DE4112583C2 - Verfahren zur Herstellung eines Keramik/Stahl-Verbundkörpers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Ke­ ramik/Stahl-Verbundkörpers, bei welchem ein keramischer Körper mit einem Stahlkörper bei einer Temperatur oberhalb des A₁- Umwandlungspunktes des Stahlkörpers hartverlötet wird. Ein sol­ ches Verfahren ist bereits aus der DE 38 13 304 A1 bekannt.

Bei diesem bekannten Verfahren wird an einen Stahlkörper eine Keramikspitze angelötet, wobei die Härte des Stahl-Grundkörpers als Folge des Lötvorganges, d. h. als Folge der mit dem Lötvor­ gang verbundenen Wärmezufuhr, gesteigert wird. Ferner ist in der genannten Druckschrift darauf hingewiesen, daß ein Mindest- Kohlenstoffgehalt erforderlich ist, um die für den Stahlkörper zu fordernde Härte zu gewährleisten.

Jahr für Jahr werden die für Motorteile geforderten Verschleißfestig­ keitseigenschaften aufgrund der Entwicklung hin zu größeren Aus­ gangsleistungen und höheren Drehzahlen der Motoren immer wichti­ ger. So haben Keramikmaterialien eine hohe Beachtung erfahren, weil diese Materialien den strengeren Anforderungen genügen können; an­ dererseits sind Keramikmaterialien so teuer, daß die Ausbildung ganzer Teile aus diesem Material nicht praktikabel ist, weil die Kosten des Produkts zu hoch werden würden. Eine hohe Verschleißfestigkeit ist jedoch nur für bestimmte Bereiche solcher Teile erforderlich, so daß es nicht notwendig ist, die vollständigen Motorteile aus Keramik herzu­ stellen. Daher ist etwa aus JP 2-55809-A eine Technik bekannt, bei der ein Keramikstück an einem bestimmten Bereich eines Metallteils befe­ stigt wird, was im allgemeinen auch der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist. Bei dieser herkömmlichen Technik wird ein Metallteil mit Ausnahme des Keramikmaterials bis zu HRC45 oder mehr gehär­ tet.

Diese herkömmliche Technik besitzt den Nachteil, daß das gesamte Metallteil bis zu HRC45 oder mehr gehärtet wird, so daß das Teil mit großer Wahrscheinlichkeit bricht, wenn es einer starken Stoßbeanspru­ chung unterworfen wird.

Wenn andererseits nur derjenige Bereich des Teils, an dem eine hohe Stoßfestigkeit gefordert wird, einem Glühprozeß unterzogen wird, um eine Zähigkeit zu erzielen, nachdem der gesamte Bereich durch eine Hartlöt-Wärmebehandlung gehärtet worden ist, treten hinsichtlich der Qualitätsverringerung wie etwa der Oxidation des Hartlötbereichs oder dergleichen Probleme auf, weil die Glühtemperatur hoch ist (z. B. meh­ rere 100°C).

In dem Fall, in dem nach dem Hartlöten des Stahls ein Abschrecken ausgeführt wird (wobei der gesamte Stahl aufgrund der Hartlöt-Wär­ mebehandlung eine Härte von ungefähr HRC30 besitzen kann), entste­ hen ferner aufgrund der Wärme beim Abschrecken und der Zunahme der Anzahl der Schritte nach dem Hartlöten durch die Absenkung der Festigkeit im Hartlötbereich Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, bei welchem die erwähnten Nachteile des Standes der Technik nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren stellt darauf ab, daß die Ober­ fläche des Stahlkörpers zunächst durch Karburieren (Aufkohlen) auf eine Härte im Bereich von HRC30 bis HRC65 gehärtet wird und daß anschließend das Hartverlöten des Keramikkörpers mit dem Stahlkörper erfolgt, wobei erfindungsgemäß dafür Sorge zu tra­ gen ist, daß der mit dem Keramikkörper zu verlötende Oberflä­ chenbereich des Stahlkörpers nicht karburiert ist.

Um das Verlöten des Keramikkörpers mit einem nichtkarburierten Oberflächenbereich des Stahlkörpers zu gewährleisten, ist gemäß Anspruch 1 vorgesehen, entweder den betreffenden Oberflächenbe­ reich des Stahlkörpers beim Karburieren vor dem Einfluß der Aufkohlungsbehandlung zu schützen oder den betreffenden Ober­ flächenbereich des Stahlkörpers von den Folgen einer Karburie­ rungsbehandlung zu befreien, bevor das Hartlöten durchgeführt wird, um in jedem Falle sicherzustellen, daß das Hartlot nicht in Kontakt mit einem karburierten Oberflächenabschnitt des Stahlkörpers gelangt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird der vor Karburierung zu schützende Bereich der Stahlkörperoberflä­ che vor der Karburierungsbehandlung mit einem Schutz überzogen. Ferner hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, daß der Stahlkörper bis zu einer Tiefe von 0,1 bis 0,6 mm karburiert wird.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zu verarbeitende ke­ ramische Körper bestehen bevorzugt aus Siliciumnitrid, Zirkoni­ umoxid, Siliciumcarbid, Bornitrid und Aluminiumoxid. Als Hart­ lot zur Verbindung dieser keramischen Körper mit einem Stahl­ körper wird vorzugsweise Ag-Cu-Ti; Ag-Cu-In-Ti; Ag-Ti; Ag-Cu- Ni-Ti; Ag-Cu sowie Ag-Cu-In verwendet.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs­ beispiele sowie unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrie­ ben. In dieser zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht eines Ventilbetätigungssystems,

Fig. 2 einen vertikalen Querschnitt durch eine Ventilbrücke und

Fig. 3 einen vertikalen Querschnitt durch einen Ventilstö­ ßel.

Der mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Ke­ ramik/Stahl-Verbundkörper ist wegen der ausgezeichneten Ver­ schleißfestigkeit seines Keramikanteils und wegen der Oberflä­ chenhärte des karburierten Stahlabschnitts besonders für Bau­ teile geeignet, die eine Vielzahl von einer Gleitreibung ausge­ setzten Bereichen besitzt. Ferner weist der so hergestellte Verbundkörper eine ausreichende Stoßfestigkeit auf, weil das Innere des karburierten Stahls eine recht gute Zähigkeit auf­ weist.

Es ist allgemein bekannt, daß bei der Karburierung eines Stah­ les die Kohlenstoffmenge in der Oberfläche des Stahls zunimmt, was den Martensitanteil erhöht. Wird auf dem karburierten Be­ reich ein Hartlötprozeß ausgeführt, so erzeugt die gesteigerte Kohlenstoffmenge in dem karburierten Bereich während des Abküh­ lens Martensit, was mit einer Volumenvergrößerung einhergeht, was wiederum schädliche Einflüsse auf Bereiche auszuüben ver­ mag, in welchen andere Teile befestigt sind. Vorliegend wurde gefunden, daß derart schädliche Einflüsse minimiert werden und Festigkeitsverminderungen im hartgelöteten Bereich unterdrückt werden können, wenn der Bereich der Stahloberfläche an welcher der keramische Körper angelötet werden soll, nicht karburiert wird.

Der zu verwendende Stahl ist vorzugsweise entweder ein Stahlmaterial wie etwa JIS (Japanischer Industriestandard) SNCM630, JIS SNCM616 oder dergleichen, das eine chemische Komponente besitzt, die mittels einer Hartlöt-Wärmebehandlung gehärtet werden kann, oder das obige Stahlmaterial, in dem die Kohlenstofmenge verringert worden ist, um die Abschreckhärte des Materials selbst zu verringern.

Die Karburierungsbedingungen sind die folgenden. Es kann entweder eine Gaskarburierung, eine Flüssigkeitskarburierung oder eine Fest­ körperkarburierung ausgeführt werden. Obwohl die Tiefe und die Härte der Karburierung in Abhängigkeit von den fertiggestellten Pro­ dukten bestimmt werden, werden die Tiefe und die Härte vorzugsweise in einem Bereich zwischen 0,1 mm bis 0,6 mm bzw. HRC30 bis HRC65 ausgewählt.

Für das Keramikmaterial kann Siliziumnitrid, Zirkonoxid, Siliziumkar­ bid, Bornitrid, Aluminiumoxid oder dergleichen verwendet werden.

Vorzugsweise wird als Hartlötmaterial eine Ti enthaltende Silber- Hartlötlegierung verwendet, weil dieses Material während der Hartlöt- Wärmebehandlung mit der Keramik reagiert. Dabei wird ein Hartlöt­ material bevorzugt, das aus einer Ag-Cu-Ti-Gruppe, einer Ag-Cu-In- Ti-Gruppe, einer Ag-Ti-Gruppe, einer Cu-Ti-Gruppe oder einer Ag- Cu-Ni-Ti-Gruppe ausgewählt wird. Ferner ist das Hartlötmaterial, das aus einer Ag-Cu-Gruppe oder einer Ag-Cu-In-Gruppe ausgewählt wird, für die Verbindung der Keramik mit einer im voraus metallisierten Oberfläche geeignet.

Die Hartlötatmosphäre ist vorzugsweise eine nichtoxidierende Atmo­ sphäre wie etwa Vakuum oder eine Ar-, H₂-, N₂-Atmosphäre oder dergleichen. Insbesondere in dem Fall, in dem das Hartlötmaterial Ti enthält, wird das Hartlöten vorzugsweise im Vakuum oder in einer Ar- Atmosphäre ausgeführt. Die Hartlöttemperatur sollte höher als der Umwandlungspunkt A₁ des verwendeten Stahlmaterials sein.

Im erfindungsgemäßen Verbundkörper kann unter Umständen zwischen den Stahl und die Keramik entsprechend den Anforderungen des be­ sonderen Verbundkörpers eine dünne Belastungspufferplatte aus Ni, Cu, Fe oder dergleichen eingebracht werden.

Um das Stahlmaterial außerhalb des Oberflächenbereichs, an dem das Hartlöten ausgeführt wird, zu karburieren, ist die Verwendung eines von zwei Verfahren möglich: Überziehen des nicht zu kaburierenden Bereichs mit ei­ nem Plattierungs- oder Schutzüberzug oder Abtrennen des Hartlötbe­ reichs nach Ausführung der Karburierung.

Im folgenden wird mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 eine spezielle An­ wendung der vorliegenden Erfindung beschrieben.

In Fig. 1 ist schematisch ein Ventilantriebssystems eines Dieselmotors gezeigt. Zwei Ventile 1 besitzen Ventilschafte 1a, die an einer Ventil­ brücke anstoßen, so daß sich die Ventile 1 in dem Moment, in dem die Ventilbrücke 2 mittels eines Kipphebels 3 niedergedrückt wird, nach unten bewegen. Der Kipphebel 3 ist an einer Welle 4 schwenkbar un­ terstützt, wobei das obere Ende eines Schubstabes 5 gegen ein Ende des Kipphebels 3 stößt. Der Schubhebel 5 steht über einen Ventilstößel 6 mit einer Nocke 7 in gleitender Verbindung, so daß er sich bei einer Drehung der Nocke 7 aufwärts und abwärts bewegt, um den Kipphebel 3 so zu schwenken, daß die Ventile durch den Schwenkbetrieb des Kipphebels 3 geöffnet oder geschlossen (oder aufwärts und abwärts bewegt) werden.

In Fig. 2 ist ein vertikaler Querschnitt der in Fig. 1 gezeigten Ventil­ brücke 2 gezeigt. Ein vorderer Endbereich des Kipphebels 3 gleitet mit hohem Oberflächendruck auf einem oberen Bereich der Ventilbrücke 2, so daß in diesem Bereich ein Verschleißproblem entsteht. Folglich ist ein Aufbau, in dem der obere Bereich 2a aus Keramik gebildet und mit dem (metallischen) Ventilbrückenkörper 2b mittels einer Silber-Hart­ lötlegierng hartverlötet wird, sehr wirksam. In dem Fall, in dem selbst bei einer Wärmebehandlung zum Zeitpunkt des Hartlötens die Metall­ härte nicht gewährleistet werden kann, entsteht im Verschleiß- oder Ermüdungspunkt in einem Bereich A, an den das Ende des Ventil­ schafts 1a stößt, ein Problem.

Erfindungsgemäß kann aufgrund der Karburierung über die gesamte Metalloberfläche eine ausreichende Härte erzielt werden, so daß die erwähnten Probleme beseitigt werden. Im folgenden wird das beson­ dere Verfahren zur Herstellung des Keramik/Stahl-Verbundkörpers gemäß dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrie­ ben:

• 1. Der Keramikbereich 2a wird durch die folgenden Schritte ge­ bildet: Mischen von Zusatzstoffen zum Sintern einer Y₂O₃- Al₂O₃-Gruppe mit 90 Gewichtsprozent eines Siliziumnitrids; Hinzufügen eines Formungsbindemittels zur Mischung und Formung des Materials mittels einer Senkpresse in ein Form­ stück in Gestalt einer rechtwinkeligen Platte; Sintern des Formstücks bei 1700 bis 1800°C in einer N₂-Atmosphäre, um ein rechtwinkeliges, plattenähnliches, gesintertes Material aus Siliziumnitrid zu erhalten; Feinschleifen der Endoberflä­ chen des gesinterten Materials, um eine 20 × 1 × 43 mm-Kera­ mikplatte zu erhalten.
• 2. Der Ventilbrückenkörper 2b wird aus JIS SNCM616 durch Kaltschmieden gebildet und dann bei 900°C für zwei Stunden einer Gaskarburierungsbehandlung unterzogen.
• 3. Zwischen den Keramikbereich 2a und den Ventilbrückenkör­ per 2b wird eine Kupferplatte 2c mit einer Stärke von 0,5 mm eingesetzt, mit einem Aktiv-Hartlötmaterial aus der Ag- Cu-Ti-Gruppe bei 850°C zwanzig Minuten lang im Vakuum gehalten und dann durch Abkühlen im Ofens verbunden.

Die Oberflächenhärte des Metallbereichs der so fertiggestellten Ventil­ brücke 2 betrug HRC60.

In Fig. 3 ist ein vertikaler Querschnitt des in Fig. 1 gezeigten Ventil­ stößels 6 gezeigt. Das untere Ende eines Schubstabes 5 gleitet in einem Aussparungsbereich 6a des Ventilstößels 6, während eine Nocke 7 an der Unterseite 6b des Ventilstößels 6 gleitet. Auch in diesem Fall ist die Unterseite 6b des Ventilstößels 6, auf dem das Gleiten den größten Verschleiß hervorruft, aus Keramik gebildet, während der Ventilstö­ ßelkörper 6c aus Metall hergestellt ist.

Das Verfahren zur Herstellung dieses Ventilstößels wird im folgenden beschrieben:

• 1. Der Keramikbereich 6b wurde durch die folgenden Schritte hergestellt: Mischen von Zusatzstoffen zum Sintern einer Y₂O₃-Al₂O₃-AlN-Gruppe mit 90 Gewichtsprozent eines Si­ liziumnitrids; Hinzufügen eines Formungsbindemittels zur Mischung und zur Formung der so erhaltenen Substanz mit­ tels einer Gesenkpresse zu einem Formstück; Sintern des Formstücks in einer N₂-Atmosphäre; Schleifen der gesinter­ ten Substanz, um eine scheibenähnliche Substanz mit den Maßen 20(⌀)·2 mm(t) zu erhalten.
• 2. Der Ventilstößelkörper 6c wird durch einen Prozeß herge­ stellt, in dem JIS SNCM630 durch Kaltschmieden zu einem Zylinder mit Boden geformt und dann bei 900°C für zwei Stunden einer Gaskarburierungsbehandlung unterzogen wird. In diesem Fall wird die Kupferplatte im voraus in der des Hartlötbereichs angeordnet, so daß die Karburierung nicht im Hartlötbereich ausgeführt wird. Anschließend werden nach der Karburierung die Hartlötoberfläche und der äußere Um­ fangsbereich einem Schleifprozeß unterzogen.
• 3. Der Keramikbereich 6b und der Ventilstößelkörper 6c wer­ den mit einem zwischen ihnen eingesetzten Aktiv-Hartlötma­ terial aus der In-Cu-Ag-Ti-Gruppe bei 790°C zwanzig Minuten lang im Vakuum gehalten und dann durch Abkühlen im Ofen miteinander verbunden.

In diesem Beispiel wurde die Oberfläche, mit der der Keramikbereich 6b verbunden wird, nicht karburiert, weil die Kohlenstoffmenge in der Stahloberfläche niedrig gehalten wurde, um das Ausmaß der Volumen­ ausdehnung des Matinsits zu verringern, um die Verbindungsfestigkeit zu stabilisieren.

In der weiter unten angegebenen Tabelle 1 ist ein Vergleich der Scher­ festigkeit zwischen den Teststücken eines SNCM616-Metallkörpers mit 15(⌀)·20 mm(t) und einem gesinterten Siliziumnitrid-Material mit 15(⌀)·2 mm(t), in dem das Hartlöten unter den gleichen Bedingungen (Verwenden eines Aktiv-Hartlötmaterials aus der In-Cu-Ag-Ti-Gruppe, Halten bei 790°C während zwanzig Minuten im Vakuum und Verbinden durch Abkühlen im Ofen) ausgeführt wurde, gezeigt. In Tabelle 1 ist im Fall I ein Teststück gezeigt, in dem die Karburierung nicht ausgeführt wurde, im Fall II ist ein Teststück gezeigt, in dem die gesamte Oberfläche karburiert wurde; im Fall III ist ein Test­ stück gezeigt, in dem die Karburierung bis auf den Verbindungsbereich ausgeführt wurde. Im Fall III wurde der Metallkörper in demjenigen Zustand karburiert, in dem der Verbindungsbereich des Metallkörpers vorübergehend mit einem kappenähnlichen Schutzüberzug von 16(⌀)·5 mm(Höhe) überzogen war, so daß der Metallkörper mit Ausnahme der Verbindungsoberfläche karburiert wurde. Dann wurde der Schutzüber­ zug beseitigt und vom nichtkarburierten Bereich 0,5 mm abgetrennt.

Tabelle 1

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, wurde im Fall II die Festigkeit abgesenkt und die Streuung leicht erhöht; in den Fällen I und III wurden im we­ sentlichen die gleichen Ergebnisse erzielt.

Wie oben beschrieben, werden in dem erfindungsgemäßen Kera­ mik/Stahl-Verbundkörper die folgenden Wirkungen erzielt: Der Ver­ bundkörper ist wegen seiner ausgezeichneten Verschleißfestigkeitsei­ genschaften der Keramik und der Härte der Oberflächenschicht des karburierten Stahls für Teile geeignet, die eine Mehrzahl von gleitfähi­ gen Bereichen aufweisen; ferner besitzt der Verbundkörper eine aus­ reichende Festigkeit, weil das Innere des karburierten Stahls eine Zä­ higkeit besitzt. Darüber hinaus kann der Härtungsgrad der Oberfläche durch die Bedingungen der Karburierungsbehandlung wunschgemäß festgesetzt werden. Vorteilhafterweise wird der Stahl mit Ausnahme des Bereichs, in dem die Keramik mittels Hartlötens aufgebracht wird, karburiert, so daß es möglich ist, die Streuung der Festigkeit im Hartlötbereich zu minimie­ ren. Gemäß dem Herstellungsverfahren, in dem der Stahl in einem vor der Wärmeverbindung der Keramik ausgeführten Schritt karburiert wird, wird auf die Oberfläche des Stahls durch eine Hartlöt-Wärmebe­ handlung eine Druckbeanspruchung ausgeübt, um den Stahl zu festi­ gen, so daß die Zähigkeit und die Gleitfähigkeitseigenschaften verbes­ sert werden.

Für den Fachmann ist es offensichtlich, daß verschiedene Abwandlun­ gen und Veränderungen des erfindungsgemäßen Keramik/Stahl-Ver­ bundkörpers und des Aufbaus dieses Verbundkörpers ausgeführt wer­ den können, ohne daß vom Umfang der Erfindung abgewichen wird. Für den Fachmann sind aufgrund der Betrachtung der Beschreibung und der Praxis der offenbarten Erfindung andere Ausführungsformen offensichtlich.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Keramik/Stahl- Verbundkörpers, bei welchem ein keramischer Körper mit ei­ nem Stahlkörper bei einer Temperatur oberhalb des A₁- Umwandlungspunktes des Stahlkörpers hartverlötet wird, da­ durch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Stahlkörpers karburiert wird, um diese Oberfläche auf eine Härte von HRC30 bis HRC65 zu härten, und daß der keramische Körper mit einem Abschnitt der Stahlkörperoberfläche hartverlötet wird, welcher vor dem Karburieren geschützt worden ist oder von welchem die karburierte Oberflächenschicht ent­ fernt worden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der vor Karburierung zu schützende Bereich der Stahlkörper­ oberfläche vor dem Karburieren mit einem Schutz überzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlkörper bis zu einer Tiefe von 0,1 bis 0,6 mm karbu­ riert wird.