DE112012007182T5

DE112012007182T5 - Verfahren zum Behandeln eines Gusseisenwerkstücks und durch dieses gebildetes Werkstück

Info

Publication number: DE112012007182T5
Application number: DE112012007182.4T
Authority: DE
Inventors: Jianfeng Wang; Xiaochuan Xiong
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2015-08-13
Also published as: US20140149053A1; WO2014082238A1; CN104797732B; CN104797732A; US20150292053A1; US20140143992A1

Abstract

Ein Verfahren zum Behandeln eines Gusseisenwerkstücks, um dessen Nutzungslebensdauer zu verlängern, umfasst, dass das Werkstück maschinell bearbeitet wird, um auf diesem eine endbearbeitete Oberfläche bereitzustellen, und dass die endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks verformt wird, indem die endbearbeitete Oberfläche gegen ein stumpfes Werkzeug gerieben wird, wodurch eine nanokristallisierte Oberflächenschicht gebildet wird. Das Werkstück wird nitrocarburiert, wobei die nanokristallisierte Oberflächenschicht die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch diese beschleunigt. Das Nitrocarburieren findet statt: i) wenn das Werkstück vor der maschinellen Bearbeitung spannungsarm geglüht wird, für eine Zeitdauer, die von ungefähr 1 Stunde bis ungefähr 2 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 550°C bis ungefähr 570°C reicht, oder ii) wenn das Werkstück vor der maschinellen Bearbeitung nicht spannungsarm geglüht wird, für ungefähr 5 Stunden bis ungefähr 10 Stunden bei einer Temperatur, die von ungefähr 370°C bis ungefähr 450°C reicht. Das Nitrocarburieren wandelt die nanokristallisierte Oberflächenschicht in i) eine Reibungsoberfläche oder ii) eine korrosionsbeständige Oberfläche um.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren zum Behandeln von Gusseisenwerkstücken und durch diese gebildete Werkstücke.
HINTERGRUND
Gusseisenmaterialien können in Anwendungen verwendet werden, in denen eine Beständigkeit gegenüber Oberflächenabnutzung durch Reibung wünschenswert ist. Unbehandelte Gusseisenmaterialien neigen im Allgemeinen zum Korrodieren, wenn sie den Umgebungen ausgesetzt werden, in denen sie verwendet werden. Einige Oberflächenbehandlungen, z. B. Lackieren, neigen zu einer schnellen Abnutzung, und/oder sie können schädlich für die korrekte Funktionsweise der Gusseisenmaterialien sein.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Verfahren zum Behandeln eines Gusseisenwerkstücks, um dessen Nutzungslebensdauer zu verlängern, umfasst, dass das Werkstück maschinell bearbeitet wird, um auf diesem eine endbearbeitete Oberfläche bereitzustellen, und dass die endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks verformt wird, indem die endbearbeitete Oberfläche gegen ein stumpfes Werkzeug gerieben wird, wodurch eine nanokristallisierte Oberflächenschicht gebildet wird. Das Werkstück wird nitrocarburiert, wobei die nanokristallisierte Oberflächenschicht die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch diese beschleunigt. Das Nitrocarburieren findet statt: i) wenn das Werkstück vor der maschinellen Bearbeitung spannungsarm geglüht wird, für eine Zeitdauer, die von ungefähr 1 Stunde bis ungefähr 2 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 550°C bis ungefähr 570°C reicht, oder ii) wenn das Werkstück vor der maschinellen Bearbeitung nicht spannungsarm geglüht wird, für eine Zeitdauer, die von ungefähr 5 Stunden bis ungefähr 10 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 370°C bis ungefähr 450°C reicht. Das Nitrocarburieren wandelt die nanokristallisierte Oberflächenschicht in i) eine Reibungsoberfläche oder ii) eine korrosionsbeständige Oberfläche um.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile von Beispielen der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen offensichtlich werden, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen Komponenten entsprechen, auch wenn diese vielleicht nicht identisch sind. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine zuvor beschriebene Funktion aufweisen, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie erscheinen, beschrieben werden oder auch nicht.
1 ist eine Perspektivansicht einer Scheibenbremsenbaugruppe gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
2 ist eine Seitenansicht einer Trommelbremsenbaugruppe gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
3 ist eine schematische Perspektivansicht, die ein Beispiel eines Werkstücks und eines Werkzeugs zeigt, das dieses bearbeitet;
3A ist eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht eines Abschnitts des Werkstücks und des Werkzeugs von 3 und zeigt, dass das Werkzeug die nanokristallisierte Oberflächenschicht bildet;
4 ist eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel des Werkstücks in einer nitrocarburierenden Umgebung zeigt;
4A ist eine schematische Darstellung eines Querschnitts und zeigt ein Beispiel einer Verbindungsschicht nach ferritischer Nitrocarburierung bei einem mikroskopischen Vergrößerung;
5 ist eine Perspektivansicht einer Bremsscheibe gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
6 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM-Aufnahme) ähnlich der Ansicht von 4 und stellt jedoch ein Beispiel eines tatsächlichen Werkstücks dar, das die Mikrostruktur des Substrats und der nanokristallisierten Oberflächenschicht zeigt;
7 ist eine Perspektivansicht einer Bremstrommel gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
8 ist eine Perspektivansicht, welche die Innenseite der Bremstrommel zeigt, die in 7 dargestellt ist;
9 ist eine Perspektivansicht eines Drum-in-Hat-Drehelements;
10 ist eine Querschnittsansicht des Drum-in-Hat-Drehelements, das in 9 dargestellt ist;
11A ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
11 B ist ein Flussdiagramm, das ein anderes Beispiel eines Verfahrens gemäß der vorliegenden Offenbarung darstellt;
12 ist eine Perspektivansicht einer Welle gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung;
13 ist eine Perspektivansicht einer Motorblock-Zylinderlaufbüchse gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung; und
14 ist eine Perspektivansicht, welche die Innenseite der Bremstrommel, die in 8 dargestellt ist, mit einer schematischen Ansicht eines Werkzeugs zeigt, das diese bearbeitet.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beispiele der vorliegenden Offenbarung schaffen vorteilhafterweise einen Oberflächen-Nanokristallisierungsprozess für schnellere und energieeffizientere Behandlungen mit ferritischer Nitrocarburierung (FNC-Behandlungen) von Gusseisen.
Allgemein umfassen Verfahren gemäß den Beispielen der vorliegenden Offenbarung eine Oberflächen-Nanokristallisierung, beispielsweise durch Verformen gegen ein stumpfes Werkzeug, und eine beschleunigte Diffusion von Stickstoff- und Kohlenstoffatomen durch die nanokristallisierte Oberflächenschicht hindurch, um eine im Wesentlichen rostfreie und gegenüber Abnutzung/Ermüdung hochbeständige Verkleidung auf Gusseisen-Komponenten/Werkstücken zu bilden.
Es versteht sich, dass die Verformung gegen das stumpfe Werkzeug bei den Beispielen der vorliegenden Offenbarung ein heftige plastische Verformung ist, die lokal an dem Ort des Kontakts zwischen dem stumpfen Werkzeug und Werkstück stattfindet. Die Verformung erfolgt im Wesentlichen ohne die Bildung von Splittern und ohne das Entfernen von Material bei dem Prozess der Verformung. Ferner ist die lokale Verformung bei den Beispielen der vorliegenden Offenbarung von der globalen Verformung verschieden, die beim Drahtziehen oder Blechmetallwalzen auftreten würde. Obwohl die Verformung gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Nachbarschaft des stumpfen Werkzeugs erfolgt, kann eine große Oberfläche eines Werkstücks nanokristallisiert werden, indem das stumpfe Werkzeug systematisch auf die gesamte Oberfläche angewendet wird. Gemäß einem Beispiel kann eine zylindrische Oberfläche nanokristallisiert werden, indem der Zylinder gedreht wird, während das stumpfe Werkzeug entlang der Zylinderachse bewegt wird. Gemäß einem Beispiel nimmt das stumpfe Werkzeug einen spiralförmigen Weg über die gesamte Oberfläche des Zylinders. Es versteht sich ferner, dass mit dem stumpfen Werkzeug mehr als ein Durchlauf über die endbearbeitete Oberfläche ausgeführt werden kann. Gemäß einem Beispiel werden mit dem stumpfen Werkzeug vier Durchläufe über die endbearbeitete Oberfläche ausgeführt.
Eine herkömmliche ferritische Nitrocarburierung (FNC) benötigt üblicherweise ungefähr 5 bis 6 Stunden bei ungefähr 570°C, um eine 10 Mikrometer dicke harte Schicht auf einer Oberfläche von Metallteilen (beispielsweise Bremsrotoren) für eine bessere Beständigkeit gegenüber Abnutzung, Ermüdung und Korrosion zu erhalten. Im Gegensatz dazu können Beispiele des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung die FNC-Zeit vorteilhafterweise herunter auf ungefähr 1 bis 2 Stunden verringern, um die gleiche Dicke der harten Schicht zu erreichen und um dadurch die Energiekosten der Bearbeitung erheblich zu verringern.
Zuerst auf 11A Bezug nehmend, umfasst ein Beispiel 100 des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung, dass ein Gusseisenwerkstück gegossen wird (z. B. graues Gusseisen, Kugelgraphitgusseisen usw.), wie durch Bezugszeichen 102 dargestellt ist; dass das Gusseisenwerkstück spannungsarm geglüht wird, wie durch Bezugszeichen 104 dargestellt ist; dass das Werkstück maschinell bearbeitet wird, um auf diesem eine endbearbeitete Oberfläche bereitzustellen, wie durch Bezugszeichen 106 dargestellt ist; dass die endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks verformt wird, indem die endbearbeitete Oberfläche gegen ein stumpfes Werkstück gerieben wird (z. B. durch Drehen, wie hierin weiter beschrieben wird), wodurch eine nanokristallisierte Oberflächenschicht an der endbearbeiteten Oberfläche gebildet wird, wie durch Bezugszeichen 108 dargestellt ist; und dass das Werkstück für eine Zeitdauer, die von ungefähr 1 Stunde bis ungefähr 2 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 550°C bis ungefähr 570°C reicht, nitrocarburiert wird, wie durch Bezugszeichen 110 dargestellt ist.
Die nanokristallisierte Oberflächenschicht beschleunigt/erleichtert die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch diese hindurch. Es versteht sich, dass die nanokristallisierte Oberflächenschicht (die nachstehend bei Bezugszeichen 70 beschrieben ist) eine beliebige geeignete Dicke aufweist. Gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung reicht die Dicke der nanokristallisierten Oberflächenschicht 70 jedoch von ungefähr 3 μm bis ungefähr 15 μm. Gemäß einem weiteren Beispiel liegt die Dicke der nanokristallisierten Oberflächenschicht 70 bei ungefähr 8 μm.
Nun auf 11B Bezug nehmend, umfasst ein anderes Beispiel 100' des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung, dass ein Gusseisenwerkstück gegossen wird, wie durch Bezugszeichen 102 dargestellt ist; dass das Werkstück maschinell bearbeitet wird, um auf diesem eine endbearbeitete Oberfläche bereitzustellen, wie durch Bezugszeichen 106 dargestellt ist; dass die endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks verformt wird, indem die endbearbeitete Oberfläche gegen ein stumpfes Werkzeug gerieben wird (z. B. durch Drehen, wie hierin weiter beschrieben wird), wodurch eine nanokristallisierte Oberflächenschicht an der endbearbeiteten Oberfläche gebildet wird, wie durch Bezugszeichen 108 dargestellt ist; und dass das Werkstück für eine Zeitdauer, die von ungefähr 5 Stunden bis ungefähr 10 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 370°C bis ungefähr 450°C reicht, nitrocarburiert wird, wie durch Bezugszeichen 110' dargestellt ist. Die nanokristallisierte Oberflächenschicht beschleunigt/erleichtert die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch diese hindurch.
Bei jedem der vorstehenden Beispiele des vorliegenden Verfahrens wandelt die FNC die nanokristallisierte Oberflächenschicht in i) eine Reibungsoberfläche (nachstehend bei den Bezugszeichen 46, 46' weiter beschrieben) oder ii) eine korrosionsbeständige Oberfläche (z. B. Bezugszeichen 86, 86' in 4A und 12) um. Wie hierin verwendet, versteht es sich, dass eine ”Reibungs”-Oberfläche auch eine korrosionsbeständige Oberfläche sein kann (zusätzlich dazu, dass sie beständig gegenüber Abnutzung und Ermüdung ist); eine ”korrosionsbeständige” Oberfläche ist jedoch nicht notwendigerweise eine Reibungsoberfläche. Es versteht sich ferner, dass gemäß einem Beispiel die ”korrosionsbeständige” Oberfläche eine freie Oberfläche (keine Kontaktoberfläche) sein kann.
Die Verformung der nanokristallisierten Oberflächenschicht vor der FNC ermöglicht eine höhere Diffusionsrate für Stickstoff und Kohlenstoff in das Gusseisenwerkstück hinein, welche zu einem beträchtlich effizienteren FNC-Prozess führt.
Ohne an irgendeine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass zumindest die folgenden drei Aspekte mittels der Verfahren der vorlegenden Offenbarung verbessert werden: 1. bei herkömmlichen FNC-Temperaturen (z. B. Verfahren 100) kann die FNC-Bearbeitungszeit herunter auf ungefähr 1 Stunde bis 2 Stunden verringert werden (von den herkömmlichen 5 bis 6 Stunden); 2. alternativ (z. B. Verfahren 100') kann die FNC bei einer geringen Temperatur ausgeführt werden, bei welcher eine herkömmliche FNC thermodynamisch keine harte Nitridschicht erzeugen kann. Diese Behandlung bei geringer Temperatur kann zu einer besseren Abmessungsstabilität führen, wodurch die Notwendigkeit eines Schritts des spannungsarmen Glühens in einigen Fällen beseitigt wird; und 3. die an der Oberfläche nanokristallisierte Mikrostruktur kann selbst zu einem besseren Abnutzungs- und Ermüdungsverhalten des Werkstücks beitragen.
Nun auf 3 Bezug nehmend, ist ein Beispiel eines Werkstücks (z. B. eines Drehelements/Bremsrotors 12, 39) und eines harten, stumpfen Werkzeugs 80 gezeigt, das dieses bearbeitet (dies findet nach der maschinellen Endbearbeitung des Gusseisenwerkstücks statt). Das Werkstück ist derart dargestellt, dass es um eine Achse gedreht wird, während das Werkzeug 80 ein Pellet 82 (das beispielsweise aus einer Eisen-Wolfram-Legierung, Siliziumcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Diamant, gehärtetem Werkzeugstahl oder dergleichen hergestellt ist) in Kontakt mit der endbearbeiteten Oberfläche aufweist. Es versteht sich, dass gemäß den Beispielen der vorliegenden Offenbarung das Werkstück, das Werkzeug 80, 80' (siehe 14) oder beide gedreht werden können, während das Werkzeug 80, 80' das Werkstück bearbeitet. Darüber hinaus können bei den Beispielen der vorliegenden Offenbarung weder das Werkzeug 80, 80' noch das Werkstück gedreht werden, sondern es kann stattdessen das Werkzeug 80, 80' bewegt werden, z. B. vorwärts und rückwärts in Querrichtung, während das Werkstück in Längsrichtung verschoben wird, und umgekehrt. Es versteht sich ferner, dass andere Verfahren, welche das Werkzeug 80, 80' in einen verformenden Reibekontakt mit dem Werkstück bringen, derart in Betracht gezogen werden, dass sie innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen.
Das Werkzeug 80, 80' wendet eine Verformungskraft auf die endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks an. Bei einem Beispiel kann das stumpfe Werkzeug 80, 80' vorgeschoben werden, indem eine Leitspindel gedreht wird, welche den Vorschub des stumpfen Werkzeugs 80, 80' in eine sich drehende endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks um ungefähr 0,03 mm über den ersten Kontakt zwischen dem sich drehenden Werkstück und dem stumpfen Werkzeug 80 hinaus steuert. Es versteht sich, dass der Vorschub des stumpfen Werkzeugs 80, 80' um ungefähr 0,03 mm aufgrund der elastischen Verformung des Werkstücks, des Pellets 82 und der Halterungsbefestigung des stumpfen Werkzeugs 80 nicht notwendigerweise ein Eindringen von 0,03 mm in das Teil hinein erzeugt. Ferner ist das Pellet 82 nicht scharf, und es schneidet nicht in die endbearbeitete Oberfläche ein. Das stumpfe Werkzeug 80 organisiert die Kristallstruktur der endbearbeiteten Oberfläche um, und zwar im Wesentlichen ohne das Entfernen von Material von dieser. Es versteht sich, dass die Verformung der endbearbeiteten Oberfläche mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Eine Änderung in den Reflexionseigenschaften der endbearbeiteten Oberfläche kann jedoch mit dem bloßen Auge beobachtbar sein.
Bei einem Beispiel kann das Werkzeug 80 bewirken, dass das Pellet 82 relativ zu dem Werkstück schwingt (wie durch den doppelseitigen Pfeil V angegeben ist, der als Strichlinie in 3 gezeigt ist). Die Schwingung kann bei Ultraschallfrequenzen ausgeführt werden (z. B. bei ungefähr 10.000 Hz bis ungefähr 100.000 Hz).
3A ist eine vergrößerte schematische Ansicht, die das Pellet 82 des Werkzeugs 80 zeigt, welches eine nanokristallisierte Oberflächenschicht 70 an der Oberfläche des Werkstücksubstrats 84 bildet. Es versteht sich, dass das Pellet 82 eine Kugel, eine sphärische Kappe, eine Laufrolle, eine parabolische Form oder eine beliebige Form sein kann, die eine lokale Vertiefung an der endbearbeiteten Oberfläche herstellt oder eine schwere Verformung erzeugt, wenn sie das Werkstück bearbeitet (z. B. durch Drehen des Werkstücks gegen diese).
Bei den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann ein Kühlmittel auf das Werkzeug und/oder das Werkstück aufgebracht werden. Es versteht sich, dass die Wärmeübertragungseigenschaften des Kühlmittels die Werkzeuglebensdauer und die Nanokristallisierungseigenschaften verbessern können, eine Schmierung kann jedoch in einigen Fällen schädliche Auswirkungen auf das hierin offenbarte Verfahren aufweisen. Beispiele geeigneter Kühlmittel sind Wasser, Luft, Kohlendioxidgas und Stickstoffgas, die im Allgemeinen keine hohe Schmierfähigkeit, aber gute Wärmeübertragungseigenschaften aufweisen.
4 ist eine vergrößerte, schematische Querschnittsansicht, die ein Beispiel des Werkstücks in einer nitrocarburierenden Umgebung zeigt. Die nanokristallisierte Oberflächenschicht 70 erleichtert beispielsweise aufgrund einer vergrößerten Anzahl von Korngrenzen die Diffusion des Stickstoffs und des Kohlenstoffs durch diese in Richtung des Basismaterialsubstrats 84 während des FNC-Prozesses bzw. der FNC-Prozesse 110, 110'.
Beispiele der Verfahren der vorliegenden Offenbarung sind relativ leicht auszuführen und können auf viele Werkstücke angewendet werden (von denen ein Beispiel eine Komponente mit Axialsymmetrie ist, die während der Metallverarbeitung gedreht werden kann, z. B. eine Komponente mit einer Scheibenform oder einer Rundstabform). 12 zeigt eine Gusseisenwelle, die gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellt wurde. Die Gusseisenwelle 37 weist eine korrosionsbeständige Oberfläche 86' auf, die gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung gebildet ist. 13 zeigt eine Motorblock-Zylinderlaufbüchse aus Gusseisen, die gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung hergestellt ist. Die Motorblock-Zylinderlaufbüchse 35 aus Gusseisen weist eine innere Oberfläche 87 auf (die gemäß einem Beispiel der vorliegenden Offenbarung gebildet ist), welche einer Abnutzung aufgrund der Reibung durch Kolbenringe und der Korrosion Stand hält.
Ein Beispiel eines Gusseisenwerkstücks ist ein Drehelement einer Fahrzeugbremse. Eine Bremse 10 ist ein Energieumwandlungssystem, das zum Verlangsamen, Stoppen oder Halten eines Fahrzeugs verwendet wird. Während ein Fahrzeug allgemein ein Raumfahrzeug, ein Luftfahrzeug und Bodenfahrzeuge umfassen kann, wird eine Bremse 10 bei dieser Offenbarung zum Verlangsamen, Stoppen oder Halten eines Fahrzeugs mit Rädern bezüglich des Bodens verwendet. Spezieller, und wie es hierin offenbart ist, ist eine Bremse 10 ausgebildet, um zumindest ein Rad eines Fahrzeugs mit Rädern zu verlangsamen, zu stoppen oder zu halten. Der Boden kann mit einem Belag versehen sein.
Eine Fahrzeugbremse 10 kann eine Scheibenbremse 20, eine Trommelbremse 50 und Kombinationen von diesen umfassen. 1 zeigt ein Beispiel einer Fahrzeugbremse, insbesondere einer Scheibenbremse 20. Bei einer Scheibenbremse 20 ist ein Drehelement 12 typischerweise entfernbar an einem Rad (nicht gezeigt) durch mehrere Radstehbolzen 24, die zusammenwirkend mit Radmuttern (nicht gezeigt) in Eingriff stehen, an einer Radnabe 40 befestigt. Das Drehelement 12 in einer Scheibenbremse 20 kann als eine Bremsscheibe (oder ein Rotor) 39 bekannt sein. Der Rotor 39 kann Belüftungsschlitze 38 aufweisen, um die Kühlung zu verbessern und um die Steifigkeit der Bremsscheibe 39 zu erhöhen. Wenn ein Hydraulikfluid in einem Bremsschlauch 34 unter Druck gesetzt wird, bewirkt ein Kolben (nicht gezeigt) im Innern eines Kolbengehäuses 32 einer Zange 28, dass die Zange 28 die Bremsscheibe 39 zwischen Bremsbelägen 36 einklemmt, wodurch die Scheibenbremse 20 betätigt wird. Die Bremsbeläge 36 können ein Reibungsmaterial aufweisen, das eine Reibungsoberfläche 46 der Bremsscheibe 39 berührt, wenn die Scheibenbremse 20 betätigt wird. Wenn sich das Rad zu der Zeit dreht, zu der die Scheibenbremse 20 betätigt wird, wird kinetische Energie des sich bewegenden Fahrzeugs durch die Reibung zwischen den Bremsbelägen 36 und der Bremsscheibe 39 in Wärme umgewandelt. Ein Teil der Wärmeenergie kann die Temperatur der Bremsscheibe 39 vorübergehend erhöhen, mit der Zeit wird die Wärme jedoch in die Atmosphäre dissipiert, welche das Fahrzeug umgibt.
Nun auf 2 Bezug nehmend, ist ein Beispiel einer Trommelbremse 50 gezeigt. Das Drehelement 12' ist eine Bremstrommel 56 (siehe auch 7 und 8). Die Bremstrommel 56 ist enffernbar an einem Rad (nicht gezeigt) befestigt. Die Bremstrommel 56 kann Rippen 68 aufweisen, um die Kühlung zu verbessern und um die Steifigkeit der Bremstrommel 56 zu erhöhen. Wenn ein Hydraulikfluid in einem Radzylinder 52 unter Druck gesetzt wird, bewirkt ein Kolben 54, dass Bremsbacken 62 einen Bremsbelag 66 gegen die Bremstrommel 56 pressen, wodurch die Trommelbremse 50 betätigt wird. Es versteht sich, dass der Bremsbelag 66 ein Reibungsmaterial ist. Alternativ kann eine Trommelbremse 50 mechanisch betätigt werden, indem ein Hilfsbremshebel 64 mittels eines Hilfsbremsseils 58 betätigt wird. Der Hilfsbremshebel 64 bewirkt, dass die Backen 62 den Bremsbelag 66 gegen die Bremstrommel 56 drücken. Wenn sich das Rad zu der Zeit dreht, zu der die Trommelbremse 50 betätigt wird, wird kinetische Energie des sich bewegenden Fahrzeugs durch die Reibung zwischen dem Bremsbelag 66 und der Bremstrommel 56 in Wärme umgewandelt. Ein Teil der Wärmeenergie kann die Temperatur der Bremstrommel 56 vorübergehend erhöhen, mit der Zeit wird die Wärme jedoch in die Atmosphäre dissipiert, welche das Fahrzeug umgibt.
7 zeigt eine Perspektivansicht einer Bremstrommel 56 als ein Beispiel eines Drehelements 12'. 8 ist eine gedrehte Perspektivansicht der Bremstrommel 56, die in 7 gezeigt ist, und zeigt eine Ansicht der Innenseite der Bremstrommel 56. Die Reibungsoberfläche 46' ist in 8 sichtbar. Gemäß den Beispielen der vorliegenden Offenbarung kann das Werkstück in einem Prozess ähnlich dem Prozess, der hierin unter Bezugnahme auf 3 und 3A offenbart ist, nanokristallisiert werden. Wie in 14 gezeigt ist, kann ein Beispiel des stumpfen Werkzeugs 80' eine Ausbildung mit rechtem Winkel aufweisen, um einen Zugriff auf die Reibungsoberfläche 46' an einer Innenwand der Bremstrommel 56 zu schaffen. Wenn die Reibungsoberfläche 46' wie bei der beispielhaften Bremstrommel, die in 7 und 8 dargestellt ist, zylindrisch ist, wird as stumpfe Werkzeug 80' (siehe 14) in die endbearbeitete Oberfläche hinein vorgeschoben, indem das stumpfe Werkzeug 80' radial nach außen bewegt wird und indem das Pellet 82 mit der endbearbeiteten Oberfläche in Eingriff gelangt und die endbearbeitete Oberfläche in die nanokristallisierte Oberflächenschicht 70 (in 14 nicht gezeigt) sowie anschließend nach der ferritischen Nitrocarburierung (FNC) in die Reibungsoberfläche 46' umwandelt. Wie sowohl in 7 und 8 gezeigt ist, können Beispiele der Bremstrommel 56 Rippen 68 umfassen.
Es versteht sich, dass eine Scheibenbremse 20 mit einer Trommelbremse 50 kombiniert werden kann. Wie in 9 und 10 gezeigt ist, kann ein Drum-in-Hat-Drehelement 12'' in eine solche Kombination eingebunden sein. Bei einer Bremse vom Drum-in-Hat-Typ können kleine Bremsbacken mechanisch bzw. als eine Hilfsbremse mittels Seil betätigt werden, während der Flanschabschnitt als eine typische Scheibenbremse wirkt.
Das Drehelement 12, 12', 12'' weist eine Reibungsoberfläche 46, 46' auf, die mit einem Reibungsmaterial des Bremsbelags 36 oder des Bremsbackens 62 in Eingriff gelangt. Wenn eine Bremse betätigt wird, um ein Fahrzeug zu verlangsamen, können mechanische Abnutzung und Wärme bewirken, dass kleine Mengen sowohl des Reibungsmaterials als auch des Drehelements 12, 12', 12'' abgetragen werden. Es kann möglich sein, die Rate der Abnutzung des Drehelements 12, 12', 12'' oder des Reibungsmaterials zu verringern, indem der Reibungskoeffizient zwischen den beiden verringert wird, ein verringerter Reibungskoeffizient kann jedoch bewirken, dass die Bremse 10 weniger effektiv beim Verlangsamen des Fahrzeugs ist.
Bei Gusseisen besteht die Korrosion hauptsächlich aus der Bildung von Eisenoxiden. Eisenoxide sind porös, zerbrechlich und blättern leicht ab. Ferner kann die Korrosion einer Reibungsoberfläche uneinheitlich sein, wodurch die Bremsleistung und die Nutzungslebensdauer nachteilig beeinflusst werden. Daher kann die Korrosion zu einer unerwünscht schnellen Abnutzung der Reibungsoberfläche 46, 46' und des entsprechenden Reibungsmaterials führen.
Die ferritische Nitrocarburierung erzeugt eine Reibungsoberfläche 46, 46', die beständig gegenüber Korrosion und Abnutzung ist. Bei den Beispielen der vorliegenden Offenbarung wird die ferritische Nitrocarburierung verwendet, um die nanokristallisierte Oberflächenschicht 70 in eine Verbindungsschicht 70' auf dem Drehelement 12, 12', 12'' des Werkstücks (z. B. der Bremse 10) umzuwandeln. Bei einem Beispiel weist das Drehelement 12, 12', 12'' eine Verbindungsschicht 70' auf, die an der Reibungsoberfläche 46, 46' und der korrosionsbeständigen Oberfläche 86, 86' angeordnet ist. Die Verbindungsschicht 70' kann eine freiliegende Oberfläche in Kontakt mit der Atmosphäre, beispielsweise mit Luft, aufweisen.
Wie in 4A dargestellt ist, kann die Verbindungsschicht 70' ferner eine Oxidschicht 72 mit Fe₃O₄ aufweisen, die an der freiliegenden Oberfläche angeordnet ist (an der Reibungsoberfläche 46, an der korrosionsbeständigen Oberfläche 86). Eine Eisennitridschicht 74, die Epsilon-Fe₃N-Eisennitrid und primäres Gamma-Fe₄N-Eisennitrid umfasst, kann im Wesentlichen unter der Oxidschicht 72 liegend angeordnet sein und größtenteils Epsilon-Fe₃N-Eisennitrid enthalten. Ferner kann die Oxidschicht 72 eine Dicke 73 aufweisen, die von ungefähr 5% bis ungefähr 50% einer Dicke 75 der Eisennitridschicht 74 reicht. Wie in 4A gezeigt ist, befindet sich eine Diffusionsschicht 77 unter der Eisennitridschicht 74, und sie bildet einen Übergang zwischen der Eisennitridschicht 74 und einem Abschnitt des Werkstücks (z. B. des Drehelements), der sich außerhalb der Reichweite der ferritischen Nitrocarburierung befindet (nicht gezeigt).
Bei einem Beispiel zeigt ein ferritisch nitrocarburiertes Drehelement 12, 12', 12'' mit einer Reibungsoberfläche 46, 46', die durch die Verfahren der vorliegenden Offenbarung gebildet ist, eine Reibungsmaterialabnutzung von weniger als 0,4 mm pro 1000 Stopps bei ungefähr 350°C. Es kann ein Experiment unter Verwendung der Testprozedur aus Service Vehicle Recommended Practice J2707, herausgegeben im Februar 2005 durch SAE-International, ausgeführt werden. Ein organisches Nicht-Asbest-Reibungsmaterial (NAO-Reibungsmaterial) Akebono NS265 kann in dem Experiment verwendet werden.
Nun auf 5 Bezug nehmend, ist eine Perspektivansicht einer Bremsscheibe 39 als ein Beispiel gezeigt. Das Drehelement 12 ist eine Bremsscheibe 39 mit Belüftungsschlitzen 38.
6 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme (SEM-Aufnahme), die ein Beispiel eines tatsächlichen Werkstücks zeigt und die Mikrostruktur des Werkstücksubstrats sowie der nanokristallisierten Oberflächenschicht darstellt (die Dicke der nanokristallisierten Oberflächenschicht 70 beträgt bei diesem Beispiel ungefähr 8 Mikrometer). Ein Skalierungsindikator ist in 6 angegeben, um eine Abschätzung der relativen Größen zu erleichtern.
Das Werkstück/Drehelement 12, 12', 12'' kann aus Gusseisen hergestellt sein. Die Reibungsoberfläche 46, 46' kann eine Härte zwischen ungefähr 56 HRC und ungefähr 64 HRC zeigen. Die Härte steht mit der Abnutzungsbeständigkeit in direkter Beziehung.
Die maschinelle Bearbeitung 106 kann beispielsweise durch Drehen, Fräsen, Sandstrahlen, Schrotstrahlen, Schleifen und Kombinationen von diesen ausgeführt werden.
Es versteht sich, dass das Nitrocarburieren einen Gas-Nitrocarburierungsprozess, einen Plasma-Nitrocarburierungsprozess oder einen Salzbad-Nitrocarburierungsprozess umfasst. Der Salzbad-Nitrocarburierungsprozess kann umfassen, dass zumindest die Reibungsoberfläche 46, 46' des Drehelements 12, 12', 12'' in ein nitrocarburierendes Salzbad eingetaucht wird und dass zumindest die Reibungs-Oberfläche 46, 46' des Drehelements 12, 12', 12'' anschließend in ein oxidierendes Salzbad eingetaucht wird.
Es versteht sich, dass das Drehelement 12, 12', 12'' eine Bremsscheibe 39, eine Bremstrommel 56 oder eine Kombination von diesen umfassen kann.
Ferner können Beispiele der vorliegenden Verfahren 100, 100' die Korrosionsbeständigkeit auf ähnliche Weise wie FNC-Verfahren verbessern, die ausgeführt werden, ohne dass zuerst die nanokristallisierte Oberflächenschicht 70 gebildet wird.
Zusammengefasst können Beispiele des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung die FNC-Zykluszeit um einen Faktor von ungefähr 5 bis 10 verringern (z. B. verringert von ungefähr 5 bis 6 Stunden auf ungefähr 1 bis 2 Stunden bei 570°C). Alternativ können die Beispiele die FNC bei niedriger Temperatur ermöglichen (verringert von 570°C auf ungefähr 400°C–450°C), um die Verzerrung des Teils zu verringern. Beispiele der vorliegenden Offenbarung erzeugen ferner Werkstücke mit verbesserter Abnutzungs-/Ermüdungbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Es ist eine verbesserte Produktivität im Vergleich zu anderen Oberflächen-Nanokristallisierungsprozessen erreichbar. Beispielsweise kann eine Nanorkristallisierung durch Kugelstrahlen ungefähr 36 Sekunden pro Quadratzentimeter erfordern. In scharfem Kontrast dazu können die Beispiele des hierin offenbarten Verfahrens ungefähr 2 Sekunden pro Quadratzentimeter benötigen.
Numerische Daten wurden hierin in einem Bereichsformat dargestellt. Es versteht sich, dass dieses Bereichsformat lediglich der Einfachheit und Kürze halber verwendet wird und derart flexibel interpretiert werden sollte, dass nicht nur die numerischen Werte umfasst sind, die explizit als die Grenzen des Bereichs angegeben sind, sondern dass auch alle einzelnen numerischen Werte oder Unterbereiche, die in diesem Bereich beinhaltet sind, umfasst sind, als ob jeder numerische Wert und jeder Unterbereich explizit genannt wäre. Beispielsweise sollte eine Zeitdauer, die von ungefähr 5 Stunden bis ungefähr 10 Stunden reicht, derart interpretiert werden, dass sie nicht nur die explizit angegebenen Grenzen von ungefähr 5 Stunden bis ungefähr 10 Stunden umfasst, sondern dass sie auch einzelne Beträge wie etwa 5,5 Stunden, 7 Stunden, 8,25 Stunden usw. sowie Unterbereiche wie etwa 8 Stunden bis 9 Stunden usw. umfasst. Wenn ”ungefähr” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, bedeutet dies darüber hinaus, dass geringe Abweichungen (bis zu +/–10%) von dem angegebenen Wert umfasst sind.
Beim Beschreiben und Beanspruchen der hierin offenbarten Beispiele umfassen die Einzahlformen ”ein”, ”eine” sowie ”der”, ”die” und ”das” Bezugnahmen auf die Mehrzahl, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes vorgibt.
Obgleich mehrere Beispiele im Detail beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher ist die vorstehende Beschreibung als nicht einschränkend anzusehen.

Claims

Verfahren zum Behandeln eines Gusseisenwerkstücks, um dessen Nutzungslebensdauer zu verlängern, wobei das Verfahren umfasst, dass: entweder i) das Werkstück spannungsarm geglüht wird oder ii) auf ein spannungsarmes Glühen des Werkstücks verzichtet wird; das Werkstück maschinell bearbeitet wird, um auf diesem eine endbearbeitete Oberfläche bereitzustellen; die endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks verformt wird, indem die endbearbeitete Oberfläche gegen ein stumpfes Werkzeug gerieben wird, wodurch eine nanokristallisierte Oberflächenschicht an der endbearbeiteten Oberfläche gebildet wird; und das Werkstück nitrocarburiert wird, wobei die nanokristallisierte Oberflächenschicht die Diffusion von Stickstoffatomen und Kohlenstoffatomen durch diese beschleunigt, wobei das Nitrocarburieren stattfindet: i) wenn das Werkstück spannungsarm geglüht ist, für eine Zeitdauer, die von ungefähr 1 Stunde bis ungefähr 2 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 550°C bis ungefähr 570°C reicht, oder ii) wenn das Werkstück nicht spannungsarm geglüht ist, für eine Zeitdauer, die von ungefähr 5 Stunden bis ungefähr 10 Stunden reicht, bei einer Temperatur, die von ungefähr 370°C bis ungefähr 450°C reicht, wodurch die nanokristallisierte Oberflächenschicht durch das Nitrocarburieren in i) eine Reibungsoberfläche oder ii) eine korrosionsbeständige Oberfläche umgewandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück ein Drehelement einer Fahrzeugbremse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Werkstück eine Welle oder eine Motorblock-Zylinderlaufbüchse ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das maschinelle Bearbeiten durch einen Prozess ausgeführt wird, der von einem Drehen, Fräsen, Sandstrahlen, Schrotstrahlen, Schleifen und Kombinationen von diesen ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Nitrocarburieren einen Gas-Nitrocarburierungsprozess, einen Plasma-Nitrocarburierungsprozess oder einen Salzbad-Nitrocarburierungsprozess umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Nitrocarburieren umfasst, dass: zumindest die nanokristallisierte Reibungsoberfläche des Werkstücks in ein nitrocarburierendes Salzbad eingetaucht wird; und anschließend zumindest die nanokristallisierte Reibungsoberfläche in ein oxidierendes Salzbad eingetaucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Reiben der endbearbeiteten Oberfläche gegen das stumpfe Werkzeug ausgeführt wird, indem die endbearbeitete Oberfläche gegenüber dem stumpfen Werkzeug gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei mit dem stumpfen Werkzeug vier Durchläufe über die endbearbeitete Oberfläche ausgeführt werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Verformen ferner umfasst, dass das stumpfe Werkzeug um ungefähr 0,03 mm über einen ersten Kontakt zwischen dem sich drehenden Werkstück und dem stumpfen Werkzeug hinaus in die sich drehende endbearbeitete Oberfläche des Werkstücks vorgeschoben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das stumpfe Werkzeug ein stumpfes Pellet umfasst, das mit diesem funktional verbunden ist, wobei das Pellet die endbearbeitete Oberfläche reibend berührt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Pellet aus einem Material gebildet ist, das von Eisen-Wolfram-Legierungen, Siliziumcarbid, Bornitrid, Titannitrid, Diamant und gehärtetem Werkzeugstahl ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Pellet eine Form aufweist, die von einer Kugelform, einer sphärischen Kappenform, einer Laufrollenform und einer parabolischen Form ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Dicke der nanokristallisierten Oberflächenschicht von ungefähr 3 μm bis ungefähr 15 μm reicht.
Drehelement, das durch das Verfahren nach Anspruch 1 gebildet ist, wobei das Drehelement einen Bremsrotor, eine Bremstrommel oder eine Kombination von diesen umfasst.
Drehelement nach Anspruch 14, wobei die umgewandelte Oberfläche eine Reibungsoberfläche ist und wobei die Reibungsoberfläche eine Härte zwischen ungefähr 56 HRC und ungefähr 64 HRC aufweist.