahlbauteil weist eine Zinkbeschichtung auf, die durch ein Metallspritzverfahren oder ein galvanisches Beschichtungsverfahren aufgebracht wurde. Das Leichtmetallbauteil ist unter Vermittlung der Zinkschicht am Stahlbauteil abgestützt. Die Zinkschicht verhindert auf diese Weise einen direkten Kontakt zwischen dem Leichtmetallbauteil und dem Stahlbauteil, sodass Kontaktkorrosion zwischen den Bauteilen verhindert werden kann.
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Die
DE 10 2015 009 051 A1 offenbart ein Zahnrad sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die Verzahnung des Zahnrads ist durch ein metallisches erstes Bauteil und ein damit verbundenes zweites Bauteil aus einem anderen Werkstoff gebildet. Das zweite Bauteil kann eine Nabe sein und mit dem ersten Bauteil form- und/oder kraftschlüssig verbunden sein. Das Zahnrad kann unter Verwendung eines leichteren Werkstoffs für das zweite Bauteil besonders leicht hergestellt werden. Die Bauteile können bei der Herstellung des Zahnrads umgeformt werden. Sie können in Umfangsrichtung des Zahnrads formschlüssig miteinander verbunden werden.
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Die
DE 10 2015 102 297 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridzahnrads, bei dem auf einen scheibenförmigen Leichtmetallkern an der äußeren Umfangsseite Stahl aufgebracht ist und der so erhaltene Rohling zum Hybridzahnrad umgeformt wird. Der Stahl ist härtbarer und/oder vergütbarer Stahl und wird stoffschlüssig zumindest aufgebracht. Zahnflanken der Zähne des Hybridzahnrads weisen somit an deren Außenoberflächen den aufgebrachten Stahl als Oberflächenbeschichtung auf. Vor dem Auftragen des härtbaren und/oder vergütbaren Stahls kann ein weiterer Stahl als Kontaktschicht aufgebracht werden. Das Hybridzahnrad kann als zwei-, drei- oder mehrschichtiges Strangpressprofilbauteil hergestellt werden. Der härtbare und/oder vergütbare Stahl kann als Streifen in Längsrichtung des Strangpressprofils ausgeführt sein. Hierbei erfolgt beim Abkühlen eine höhere Schrumpfung des Aluminiums als des Stahls, was sich nachteilig auf die Verbindung der Materialien auswirkt. Auch führt der Hitzeeintrag beim Auftragschweißen zur Bildung spröder intermetallischer Phasen, die sich unter anderem negativ auf die anschließende Umformung auswirken können.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein leichtes und mechanisch belastbares Bauteil herstellbar ist, sowie ein Getriebe bzw. ein Kraftfahrzeug mit einem verfahrensgemäß hergestellten Bauteil zur Verfügung zu stellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils gemäß Anspruch 1. Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-8 angegeben. Des Weiteren werden ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Hybridbauteils, insbesondere eines Hybridzahnrads, bei dem ein Halbzeug aus einem ersten Material bereitgestellt wird. Zwecks Herstellung zumindest eines mechanisch höher belastbaren Abschnitts des Hybridbauteils wird mittels thermischen Spritzens, insbesondere Kaltgasspritzens, ein eisen- und/oder nickelhaltiges zweites Material auf zumindest einem Bereich des Halbzeugs angeordnet. Für ein Verhältnis V einer Dichte D2 des zweiten Materials zu einer Dichte D1 des ersten Materials gilt: 2 ≤ V ≤ 6, insbesondere 2,7 ≤ V ≤ 4.
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Das Hybridbauteil ist insbesondere ein Maschinenelement. Es kann auch als Leichbauteil bezeichnet werden. Insbesondere kann mit dem Verfahren ein Leichtbauzahnrad hergestellt werden. Ebenso kann eine Zahnstange hergestellt werden, bei welcher die Zähne zumindest bereichsweise das zweite Material umfassen.
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Das die Oberfläche ausbildende zweite Material weist in dem auf das Halbzeug aufgebrachten Zustand eine höhere Festigkeit, insbesondere eine höhere Druck- und/oder Scherfestigkeit, bzw. eine höhere Härte auf als das das Halbzeug ausbildende erste Material. Eisen- und Nickel-Legierungen weisen besonders geeignete mechanische Eigenschaften bzw. Festigkeiten auf. Insbesondere wird somit zumindest ein besonders verschleißfester Abschnitt des Hybridbauteils hergestellt. Dies dient insbesondere der Steigerung der Festigkeit in höher beanspruchten Bereichen wie beispielsweise Zähnen eines Zahnrads oder Reibflächen einer Bremsscheibe oder Bremstrommel.
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Insbesondere wird zumindest ein Abschnitt der Oberfläche des Hybridbauteils aus dem zweiten Material ausgebildet. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass auf das zweite Material weitere Schichten aufgebracht werden.
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Das erste und/oder das zweite Material kann ein chemisches Element, eine chemische Verbindung oder ein Gemisch aus mehreren chemischen Elementen und/oder chemischen Verbindungen sein. Es kann homogen oder heterogen sein.
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Insbesondere ist das zweite Material eine eisenhaltige Legierung, typischerweise Stahl. Diese kann in Abhängigkeit der Anforderungen frei gewählt werden, da mit dem thermischen Spritzen, insbesondere dem Kaltgasspritzen, eine Vielzahl von Materialien auf das Halbzeug auftragbar ist.
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Beispielsweise kann das Halbzeug ein Grundkörper einer Bremsscheibe oder Bremstrommel aus einer Aluminium-Legierung sein. Die erfindungsgemäß hergestellte Reibfläche der Bremsscheibe oder Bremstrommel kann Stahl umfassen.
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Insbesondere ist eine zweite Schmelztemperatur zumindest eines Bestandteils des zweiten Materials größer oder gleich einer ersten Schmelztemperatur zumindest eines Bestandteils des ersten Materials. Typischerweise ist die zweite Schmelztemperatur des zweiten Materials größer als die erste Schmelztemperatur des ersten Materials. Die Aufbringung des höher schmelzenden zweiten Materials auf das niedriger schmelzende erste Material wird durch das Kaltgasspritzen ermöglicht. Das Verhältnis V errechnet sich als Quotient der zweiten Dichte D2 und der ersten Dichte D1: V = D2 / D1.
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Das erste Material kann eine Dichte kleiner als 7 g/cm3 aufweisen, insbesondere kleiner als 5 g/cm3 und typischerweise kleiner als 3 g/cm3. Somit ist eine wesentliche Gewichtsersparnis des Hybridbauteils erreichbar.
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Das zweite Material kann eine Dichte zwischen 5 g/cm3 und 15 g/cm3, insbesondere zwischen 7,5 g/cm3 und 10 g/cm3, aufweisen.
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Insbesondere wird zur Anordnung des zweiten Materials das Kaltgasspritzen genutzt. Hierbei wird das zweite Material in Pulverform beschleunigt und mit sehr hoher Geschwindigkeit, insbesondere nahe oder oberhalb der Schallgeschwindigkeit, auf das Halbzeug aufgebracht. Dies kann mittels eines aufgeheizten Prozessgases erfolgen, welches in einer Lavaldüse auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. In diesen Gasstrahl können die Pulverpartikel des zweiten Materials injiziert werden. Sie werden durch die hohe Aufprallgeschwindigkeit ohne vorheriges An- oder Aufschmelzen stoffschlüssig mit dem ersten Material des Halbzeugs verbunden.
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Eine glatte Oberfläche des Halbzeugs verringert die Festigkeit der Verbindung nicht, sodass als Halbzeug beispielsweise glatte Profile oder Rohre genutzt werden können, die besonders kostengünstig und gut verfügbar sind. Auf diese Weise kann auf dem Halbzeug eine feste und belastbare Schicht des zweiten Materials erzeugt werden. Dazu müssen die Partikel zumindest die für die Bindung des zweiten Materials an das erste Material benötigte kritische Geschwindigkeit erreichen und insbesondere überschreiten, da so die Verbindung verbessert werden kann. Bei einer zu vermeidenden zu hohen Aufprallgeschwindigkeit kommt es wiederum zur Erosion von Material des Halbzeugs und es kann keine Schicht aufgebaut werden.
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Es wird zumindest ein Bereich des Halbzeugs mit einer mechanisch belastbaren Schicht aus dem zweiten Material versehen, sodass Hybridbauteile mit vorteilhaften mechanischen Eigenschaften herstellbar sind. Das erste Material weist eine geringere Dichte auf als das zweite Material, sodass Hybridbauteile mit geringer Masse herstellbar sind.
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Dabei erfolgt durch das thermische Spritzen, insbesondere das Kaltgasspritzen, nur ein geringer Wärmeeintrag in das Halbzeug bzw. das Hybridbauteil, sodass keine unerwünschten intermetallischen Phasen entstehen sowie kein bzw. geringer Verzug. Es erfolgt insbesondere kein bzw. kein vollständiges Aufschmelzen der Partikel. Dennoch wird eine besonders feste stoffschlüssige Verbindung der Materialien realisiert.
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Ein weiterer Vorteil ist, dass Rohre aus Leichtmetall wie beispielsweise Aluminium mit schwereren bzw. härteren Materialien beschichtet werden können, was mit den bisher bekannten Lösungen nicht möglich war. Dies ist insbesondere für die Herstellung rotierender Maschinenelemente vorteilhaft, da ein Verfahrensschritt, nämlich das Bohren eines Hohlraums, entfällt.
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Es können beliebig geformte Hybridbauteile hergestellt werden. Die Schichtdicken und Schichteigenschaften können beliebig angepasst werden. Die Materialien können in Abhängigkeit der jeweiligen Anforderungen, beispielsweise der das Hybridbauteil umgebenden Medien, gewählt werden.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug eine in Bezug zu einer Achse im Wesentlichen rotationssymmetrische, insbesondere zylindrische, Grundform aufweist.
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Grundform bedeutet, dass Formelemente von dieser Grundform abweichen können, wie etwa Vorsprünge, Rillen und/oder Vertiefungen. Beispielsweise kann das Halbzeug eine scheibenförmige oder rohrförmige Grundform aufweisen. Es kann als Rohr oder Rohrabschnitt bzw. -scheibe ausgestaltet sein. Die Grundform ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch und kann somit von einer exakt rotationssymmetrischen Form abweichen. Typischerweise ist die Grundform kreiszylindrisch.
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Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass sie besonders einfach die Herstellung rotierender Maschinenelemente wie etwa Zahnräder, Kegelräder oder Schwungscheiben, ermöglicht.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material auf zumindest einem Bereich einer nach außen weisenden Oberfläche des Halbzeugs angeordnet wird.
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Beispielsweise werden somit zumindest Teile der Zähne eines Stirnrads, einer Schwungscheibe oder eines Kegelrads und/oder mechanisch beanspruchte Seitenflächen einer Bremsscheibe, Bremstrommel oder Kupplungsscheibe hergestellt.
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Bei einem eine zylindrische Grundform aufweisenden Halbzeug wird das zweite Material insbesondere auf zumindest einen Bereich der äußeren Mantelfläche des Halbzeugs, also umfangsseitig, aufgetragen.
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Mit anderen Worten wird eine äußere Oberfläche des Hybridbauteils, insbesondere eine Verzahnung des Hybridzahnrads, wenigstens bereichsweise durch Kaltgasspritzen hergestellt. Auch kann wenigstens eine das Hybridbauteil axial begrenzende Oberfläche zumindest bereichsweise wie beschrieben beschichtet werden.
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Diese Ausgestaltung weist den Vorteil auf, dass die typischerweise belasteten Bereiche des Hybridbauteils erfindungsgemäß ausgestaltet werden und somit eine höhere mechanische Belastbarkeit des Hybridbauteils insgesamt erzielt wird.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug als Nabe zur Aufnahme eines weiteren Bauteils wie beispielsweise einer Welle ausgestaltet ist.
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Mit anderen Worten weist das Halbzeug eine Öffnung, beispielsweise eine Durchgangsöffnung auf. Diese dient der Aufnahme zumindest eines Längenbereichs eines weiteren Bauelements, beispielsweise einer Welle. Insbesondere ist das herzustellende Hybridbauteil ein drehbar anzuordnendes Maschinenelement. Die Öffnung kann im Wesentlichen zylinderförmig ausgebildet sein. Wenn das Halbzeug eine zylinderförmige Grundform aufweist, verläuft die Öffnung insbesondere koaxial zur Mittellängsachse des Halbzeugs. Es ist nicht ausgeschlossen, dass mehrere Öffnungen zur Befestigung des Hybridbauteils am Halbzeug angeordnet sind.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils umfasst das erste Material Aluminium.
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Insbesondere ist das Halbzeug aus einer Aluminium-Legierung hergestellt. Dieses kann einen Massenanteil an Aluminium zwischen 60 % und 97 % aufweisen. Aluminium weist eine besonders geringe Dichte sowie eine hohe Verfügbarkeit auf und ist somit ein geeigneter Werkstoff für leichte Hybridbauteile. In Versuchen hat sich herausgestellt, dass Aluminium bzw. eine Aluminium-Legierung durch das Kaltgasspritzen gut mit eisen- und/oder nickelhaltigen Werkstoffen verbindbar ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils wird nach dem Anordnen des zweiten Materials an bzw. auf dem Halbzeug ein drittes Material an bzw. auf zumindest einem Bereich des zweiten Materials angeordnet.
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Dies dient insbesondere der Herstellung einer besonders festen und/oder widerstandsfähigen Oberfläche des Hybridbauteils. Das dritte Material ist insbesondere ein vom ersten und zweiten Material unterschiedliches Material. Es können gezielt unterschiedliche Eigenschaften und/oder Schichtdicken der jeweiligen Schichten realisiert werden.
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Die Anordnung des dritten Materials kann mittels thermischen Spritzens, insbesondere Kaltgasspritzens erfolgen. Dies kann analog zum Auftrag des zweiten Materials auf dem Halbzeug erfolgen. Ebenso ist die Anordnung des dritten Materials mittels anderer Verfahren möglich, wie etwa durch Auftragschweißen. Wenn das zweite Material Stahl umfasst, kann ein Wärmeeintrag beim Auftragschweißen eines weiteren Stahls in Kauf genommen werden, da hierbei keine negativen Auswirkungen auf das zweite Material, wie etwa die Bildung intermetallischer Phasen, zu erwarten sind. Das dritte Material kann beispielsweise ein hartstoffverstärktes Material wie etwa partikelverstärkter Stahl sein. Typischerweise liegen die Hartstoffpartikel dabei eingebettet in einer Stahl-Matrix vor. Im Anschluss an die Aufbringung des dritten Materials kann das hergestellte Verbundbauteil durch Umformen, insbesondere Schmieden, und/oder Trennen bearbeitet werden.
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Diese Ausgestaltung ermöglicht auf vorteilhafte Weise die Herstellung eines drei Materialien umfassenden Hybridbauteils, welches besonders gut an die jeweiligen Anforderungen hinsichtlich Masse und Festigkeit bzw. Härte anpassbar ist.
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Eine Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des zweiten Materials auf dem Halbzeug derart erfolgt, dass aus dem zweiten Material Formelemente auf und/oder in der Oberfläche des Halbzeugs hergestellt werden.
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Insbesondere werden die Formelemente in regelmäßiger Anordnung ausgebildet, beispielsweise als Zähne für ein Zahnrad oder als Vorstufen derartiger Zähne, wobei mittels mechanischer Bearbeitung im Anschluss Zähne hergestellt werden.
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Es lässt sich eine endkonturnahe Herstellung realisieren, da die Form des aufgebrachten zweiten Materials bereits im Wesentlichen der äußeren Form des herzustellenden Hybridbauteils entspricht bzw. dieser ähnlich ist.
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Insbesondere wird das zweite Material auf eine im Wesentlichen ebene und ggf. gekrümmte Oberfläche des Halbzeugs aufgebracht, sodass die Formelemente durch Anhäufungen des zweiten Materials ausgebildet werden.
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Diese Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass der Auftrag des zweiten Materials besonders gezielt an den Zielpositionen erfolgt.
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Alternativ zu dieser Ausgestaltung kann ein gleichmäßiger flächiger Auftrag des zweiten Materials erfolgen.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material wenigstens zwei Phasen umfasst, wobei eine erste Phase des zweiten Materials aus Partikeln besteht, die eine größere Härte aufweisen als eine zweite Phase des zweiten Materials.
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Die Partikel behalten ihre Partikelform im Wesentlichen beim Auftreffen auf das Halbzeug. Mit anderen Worten werden sie bei Durchführung des Metallspritzverfahrens nicht wesentlich verformt. Die Partikel können Hartstoffe, etwa keramische Partikel, enthalten bzw. aus diesen aufgebaut sein. Auf diese Weise können Schichten mit besonders harten Partikeln erzeugt werden, etwa für besonders verschleißfeste Beschichtungen für Bremsscheiben, Bremstrommeln, Kupplungsscheiben oder Schwungräder, die auch als Reibfläche bezeichnet werden können. Die Partikel sind härter als das Material der zweiten Phase und sind typischerweise eingebettet in eine aus der zweiten Phase bestehenden Matrix.
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Eine Phase meint ein Volumen des zweiten Materials, in dem physikalische Parameter wie die Dichte und die chemische Zusammensetzung homogen sind.
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Alternativ kann mit dem Halbzeug, mit dem zweiten Material und/oder mit dem aus dem ersten und zweiten Material hergestellten Verbundbauteil ein weiteres Material mittels Schweißen verbunden werden, wobei das weitere Material- Partikel umfasst, die bei Durchführung des Schweißverfahrens im festen Zustand verbleiben. Auch das dritte Material kann derartige Partikel umfassen bzw. wenigstens zwei Phasen umfassen, wobei eine erste Phase aus Partikeln besteht, die eine größere Härte aufweisen als eine zweite Phase.
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Eine weitere Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Hybridbauteils ist dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Anordnen des zweiten Materials auf dem Halbzeug das hergestellte Verbundbauteil durch Umformen, insbesondere Schmieden, und/oder Trennen bearbeitet wird.
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Dies erfolgt insbesondere, um eine gewünschte Form und/oder Oberflächenbeschaffenheit des Hybridbauteils zu erzielen. Beispielsweise kann das Verbundbauteil durch Zerspanen wie Fräsen und/oder Schmieden, etwa Gesenkschmieden, bearbeitet werden. Eine Umformung kann mit oder ohne Erwärmung realisiert werden.
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Ein Verbundbauteil meint ein aus mehreren Materialien hergestelltes Bauteil. Diese Ausgestaltung ermöglicht den Vorteil einer besonders einfachen Herstellung des Hybridbauteils.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Getriebe für ein Kraftfahrzeug. Dieses umfasst wenigstens ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Hybridbauteil, insbesondere ein Hybridzahnrad.
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Ein Getriebe meint hier eine mechanische Vorrichtung, mit der eine Kraft oder ein Drehmoment bzw. eine Geschwindigkeit oder auch eine Drehzahl miteinander gekoppelter Maschinenelemente geändert werden können. Insbesondere ist das Schaltgetriebe eines Kraftfahrzeugs gemeint. Dieses kann manuell oder automatisch steuerbar sein. Das erfindungsgemäße Getriebe weist durch das erfindungsgemäße Hybridbauteil eine hohe Lebensdauer bzw. mechanische Festigkeit bei gleichzeitig geringer Masse auf.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Dieses weist wenigstens ein erfindungsgemäßes Getriebe und/oder wenigstens ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Hybridbauteil auf.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Hybridbauteil, insbesondere ein Hybridzahnrad.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
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Es zeigen
- 1: eine schematische Seitenansicht eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Hybridbauteils, nämlich eines Hybridzahnrads,
- 2: eine Seitenansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Schwungscheibe, sowie
- 3: eine perspektivische Ansicht einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Kupplungsscheibe.
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1 zeigt ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Hybridbauteil 5, nämlich ein Hybridzahnrad. Es umfasst ein Halbzeug 12 aus einem ersten Material 10, welches hier als Aluminium-Legierung ausgestaltet ist. Das Halbzeug 12 ist in Bezug zu einer mittleren Längsachse rotationssymmetrisch ausgestaltet, nämlich rohrförmig. Demnach weist es eine zylindrische Grundform auf. Das Halbzeug 12 wurde an seinem Umfang mittels Kaltgasspritzen mit einem zweiten Material 20, nämlich Stahl, beschichtet. Auf diese Weise wurde die nach außen weisende Oberfläche 40 des Halbzeugs 12 mit einer eine höhere Festigkeit aufweisenden Schicht versehen und somit die mechanische Belastbarkeit des erzeugten Hybridbauteils 5 in diesem Bereich erhöht. Zwischen dem ersten Material 10 und dem zweiten Material 20 wurde durch das Kaltgasspritzen eine stoffschlüssige Verbindung erzielt und es kam nicht zu einer Erhitzung des ersten Materials 10.
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Aufgrund der verwendeten ersten und zweiten Materialien 10, 20 beträgt das Verhältnis V der Dichte D2 des zweiten Materials 20 zur Dichte D1 des ersten Materials 10 zwischen 2,8 und 3,0.
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Das Halbzeug ist als Nabe 42 ausgestaltet, sodass es bzw. das hergestellte Hybridbauteil 5 auf eine Welle angeordnet werden kann. Mit anderen Worten weist das Hybridbauteil 5 eine in Bezug zu seiner Drehsymmetrieachse koaxial angeordnete Durchgangsöffnung 44 auf.
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Das zweite Material 20 wurde derart am ersten Material 10 angeordnet, dass regelmäßig angeordnete Formelemente des zweiten Materials 20 auf der Oberfläche 40 des Halbzeugs 12 gebildet wurden. Mit anderen Worten erfolgte der Auftrag des zweiten Materials 20 auf das erste Material 10 auf gezielte Weise ungleichmäßig. Das Material dieser Formelemente ist im fertiggestellten Hybridzahnrad im Wesentlichen in den Zähnen 47 angeordnet. Nach der Anordnung des zweiten Materials 20 wurde das hergestellte Verbundbauteil einem Umformprozess, nämlich Gesenkschmieden, unterzogen, um seine endgültige Form herzustellen. Dabei wurden in erster Linie die Formelemente umgeformt.
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Nach dem Anordnen des zweiten Materials 20 erfolgte die Anordnung eines dritten Materials 30 auf der Oberfläche des zweiten Materials 20, um die Härte des Hybridzahnrads im Bereich der Zähne 47 weiter zu erhöhen. Dies wurde hier mittels Auftragschweißen eines geeigneten Stahls auf das zweite Material realisiert. Insbesondere, aber nicht notwendigerweise, erfolgt dies vor der Umformung. Das dritte Material 30 enthält Stahlpulver und Hartstoffpartikel, beispielsweise keramische Partikel, die eine größere Härte aufweisen als das Material des Stahlpulvers. Mit anderen Worten ist das dritte Material 30 aus wenigstens zwei Phasen zusammengesetzt.
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Das Aluminium-Rohr wurde zur Herstellung des Hybridzahnrads weiterhin mit einem trennenden Verfahren, beispielsweise Schneiden, geteilt. Es ist für die Erfindung unerheblich, ob das Halbzeug 12 vor oder nach der Durchführung des trennenden Verfahrens mit dem zweiten Material 20 beschichtet wurde. Somit kann das Halbzeug 12 bei der Anordnung des zweiten Materials 20 entlang der senkrecht zur Darstellungsebene ausgerichteten Längsachse eine Erstreckung in der Größenordnung von Millimetern bis Metern aufweisen.
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2 zeigt als Hybridbauteil 5 eine erfindungsgemäß hergestellte Schwungscheibe. Diese umfasst ein als Nabe 42 ausgestaltetes Halbzeug 12 aus einem ersten Material, nämlich Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung. Umfangsseitig wurden analog zu 1 und dem oben beschriebenen Herstellungsverfahren Zähne 47 aus dem zweiten Material 20, nämlich Stahl, angeordnet. Diese dienen dem Eingriff des Anlassers. Sie weisen somit eine höhere Festigkeit als das Halbzeug 12 auf. Zusätzlich wurde eine die Schwungscheibe axial begrenzende Seite zumindest bereichsweise mittels Kaltgasspritzens mit einem weiteren zweiten Material 20 beschichtet, um auf diese Weise eine Reibfläche zum Eingriff der Kupplungsscheibe herzustellen. Das dafür genutzte zweite Material 20 umfasst wenigstens zwei Phasen, wobei eine erste Phase aus Partikeln besteht, die eine größere Härte aufweisen als eine zweite Phase, insbesondere aus keramischen Partikeln. Auf diese Weise ist die Reibfläche besonders widerstandsfähig und der Verschleiß wird minimiert. Mit anderen Worten ist das Halbzeug 12 umfangsseitig sowie axial wenigstens bereichsweise mit unterschiedlichen, hinsichtlich der jeweiligen mechanischen Anforderungen gewählten zweiten Materialien 20 beschichtet.
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3 zeigt als Hybridbauteil 5 eine Kupplungsscheibe, bei der analog zu 2 und der obigen Beschreibung ein Bereich einer die Kupplungsscheibe axial begrenzenden Seite mit einem harte Partikel aufweisenden zweiten Material 20 beschichtet ist, um eine besonders widerstandsfähige Reibfläche zur Verfügung zu stellen. Auch hier enthält das zweite Material 20 Eisen und ist insbesondre ein Stahl. Wie bei den in den 1 und 2 gezeigten Hybridbauteilen 5 ist auch hier durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. durch den Aluminium enthaltenden Grundkörper im Vergleich zu herkömmlich hergestellten Bauteilen eine besonders geringe Masse der Hybridbauteile 5 erreichbar.
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Bezugszeichenliste
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| Hybridbauteil |
5 |
| Erstes Material |
10 |
| Halbzeug |
12 |
| Zweites Material |
20 |
| Drittes Material |
30 |
| Oberfläche |
40 |
| Nabe |
42 |
| Durchgangsöffnung |
44 |
| Zähne |
47 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013020800 A1 [0005]
- DE 102015009051 A1 [0006]
- DE 102015102297 A1 [0007]
