DE19733135C2 - Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Teilelementen zusammengesetzten Bauteils - Google Patents
Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Teilelementen zusammengesetzten BauteilsInfo
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Description
Die Herstellung eines aus wenigstens zwei Teilelementen zu
einem einheitlichen metallischen Bauteils, bei dem die Teile
lemente aufgrund der Betriebsanforderungen unterschiedliche
Werkstoffeigenschaften aufweisen müssen, kann schwierig sein.
Dies gilt beispielsweise dann, wenn das Bauteil insgesamt dy
namisch beansprucht wird, insbesondere durch Stoß oder Schlag
beansprucht wird, so daß die Verbindung zwischen den beiden
Teilelementen in gleicher Weise durch Stoß oder Schlag bean
sprucht wird. Dies kann beispielsweise bei einem Bauteil auf
treten, bei dem das eine Teilelement aus einem einfachen Ei
senwerkstoff besteht und das andere Teilelement aus einem
hochwertigen Stahlwerkstoff besteht. Eine rein mechanische
Verbindung durch einen Schrumpf- oder Preßsitz oder durch ein
Vernieten ist bei einer häufigen, insbesondere bei einer
hochfrequenten wechselnden Stoß- oder Schlagbeanspruchung im
Dauerbetrieb nicht genügend widerstandsfähig. Eine Schweiß
verbindung ist im Hinblick auf die erheblichen Strukturverän
derungen in dem aus einem hochwertigen Stahlwerkstoff beste
henden Teilelement bei derartigen Einsatzfällen ebenfalls
nicht möglich.
Aus der Veröffentlichung von I. E. Petrunin "Handbuch der Löt
technik", 1991, Seite 106/107, ist es grundsätzlich bekannt,
daß sich zwei Teile aus Stahl mit Hilfe von Kupferlot im so
genannen "Hartlötverfahren" miteinander verbinden lassen, wo
bei die Verbindung eine hohe Festigkeit aufweist.
Als ein Anwendungsfall ist aus DE-A-40 08 102 ein Verfahren
zur Herstellung eines Schneid-, Stech- oder Bohrwerkzeuges
bekannt, das einen Schaft aus einem preisgünstigen Stahl,
beispielsweise einem St 37 oder auch einem höher legierten
Stahl aufweist. In den Schaft ist eine taschenförmige Ausneh
mung eingearbeitet, in die ein Einsatzstück aus einem hochle
gierten, sogenannten Schnellarbeitsstahl in Form einer
Schneidplatte eingesetzt die. Die Verbindung zwischen dem
Schaft und der Schneidplatte wird hierbei durch Löten mit ei
nem kupferhaltigen Lot bewirkt.
Aus DE-A-42 44 627 ist als weiterer Anwendungsfall ein Ver
fahren zum Verbindung von Arbeitsplatten mit einem Grundkör
per aus Stahl zur Herstellung von Werkzeugen, insbesondere
von Schnitt-, Stanz-, Biege- und Umformwerkzeugen bekannt.
Auch bei diesem Verfahren erfolgt die Verbindung der Arbeits
platten aus einem Schnellarbeitsstahl mit dem Grundkörper aus
einfachem Vergütungs- oder Werkzeugstahl durch ein Hochtempe
raturlöten unter Vakuum.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von
den vorbekannten Verfahren ein Verfahren zu schaffen, mit dem
eine feste Verbindung zwischen zwei dynamisch, insbesondere
schlagend beanspruchten Teilelementen geschaffen werden kann,
bei der die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden werden.
Diese Aufgabe wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren da
durch gelöst, daß das Bauteil durch Einsetzen eines ersten
stabförmigen Teilelementes aus einem vergütbaren Stahlwerk
stoff in eine als Bohrung ausgebildete Ausnehmung in einem
zweiten plattenförmigen Teilelement aus einem weichmagneti
schen Eisenwerkstoff vormontiert wird, daß am vormontierten
Bauteil an der Ausnehmung im Übergangsbereich zwischen dem
ersten Teilelement und dem zweiten Teilelement ein Lot auf
Kupferbasis appliziert wird, daß danach das Bauteil in senk
rechter Ausrichtung des stabförmigen Teilelementes auf eine
Temperatur erhitzt wird, die über der Schmelztemperatur des
Lotes liegt, daß nach dem Verschießen des flüssigen Lotes im
Berührunsbereich der beiden Teilelemente das Bauteil abge
kühlt und gehärtet und anschließend wird wenigstens einmal
auf die Vergütungstemperatur für den Stahlwerkstoff des er
sten Teilelementes gebracht und über eine vorgegebene Zeit
auf dieser Temperatur gehalten und dann vollständig abgekühlt
ist es möglich, ein Bauteil mit zwei Teilelementen von so un
terschiedlichen Werkstoffeigenschaften, wie sie ein vergütba
rer Stahlwerkstoff einerseits und ein weichmagnetischer Ei
senwerkstoff andererseits aufweisen, zum einen fest miteinan
der zu verbinden, andererseits nach dem Lötvorgang den Stahl
werkstoff auf die gewünschte Qualität zu vergüten. Hierbei
wird mit Vorteil ausgenutzt, daß die Schmelztemperatur der
für derartige hochbeanspruchte Verbindungen in Betracht kom
menden Lote erheblich über der Härte- und Anlaßtemperatur für
einen vergütbaren Stahlwerkstoff liegen, so daß nach Abschluß
des Lötvorganges, d. h. nach dem Verschießen und Erstarren
des Lotes im Verbindungsbereich die weitere Wärmebehandlung
durchgeführt werden kann, ohne daß hierdurch die Lötstelle in
ihrer Festigkeit beeinflußt wird.
Da üblicherweise die hier in Betracht kommenden Lotqualitäten
einen definierten Schmelzpunkt aufweisen, ist es auch mög
lich, die Temperaturführung bei der Erhitzung des Bauteil so
zu führen, daß hierbei auf die Gefügeumwandlungen in dem ver
gütbaren Stahlwerkstoff Rücksicht genommen wird. So kann es
je nach der Art des vergütbaren Stahlwerkstoffes zweckmäßig
sein, stufenweise zu erhitzen und hierbei während einer Tem
peraturzwischenstufe die Temperatur auf einer vorgegebenen
Temperaturhöhe zu halten, um hier die Gefügeausbildung im
Stahlwerkstoff einwandfrei ablaufen zu lassen. Eine derartige
Haltezeit kann je nach Stahlwerkstoff über mehrere Minuten
dauern. Da das Lot praktisch einen Schmelzpunkt aufweist,
d. h. bei einer definierten Temperatur sich verflüssigt und
im Berührungsbereich zwischen den beiden Teilelementen ver
schießt, genügt es, wenn diese für den Lötvorgang erforderli
che Spitzentemperatur nur kurzfristig im Sekunden- bis Minu
tenbereich aufrechterhalten wird und anschließend der Abkühl
vorgang eingeleitet wird und das Lot sofort erstarrt und be
reits die feste Verbindung gegeben ist.
Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren lassen sich vor
teilhaft Bauteile für elektromagnetische Funktionselemente
herstellen, bei denen das zweite plattenförmige Teilelement
aus Relaiseisen hergestellt ist und dem Einfluß magnetischer
Felder ausgesetzt ist. Bei einem Einsatz als elektromagneti
sches Funktionselement, bei dem das stabförmige Teilelement
der Führung und Lagerung dient und dementsprechend ver
schleißarm ausgebildet sein muß, kann je nach Einsatzfall ein
derartiges Bauteil mit sehr hohen, auch wechselnden Magnet
kräften beaufschlagt werden, so daß hierbei hohe Stoßbela
stungen wirksam werden, die sich dann entsprechend auch auf
die Verbindung zwischen dem Teilelement aus Relaiseisen und
dem Teilelement aus vergütetem Stahl übertragen.
Zweckmäßig ist es hierbei, wenn nach dem Verschießen des Lo
tes das Bauteil zunächst bis auf etwa 30°C rasch abgekühlt
und danach bis auf die Vergütungstemperatur für den Stahl
werkstoff erwärmt wird. Die Vergütungstemperatur wird dann
für eine Zeit aufrechterhalten, wobei die Zeitdauer sich nach
dem verwendeten Stahlwerkstoff richtet. Damit kann das Löten
und Vergüten "in einer Hitze" bewirkt werden.
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für das
plattenförmig ausgebildete zweite Teilelement als Werkstoff
ein Relaiseisen verwendet wird. Damit ist die Gewähr gegeben,
daß bei entsprechenden Einsatzfällen der aus dem zweiten Tei
lelement gebildete Bereich des Bauteils unter dem Einfluß von
wechselnden Magnetfeldern ohne nennenswerte Remanenz ummagne
tisierbar ist und dementsprechend auch schnellwechselnden Ma
gnetfeldern ausgesetzt werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß
für das stabförmig ausgebildete erste Teilelement als Werk
stoff ein Schnellarbeitsstahl verwendet wird. Ein derartiger
Stahl läßt sich einwandfrei und über den gesamten Querschnitt
im wesentlichen gleichmäßig vergüten. So erbrachte beispiels
weise die Verwendung eines Schnellarbeitsstahles mit einer
Zusammensetzung gem. der ISO-DIN-Stoffnummer 1.3343 nach der
Vergütung durchgehend Härtewerte, die zwischen 58 und 62 HRC
lagen. Damit weist das erste Teilelement eine entsprechend
hohe Härte und damit auch hohe Verschleißfestigkeit auf, wie
sie beispielsweise für eine Führung eines hin- und herbeweg
baren Bauteils erforderlich ist. Zweckmäßig kann auch die
Verwendung eines sogenannten Kaltarbeits- oder Werkzeugstah
les sein, beispielsweise eine Werkzeugstahles mit einer Zu
sammensetzung gem. ISO-DIN-Stoffnummer 1.2379.
Bei der Auswahl des Lotes ist es zweckmäßig, ein Lot zu wäh
len, dessen Schmelzpunkt so hoch liegt, daß die für die an
schließende Vergütung des Stahlwerkstoffes notwendigen Tempe
raturen zur Gefügeumwandlung erreicht werden. So ist es bei
spielsweise bei der Verwendung des vorstehend genannten
Schnellarbeitsstahles gem. ISO-DIN 1.3343 zweckmäßig, wenn
die Schmelztemperatur des Lotes mit 1180°C etwas oberhalb der
für die Austenitisierung notwendigen Temperatur dieses
Schnellarbeitsstahles liegt. Zur Austenitisierung eines Kalt
arbeitsstahles, wie er beispielsweise vorstehend ebenfalls
genannt ist, würde eine Temperatur von etwa 1020 bis 1080°C
ausreichen, so daß hier ein Lot mit einer geringeren Schmelz
temperatur verwendet werden kann.
Unter Berücksichtigung der für die Wärmebehandlung des Stahl
werkstoffes notwendigen Temperaturen einerseits und der ge
forderten Festigkeit der Lötverbindung andererseits, ist die
Verwendung eines Lotes auf Kupferbasis zweckmäßig. Hierbei
kann entweder reines Kupfer verwendet werden oder aber eine
Kupferlegierung, beispielsweise CuSn6. Die verwendeten Eisen-
und Stahlwerkstoffe werden von diesem Lot sehr gut benetzt,
so daß bei einer Breite des Spaltes im Verbindungsbereich
zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Teileelemen
ten von 1 bis 60 µm, vorzugsweise 25 bis 50 µm eine einwand
freie und vollflächige Verbindung gebildet wird. Das Lot kann
hierbei zweckmäßigerweise als vorkonfektioniertes Biegeteil,
bei einem Rundquerschnitt für das erste Teilelement, bei
spielsweise als Drahtring, ausgebildet sein, der auf das er
ste Teilelement aufgeschoben und im Kantenbereich der Ausneh
mung positioniert wird. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn für
die Applizierung des Lotes eine Kante der Ausnehmung im zwei
ten Teilelement mit einer Fase versehen wird, so daß in die
sem Bereich ein "Schmelzbad" entsteht, das dann in den Spalt
des Verbindungsbereichs abläuft.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge
sehen, daß die Innenabmessung der Ausnehmung im zweiten Tei
lelement einerseits und die Außenabmessung des ersten Teile
lementes im Verbindungsbereich andererseits so bemessen sind,
daß ein Spielsitz vorhanden ist. Hierdurch ist eine genügende
Spaltbreite zur Ausnahme des flüssigen Lotes vorhanden.
Insbesondere bei einem stabförmigen Teilelement mit Rundquer
schnitt ist es zweckmäßig, wenn das erste Teilelement im Ver
bindungsbereich mit vorzugsweise drei Zentriervorsprüngen
versehen ist, die unter Aufrechterhaltung eines Spaltes zwi
schen den beiden Teilelementen einen Preßsitz bewirken. Damit
ist zum einen eine geometrisch genaue Vormontage des Bauteils
möglich, wobei über die Zentriervorsprünge eine genügende
Preßkraft aufgebracht wird, um das vormontierte Bauteil zu
handhaben.
Der Lötvorgang und die Vergütung des Stahlwerkstoffs, insbe
sondere wenn diese in "einer Hitze" durchgeführt werden, er
folgt zweckmäßigerweise in einem Vakuumofen. Die Abkühlung
nach dem Löten kann unter Schutzgas durchgeführt werden, wo
bei auch ein Abkühlvorgang mit Schutzgas unter Überdruck mög
lich ist. In der Regel kann es ausreichen, den Stahlwerkstoff
nur einer Anlaßbehandlung auszusetzen. Bei der Verwendung des
vorstehend erwähnten Schnellarbeitsstahles kann es zweckmäßig
sein, das Bauteil einer zweiten Anlaßbehandlung zu unterwer
fen.
Claims (12)
1. Verfahren zur Herstellung eines aus wenigstens zwei Teile
lementen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zusam
mengesetzten metallischen Bauteil, dadurch gekennzeichnet,
daß das Bauteil durch Einsetzen eines ersten stabförmigen
Teilelementes aus einem vergütbaren Stahlwerkstoff in eine
als Bohrung ausgebildete Ausnehmung in einem zweiten platten
förmigen Teilelement aus einem weichmagnetischen Eisenwerk
stoff vormontiert wird, daß am vormontierten Bauteil an der
Ausnehmung im Übergangsbereich zwischen dem ersten Teilele
ment und dem zweiten Teilelement ein Lot auf Kupferbasis
appliziert wird, daß danach das Bauteil in senkrechter Aus
richtung des stabförmigen Teilelementes auf eine Temperatur
erhitzt wird, die über der Schmelztemperatur des Lotes liegt,
daß nach dem Verschießen des flüssigen Lotes im Berührungsbe
reich der beiden Teilelemente das Bauteil abgekühlt wird und
daß das Bauteil wenigstens einmal auf die Vergütungstempera
tur für den Stahlwerkstoff des ersten Teilelementes gebracht,
über eine vorgegebene Zeit auf dieser Temperatur gehalten und
dann vollständig abgekühlt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem Verschießen des Lotes das Bauteil zunächst bis auf
etwa 30°C rasch abgekühlt und danach die Vergütungstemperatur
des Stahlwerkstoffes erwärmt und über eine vorgegebene Zeit
auf dieser Temperatur gehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für
das plattenförmig ausgebildete zweite Teilelement als Werk
stoff Relaiseisen verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß für das stabförmige erste Teilelement als
Werkstoff ein Schnellarbeitsstahl verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß für das stabförmige erste Teilelement als
Werkstoff ein Werkzeugstahl verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Lot Kupfer verwendet wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß als Lot eine Kupferlegierung verwendet
wird, insbesondere Cu94Sn6.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Lot als ein aus Draht vorkonfektionier
ter Biegekörper appliziert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß für die Applizierung des Lotes eine Kante
der Ausnehmung im zweiten Teilelement mit einer Fase versehen
wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Innenabmessung der Ausnehmung im zwei
ten Teilelement einerseits und die Außenabmessung des ersten
Teilelementes im Verbindungsbereich andererseits so bemessen
sind, daß ein Spielsitz vorhanden ist.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß das erste Teilelement im Verbindungsbereich
mit vorzugsweise drei Zentriervorsprüngen versehen ist, die
unter Aufrechterhaltung eines Spaltes zwischen beiden Teile
lementen einen Preßsitz bewirken.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Breite des Spaltes 1 bis 60 µm, vorzugs
weise 25 bis 50 µm beträgt.
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Legal Events
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Owner name: FEV MOTORENTECHNIK GMBH, 52078 AACHEN, DE |
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