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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks, das zumindest teilweise aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht.
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Werkstücke aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung können in verschiedenen Fertigungsschritten hergestellt werden. Bei den Fertigungsschritten kann es sich beispielsweise um eine spanende Bearbeitung, wie zum Beispiel Drehen oder Fräsen, Schleifen oder Polieren handeln. Je nach Fertigungsschritt kann es vorteilhaft sein, wenn das Werkstück eine definierte Härte aufweist. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn das Werkstück bei der spanenden Bearbeitung eine hohe Härte bzw. Sprödigkeit aufweist. Beim Schleifen und/oder Polieren kann demgegenüber eine geringere Härte des Werkstücks vorteilhaft sein. Es ist jedoch bislang kein Verfahren bekannt, mit dem die Härte eines Werkstücks aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung für unterschiedliche Fertigungsschritte flexibel und/oder kosteneffizient anpassbar ist.
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Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Herstellung eines zumindest teilweise aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Werkstücks angegeben werden, bei dem eine Härte des Werkstücks flexibel anpassbar ist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Es ist darauf hinzuweisen, dass die in den abhängigen Patentansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technologisch sinnvoller, Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Hierzu trägt ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks bei, das zumindest die folgenden Schritte umfasst:
- a) Formen des Werkstücks, wobei das Werkstück zumindest teilweise aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht; und
- b) Nitrieren oder Denitrieren des Werkstücks.
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Das Werkstück kann zumindest teilweise oder vollständig aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Bei Messing handelt es sich insbesondere um eine Legierung, die Kupfer und Zink umfasst. Bei dem Werkstück kann es sich beispielsweise um eine beschichtete Werkzeugeinlage, einen Schließzylinder oder ein Maschinenteil, wie zum Beispiel eine Führung handeln. In Schritt a) wird das Werkstück geformt. Das Formen des Werkstücks kann beispielsweise durch Urformen erfolgen. Urformen ist ein Fertigungsverfahren, bei dem aus einem formlosen Material ein fester Körper hergestellt wird, wie zum Beispiel Gießen. Weiterhin kann das Werkstück zumindest teilweise durch ein spanendes Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel Bohren, Drehen oder Fräsen, hergestellt sein. Bei der spanenden Fertigung wird von einem Rohteil Material in Form von Spänen entfernt. Zudem kann das Formen des Werkstücks in Schritt a) zumindest teilweise durch ein additives Fertigungsverfahren, wie zum Beispiel 3D-Drucken, erfolgen.
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In Schritt b) wird das Werkstück nitriert oder denitriert. Durch Nitrieren kann eine Härte des Werkstücks erhöht und durch Denitrieren die Härte des Werkstücks reduziert werden. Bei Nitrieren handelt es sich um ein Verfahren, bei dem dem Werkstück Stickstoff zugeführt wird. Hierdurch entstehen in dem Werkstück Nitride. Durch das Nitrieren kann insbesondere die Härte einer Oberfläche des Werkstücks erhöht werden. An der Oberfläche des Werkstücks bildet sich durch Eindiffusion von Stickstoff in die Oberfläche des Werkstücks eine sehr harte oberflächliche Schicht. Das Nitrieren kann beispielsweise bei einer Temperatur von 320 °C bis 750 °C und/oder mit einer Behandlungsdauer von 0,5 Stunden bis 48 Stunden erfolgen. Das Nitrieren kann mittels Gas, beispielsweise einer Stickstoff-Atmosphäre, einer Flüssigkeit, beispielsweise einem Salzbad, und/oder Plasma, beispielsweise mittels einer ionisierten Gasatmosphäre, erfolgen. Weiterhin kann das Nitrieren die Härte des Werkstücks bzw. die Härte der Oberfläche des Werkstücks insbesondere um mindestens 10 %, beispielsweise 20 % bis 50 % erhöhen (zum Beispiel ausgehend von einer ursprünglichen Härte des Werkstücks bzw. ausgehend von einer ursprünglichen Härte des Materials des Werkstücks von 80 BHN (Brinell Hardness Number)). Das Werkstück bzw. die Oberfläche des Werkstücks kann nach dem Nitrieren oder 3D-Drucken beispielsweise eine Härte von 90 BHN bis 150 BHN aufweisen. Nach dem Nitrieren kann das Werkstück insbesondere besonders gut mechanisch weiterbearbeitet werden. Zudem kann eine Verschleißanfälligkeit des Werkstücks reduziert werden. Durch das Denitrieren kann die Härte des Werkstücks bzw. die Härte der Oberfläche des Werkstücks insbesondere um mindestens 10 %, beispielsweise 10 % bis 50 % reduziert werden (zum Beispiel ausgehend von einer ursprünglichen Härte des Werkstücks von 90 bis 150 BHN). Nach dem Denitrieren kann das Werkstück beispielsweise eine Härte von 80 BNH bis 100 BNH aufweisen. Insbesondere kann das Werkstück nach dem Denitrieren besonders gut geschliffen und/oder poliert werden. Durch die geringe Härte können beim Schleifen und/oder Polieren des Werkstücks beispielsweise Oberflächenfehler, wie zum Beispiel (kleine) Risse, (kleine) Poren und/oder (kleine) Fehlstellen, abgedeckt werden, weil sich das Material des Werkstücks infolge der Wärmeentwicklung beim Schleifen und/oder Polieren plastisch verformen kann. Bei dem Verfahren zur Herstellung des Werkstücks kann das Werkstück insbesondere zuerst nitriert und, gegebenenfalls nach einer mechanischen Bearbeitung, anschließend denitriert werden.
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Das Denitrieren kann durch Glühen erfolgen. Das Glühen kann beispielsweise oberhalb einer Rekristallisierungstemperatur des Materials des Werkstücks erfolgen. Hierzu kann das Werkstück insbesondere in einem (elektrischen) Ofen angeordnet werden.
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Das Glühen kann bei einer Temperatur von mehr als 350 °C erfolgen. Vorzugsweise kann das Glühen bei einer Temperatur von mehr als 580 °C, besonders bevorzugt 590 °C bis 610 °C, erfolgen. Das Glühen kann beispielsweise mit einer Dauer von 4 Stunden bis 24 Stunden erfolgen.
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Bei dem Werkstück kann es sich um eine Komponente für eine Sanitärarmatur handeln. Eine solche Sanitärarmatur dient insbesondere der bedarfsgerechten Bereitstellung einer Flüssigkeit, insbesondere Wasser, an einem Waschbecken, einem Spülbecken, einer Dusche und/oder einer Badewanne. Hierzu kann die Sanitärarmatur ein Mischventil oder eine Mischkartusche aufweisen, mittels denen Kaltwasser mit einer Kaltwassertemperatur und Warmwasser mit einer Warmwassertemperatur zu einem Mischwasser mit einer gewünschten Mischwassertemperatur mischbar sind. Die Kaltwassertemperatur beträgt insbesondere maximal 25 °C (Celsius), bevorzugt 1 °C bis 25 °C, besonders bevorzugt 5 °C bis 20 °C und/oder die Warmwassertemperatur insbesondere maximal 90 °C, bevorzugt 25 °C bis 90 °C, besonders bevorzugt 55 °C bis 65 °C. Das Mischventil oder die Mischkartusche sind regelmäßig in einem Armaturengehäuse der Sanitärarmatur angeordnet und/oder mittels zumindest eines Betätigungselements, beispielsweise nach Art eines Hebels, zur Einstellung der Mischwassertemperatur und/oder einer Durchflussmenge der Flüssigkeit betätigbar. Das Armaturengehäuse kann einen Auslauf umfassen, der fest oder schwenkbar mit dem Armaturengehäuse verbindbar ist. Das Mischwasser kann beispielsweise über einen Strahlbildner, Aerator und/oder eine Düse an einer Umgebung der Sanitärarmatur abgebbar sein. Bei der Komponente kann es sich insbesondere um das Armaturengehäuse, den Auslauf, das Betätigungselement, den Strahlbildner, den Aerator und/oder die Düse handeln.
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Das Werkstück kann in Schritt a) zumindest teilweise 3D-gedruckt werden. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das Werkstück zumindest teilweise mithilfe eines 3D-Druckers hergestellt wird. Der 3D-Drucker kann zur Herstellung des Werkstücks insbesondere pulverförmiges Material verwenden. Das pulverförmige Material kann beispielsweise in dem 3D Drucker und/oder auf der Grundplatte des 3D Druckers bereitgestellt werden. Bei dem pulverförmigen Material kann es sich beispielsweise um pulverförmiges Metall handeln. Das pulverförmige Material kann zumindest teilweise aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehen. Das pulverförmige Material umfasst eine Vielzahl von Partikeln. Insbesondere kann die Bereitstellung des pulverförmigen Materials in Form eines Pulverbetts erfolgen. Weiterhin kann das 3D-Drucken ein zumindest teilweises schichtweises Aufbauen des Volumens des Werkstücks durch partielle Bestrahlung bzw. Belichtung des pulverförmigen Materials umfassen. Die Bestrahlung kann beispielsweise durch einen Laserstrahl oder Elektronenstrahl erfolgen. Weiterhin führt die Bestrahlung an der bestrahlten Stelle des pulverförmigen Materials zu einem Schmelzen der Partikel des pulverförmigen Materials, sodass sich die einzelne Partikel des pulverförmigen Materials miteinander verbinden. Unter schichtweisem Aufbauen des Volumens kann beispielsweise verstanden werden, dass mehrere Schichten nacheinander übereinander bzw. Schicht für Schicht gebildet werden. Dabei beschreibt eine Schicht im Wesentlichen einen horizontalen Querschnitt durch das Werkstück. In diesem Zusammenhang kann auch vorgesehen sein, dass das schichtweise Aufbauen in bzw. mit einem Pulverbett aus dem pulverförmigen Material durchgeführt wird. Das 3D-Drucken kann beispielsweise mittels selektivem Laserschmelzen (SLM) oder selektiven Lasersintern (SLS) erfolgen.
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Das Nitrieren in Schritt b) kann beim 3D-Drucken in Schritt a) erfolgen. Hierzu kann das 3D-Drucken unter einer Schutzgasatmosphäre erfolgen, die Stickstoff umfasst oder die aus Stickstoff besteht. Hierdurch kann nicht nur die Oberfläche des Werkstücks gehärtet werden, sondern ein gesamter gedruckter Bereich des Werkstücks bzw. das vollständige Werkstück.
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Das Werkstück kann mechanisch bearbeitet werden. Die mechanische Bearbeitung kann beispielsweise Bohren, Fräsen oder Drehen umfassen. Die mechanische Bearbeitung kann beispielsweise nach Schritt a) und/oder nach Schritt b) erfolgen. Im Falle eines 3D-gedruckten Werkstücks kann die mechanische Bearbeitung beispielsweise nach dem 3D-Drucken erfolgen, insbesondere wenn das Werkstück beim 3D-Drucken nitriert wurde. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das Werkstück 3D-gedruckt, nitriert und anschließend mechanisch bearbeitet wird. Bei einem nicht 3D-gedruckten Werkstück kann die mechanische Bearbeitung beispielsweise vor und/oder nach dem Nitrieren erfolgen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das Werkstück mechanisch bearbeitet und dann nitriert wird.
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Das Werkstück kann nach der mechanischen Bearbeitung denitriert werden. Insbesondere bei dem 3D-gedruckten Werkstück kann das Denitrieren nach der mechanischen Bearbeitung erfolgen. Dies kann insbesondere bedeuten, dass das Werkstück 3D-gedruckt, nitriert, mechanisch bearbeitet und anschließend denitriert wird.
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Das Werkstück kann nach dem Denitrieren geschliffen oder poliert werden. Im Falle des 3D-gedruckten Werkstücks kann dies insbesondere bedeuten, dass dieses 3D-gedruckt, nitriert, mechanisch bearbeitet, denitriert und anschließend geschliffen und/oder poliert wird.
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Das Werkstück kann beschichtet werden. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Verchromung und/oder eine Lackierung umfassen. Das Beschichten kann im Falle des 3D-gedruckten Werkstücks beispielsweise nach dem Schleifen und/oder Polieren erfolgen. Weiterhin kann das Beschichten im Falle des nicht 3D-gedruckten Werkstücks beispielsweise nach dem Nitrieren erfolgen.
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Die vorgeschlagene Erfindung sowie deren technisches Umfeld werden nachfolgend mit Bezug auf die Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch das gezeigte Ausführungsbeispiel nicht beschränkt werden soll. Insbesondere können Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte extrahiert und mit anderen Teilen der Beschreibung kombinieren werden. Es zeigen beispielhaft und schematisch:
- 1: ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstücks in einem Flussdiagramm; und
- 2: ein nach diesem Verfahren hergestelltes Werkstück.
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1 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines in der 2 gezeigten Werkstücks 1 in einem Flussdiagramm. In einem Schritt a) wird ein zumindest teilweise aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehendes Werkstück 1 geformt. Während oder nach Schritt a) wird das Werkstück 1 nitriert oder denitriert.
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2 zeigt das Werkstück 1 in einer Seitenansicht. Bei dem Werkstück 1 handelt es sich um eine Komponente 2 für eine Sanitärarmatur, wobei die Komponente 2 nach Art eines Armaturengehäuses ausgebildet ist. Das Werkstück 1 wurde im Schritt a) mit einem hier nicht dargestellten 3D-Drucker gedruckt. Das 3D-Drucken erfolgte unter einer Stickstoff-umfassenden Schutzgasatmosphäre. Hierdurch wurde das Werkstück gleichzeitig zu Schritt a) in einem Schritt b) nitriert, wodurch eine Härte einer Oberfläche 3 des Werkstücks 1 erhöht wurde. Anschließend wurde das Werkstück 1 in einem Schritt c) mechanisch bearbeitet. Daraufhin erfolgte in einem Schritt d) ein Denitrieren des Werkstücks 1, wodurch die Härte der Oberfläche 3 des Werkstücks 1 reduziert wurde. Anschließend wurde die Oberfläche 3 des Werkstücks 1 in einem Schritt e) geschliffen und poliert.
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Durch die Erfindung kann eine Härte eines zumindest teilweise aus Messing, Kupfer oder einer Kupferlegierung bestehenden Werkstücks angepasst werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Werkstück
- 2
- Komponente
- 3
- Oberfläche
