DE19531077A1 - Bauteil mit einer zumindest in Teilbereichen seiner Oberfläche erhöhten Rauheit für eine Preßverbindung mit einem Bauelement sowie Verfahren zu seiner Herstellung als Sinterteil aus Metallpulver - Google Patents

Description

Drehfeste Verbindungen zwischen Bauteilen werden vielfach als reibschlüssige Verbindungen ausgelegt. Die Normalkraft wird durch Klemmen oder Pressen aufgebracht. Reibschluß­ verbindungen zwischen Bauteilen bieten den Vorteil, daß sie im Vergleich zu Formschlußverbindungen kostengünstig herzustellen sind. Diese Verbindungen bieten je nach Be­ lastung jedoch keine vollständige Spielfreiheit bzw. Drehfestigkeit. Dies gilt insbesondere für schwankende bzw. wechselnde Belastungen. In einigen Anwendungsberei­ chen muß dann aus Sicherheitsgründen auf eine formschlüs­ sige Verbindung zwischen den Bauelementen, beispielsweise zwischen Nabe und Welle, zurückgegriffen werden. Bei ei­ nem Viertakt-Verbrennungsmotor könnte zum Beispiel die Verbindung Kettenrad-Nockenwelle als reibschlüssige Ver­ bindung ausgelegt werden. Dadurch könnte der Einbau einer Paßfeder vermieden werden. Geringfügige Relativbewegungen zwischen Kettenrad und Nockenwelle sind jedoch nicht to­ lerierbar, da dadurch eine Verstellung der Ventilsteuer­ zeiten erfolgt und schlimmstenfalls ein Motorschaden ver­ ursacht wird. Aufgrund der hieraus resultierenden Sicher­ heitsanforderungen, die herkömmliche Reibschlußverbindun­ gen nicht erfüllen können, muß auf eine formschlüssige Verbindung von Kettenrad und Nockenwelle zurückgegriffen werden. Auch bei anderen reibschlüssigen Verbindungen, bei welchen der Reibschluß durch Flächenpressung erzeugt wird, läßt die maximale Drehmoment- und Kraftübertragbar­ keit oftmals zu wünschen übrig.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Bauteil mit wenig­ stens einer zur Preßverbindung mit einem Bauelement vorge­ sehenen Anlagefläche zu schaffen, welches eine drehfeste, schlupffreie Verbindung ermöglicht, die eine hohe Drehmo­ ment- und/oder Kraftübertragbarkeit gewährleistet.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Bauteil mit wenigstens einer zur Preßverbindung mit einer Gegen­ fläche eines Bauelementes vorgesehenen Anlagefläche, die als Rauhfläche ausgebildet ist, wobei die Rauhfläche durch auf der Anlagefläche angeordnete Hartstoffpartikel gebil­ det wird, die eine höhere Härte und Druckfestigkeit als zumindest die Gegenfläche des Bauelementes aufweisen. Die auf der zur Preßverbindung vorgesehenen Anlagefläche des Bauteils angeordneten Hartstoffpartikel dringen bei Auf­ bringung einer Normalkraft in wenigstens eine der beiden gegeneinander liegenden Flächen ein und bewirken eine Ver­ krallung bzw. "Verzahnung" der beiden Flächen miteinander. Eine solche Verbindung kann hohe Drehmomente und Kräfte übertragen. Im einfachsten Falle können die Hartstoffpar­ tikel mit einem Klebstoff auf die Anlagefläche aufgebracht worden sein. Bei Anziehen der Verbindung, d. h. bei Auf­ bringung einer Normalkraft zur Erzeugung einer Flächen­ pressung, dringen die Hartstoffpartikel sowohl in das Bauelement als auch in das Bauteil ein, so daß hierdurch ein mikroskopischer Formschluß zwischen Bauelement und Bauteil erzeugt wird.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Bauteil als pulvermetallurgisch hergestelltes Bauteil aus­ gebildet und die Hartstoffpartikel bilden einen festen Verbund mit der Anlagefläche. Die Herstellung eines sol­ chen Bauteils ist besonders kostengünstig, weil die Ver­ fahren zur Herstellung von Sinterbauteilen eine Vielzahl von Verfahrensschritten umfassen, welche für die Erzeu­ gung einer Rauhfläche ausgenutzt werden können. Dadurch entfallen Arbeitsvorgänge, die bei herkömmlichen Stahl­ bauteilen Fertigungszeit in Anspruch nehmen würden. Ein pulvermetallurgisch hergestelltes Bauteil wird durch Ver­ dichten eines Metallpulvers in einer Form, anschließendes Sintern und gegebenenfalls anschließendes Kalibrieren, d. h. maßhaltig Pressen, hergestellt. Sowohl beim Herstel­ len der Grundform des Sinterbauteils als auch beim Sin­ tern oder Kalibrieren ergeben sich Möglichkeiten, eine Rauhfläche gemäß der Erfindung vorzusehen.

Als Hartstoff können Metalloxide vorgesehen sein. Hier können Aluminiumoxide, beispielsweise Korunde oder Eisen­ oxide Anwendung finden.

Zweckmäßigerweise sind als Hartstoff Metallcarbide vorge­ sehen. Es kommt beispielsweise die Verwendung von Wolfram­ carbid als Hartstoff in Betracht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird weiterhin gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Sinter­ bauteils aus Metallpulver mit einer zumindest in Teilbe­ reichen seiner Oberfläche erhöhten Rauheit, welches sich dadurch auszeichnet, daß auf den vorgeformten Grünling ein sinterfähiges Gemisch aufgetragen wird, das einen Hart­ stoffanteil enthält, und daß der mit dem Auftrag versehene Grünling anschließend gesintert wird. Hier wird ein fester Verbund des Hartstoffs mit der Oberfläche des Sinterbau­ teils erzielt. Dabei macht sich das erfindungsgemäße Ver­ fahren zunutze, daß ohnehin ein Sintern erforderlich ist. Es muß lediglich in einem Zwischenschritt auf den vorge­ formten Grünling ein entsprechendes Pulvergemisch mit einem Hartstoffanteil aufgetragen werden.

Vorzugsweise wird als sinterfähiges Gemisch ein metalli­ sches Sinterpulver mit eine flüssige Phase bildenden Le­ gierungskomponenten verwendet. Beim Sintern wird dann eine innige Verbindung des die Rauhfläche bildenden Ge­ misches mit der Oberfläche des Bauteils erzielt.

Der Zusatz von eine flüssige Phase bildenden Legierungs­ komponenten ist nicht zwingend. Es können auch Sintermi­ schungen verwendet werden, die ohne Zusatz von solchen Legierungskomponenten eine ausreichende Sinteraktivität besitzen.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das sinterfähige Gemisch mit einem zumindest pastösen Bindemittel aufgetragen. Die Viskosität des Gemisches kann dabei durch Zugabe von Lösungsmitteln eingestellt werden. Ein solches Gemisch läßt sich besonders einfach auftragen.

Das Aufbringen des Hartstoffauftrags kann dabei unter Ver­ wendung einer Schablone erfolgen. Das Gemisch kann dann entweder aufgespritzt oder mit einem Stempel aufgebracht werden. Es ist ebenfalls möglich, das Gemisch im Siebdruck­ verfahren aufzubringen.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfin­ dung kann das sinterfähige Gemisch als Vlies mit kunst­ stoffgebundenem Pulver aufgebracht werden. Für derartige Anwendungen sind kunststoffgebundene Hartstoff-Lotform­ teile bekannt, die als Vliesformteile erhältlich sind. Diese können je nach Form und Ausdehnung der zu erzeugen­ den Rauhfläche vorgefertigt sein. Sie lassen sich kontu­ rengenau und randscharf auf das Substrat, d. h. auf den vorgeformten Grünling, aufbringen.

Bei nach dem Sintern zu kalibrierenden Bauteilen ist es zweckmäßig, wenn die mit dem Hartstoffauftrag versehenen Flächenbereiche beim Kalibrieren ausgelassen werden.

Eine weitere Lösung der Aufgabe sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit einer zumindest in Teilbereichen seiner Oberfläche erhöhten Rauheit vor, wel­ ches sich auszeichnet durch das teilweise Auftragen eines Hartstoffpulvers und durch das Einpressen der Hartstoff­ partikel in die Bauteiloberfläche während des Kalibrier­ vorgangs, wobei die Eindringtiefe der Hartstoffpartikel so begrenzt wird, daß die Hartstoffpartikel eine Rauhflä­ che bilden. Für die meisten Anwendungsfälle müssen fertig­ gesinterte Bauteile aufgrund der Formänderung beim Sintern kalibriert werden, d. h. durch Pressen oder durch Stoßen mit einem Kalibrierstempel auf ihr Endmaß gebracht werden. Bei einem solchen Verfahren ist es lediglich erforderlich, die Hartstoffpartikel kurz vor dem Kalibriervorgang aufzu­ bringen. Der Auftrag kann dabei sowohl in loser Schüttung als auch mit einem Bindemittel erfolgen.

Zweckmäßigerweise erfolgt das Einpressen der Hartstoff­ partikel über einen gestuften Stempel, der diese zum Teil in die Bauteiloberfläche eindrückt. Der Stempelweg kann dabei durch eine Stempelstufe in der Bewegung begrenzt werden, welche auf einen nicht mit Partikeln belegten Be­ reich aufsetzt.

Als weitere Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist ein Verfahren zur Herstellung eines Sinterbau teils mit einer zumindest in Teilbereichen seiner Oberflä­ che erhöhten Rauheit vorgesehen, welches sich dadurch aus­ zeichnet, daß eine Rauhfläche durch Prägen beim Pressen des Grünlings oder beim Kalibrieren des fertiggesinterten Bauteils erzeugt wird. Die entsprechende Andruckfläche des Kalibrierstempels kann hierfür mit einer Mikroprofilierung versehen sein. Bei der Erzeugung der Flächenpressung zwi­ schen einem so geprägten Bauteil und einem Bauelement wird zwischen den aufeinanderliegenden Anlageflächen ebenfalls ein Formschluß im mikroskopischen Bereich erzeugt. Dadurch wird die Kraft- und Momentenübertragbarkeit wesentlich er­ höht.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Bauteil, vorzugs­ weise Sinterbauteil, mit wenigstens einer zur Preßverbin­ dung mit einer Gegenfläche eines Bauelements versehenen Anlagefläche, die in Teilbereichen mit einem Oberflächen­ auftrag versehen ist, der aus einem Werkstoff besteht, welcher durch Aufbringen einer Normalkraft bei Herstellen der Preßverbindung zwischen der Gegenfläche und der Anla­ gefläche plastisch verformbar ist. Bei Aufbringen einer Normalkraft bzw. Klemmkraft beginnt der Werkstoff des Oberflächenauftrags zu fließen und füllt die Oberflächen­ unebenheiten der Gegenfläche des Bauelements aus. Dabei wird die natürliche Rauheit, d. h. beispielsweise die auf­ grund spanabhebender Bearbeitung entstandene Rauheit des Bauelements ausgenutzt. Soll die Preßverbindung ein Dreh­ moment übertragen, so nimmt der Oberflächenauftrag einen Teil der Scherkräfte auf.

Vorzugsweise ist der Oberflächenauftrag auf die als Anla­ gefläche dienende Oberfläche des Bauteils aufgesintert.

Beispielsweise kann der Oberflächenauftrag aus aufgesin­ tertem unlegiertem Eisen gebildet sein. Das reine Eisen besitzt eine ausreichende Duktilität, so daß es sich bei Aufbringen einer Preßkraft plastisch verformt. Der Ober­ flächenauftrag kann beispielsweise in Form eines Musters auf die Anlagefläche aufgebracht sein.

Die Erfindung wird nachstehend beispielsweise anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine als drehfeste reibschlüssige Ver­ bindung ausgelegte Anordnung eines Rades auf einem Wellenende, wobei die Anlage­ fläche des Rades an der Welle als Rauh­ fläche gemäß der Erfindung ausgebildet ist,

Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Auftrags aus einem sinterfähigen Gemisch mit einem Hartstoffanteil auf einen vorgeformten Grünling vor dem Sintern,

Fig. 3 den in Fig. 2 schematisch dargestellten Auftrag nach dem Sintern und

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines ge­ stuften Kalibrierstempels in Bezug auf ein zu kalibrierendes Sinterbauteil mit einem Hartstoffpartikelauftrag.

In Fig. 1 ist ein für eine Preßverbindung ausgebildetes Bauteil mit 1 dargestellt, das mit einem Bauelement 2, beispielsweise einer Welle, verbunden ist. Das Bauteil 1 ist als Rad zur Kraftübertragung auf die Welle 2 ausge­ bildet. Bauteil 1 und Welle 2 sind über eine Schraube 3 gegeneinander gepreßt. Über das Bauteil 1 soll ein Dreh­ moment auf die Welle 2 übertragen werden. Die Verbindung zwischen Bauteil 1 und Welle 2 ist als Reibschlußverbin­ dung ausgebildet, wobei die hierfür notwendige Flächen­ pressung über die Schraube 3 aufgebracht wird. Der Haft­ reibungskoeffizient zwischen dem Bauteil 1 und der Welle 2 ist dadurch erhöht, daß die Anlagefläche 4 des Bauteils 1 an der Welle 2 als Rauhfläche ausgebildet ist. Auf der Anlagefläche 4 des Bauteils 1 sind Hartstoffpartikel an­ geordnet, die zumindest eine größere Härte und Druckfestig­ keit als der Werkstoff der Welle 2 aufweisen. Diese Hart­ stoffpartikel können beispielsweise durch einen organi­ schen Klebstoff auf die Anlagefläche 4 aufgetragen worden sein. Da die Klebstoffschicht bei Scherbeanspruchung kei­ ne Momente übertragen kann, müssen die Hartstoffpartikel in diesem Falle sowohl härter als der Werkstoff der Welle 2 als auch härter als der Werkstoff des Bauteils 1 sein. Bei Aufbringen einer Normalkraft über das Schraubenanzugs­ moment drücken sich die Hartstoffpartikel in die Anlage­ fläche 4 und in die entsprechende Gegenfläche der Welle 2. Hierdurch wird eine "Verzahnung" der aufeinander gepreßten Flächen miteinander bewirkt, so daß eine Relativbewegung zwischen dem als Rad ausgebildeten Bauteil 1 und der Welle 2 nicht mehr möglich ist, wenn das Schraubenanzugsmoment entsprechend gewählt ist.

Die vorstehend beschriebene Preßverbindung ist als lösbare Verbindung im Sinne einer Klemmverbindung unter Aufbrin­ gung einer andauernden Klemmkraft zu verstehen. Die auf­ einanderliegenden Flächen, Anlagefläche 4 und Gegenfläche 2, können jedwede Formgebung besitzen, diese können bei­ spielsweise auch konisch ausgebildet sein.

Die Hartstoffpartikel könnten beispielsweise auch über ein einfaches Klebeband auf der Anlagefläche 4 aufgebracht wor­ den sein. Bevorzugt wird jedoch eine feste Verbindung der Hartstoffpartikel mit der Anlagefläche 4. Ein solcher fe­ ster Verbund ist am einfachsten zu bewerkstelligen, wenn das Bauteil 1 als Sinterbauteil bzw. als pulvermetallur­ gisch hergestelltes Bauteil ausgebildet ist.

Als Hartstoffpartikel kommen verschiedenste keramische Materialien, Metalloxide und Metallcarbide in Betracht. Beispielsweise Siliziumcarbid, Aluminiumoxyd, Wolframcar­ bid, Eisenoxyd und dergleichen sowie Mischungen hieraus.

In den Fig. 2 und 3 ist schematisch eine auf das Bauteil 1 aufgesinterte Hartstoffschicht dargestellt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, ist das Bauteil 1 mit einem Auftrag aus Sinterpulver 5, Bindemittel 6 und Hartstoffpartikeln 7 versehen. Das Sinterpulver 5 enthält eine flüssige Phase bildende Legierungskomponenten.

Fig. 3 zeigt die Bauteiloberfläche nach dem Sintern. Es hat sich ein Überzug gebildet, der sich mit der feinporö­ sen Oberfläche des Bauteils innig verbunden hat und der die Hartstoffpartikel 7 verankert. So ist ein fester Ver­ bund zwischen Hartstoff und Bauteil 1 erzeugt.

Zum Aufsintern einer Rauhfläche sind auch Eisenbasispul­ ver mit einer hohen Sinteraktivität schon bei 1120°C ge­ eignet. Hierbei können beispielsweise Pulversorten für einen sehr harten Sinterwerkstoff mit einem Anteil an ent­ sprechenden Legierungszusätzen verwendet werden. Es hat sich die Verwendung von chromoxydhaltigen Pulvern mit Nickelumhüllung der Chromoxydpartikel sowie von kupferum­ hüllten Metallpulvern als geeignet erwiesen.

Eine weitere Möglichkeit zur Erzeugung einer Rauhfläche ist in Fig. 4 schematisch dargestellt. Mit 9 ist ein Ka­ librierstempel bezeichnet, der mit einer Stempelstufe 10 versehen ist. Der Stempelweg wird dabei durch die Stem­ pelstufe 10 in der Bewegung begrenzt, wobei die Stempel­ stufe 10 auf einen nicht mit Hartstoffpartikeln 7 beleg­ ten Bereich des Bauteils 1 aufsetzt. Auf diese Art und Weise werden die Hartstoffpartikel 7 teilweise in die Oberfläche des Bauteils 1 eingedrückt.

Claims (16)

1. Bauteil mit wenigstens einer zur Preßverbindung mit einer Gegenfläche eines Bauelementes (2) vorgesehenen An­ lagefläche (4), die als Rauhfläche ausgebildet ist, wobei die Rauhfläche durch auf der Anlagefläche (4) angeordnete Hartstoffpartikel (7) gebildet wird, die eine höhere Härte und Druckfestigkeit als zumindest die Gegenfläche des Bau­ elementes (2) aufweisen.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es als pulvermetallurgisch hergestelltes Bauteil ausgebil­ det ist und daß die Hartstoffpartikel (7) einen festen Verbund mit der Anlagefläche (4) bilden.

3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Hartstoff Metalloxide vorgesehen sind.

4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Hartstoff Metallcarbide vorgesehen sind.

5. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils aus Metallpulver mit einer zumindest in Teilbereichen seiner Oberfläche erhöhten Rauheit, dadurch gekennzeichnet, daß auf den vorgeformten Grünling ein sinterfähiges Gemisch aufgetragen wird, das zumindest einen Hartstoffanteil enthält, und daß der mit dem Auftrag versehene Grünling anschließend gesintert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als sinterfähiges Gemisch ein metallisches Sinterpulver mit eine flüssige Phase bildenden Legierungskomponenten verwendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich­ net, daß das sinterfähige Gemisch mit einem zumindest pa­ stösen Bindemittel aufgetragen wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das sinterfähige Gemisch unter Ver­ wendung einer Schablone aufgebracht wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das sinterfähige Gemisch als Vlies mit kunststoffgebundenem Pulver aufgebracht wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil nach dem Sintern unter Auslassung der mit dem Hartstoffauftrag versehenen Flä­ chenbereiche kalibriert wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit einer zumindest in Teilbereichen seiner Oberfläche er­ höhten Rauheit, insbesondere nach einem der Ansprüche 5 bis 10, gekennzeichnet durch das teilweise Auftragen eines Hartstoffpulvers und durch das Einpressen der Hart­ stoffpartikel in die Bauteiloberfläche während des Kali­ briervorgangs, wobei die Eindringtiefe der Hartstoffpar­ tikel so begrenzt wird, daß diese eine Rauhfläche bilden.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffpartikel über einen gestuften Kalibrier­ stempel teilweise in die Bauteiloberfläche gedrückt werden.

13. Verfahren zur Herstellung eines Sinterbauteils mit einer zumindest in Teilbereichen seiner Oberfläche erhöh­ ten Rauheit, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rauhfläche durch Prägen beim Pressen des Grünlings oder beim Kali­ brieren des fertiggesinterten Bauteils erzeugt wird.

14. Bauteil, vorzugsweise Sinterbauteil, mit wenigstens einer zur Preßverbindung mit einer Gegenfläche eines Bau­ elements (2) vorgesehenen Anlagefläche (4), die in Teil­ bereichen mit einem Oberflächenauftrag versehen ist, der aus einem Werkstoff besteht, welcher durch Aufbringen einer Normalkraft bei Herstellen der Preßverbindung zwi­ schen der Gegenfläche und der Anlagefläche plastisch ver­ formbar ist.

15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Oberflächenauftrag auf die als Anlagefläche (4) dienende Oberfläche des Bauteils aufgesintert ist.

16. Bauteil nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Oberflächenauftrag aus aufgesintertem unlegiertem Eisen gebildet wird.