DE69313131T2

DE69313131T2 - Reibschweissen mit elektrischer heizung

Info

Publication number: DE69313131T2
Application number: DE69313131T
Authority: DE
Inventors: Geoffrey Linzell
Original assignee: Ball Burnishing Machine Tools Ltd
Current assignee: Ball Burnishing Machine Tools Ltd
Priority date: 1992-01-14
Filing date: 1993-01-11
Publication date: 1998-03-12
Anticipated expiration: 2013-01-12
Also published as: GB9300418D0; ATE156738T1; GB2263247A; WO1993013908A1; GB2263247B; CA2127787A1; DE69313131D1; EP0670759A1; EP0670759B1; CA2127787C; US5519182A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Verbindungen und befaßt sich insbesondere mit Verbindungen, bei denen die Kopplung zwischen zwei Oberflächen durch Reibung und andere Grenzflächenkräfte bewirkt wird, die die beiden ineinander verkeilen, insbesondere mit denjenigen Verbindungen und Verbindungstechniken, die Gegenstand unserer internationalen Anmeldung PCT/GB 91/00,950 sind.
Es gibt viele Möglichkeiten, einen Artikel mit einem anderen zu verbinden, und die für die Anwendungen in einem bestimmten Fall geeignete ist im allgemeinen abhängig von den jeweiligen Umständen. So können beispielsweise zwei Stücke Holz durch Nageln oder Schrauben oder mit einer geschickt geformten Verriegelungsfuge, mit oder ohne Klebstoff, verbunden werden, während zwei Stücke Metall geklebt, gelötet, hartgelötet, geschweißt, verschraubt, genietet ... und so weiter werden können. Es ist sogar möglich, gute Verbindungen herzustellen, die einfach durch Reibung zwischen den beiden Teilen zusammengehalten werden. So werden z.B. die Stifte, die die Saiten einer Geige halten, lediglich durch Reibung zwischen der Seite des jeweiligen Stiftes und der Seite des Loches festgehalten, in das er gesteckt wurde, und Reibungs- oder "Interferenz"-Passungen zwischen einem Metallartikel und einem anderen sind recht üblich. Beispiele hierfür sind die Befestigung eines Zahnkranzes auf einem Schwungrad, wie es gewöhnlich in einem Kraftfahrzeugmotor benutzt werden, und die eines Metallreifens auf dem Rad eines Eisenbahnwagens. Eine Reibungsverbindung hat gewöhnlich nur Scherfestigkeit und widersteht so einer Bewegung in der "Ebene" der Verbindung (wie sie z.B. durch Torsions- oder Abschubkräfte verursacht werden könnten), und effektiv keine Zugfestigkeit, so daß sie keinen normal zur Verbindung wirkenden Zugkräften widerstehen kann. werden, und fallen gewöhnlich auseinander. Trotzdem kann dies vollkommen akzeptabel sein, wenn dies der Anwendungszweck und insbesondere der physikalische Aufbau der Verbindung selbst zulassen. So ist eine Verbindung zwischen einem stab- oder wellenähnlichen Element und einem Körper, der diesen - flanschartig - umgibt, wie der Geigensaitenstift, der in das Loch im Hals der Geige eingesteckt wird, durchaus ausreichend; die Stifte verhindern eine Rotation, obwohl sie sich recht leicht herausziehen lassen.
Ein Typ von Verbindung, an deren Bildung Reibung beteiligt ist, obwohl hier Reibung nicht als Bindungskraft benutzt wird, ist die Reibungsschweißverbindung, bei der zwei Teile wiederholt und schnell aneinandergerieben werden (gewöhnlich mehrere hundertmal innerhalb weniger Sekunden), bis die Kontaktflächen durch die Reibung zwischen ihnen heiß genug geworden ist, um zu erweichen und sich zu vermischen, wenn das Aneinanderreiben aufhört, und die beiden Flächen dann zusammengedrückt/-geschmiedet werden (mit Kräften in der Größenordnung von Tonnen pro Quadratzoll [bzw. ein paar hundert Newton pro Quadratmillimeter], wobei eventuelle kontaminierte Reste aus den ursprünglichen Oberflächen ausgequetscht werden), um eine vollständige Fusion zwischen den Körpern zu bewirken, so daß sich eine echte Schweißverbindung (molekulare Interpenetration) der beiden Teile miteinander ergibt. Es ist möglich, wenn auch nicht üblich, eine Form von Reibungspromotor anzuwenden - feine Schleifkörner wie z.B. Karborund (Aluminiumoxid) oder Sand (Silika) zwischen den beiden Flächen zu benutzen; nach dem Erhitzen wird der Promotor jedoch herausgequetscht, wenn die beiden Flächen zusammengedrückt/geschmiedet werden (wiederum mit beträchtlicher "störender" Verformung), um die eigentliche Schweißverbindung herzustellen. Eine auf diese Weise hergestellte Schweißverbindung hat, wie jede echte Schweißverbindung, bei der das Material der beiden Teile tatsächlich interpenetriert ist, sowohl Scher(seitwärts) als auch Zugfestigkeit (längs), was durchaus von Vorteil sein kann, aber den großen Nachteil hat, daß die beiden Teile auf eine relativ hohe Temperatur erhitzt werden müssen, was zu wärmebeeinflußten Zonen auf beiden Seiten der Verbindung führt, durch die der Grundzustand und der physikalische Zustand des Materials erheblich verändert werden kann.
Ein weiterer Typ von Metall-auf-Metall-Verbindung, bei deren Bildung Reibung beteiligt ist, jedoch ohne die Entstehung hoher Temperaturen in der Metallmasse, ist die Kaltpreßschweißverbindung, insbesondere die Form, die als Kaltpreß-Scherschweißverbindung bekannt ist. Zur Erzielung zuverlässiger Ergebnisse mit diesem Verfahren müssen die Oberflächen sorgfältig vorbehandelt werden (durch Reinigen mit einer Drahtbürste unmittelbar vor der Montage, oder vorzugsweise durch Vernickeln).
Bei einer gewöhnlichen Kaltpreßschweißverbindung werden die beiden zu verbindenden Teile mit einer Kraft zusammengeschmiedet, die ausreicht, um eine Oberflächenvergrößerung zwischen 30% und 60% im Grenzbereich zu bewirken (dies sind wie bei der Reibungsschweißung mehrere hundert Newton pro Quadratmillimeter). Dadurch wird die Oxidschicht, die normalerweise die Oberflächen bedeckt (siehe unten) stark zerstört, so daß die darunterliegenden sauberen und unreagierten Metallflächen unter der weiter aufgebrachten externen Schmiedekraft in engen Kontakt miteinander kommen können; sie verschmelzen dann durch molekulare Diffusion miteinander und bilden eine echte Schweißverbindung mit guter Zugfestigkeit. Bei der Scherversion werden ebenso langsame relative Gleit- und Scherkräfte aufgebracht (diese werden dann gestoppt, damit die Schweißung unter den aufrechterhaltenen Schmiedekräften stattfinden kann), um verbesserte Bindungen mit einem geringeren Maß an Verformung zu erzielen.
Die Erfindung gemäß unserer obengenannten Anmeldung betrifft ein neuartiges und äußerst überlegenes Verfahren zur Herstellung dessen, was der Einfachheit halber als Reibungsverbindungen angesehen werden kann, das heißt Verbindungen zwischen den Kontaktflächen von zwei Teilen, die miteinander in Kontakt gehalten werden (aber nicht durch eine Kraft, die zum Schmieden ausreicht, wie in den obengenannten Fällen) und die sich sonst seitlich aneinander vorbei parallel zur Berührungsebene (und so normal zur Haltekraft) bewegen würden, wobei das Verfahren eine minimale anfängliche seitliche Bewegung der beiden Flächen beinhaltet, die ausreicht, um unter besonderen Umständen ein Verformen, Verschweißen und Scheren von Oberflächenausbuchtungen (Verschweißen zwischen einander gegenüberliegenden und sich berührenden Mikrovorsprüngen) zu bewirken, aber nicht ausreicht, um die Massetemperatur eines der Körper auf einen Wert zu erhöhen, bei dem eine Masseschweißung stattfindet. Das Verfahren, mit dem Verbindungen mit bis zu 90% der Scherfestigkeit (die einer weiteren seitlichen Bewegung widersteht) des schwächeren Materials der beiden verbundenen Körper erzielt werden können, aber mit einem Energieaufwand von lediglich 5% der Energie, die zur Bildung einer eigentlichen Reibungsschweißung erforderlich ist, beinhaltet das Phänomen des "abriebs" (wie nachfolgend erläutert; die besonderen Bedingungen führen zu äußerst schnellem, sogar exponentiellem Abrieb - Ansammlung von übertragenem Material - und Furchung, so daß zwei physikalisch verriegelte Reihen gebildet werden, von denen jede durch Schweißstellen an ihre jeweilige Oberfläche, aber nicht aneinander gebunden sind).
Unter den auf der Erde vorherrschenden Umweltbedingungen - eine Atmosphäre, die größtenteils durch das äußerst reaktionsfähige Gas Sauerstoff gebildet wird -sind die Oberflächen der meisten üblichen Metalle (wie Eisen oder Aluminium) mit einem Oxidfilm überzogen. Wenn zwei chemisch ähnliche Metallflächen mit einer ausreichenden Kraft - in der Größenordnung von einigen Dutzend Newton pro Quadratmillimeter - normal zur Bewegungsrichtung (um sie in festem Kontakt miteinander zu halten) aneinandergerieben werden, dann ist es üblich, daß aufgrund einer plastischen Verformung des Materials an den Kontaktstellen von Oberflächenausbuchtungen (wo der Oxidfilm zerstört ist) zwischen den beiden Mikroschweißscherkräfte ("Reibung") auf einer oder auf beiden Flächen auftreten und daß mikrospkopisch kleine Mengen Material von einer Oberfläche auf der anderen abgelagert werden (wenn eine aus einem relativ weichen Material ist, dann wird es auf dem härteren abgelagert), was zu Abnutzung führt. Die Rate dieser Übertragung wird im allgemeinen durch die Fähigkeit der Oberfläche bestimmt, die Schäden an ihrer Oxidschicht zu reparieren (oder durch Einfügen anderer Materialien wie z.B. Schmiermittel mit chlorhaltigen Zusätzen, die Chloride an dem Ort mit beschädigtem Oxidfilm zu erzeugen, die als vorübergehender Ersatz für die Oxidschicht dienen). Unter den meisten Bedingungen ist die Situation selbstregulierend, und die Übertragung wird minimal gehalten.
Die Ablagerungen werden als "Galls" (von dem englischen Wort für "Galle" in Analogie zur biologischen Galle, definiert als anormale(r) lokalisierte(r) Schwellung oder Auswuchs, nachfolgend als "Absonderungen" bezeichnet) bezeichnet, und der Vorgang ihrer Entstehung wird als "Abrieb" ("Galling") bezeichnet. Man würde erwarten, daß Abrieb zwischen zwei benachbarten zusammengehaltenen Flächen eine Reibungsverbindung zwischen den beiden verbessern würde: Es wurde gefunden, daß ein extensiver Abrieb zuverlässig durch eine minimale Aneinanderreibungsbewegung der beiden Oberflächen und unter minimalem Druck bewirkt werden kann, und daß die dadurch entstehenden "Reibungs"-Verbindungen im Hinblick auf ihre Fähigkeit, weiteren seitlichen Bewegungen zu widerstehen, äußerst stark sind (der Reibungskoeffizient zwischen den beiden Flächen kann auf Werte zwischen 0,1 und 5 oder sogar darüber erhöht und dort gehalten werden). Es wurde insbesondere gefunden, daß solche Verbindungen leicht, zuverlässig, vorhersagbar und kontrollierbar mit Hilfe eines "Anti- Schmiermittels" - ein "fraßförderndes Mittel" - hergestellt werden können, um die beiden sich berührenden (besonders Metall-) Flächen gegen eine Gleitbewegung aneinander zu binden.
Demgemäß stellt der Erfindungsgegenstand unserer obengenannten Anmeldung ein Verfahren zur Absicherung gegen seitliche Bewegungen von zwei durch Oberflächenausbuchtungen in direktem Kontakt gehaltenen Körpern bereit, um so zwischen den beiden Körpern eine Verbindung herzustellen, wobei in dem Verfahren ein Material in den Grenzbereich zwischen den beiden Körpern eingefügt wird, das bei einer ersten minimalen seitlichen relativen Bewegung der beiden Oberflächen einen schnellen, jedoch kontrollierbaren "Abrieb" zwischen den beiden Oberflächen fördert, wobei dieser Abrieb die Oberflächen an einer weiteren solchen Bewegung hindert.
Der hier verwendete Begriff "Abrieb" bezieht sich sowohl auf die Bildung von sichtbaren, signifikanten Absonderungen, wenn recht große Mengen Material von einer Fläche auf die andere übertragen werden, und auf die Bildung von visuell weniger signifikanten, sogar mikroskopischen Absonderungen in solchen nicht selten vorkommenden Fällen, bei denen die Menge an übertragenem Material wesentlich geringer und dabei doch wirksam ist. In einem allgemeineren Sinne ist also der "Abrieb", der in dem Verfahren der Erfindung gemäß der obengenannten Anmeldung bewirkt wird, und kann definiert werden, als das Ergebnis eines hohen Niveaus an Reibung, durch die die entsprechenden Oberflächen gleichmäßig aufgebrochen werden und eine kontrollierte Übertragung des Oberflächenmaterials von einem Körper auf den anderen bewirkt wird, um eine "Reihe" von mechanisch ineinandergreifenden Ausnehmungen und Vorsprüngen zu erzeugen, die sich, in Folge des innigen direkten Kontakts zwischen den beiden Flächen, miteinander verkuppeln und verriegeln, um einer weiteren seitlichen Bewegung entgegenzuwirken.
Die vorliegende Erfindung betrifft sowohl eine Verbesserung als auch eine Erweiterung der Erfindung der obengenannten Anmeldung. Sie betrifft insbesondere eine Verbesserung im Hinblick auf das Verfahren der obengenannten Anmeldung zur Erleichterung von deren Anwendung über eine breitere Palette von Grenzbereichsbedingungen. Sie ermöglicht somit eine Lockerung der praktischen Herstellungstoleranzen und Oberflächenrauhigkeitskriterien, die für die Herstellung zuverlässiger, mechanisch verriegelter Reibungsverbindungen durch Abrieb erforderlich sind. Außerdem erweitert sie die Anwendung des Verfahrens auf Fälle, bei denen die Grenzbereichkontäktkräfte aufgrund der geringen elastischen Festigkeit der verbundenen Teile durch Aneinanderreiben nicht zuverlässig einen gleichmäßigen Abrieb bewirken können. Und was die Erweiterung der Erfindung der obengenannten Anmeldung betrifft, so ermöglicht die vorliegende Erfindung in einigen günstig geformten Verbindungen die Umwandlung der abgeriebenen Kontakte innerhalb einer Aneinanderreibungsverbindung in tatsächliche intermetallische Diffusionsbindungen über die verriegelten (verbundenen) Flächen in einer Verbindung zur Bildung kontinuierlicher Schweißverbindungen. All dies wird dadurch ermöglicht, wie nachfolgend erläutert wird, daß die Verbindung bei ihrer Bildung örtlich begrenzt erhitzt wird, praktischerweise dadurch, daß ein elektrischer Strom durch sie geleitet wird.
Zunächst wird der Verbesserungsaspekt der vorliegenden Erfindung ausführlicher beschrieben.
Für die mit dem Verfahren der obengenannten Anmeldung gebildeten mechanisch verriegelten Verbindungen wird Abrieb als ein Mittel zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit gegenüber einfachen Interferenzverbindungen benutzt. Für eine optimale mechanische Festigkeit und Ermüdungsbeständigkeit erfordern diese Verbindungen eine gleichmäßige Verteilung von Abriebstellen einheitlicher Größe (vorzugsweise eher klein als groß), und damit diese gleichmäßig verteilt zwischen den aneinandergeriebenen Flächen gebildet werden können, müssen genügend Oberflächenausbuchtungen in festen Gleitkontakt gebracht werden und es muß genügend Energie vorhanden sein, um eine schnelle und erhebliche plastische Verformung in diesen sich berührenden Oberflächenausbuchtungen zu bewirken, wenn die Flächen aneinandergerieben werden. In Anwesenheit eines abriebfördernden Anti-Schmiermittelfluids beginnt der Abrieb an Kontaktstellen der Oberflächenausbuchtungen mit geringeren Niveaus an Kraft und Verformung, als dies sonst der Fall wäre.
Eine gleichmäßige Verteilung von Abriebstellen findet jedoch nicht immer statt, und das Verfahren der vorliegenden Erfindung stellt ein Mittel zur Verbesserung der Qualität der Verbindung bereit, indem die Zahl der Kontaktstellen von Oberflächenausbuchtungen und somit die Möglichkeit einer noch gleichmäßigeren Verteilung der Abriebstellen erhöht wird. Wenn sich beispielsweise die Kombination von Toleranzen und Oberflächenrauhigkeit in einer bestimmten Verbindung an der für eine bestimmte Vormontage-Spezifikation ungünstigsten Grenze befindet (als "ungünstigster Fall" bezeichnet), dann wird wahrscheinlich nur eine minimale Zahl von Oberflächenausbuchtungen miteinander in Kontakt kommen, und daher müssen diese optimal genutzt werden. Und wenn demgemäß beim Bilden (durch Aneinanderreiben) einer Verbindung die zugeführte externe mechanische Energie durch mehr Energie in der Form eines über die Verbindung geleiteten elektrischen Stroms ergänzt wird - und der Strom fließt nur durch diese in Kontakt befindlichen Oberflächenausbuchtungen - dann erhitzt und erweicht der Strom, wenn er eine ausreichende Stärke besitzt, die sich berührenden Oberflächenausbuchtungen selektiv, so daß sich diese schneller verformen und verflachen können, um nahegelegene weitere kleinere Oberflächenausbuchtungen miteinander in Kontakt zu bringen und so die Zahl der Abriebstellen zu erhöhen. Und dieses Konzept ist der Verbesserungsaspekt der vorliegenden Erfindung, wie nachfolgend erläutert wird.
Bei der Bildung der Art von Reibungsverbindung, mit der sich die Erfindung befaßt, ist ein notwendiger Effekt die plastische Verformung von Kontakten von Oberflächenausbuchtungen, d.h. eine Mindestanforderung für die Entstehung von Abrieb ist eine Kraft, die ausreicht, um die Oberflächenausbuchtungen auf den Oberflächen zu verformen, wenn diese aneinandergerieben werden. Die Zahl verformter Oberflächenausbuchtungen nimmt im allgemeinen mit dieser Aneinanderreibungskraft zu, und in der Praxis gibt es eine Mindestkraft, unterhalb derer auf diese Weise überhaupt keine Verbindung mehr hergestellt werden kann, und somit (wie manglaubt) unterhalb derer, wenn überhaupt, nur wenige Oberflächenausbuchtungen die notwendige Verformung erfahren.
Leider sind niedrige Aneinanderreibungskräfte, die sich als zur Bildung von Verbindungen unzureichend erweisen, möglicherweise aus anderen Gründen wichtig, zum Beispiel dann, wenn Teile mit geringer Festigkeit miteinander verbunden werden sollen (offensichtlich wird bei den meisten in der Praxis vorkommenden konformen Verbindungen die maximale Kraft zwischen den beiden Körpern durch die mechanische Festigkeit des schwächeren der beiden bestimmt), wobei typische Beispiele die dünnwandigen Röhren sind, die üblicherweise für Fahrradrahmen oder beim Bau von leichten Antennentürmen benutzt werden. Die Anwendung geringer Kräfte verursacht nicht nur einen begrenzten Abrieb, sondern der Abrieb, der entsteht, neigt auch dazu selektiv zu sein, was zu wenigen konzentrierten Anstauungen von abgeriebenem Material führt, die groß genug sind, um einen Keil oder eine Kugel zu bilden und somit große Bereiche von aneinandergeriebenen Oberlächen anzuheben und auseinanderzuhalten. Dies verhindert natürlich einen weiteren wirksamen Grenzflächenkontakt über große Bereiche innerhalb der Verbindung und verringert die Festigkeit der Verbindung noch weiter.
Unter diesen Umständen wäre es natürlich hilfreich, wenn die Oberflächenausbuchtungen und eventuelle große Ansammlungen von Abriebmaterial durch die Anwendung einer anderen externen Energie als der des Aneinanderreibungseffektes erweicht werden könnten, so daß sie sich leichter, aber unter einer geringeren angewandten Kraft verformen. Dieser Effekt läßt sich natürlich durch eine allgemeine Erhöhung der Temperatur der Körper erzielen, aber der dadurch erzielte Vorteil ist begrenzt, da mit ansteigender Temperatur die Festigkeit der gesamten Baugruppe nachläßt, worauf die Last, welche die Kräfte bildet, die die Flächen in Kontakt halten, selbst reduziert wird, was dazu führt, daß der Vorteil der Selbsterweichung verlorengeht.
Benötigt wird ein Verfahren zum selektiven Zuführen von Wärme nur zu denjenigen Oberflächenausbuchtungen, die sich tatsächlich in Kontakt miteinander befinden, und dies kann dadurch erzielt werden, und ist die Basis der vorliegenden Erfindung, daß ein elektrischer Strom zwischen die Oberflächen geleitet wird, da der Strom nur zwischen sich berührenden Oberflächenausbuchtungen passiert, und daher findet der entstehende lokalisierte und transiente Erhitzungseffekt nur an diesen Oberflächenausbuchtungen statt. Außerdem ist die Nettoerhitzung der Körper nahezu unerheblich - nicht mehr als etwa ein paar hundert Grad Celsius, und mit Sicherheit viel zu gering, um eine signifikante Lastreduzierung und somit eine entsprechende unerwünschte Verringerung der Aneinanderreibungskraft zu verursachen. Das gewünschte Ergebnis ist, daß nur diese Oberflächenausbuchtungen erweicht werden, sowie deren leichte Verformung bei wesentlich geringeren Aneinanderreibungskräften. Und die größeren Oberflächenausbuchtungen kommen zuerst miteinander in Kontakt, werden somit durch den durchfließenden Heizstrom zuerst erweicht und dann verformt und verflacht, so daß viele kleinere Oberflächenausbuchtungen miteinander in Kontakt kommen können.
In einem Aspekt stellt die Erfindung daher eine verbesserte Version des Verfahrens gemäß unserer obengenannten Anmeldung bereit, nämlich ein Verfahren zur Absicherung gegen seitliche Bewegungen von zwei durch Oberflächenausbuchtungen in direktem Kontakt gehaltenen Körpern, um so zwischen den beiden Körpern eine Verbindung herzustellen, durch Einfügen eines Materials in den Grenzbereich zwischen den beiden Körpern, das bei einer ersten minimalen seitlichen relativen Bewegung der beiden Oberflächen einen schnellen, jedoch kontrollierbaren "Abrieb" zwischen den beiden Oberflächen fördert, wobei dieser Abrieb die Oberflächen an einer weiteren solchen Bewegung hindert, wobei es Ziel der Verbesserung ist, das Abriebpotential der Oberflächen der beiden Körper zu erhöhen, wenn sie in Anwesenheit des abriebfördernden Materials durch Oberflächenausbuchtungen in Reibkontakt gebracht werden, durch Leiten eines elektrischen Stroms zwischen die Flächen während der Bildung der Verbindung.
Es ist verständlich, daß der durchfließende Strom, wie oben beobachtet, nach erstem Kontakt und/oder minimaler seitlicher relativer Bewegung der beiden Oberflächen nur durch sich berührende Oberflächenausbuchtungen fließt, um diese zu erhitzen und zu erweichen und zu bewirken, daß sie sich leichter verformen und zusammengedrückt werden, um weitere, kleinere Oberflächenausbuchtungen miteinander in Kontakt zu bringen (und jeder Oberflächenausbuchtungskontakt kann natürlich potentiell Absonderungen erzeugen). Ferner ist zu bemerken, daß Absonderungen, die in Kontakt zwischen den Oberflächen gelassen werden, sich zwar gelegentlich über einen vergleichsweise langen Zeitraum zu Diffusionsbindungen entwickeln, aber die Erfahrung zeigt, daß dies kein zuverlässiger Prozeß zur Bildung solcher Bindungen ist, und wenn eine Diffusionsbindung erforderlich ist, dann wird bevorzugt, wie beim Erweiterungsaspekt der Erfindung (nachfolgend ausführlicher beschrieben), daß der Strom auch nach dem Stoppen der angewandten relativen Bewegung noch weiter fließt, so daß auf vorhersagbare Weise echte zusammenhängende Schweißstellen gebildet werden.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist auf alle Reibungsverbindungen, die durch Abrieb hergestellt und durch ein abriebförderndes Mittel verbessert werden, als Festigungsprozeß anwendbar. Wenn der Fluß des Stroms während des Aneinanderreibens stark genug gehalten wird, dann führt das Verfahren zu noch gleichmäßigerem Abrieb, so daß sich eine überlegene Verbindung mit noch gleichmäßiger verteilten mechanischen Verriegelungen einheitlicher Größe ergibt. Wie bereits erwähnt, ist dies besonders nützlich bei Verbindungen, bei denen die Vormontagepassung an der ungünstigsten Grenze ist, oder wenn zwei relativ schwache Teile wie z.B. dünne Röhren aneinandergerieben werden sollen (wo die Teile selbst eine begrenzte Festigkeit haben, bestimmt dies den maximalen Kontaktdruck der Oberflächenausbuchtungen). Dieser letztere Fall war in der Tat der Anreiz für die Entwicklung dieses erfindungsgemäßen Verfahrens und wurde oben erörtert.
Sowohl allgemeine als auch spezielle Kommentare in bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren insofern, als sie den Erfindungsgegenstand der obengenannten Anmeldung betreffen, sind natürlich vollständig in dieser Anmeldung beschrieben. Es lohnt sich jedoch möglicherweise trotzdem, einige dieser Punkte hier zu wiederholen.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zur Absicherung gegen seitliche Bewegungen von zwei zusammengehaltenen Körpern bereit, um eine Verbindung herzustellen, und kann insbesondere auf die Herstellung einer Verbindung zwischen den beiden Körpern angewendet werden, bei denen die Form der Körper und die Art und Weise, in der sie zusammenwirken, derartig ist, daß sie zusammengehalten werden, ausgenommen gegen seitlich zu den Haltekräften gerichtete Bewegungen. Solcher Verbindungen sind gewöhnlich von der Art (wie der Geigenstift), bei der sich ein Körper in dem anderen befindet und von diesem umgeben wird - dies sind konzentrische oder axialsymmetrische Verbindungen - so daß das Zusammen- und Inkontakthalten der beiden Körper lediglich eine Sache der Form und des Aufbaus der Verbindung ist, in Kombination mit den physikalischen Eigenschaften der Körper. Typische Beispiele sind Nocken auf Nockenwellen, Gewichte auf Ausgleichsgewichtswellen, Verbindungsstege in Kurbelwellen und Zahnräder auf Zahnradwellen, oder zwei Stäbe oder Rohre, die durch einen Verbindungsflansch miteinander verbunden sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft im Prinzip Körper aus einem beliebigen Material, wenn zwischen den beiden Abrieb erzeugt und ein elektrischer Strom zwischen ihnen durchgeleitet werden kann, aber in der Praxis ist das Verfahren am besten für Körper aus Metall geeignet. Das Metall kann ein beliebiges häufig vorkommendes Metall sein, wie z.B. Eisen oder Aluminium (und deren Legierungen), oder auch ein etwas weniger häufig vorkommendes, wie z.B. Nickel, Kobalt und Titan (und deren Legierungen); Stücke aus demselben Metall können auf diese Weise immer miteinander verbunden werden, was jedoch bei Stücken aus unterschiedlichen Metallen nicht immer der Fall ist. Das erfindungsgemäße Verfahren scheint vor allem und besonders für die Herstellung von Verbindungen zwischen Körpern aus Eisen und dessen Legierungen geeignet zu sein (diese Legierungen werden gewöhnlich Stähle sein, und sowohl ferritische als auch austenitische Stähle lassen sich an sich selbst und aneinander binden).
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Material - ein abriebförderndes, bindendes oder "fraßförderndes" Mittel - in den Grenzbereich zwischen den beiden Körpern eingefügt, und dies ist ein Material, das bei einer minimalen anfänglichen seitlichen Bewegung einer Fläche relativ zur anderen einen raschen "Abrieb" zwischen den beiden Flächen bewirkt, was dazu führt, daß sich die beiden aufeinanderfressen oder aneinanderbinden. Es wurde gefunden, daß bestimmte Silikone (Silikone sind Polymere von Diorganylsiloxanen [-O-Si(R&sub2;)-] und werden weithin als Polysiloxane bezeichnet, deren Versionen mit mittlerer relativer Molekülmasse Öle sind), wenn sie in kleinen Mengen verwendet werden (zur Bildung natürlich dünner Filme), keine Schmierwirkung, sondern stattdessen erhöhte Reibungsniveaus zwischen gleitenden Metalloberflächen zur Folge haben und somit als sogenannte "Anti-Schmiermittel" fungieren, das heißt, sie scheinen keine oder nur geringe Statik- oder Grenzschmierungseigenschaften zu haben und scheinen stattdessen positiv einen reibungsverursachenden Abrieb zu fördern. Daher wird zur Anwendung des Verfahrens der Erfindung der obengenannten Anmeldung, und somit des Verfahrens der vorliegenden Erfindung, auf das Verbinden von zwei Metalloberflächen äußerst bevorzugterweise als abriebförderndes Material (als "Anti-Schmiermittel" oder "fraßförderndes Mittel") ein geeignetes Silikonöl benutzt. Einzelheiten über den chemischen Charakter der bevorzugten Silikonöle werden nachfolgend gegeben.
Das Anti-Schmiermittel bzw. das fraßfördernde Mittel kann selbst direkt Abrieb fördern, oder es kann dies indirekt tun, indem es, unter den Gebrauchsbedingungen, ein Material dazu veranlaßt, das selbst Abrieb fördert. Von den Silikonölen wird angenommen, daß sie, wenn sie Wärme (chemisch) oder Scherkräften (mechanisch) ausgesetzt werden, die durch eine minimale anfängliche seitliche Bewegung erzeugt werden (wenn die verschiedenen "hohen" Punkte auf den beiden Flächen miteinander in Oberflächenausbuchtungskontakt zusammenwirken), chemisch in eine Form zusammenfallen, die "Abrieb" fördert.
Wie oben bemerkt, sind die Oberflächen der meisten üblichen Metalle (wie z.B. Eisen oder Aluminium) mit einem Oxidfilm überzogen. Abrieb zwischen zwei Metalloberflächen ist jedoch ein Phänomen, das am ehesten dann aufzutreten scheint, wenn die aneinandergeriebenen Oberflächen sauber sind und wenn die schützende Oxidschicht aufgebrochen oder chemisch geschwächt ist. Demgemäß scheint es zur Förderung von Abrieb wünschenswert zu sein, ein Material zu benutzen, das wenigstens einen Teil der Oberflächenoxidschicht entfernt (und vorzugsweise eine Neubildung einer solchen Schicht verhindert&sub1; vielleicht durch Abspülen von freiem Sauerstoff aus der Umgebung). Man ist der Ansicht, daß die bevorzugten Silikonöle ein solches Entfernen der Oxidschicht und ein solches Spülen mit Sauerstoff erzielen. Es wird insbesondere angenommen, daß die bevorzugten Silikonöle Stoffe sind, die in Produkte mit starken Sauerstoffspüleigenschaften zerfallen, so daß nicht nur die einander zugewandten Oberflächen der beiden zu verbindenden Metallkörper ganz oder teilweise von der Oxidschicht gereinigtwerden, sondern daß das verbleibende Material als Barriere dient, um einen Eintritt von weiterem Sauerstoff in die Verbindung und eine Neubildung der Oxidschicht zu verzögern, während der verbindungsbildende Vorgang abläuft.
Die für die Verwendung als abriebförderndes Mittel geeigneten Silikonöle können von einem oder vielen verschiedenen Typen sind, und da ihre Eigenschaften nicht unbedingt die gleichen sind, ist es möglicherweise vorteilhaft, eine Mischung aus mehreren verschiedenen Ölen zu benutzen, die sorgfältig abgestimmt sind, so daß sie die benötigten physikalischen und chemischen Eigenschaften haben, wobei möglicherweise unterschiedliche Materialien für verschiedene Metalle oder Metallkombinationen verwendet werden. Individuelle Polysiloxanöle können lineare, verzweigte oder cyclische Moleküle (oder Kombinationen) mit einer breiten Palette an relativen Molekularmassen und Eigenschaften sein, obwohl Materialien, die flüssig sind oder eine relativ niedrige Viskosität haben (etwa 50 c/s oder weniger, einige nur 10 c/s), bevorzugt werden, weil sie sich leichter in den Grenzbereich einfügen lassen und als Abriebpromotoren effektiver zu sein scheinen. Typische Beispiele für solche Materialien sind die Poly(dimethyl)siloxane mit mittlerer relativer Molekülmasse, insbesondere diejenigen Materialien, die im Handel von Dow Corning unter den Markenbezeichnungen MS 200, Dow Corning 531 und 536 sowie Dow Corning 344 und 345 erhältlich und alle vollständig in den entsprechenden Datenblättern beschrieben sind. Die MS 200 Materialien, die sehr vielseitig eingesetzt werden können, einschließlich als Schmiermittel, sind Siloxane der folgenden allgemeinen Formel:
Si (R&sub3;)-(O-Si)[R&sub2;])n-O-Si(R&sub3;)
wobei jedes R gleich oder unterschiedlich sein kann und Wasserstoff oder ein organisches Radikal, typischerweise eine Alkyl- oder Arylgruppe wie z.B. Methyl oder Phenyl, und n eine ganze Zahl zwischen 1 und etwa 2000 bedeuten. Die Stoffe des- Typs 531 und 536, die normalerweise in Poliermitteln verwendet werden, sind amino- und methoxy-funktionelle Polydimethylsiloxane (die enthaltenen funktionellen - d.h. reaktiven - Amino- und Methoxygruppen bewirken, daß sich die - Stoffe chemisch auf die Oberflächen binden, auf die sie aufgetragen werden, und weiter in Anwesenheit von Wasserdampf polymerisieren, indem ihr Zustand von flüssig in einen gummiartigen Feststoff wechselt). Die Stoffe der Typen 344 und 345, die normalerweise in Kosmetikpräparaten eingesetzt werden, sind jeweils cyclische Tetramere und Pentamere von Dimethylsiloxan.
Die Polysiloxane sind für ihre Temperaturbeständigkeit bekannt, sie zerfallen jedoch trotzdem bei starker Erhitzung - bei Temperaturen über 300ºC, die an den Oberflächenausbuchtungskontakten zu erwarten sind, wenn zwei Flächen schnell aneinandergerieben werden - und ergeben Silylanteile, die äußerst aktive Sauerstoffspülmittel sind, und entfernen leicht den Sauerstoff aus der Nähe in einer Oxidschicht, wie sie beispielsweise auf einem Eisen- oder Aluminiumkörper gefunden wird, indem sie die Schicht örtlich auf das Metall reduzieren. Wenn das Polysiloxan also als abriebförderndes Material verwendet und als dünner Film beispielsweise zwischen zwei Stahloberflächen eingefügt wird, dann zerfällt es aufgrund des Aneinanderreibens der Oberflächen unter einer/m minimalen anfänglichen Bewegung und Kontaktdruck, wobei die Zerfallsprodukte die schützende Oxidschicht örtlich entfernen (ganz oder teilweise), und durch das darauffolgende Aneinanderreiben wird ein örtliches Schweißen erzeugt, das zu Abrieb führt, worauf die beiden Oberflächen aneinander gebunden werden und so eine weitere Bewegung verhindern.
Es versteht sich zwar möglicherweise von selbst, aber es lohnt sich vielleicht doch zu erwähnen, daß die beiden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu verbindenden Oberflächen recht sauber sein sollten, da sonst der erforderliche Abrieb möglicherweise nicht stattfindet. Die meisten Metalle sind sauber genug, auch ohne sie den normalen industriellen Entfettungsprozessen zu unterwerfen, und zum gegenwärtigen Zeitpunkt braucht zu diesem Thema nichts weiter gesagt zu werden.
Es lohnt sich vielleicht auch zu bemerken, daß die physikalische Vorbehandlung der Oberflächen, um deren Oberflächenausbuchtungen zu härten und ihre Oxidfilschicht aufzubrechen, nicht besonders nützlich zu sein scheint. Und im selben Zusammenhang sei bemerkt, daß der Zusatz eines Materials wie Alumiumoxid zu dem Abriebpromotor, das an sich Reibung verursacht, eher schädlich als nützlich zu sein scheint.
Das abriebfördernde Material - das fraßfördernde bzw. Anti-Schmiermittel - wird in den Grenzbereich zwischen den beiden Körpern eingefügt, und dies sollte im allgemeinen so erfolgen, daß das Mittel mengengleich und gleichmäßig verteilt auf die aneinandergeriebenen Flächen aufgetragen wird. Es gibt viele geeignete Möglichkeiten, wie das Material eingefügt werden kann, von denen einige in der obengenannten Anmeldung erörtert sind und wie folgt zusammengefaßt werden können:
* Die beiden Flächen (die Verbindung) einfach zusammenfügen und dann das fraßfördernde Mittel zwischen die beiden "injizieren", möglicherweise von einer externen Quelle oder auch von einem "Reservoir" innerhalb der Verbindung selbst.
* Verteilen des Abriebpromotors auf der entsprechenden Fläche des einen oder anderen Körpers und anschließendes Übereinandersetzen der Körper, möglicherweise mit einer Vorbehandlung einer oder beider Flächen, damit das Mittel besser haftet.
* Plazieren eines Trägers für das Mittel - eine dünne Schicht aus Schwamm oder aus dem Zwischenkörper (siehe oben) oder eines/r mit dem Mittel getränkten porösen, geriffelten oder ausgenommenen Beilagebleches, Keiles oder Scheibe - das/der/die zerdrückt oder auf andere Weise verformt wird, um das Mittel nach der anfänglichen Bewegung der beiden Oberflächen freizugeben.
Die Geschwindigkeit der ersten abriebfördernden Bewegung ist wichtig, besonders dann, wenn ein Beilageblech oder ein Keil in den Grenzbereich eingefügt wird, und die optimale Geschwindigkeit für ein Paar Körper läßt sich am besten durch Experimentieren bestimmen. Als Richtlinie sei jedoch gesagt, daß die anfängliche Bewegung vorzugsweise nicht länger als eine halbe Sekunde, und gewöhnlich, für kleine Bewegungen, etwa eine zehntel Sekunde dauern sollte. Die bedeutet im allgemeinen eine Bewegung zwischen 10 und 30 mm/sec.
Bei der minimalen anfänglichen seitlichen Bewegung bewirkt das fraßfördernde Mittel einen schnellen Abrieb zwischen den beiden Flächen, wobei durch diesen Abrieb die Flächen an einer weiteren Bewegung gehindert werden. Wie in der obengenannten Anmeldung bereits beobachtet, ist schwer zu definieren, was genau eine minimale anfängliche Bewegung konstituiert, sowie die genaue Form dieser Bewegung. Es wird sich jedoch hierbei normalerweise um eine körperliche seitliche Schlupfbewegung eines Teiles relativ zu dem anderen handeln, und bei einem Zahnrad mit einer Tiefe von 20 mm und einem Durchmesser von 50 mm, das an einer Welle mit einem Durchmesser von 22 mm befestigt ist, oder wenn ein Beilageblech oder Keil in die Lücke zwischen den beiden Hauptkörpern gezwängt wird, reicht eine relative Verschiebung von ein paar Millimetern (etwa 5) wahrscheinlich aus. Wo die Verbindung, was vielleicht am häufigsten der Fall ist, ein koaxialer oder axial-symmetrischer Typ ist, da kann es sich um eine Winkelbewegung von nur wenigen Grad oder auch von 90º oder sogar mehr handeln.
Das erfindungsgemäße Verfahren verlangt, daß die beiden miteinander zu verbindenden Flächen durch Oberflächenausbuchtungen in direktem Kontakt gehalten werden. Die dazu notwendigen Kräfte sind minimal, wie auch die zum Bewirken des Abriebs notwendige anfängliche Bewegung minimal ist, und obwohl es schwierig ist, genaue Zahlen zu nennen, so läßt sich doch sagen, daß sie in der Größenordnung von mehreren Dutzend Newton/mm² liegen sollten. Wo die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens einen Körper innerhalb eines anderen beinhaltet (wie bei einer ein Zahnrad tragenden Zahnradwelle), da ergeben sich die Haltekräfte größtenteils durch den elastischen Charakter der beiden Körper - der eine leicht gestreckt, der andere leicht komprimiert - wenn der eine in einer festen räumlichen Beziehung in dem anderen gehalten wird. Für einen typischen weichen Stahl, beispielsweise, mit einer Streckgrenze von 300 Newton/mm², liegen die Rückhaltekräfte zwischen zwei Körpern in einem leichten Preßsitz - einem Interferenzsitz von H7/p6 - im Bereich oberhalb von etwa 5% der Streckgrenze, das heißt zwischen etwa und etwa 50 Newton/mm².
Die Bewegung und der Abrieb sind schnell. Wie erwähnt, läßt sich der Ausdruck "schnell" nur schwer definieren, ist aber im allgemeinen so, daß der Abrieb innerhalb von etwa einer halben Sekunde und selbst innerhalb einer zehntel Sekunde signifikant oder sogar abgeschlossen ist (je nach den genauen Umständen). Wo vergleichsweise große relative Bewegungen betroffen sind, liegt die Geschwindigkeit, mit der sie durchgeführt werden, wahrscheinlich bei etwa 20 mm/sec, obwohl auch Geschwindigkeiten von etwa 5 m/sec erfolgreich angewendet wurden.
Das Merkmal der vorliegenden Erfindung, das sowohl die Verbesserung als auch die Erweiterung der Erfindung der obengenannten Anmeldung konstituiert, ist die Verwendung eines elektrischen Stroms, der während der Herstellung der Verbindung zwischen die beiden Körper geleitet wird, wobei der Strom zu einer Erhitzung und Erweichung führt, so daß eine Verformung der in Kontakt befindlichen Oberflächenausbuchtungen leichter erzielt wird. Die Vorteile davon mögen vielleicht offensichtlich sein, aber es lohnt sich, die zugehörigen Zahlen zu betrachten. Wenn also die Temperatur einer typischen Oberflächenausbuchtung auf einer weichen Stahloberfläche durchschnittlich von 20ºC auf 420ºC erhöht wird, dann könnte ihre Kontakttemperatur das Zweifache dieses Wertes betragen, und somit könnte ihre Streckgrenze um bis zu 60% reduziert werden, so daß die Kraft, die zum Verformen der Oberflächenausbuchtung notwendig ist, demzufolge ebenfalls um 60% reduziert wird. Für einen typischen kohlenstoffarmen Stahl sinkt also der Scherwiderstand von etwa 150 Newton/mm² auf etwa 60 Newton/mm² (zwar wird auch die durch plastische Verformung generierte Wärme reduziert, dies wird jedoch durch den Erhitzungseffekt des Stroms mehr als kompensiert).
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet das Leiten eines elektrischen Stroms zwischen die beiden zu verbindenden Körper. Dieser Strom kann in jeder geeigneten Form vorliegen und kann auf eine beliebige geeignete Weise zugeführt werden, wie nachfolgend erläutert wird.
Die konventionelleren Optionen für die Form und Art der Zuführung des Stroms sind: Widerstandsheizung mit einer Stromfrequenz im Bereich zwischen 0 Hz (DC) und 500 Hz; Induktionsheizung unter Ausnutzung des Faraday-Effekts mit Frequenzen im Bereich zwischen 1000 Hz und 500 KHz; dielektrische RF- (Radiofrequenz) Heizung mit Frequenzen im Bereich zwischen 500 KHz und 100 MHz; und Mikrowellenheizung mit Frequenzen ab 100 MHz.
Innerhalb dieser Optionen ist eine Reihe von Variationen möglich. So kann beispielsweise externe Energie in der Form elektrischer Ströme entweder in der Form von sinusförmigem Wechselstrom oder als Wechselstrom mit einer Gleichstromkomponente benutzt werden. Außerdem kann der Versorgungstyp aus einem breiten Frequenzspektrum als ein Mittel zum Leiten der Ströme zu den kritischen Bereichen ausgewählt werden. Zum Beispiel fließt ein hochfrequenter Strom (induzierte Ströme im Frequenzbereich von 1 KHz bis 500 KHz, wie sie häufig zum Induktionsheizen benutzt werden) mit steigender Frequenz zur Erzielung einer selektiven Erhitzung in zunehmendem Maße an und in der Nähe von Oberflächen. Dann kann der Strom als Gleichstrom oder pulsierter Gleichstrom zugeführt werden. Niederfrequenter Strom (unter 1000 Hz) und Gleichstrom neigen dazu, gleichmäßig über den vollen Querschnitt eines Leiters zu fließen und ein Teil so gleichmäßig zu erhitzen, aber der Strom konzentriert sich an den Verbindungen bei deren Bildung, vorausgesetzt, die Ströme werden über die Übergänge geleitet.
Wo ein pulsierter Gleichstrom eingesetzt wird, da besteht der nützliche Effekt darin, daß der Potentialabfall über die Verbindung (aufgrund der Kombination zahlreicher kleiner paralleler Kontakte) durch Leiten eines Prüfimpulses durch die Verbindung ermittelt werden kann, und danach kann das Leistungsniveau der nachfolgenden Impulse so eingestellt werden, daß gewährleistet wird, daß genügend - aber nur gerade eben genügend - Leistung zur Verfügung steht, um die zu irgendeinem Zeitpunkt in Kontakt befindlichen Oberflächenausbuchtungen zu erweichen, so daß die allgemeinen Heizeffekte minimal gehalten werden. Diese Abtast- und Strompulsierungsroutine kann wiederholt werden, gewöhnlich mit Raten von 10 bis 1000 Mal pro Sekunde (die gewählte Frequenz bezieht sich auf die Rauhigkeit der zusammengefügten Oberflächen sowie auf die Geschwindigkeit des Aneinanderreibens). Die durchschnittlichen Stromdichten pro mm Überlappung liegen im Bereich zwischen ein paar Milliampere beim ersten Kontakt und über 15 Ampere bei der Bildung der Verbindung. Die über die Verbindung entstehenden Spannungen sind äußerst niedrig - gewöhnlich ein paar Millivolt, und fallen auf unter 100 Mikrovolt ab.
Das zuvor erwähnte Verfahren zur Abtastung des Verbindungswiderstandes und zur anschließenden Abstimmung des Leistungsniveaus auf die vorherrschenden Bedingungen kann erweitert werden, indem eine Wellenform (häufig als "Sägezahn" bezeichnet) mit stetig steigender Spannung (EMK) benutzt wird. Hier wird die Stromakkumulation aufgrund der anfänglichen EMK abgetastet, und die endgültige EMK wird dann mit elektronischen Mitteln eingestellt, um den maximalen Strom für jeden Leistungsimpuls zu begrenzen. Vorausgesetzt, daß die Ströme ständig wechseln, kann die Leistung dann induktiv mit den zu verbindenden Teilen gekoppelt werden, um die Schwierigkeit des Leitens starker Gleichströme durch Oberflächenkontakte zu vermeiden, was leicht zu einer unerwünschten örtlichen Erhitzung und Oxidation an den Kontaktstellen führen würde, während die praktischen Vorteile der Benutzung einer Gleichstrom-Steuerschaltung erhalten bleiben.
Wenn der Strom beim Durchfließen der sich berührenden Oberflächenausbuchtungen am Grenzbereich der Verbindung wechselt, dann werden durch den Fluß von Elektronen (Strom) viele kleine örtliche Magnetfelder erzeugt, jeweils mit einem zugehörigen elektrischen Feld bei 90º. Mit steigender Frequenz hat das elektrische Feld potentiell einen größeren dielektrischen Heizeffekt auf das umgebende Abriebmedium, wenn dies ein nichtleitendes Fluid ist. Da ein Teil des Fluids möglicherweise bei der Bildung der Verbindung durch Aneinanderreiben aufgrund der mechanischen Scherung und der hohen adiabatischen Temperatur in Zusammenhang mit der Verformung der Oberflächenausbuchtungen beschädigt wurde (und das Fluid könnte polare und dipolare Moleküle enthalten, die gegen den Einfluß elektrischer Felder empfindlich sind). [sic ... *1] Das Fluid wird durch seine resultierende dielektrische Aufheizung noch weiter destabilisiert, um eine weitere Sauerstoffspülung zu fördern.
In der Praxis wird erwartet, daß eine Widerstands- und Induktionserhitzung im Bereich zwischen Netzstromfrequenz und 500 KHz vorherrschen wird, obwohl Mikrowellen möglicherweise bei einigen Anwendungen besondere Vorteile bieten könnten.
Die zeitliche Abstimmung des elektrischen Stroms - das heißt, ob er kontinuierlich während der gesamten Bildung der Verbindung zugeführt wird, oder ob er hauptsächlich oder ausschließlich mit dem Beginn des Zusammenfügungs-, Abrieb-, Aneinanderreibungsprozesses oder nach dem anfänglichen Aneinanderreiben/Abrieb oder sogar nach dem größten Teil des Aneinanderreibens/Abriebs oder auch möglicherweise während einer Unterbrechung des Aneinanderreibens/Abriebs (oder natürlich auch eine Kombination von zwei oder mehr davon) zugeführt wird - ist ein wichtiger Faktor. Die elektrische Energie kann so zugeführt werden, daß sie nur beim anfänglichen Kontakt wirksam ist, oder sie kann über eine solche Periode oder in solchen Mengen zugeführt werden, daß sie während der gesamten Aneinanderreibungsphase wirksam bleibt. Ebenso könnte die Energie (in welcher Form auch immer) nach dem Aneinanderreiben zugeführt werden, um die Menge an Diffusionsbindung (s. unten) in der endgültigen Verbindung zu kontrollieren. Es ist natürlich auch möglich, daß Energie zuerst zugeführt wird, so daß sie einen guten Abrieb beim ersten Kontakt initiieren kann, und dann erst wieder nach dem Ende des Aneinanderreibens, um die endgültigen Bindungen zu bilden.
Mit dem Variieren der Form oder des Charakters der extern zugeführten Energie ändert sich natürlich auch die Art und Weise, in der sie tatsächlich mit den zu verbindenden Teilen gekoppelt wird. Energie für eine Widerstandsheizung kann entweder durch direkten Kontakt für Gleich- und Wechselstrom oder vorzugsweise, wo dies möglich ist (wie dies für Wechselstrom und für Gleichstrom mit veränderlicher Amplitude der Fall ist), über ein kontaktloses Induktionsspulenverfahren zugeführt werden. Bei hohen Frequenzen wird eine kapazitive Kopplung oder eine Resonanzsonde praktisch. Wenn eine Induktionsspule benutzt wird und Form, Größe und Material der Teile geeignet sind, dann ist es in einigen Fällen möglich, diese Spule auch zur Erzeugung der Bewegung zu benutzen, um ein Teil magnetisch in das andere zu treiben und so die Teile zusammenzuzwingen, so daß sich die Aneinanderreibung ergibt, die zum Herstellen der Verbindung erforderlich ist.
Ein weiteres und sehr einfaches Mittel zum Induzieren eines Stroms in einer Verbindung bei deren Herstellung besteht darin, einen Magnet in die zum Zusammenfügen der Teile benutzte Vorrichtung einzubauen, wobei der Magnetfluß örtliche elektromagnetische Kräfte (EMK) erzeugt (die örtliche Wirbelströme erzeugen), während er die Teile durchströmt/schneidet. Wenn beispielsweise ein Hammer benutzt wird, dann würde die Schwingbewegung des Hammers mit einem an seinem Kopf befestigten Dauermagnet einen ständig wechselnden Fluß bewirken und so in den Teilen nützliche Wirbelströme erzeugen, von denen wenigstens einige durch die Oberflächenausbuchtungskontakte der Verbindung fließen und den benötigten Heizeffekt bewirken würden, ohne daß weitere Spezialausrüstung erforderlich wäre.
Das als Abriebpromotor oder Anti-Schmiermittel benutzte Material beeinflußt auch die Wahl, wie und in welcher Form die externe Energie zugeführt wird. So ist es beispielsweise zur Herstellung einer Verbindung mit einem äußerst flüchtigen Fluid möglich, große Fluidbereiche durch eine schnelle Oxidation (Feuerung) zu destabilisieren, die beim anfänglichen Kontakt durch einen kleinen Lichtbogen ausgelöst wird, gefolgt von einem schnellen Zusammenschieben der gereinigten und reduzierten Oberflächen. In anderen Fällen kann es vorteilhaft sein, ein nichtflüchtiges Fluid zu benutzen, so daß eine Reserve oder ein Reservoir von unreagiertem Fluid nach dem Zusammenfügen in der Verbindung eingeschlossen bleibt, so daß die Verbindung nach einem Verrutschen bei Überlastung ihre Festigkeit ganz oder teilweise wiedererlangen kann. Eine Kombination der obigen beiden Fälle ist möglich, um den Oxidationsprozeß zu verlangsamen, damit die Reaktionszeit des Fluidfilms anhand der angewendeten Aneinanderreibungsgeschwindigkeit optimiert werden kann. Ein Hammer kann wirksam eingesetzt werden, um die Eintriebskraft zu alternieren und zu variieren und gleichzeitig den Strom einund auszuschalten. Mit dieser Vorgehensweise können höhere Spitzenniveaus an externer Energie (mechanisch und elektrisch) zugeführt werden, um Verbindungen mit überlegener zyklischer Ermüdungsfestigkeit herzustellen.
Natürlich variieren die jeweilige Kombination von zeitlicher Abstimmung und der Art und Weise, in der die Energie zugeführt wird, je nach den technischen Erfordernissen und den physikalischen Beschränkungen der jeweiligen Anwendung sowie in Abhängigkeit von dem Dienst, den die Verbindung leisten soll.
Wie oben erwähnt, kann das Fluid das Mittel zur Zuführung externer Energie beeinflussen. Ebenso wird die Wahl des Fluids durch die Erfordernisse der Anwendung beeinflußt. Das wichtigste Merkmal ist wahrscheinlich die Stabilität des Fluids. Die Flüchtigkeit, und somit seine chemische Stabilität, kann durch Mischen einer Reihe von Silikonformulierungen variiert werden. Von besonderer Bedeutung bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Mischung von Decamethyl- Cyclopentasiloxan und Pentamethyl-Wasserstoff-Cyclopentasiloxan im Verhältnis von 95:5 bis 50:50 je nach der Anwendung.
Eine interessante Folge der Verwendung von Silikon als Abriebpromotor ist, daß Silikon, da es ein Isolator mit hoher dielektrischer Integrität ist (dies gilt für die meisten Silikone), den Stromfluß zu konzentrieren neigt und so die selektive Erhitzung verbessert.
Beobachtungen an vielen praktischen Verbindungen zeigen, daß der Abrieb mit höchster Wahrscheinlichkeit von den ersten Kontaktstellen zwischen den Oberflächen der beiden verbundenen Körper eingeleitet wird, und man geht davon aus, daß dies auf die hohe mechanische und physikalische Oberflächenenergie zurückzuführen ist, die häufig beim ersten Kontakt über sehr kleinen Bereichen vorhanden ist. Wenn in dieser Phase zusätzliche Energie zugeführt wird - in der Form einer durch elektrischen Strom erzielten Wärme, gemäß der vorliegenden Erfindung - dann ergibt sich eine höhere Abriebinitiierungsenergie, und Qualität und Einheitlichkeit der Verbindungen werden verbessert. Die angewendeten Energieniveaus müssen relativ niedrig sein - beispielsweise lediglich ausreichend, um einen Teil des umgebenden Silikon- Abriebpromotors zu destabilisieren - und mit Sicherheit ein Bruchteil derer, die normalerweise zur Erzeugung eines Lichtbogens (und somit zum Bilden einer Lache von Metallschmelze) erforderlich sind.
Der Nettoeffekt der strominduzierten Erhitzung der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die "Amplitude" sich berührender Oberflächenausbuchtungen und Absonderungen auf den beiden aneinandergeriebenen Flächen ausgeglichen und somit geregelt wird. Dadurch wiederum erhöht sich die Zahl der Kontakte, was zu einer gleichmäßigen Verteilung kleiner Abriebstellen führt, die mit insgesamt niedrigeren Aneinanderreibungskräften gebildet werden (und die Absonderungen selbst neigen dazu, geregelter zu sein und eine einheitlichere Größe zu haben). Die Folge ist, daß es viele innige Kontaktstellen gibt, was eine gute Verriegelung zwischen den beiden Flächen ergibt.
Es wird nachfolgend der Erweiterungsaspekt - der zweite Aspekt - der vorliegenden Erfindung erörtert.
Die Bedingungen, die in den mit der obengenannten Anmeldung hergestellten Verbindungen geschaffen wurden, schaffen in vielen Fällen günstige Bedingungen für und ermöglichen eine gewisse inter-atomare Diffusion über den Grenzbereich der Verbindung. Dies geschieht dann, wenn aufgebrochenes und exponiertes unreagiertes Metall über die Verbindung in Kontakt kommt, um örtliche "Diffusions"-Bindungen zu bilden. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß diese Bindungen zu einer zufallsmäßigen Verteilung und einer unsicheren Qualität neigen. Festigkeit und Ausmaß der Bindungen erhöhen sich mit der Zeit und sind abhängig von der zum Antreiben des Diffusionsprozesses zur Verfügung stehenden Energie sowie davon, ob dieser Prozeß durch vorhandenen freien Sauerstoff behindert wird, der die exponierten unreagierten Metalloberflächen neu oxidiert.
Daher besteht ein wesentlicher Unterschied zwischen den mit dem Verfahren der obengenannten Anmeldung hergestellten und den mit dem verbesserten Verfahren der vorliegenden Erfindung erzielbaren Verbindungen/Bindungen darin, daß die letzteren Verbindungen den Charakter von Diffusionsbindungen annehmen können. Diesen Prozeß kann man sich als eine allmähliche Neuordnung der Atome innerhalb jedes Körpers vorstellen, nachdem dieser belastet wurde, und kann, wie man erwarten würde, durch Erhöhen der Temperatur beschleunigt werden. Die Neuordnung führt zu einer Vernetzung von Atomen über den Kontaktgrenzbereich und dem anschließenden Wachstum von interatomaren Bindungen mit benachbarten Atomen, bis die örtliche Oberflächenenergie auf ein Gleichgewichtsniveau abgesunken ist.
Eine Diffusionsbindung findet nur zwischen sehr sauberen Oberflächen statt, die sehr dicht zusammengehalten werden, kann jedoch zu einer starken, schweißähnlichen Bindung zwischen den beiden Körpern führen (im Vakuum des Weltraums, wo Oberflächenverunreinigungen abdampfen können, so daß sich effektiv eine sehr saubere Oberfläche ergibt, war eine unerwartete Diffusionsbindung, hier als Vakuumschweißung bekannt, von zwei sich berührenden Teilen, die sich frei relativ zueinander bewegen können gemußt hätten, ein allzu häufiger Grund für das Versagen von frühen Raumfahrzeugen und Satelliten). Die Bedingungen, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren für einige Sekunden (und manchmal für bis zu einer Minute) nach der Bildung einer Verbindung erzielt werden, sind für die Entstehung einer Diffusionsbindung günstig; Bereiche der beiden Oberflächen befinden sich nicht nur in einem äußerst innigen Kontakt (infolge des Abriebs), sondern sie sind auch effektiv äußerst rein (der Abriebpromotor hat, wenigstens in seiner bevorzugten Form, sämtlichen vorhandenen Sauerstoff weggespült und sogar den wahrscheinlichen Oberflächenmetalloxidfilm zu freiem Metall reduziert).
In einem anderen Aspekt stellt daher die Erfindung eine Erweiterung des Verfahrens gemäß unserer obengenannten Anmeldung bereit, bei der nach der Anwendung des Verfahrens zur Herstellung einer Verbindung und nach dem Stoppen der abrieberzeugenden Aneinanderreibungsbewegung ein elektrischer Strom über die einander gegenüberliegenden Flächen der Verbindung geleitet wird, um die Bildung von Diffusionsbindungen dazwischen zu stimulieren und/oder zu beschleunigen.
Zur Erzielung bester Ergebnisse sollte der Strom mit dem Aufhören des Aneinanderreibens bereits fließen, da eine Verzögerung des Starts des Stromflusses nach dem Stoppen der Bewegung wahrscheinlich zu Diffusionsbindungen minderer Qualität aufgrund des Eindringens von frischem Sauerstoff führt, der mit den exponierten, sauberen Oberflächen reagiert. Der Stromfluß kann von nur einer Sekunde bis zu einer Minute oder länger dauern, und der Strom kann - wie bei dem oben erörterten Verbesserungsaspekt - entweder kontinuierlich oder als mehrere getrennte, zeitlich gesteuerte Impulse zugeführt werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird durch die Fortsetzung oder Erhöhung des Heizstromflusses nach dem Stoppen der Aneinanderreibungsbewegung, vorausgesetzt, die lokalisierte Erhitzung findet weiterhin an den Kontaktstellen zwischen den abgeriebenen Oberflächen statt, eine Diffusionsbindung zwischen den beiden infolge der Temperaturerhöhung bewirkt (der Anstieg ist gewöhnlich von etwa 200ºC auf etwa 400ºC) Ferner wird der Diffusionsprozeß nach dem Stoppen des Heizstroms während des Abkühlens der Teile und danach so lange fortgesetzt, bis die Oberflächenenergie einen Gleichgewichtszustand erreicht, und kann eine Bindung über einen Bereich von nur 10% bis zu 90% der Überlappungsfläche der Verbindung bewirken.
Unter normalen Umständen geht mit dem Anstieg der zum Umwandeln einer reinen "Reibungs"-Verbindung in eine teilweise Diffusionsbindung keine signifikante begleitende Temperaturerhöhung in der Masse der Körper einher, und daher sollte es keine Veränderung der Eigenschaften (wie z.B. der Härte eines Stahls) dieser Körper geben. In einigen Fällen ist es jedoch möglicherweise wünschenswert, die Körper auf Temperaturen von beispielsweise etwa 700ºC bis 1100ºC (für Stahl) zu erhitzen (als "Halbwarmverformung" bezeichnet) und so eine schnelle Entspannung der Belastungsniveaus aufgrund einer Neukristallisation zu bewirken. Dies führt zwar zu reduzierten Kontaktkräften in der Verbindung, aber das dürfte nicht kritisch sein, da die Verbindung ihre Festigkeit jetzt hauptsächlich von ihrem teilweisen Diffusionscharakter erhält.
Man könnte denken, daß die Verwendung eines angemessen hohen Heizstroms, der unmittelbar nach dem Stoppen des Aneinanderreibens durch die Verbindung geleitet wird, um Diffusionsbindungen über alle Punkte in ausreichend engem physikalischern Kontakt zu bilden, wodurch effektiv eine Schweißverbindung entsteht, dem konventionellen Schweißen ähnelt, aber dem ist nicht so.
Der Begriff "Schweißen" wird normalerweise als das Verbinden zweier Metalloberflächen interpretiert, um sie an der Verbindungsstelle zur Bildung eines gemeinsamen Körpers zusammenzufügen, indem ihre Molekülbestandteile miteinander vermischt werden. Konventionelle Fusionsschweißverbindungen sind abhängig davon, daß das Material im Grenzbereich auf Temperaturen erhitzt wird, die ausreichen, um eine Schmelzlache zu bilden, so daß sie sich, vorausgesetzt, die Materialien sind chemisch kompatibel und in der Lage, sich miteinander zu legieren, vermischen und starke Verbindungen bilden, wenn das geschmolzene Metal erhärtet ist. Es ist üblich, als Wärmequelle einen elektrischen Strom zu benutzen. Es ist ersichtlich, daß sich das erfindungsgemäße Verfahren von Fusionsschweißungen unterscheidet, da es die die Herstellung von Schweißverbindungen ermöglicht, indem ein Strom durchgeleitet wird, ohne daß eine Schmelziache im Grenzbereich der Verbindung gebildet wird.
Es ist ebenso möglich, Metalle durch Festphasenschweißen zu verbinden, bei dem effektive Bindungen zwischen chemisch reinen Metalloberflächen gebildet werden, die bei Raumtemperaturen miteinander in Kontakt kommen. Bei diesen Verbindungen vermischen sich jedoch die Materialien nicht in derselben Weise wie bei den obigen Fusionsschweißungen (die exponierten Moleküle auf den gereinigten Oberflächen reagieren mit anderen über die Lücke durch die gemeinsame Nutzung von Valenzbandelektronen). Dieser Prozeß ist als Kaltpreßschweißen bekannt. Festphasenschweißen läßt sich durch Erhöhen der Mobilität der Valenzelektronen und die intermolekulare Vibration durch Erhöhen der Materialtemperaturen und gleichzeitiges Aufbringen von externem Druck beschleunigen, und unter diesen Bedingungen gibt es ein gewisses Maß an Wanderung atomarer Partikel sowie ein gewisses Maß an Molekularwanderung, die allgemein als Diffusion bezeichnet wird. Solche "Diffusionsbindungen" können genauso stark sein wie die zuvor beschriebenen "Fusions"-Bindungen und neigen nicht zu metallurgischen Veränderungen durch Legieren bei der Fusion "wärmebeeinflußter Zonen" und der zugehörigen Restzugbelastung und dem resultierenden Reißen beim Kühlen.
Und es wird natürlich, wie oben erläutert, die Reibung beim "Reibungsschweißen" ausgenutzt, um zwei Oberflächen in Aneinanderreibungskontakt zu erhitzen, aber hier werden die Temperaturen auf heiße Schmiedetemperaturen erhöht, um die Materialien zu erweichen und viele der Oberflächenverunreinigungen und -oxide zu adsorbieren, und die erhitzten Flächen werden dann unter extremen Drücken zusammengezwängt, um einen innigen Kontakt zu schmieden.
Durch das "Erweiterungs"-Verfahren der Erfindung werden in der Verbindung viele kleine Festphasenschweißstellen gebildet, und diese können in Diffusionsbindungen umgewandelt werden, die sich über einen breiteren Bereich erstrecken, ohne die Anwendung einer besonderen Presse oder eines Ofens mit einer geregelten Atmosphäre, und auch ohne daß besonderes darauf geachtet wird, daß die Oberflächen chemisch rein gemacht und gehalten werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Verbindungen zwischen Körpern hergestellt, und die Erfindung erstreckt sich natürlich auch auf diese Verbindungen, da sie Produkte sind, die unmittelbar mit diesem Verfahren gewonnen wurden.
Das Verfahren hat eine praktisch unbegrenzte Zahl von Anwendungsmöglichkeiten, aber die damit hergestellten Verbindungen fallen größtenteils in drei Hauptkategorien. Die erste ist der Typ, bei dem Teile gegen Rotation auf Wellen verriegelt werden (sie z.B. Nocken auf Nockenwellen, Gewichte auf Gegengewichtswellen, Verbindungsstege auf Kurbelwellen, oder Zahnräder auf Zahnradwellen); solche Verbindungen übertragen oder widerstehen Torsionskräfte(n) und Schubkräfte (n). Die zweite ist die Art, bei der Teile gegen Rotation und Translation über einen Verbindungsflansch verriegelt werden (wie z.B. zwei Rohre, die durch einen Verbindungsring verbunden werden). Eine dritte Kategorie ist der besondere Verbindungstyp, der nicht "rund" ist, sondern bei dem stattdessen ein Körper gegen eine lineare Bewegung innerhalb eines Schlitzes in einem anderen abgesichert wird, wie beispielsweise durch ein gehärtetes Schneidblatt in seiner Halterung, oder eine Turbinenschaufel auf ihrer Nabe. Verschiedene besondere Anwendungen dieser Typen sind ausführlicher in der Spezifikation der obengenannten Anmeldung beschrieben und bedürfen hier keines weiteren Kommentars.
Es ist offensichtlich, daß es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für das erfindungsgemäße Verfahren gibt - wie z.B. beim Bau von Nockenwellen, Zahnradwellen und Kurbelwellen, auf denen Nocken, Zahnräder und Stege befestigt werden müssen, und beim Bau von Rohren und anderen stangenähnlichen Elementen, die aneinanderstoßend befestigt werden müssen, und die Erfindung erstreckt sich natürlich auf solche Produkte, die unmittelbar mit dem Verfahren gewonnen wurden.
Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft die Anwendung eines elektrischen Heizstroms zur Verbesserung von Verbindungen, die mit Hilfe von Abrieb hergestellt wurden, der durch die Verwendung eines abriebfördernden Mittels begünstigt wurde. Man möchte denken, daß eine ähnliche Verbesserung für jede beliebige Abriebverbindung erzielbar wäre, ob mit Abriebpromotor oder ohne, und dies scheint auch im Prinzip der Fall zu sein und ist somit auch Bestandteil der vorliegenden Erfindung. Aber in der Praxis legen die bisher in diesem Bereich durchgeführten Arbeiten den Schluß nahe, daß Abriebverbindungen zwar ohne Abriebpromotor hergestellt werden können, daß diese aber nicht so gut sind wie die mit Abriebpromotor ... und die durch die Anwendung eines elektrischen Heizstroms erzielbaren Verbindungsverbesserungen sind am besten, wenn ein Abriebpromotor benutzt wird.
Verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend, jedoch nur illustrativ, unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen und auf das folgende Beispiel beschrieben.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1A bis D eine Folge von Schnittdarstellungen durchein Paar Oberflächen, die durch das grundsätzliche Abriebverfahren der Erfindung der obengenannten Anmeldung miteinander verbunden werden;
Fig. 1B' bis E 'eine Folge, die mit der der Figuren 1A bis 1D vergleichbar ist, sich aber auf das Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Anwendung von elektrischem Strom bezieht;
Fig. 2 eine Schnittdarstellung einer einfachen Ausgestaltung der Erfindung, bei der eine Hohlwelle in die Bohrung einer Scheibe oder eines Rades gezwängt wird;
Fig. 3 eine Erweiterung der Ausgestaltung von Fig. 2, bei der eine vorgeformte Verbindung in einer Punktschweißmaschine angeordnet ist;
Fig. 4 das erfindungsgemäße Verfahren, das die Verwendung eines Hammers beinhaltet, um das Zusammentreiben der Teile mit dem Umschalten des Stroms zu kombinieren;
Fig. 5 eine Ausgestaltung der Erfindung unter Einsatz einer Induktionsspule zum Induzieren von Wirbelströmen;
Fig. 6 eine aufwendigere Anwendung einer Induktionsspule; und
Fig. 7 eine weitere Induktionsspulenausgestaltung;
Fig. 8 ein Diagramm der Testergebnisse, die mit dem nachfolgend beschriebenen Beispiel erzielt wurden.
Die schematische Folge von Fig. 1 erläutert das Grundkonzept des Abriebs, das dem erfindungsgemäßen Verfahren zugrundeliegt (realistischere Beispiele dieses Grundkonzepts sind in der obengenannten Anmeldung exemplifiziert). Fig. 1 zeigt die einander zugewandten und "in Kontakt befindlichen" mikrorauhen Oberflächen (11, 12) zweier Körper (13, 14), die durch eine aufgebrachte Kraft (Pfeile F) zusammengehalten werden. Fig. 1B zeigt den Abriebpromotor (15), der zwischen die Oberflächen eingefügt wurde, wonach sie seitlich relativ zueinander bewegt werden (durch die Links/Rechts-Pfeile M angedeutet). Bei der Bewegung führt die anfängliche Bewegung zu Abrieb, bei dem Material (16) von der oberen Fläche 11 auf die untere 12 übertragen wird. Dieser Abrieb baut sich rasch bis zu dem Punkt auf, an dem die Reibung zwischen den beiden Flächen so groß ist, daß, vorausgesetzt, die Haltekräfte F werden aufrechterhalten, die Flächen aufgrund des zahnartigen mechanischen Zusammenwirkens zwischen ihnen aneinandergebunden werden (angedeutet in Fig. D; Fig. 1D hat einen etwas kleineren Maßstab als die anderen), und eine weitere Bewegung - ausgenommen bei einer äußerst erheblichen Erhöhung der bewegungsbewirkenden Kräfte - verhindert wird.
Die Figuren 1B' bis E' bilden eine weitere schematische Folge wie die vorherige, die jedoch zeigt, wie die Bildung der ursprünglichen Reibungsverbindung durch das Durchleiten eines starken elektrischen Stroms verbessert wird. Fig. 1B' (vergleichbar mit Fig. 1B) zeigt in einer Schnittdarstellung die beiden Flächen 11, 12, die in Aneinanderreibungskontakten von Oberflächenausbuchtungen gehalten werden (Bewegung durch waagerechte Pfeile M angedeutet), wobei eine abriebfördernde Flüssigkeit 15 zwischen die Oberflächen eingeführt wurde. Eine externe Kraft wird allgemein auf beide Flächen aufgebracht, um sie in gutem Kontakt miteinander zu halten. Diese Kraft ist durch die Pfeile "F" angedeutet. Ein externer elektrischer Strom (durch Pfeile I angedeutet) fließt über die sich berührenden Oberflächenausbuchtungen und bewirkt ein örtliches Erhitzen und Erweichen, jedoch zunächst nur an den ersten sich berührenden Oberflächenausbuchtungen. Dies führt dazu, daß die Zahl der Kontaktstellen aufgrund der Verformung der ersten Kontakte und des Anstiegs der Zahl der erhitzten Oberflächenausbuchtungskontakte im Kontaktbereich rasch ansteigt, und wird in Fig. 1C gezeigt (die unmittelbar mit Fig. 1C vergleichbar ist, aber einen Zustand darstellt, der aufgrund der strominduzierten Erhitzung wesentlich schneller und leichter erreicht wird). Fig. 1D', die mit Fig. 1D vergleichbar ist, zeigt, daß die Zahl der Stromwege noch weiter gestiegen ist und daß Abrieb aufgetreten ist, um Material 16 von einer Fläche auf die andere zu übertragen (auch dies erfolgt schneller und leichter als bei dem Grundkonzept von Fig. 1D, bei dem nicht mit elektrischem Strom nachgeholfen wird). Dieser Abrieb und diese Übertragung führen zu einem starken Aufbrechen des Oberflächenmaterials zur Bildung starker mechanischer Verriegelungen.
An dieser Stelle ähnelt die Situation sehr stark der Grundidee, wie in Fig. 1C' gezeigt, mit der Ausnahme, daß - obwohl dies aus den Figuren wohl nicht ganz klar hervorgeht - möglicherweise weiterer Abrieb stattgefunden hat und daß der Abrieb leichter stattgefunden hat. Fig. 1E' zeigt jedoch einen bedeutenden Unterschied zwischen dem Verfahren der vorliegenden Erfindung und dem Grundkonzept, der darin besteht, wie, wenn der Strom nach dem Stoppen des Aneinanderreibens aufrechterhalten wird, die beiden Oberflächen "zusammendiffundieren" und eine kontinuierliche intermetallische Bindung bilden.
Die vorliegende Erfindung liegt in der Verwendung eines elektrischen Heizstroms, um die Effizienz und Gleichförmigkeit der soeben beschriebenen Abriebtätigkeit zu verbessern. Eine einfache Möglichkeit, dies zu bewerkstelligen, ist in Fig. 2 dargestellt und beinhaltet eine Hohlwelle (20), die mit einer externen Presse (nicht dargestellt) in die Bohrung (21) einer Scheibe oder eines Rades (22) gezwängt wird. Während des Eindringens der Welle 20 in die Bohrung wird die in einem Kondensator (23) gespeicherte Energie über den anfänglichen Kontakt entladen, um einen Ring von Mikroschweißstellen zu bilden, die sich beim Eintreiben der Welle zu Absonderungen entwickeln.
Eine Erweiterung dieser einfachen Ausgestaltung ist in Fig. 3 dargestellt, wo eine vorgeformte Verbindung (wie 30: vom selben Typ wie die Verbindung von Fig. 2) zwischen dem oberen und dem unteren Kipphebel (31, 32) und dem modifizierten oberen und unteren Kontakt (33, 34) einer Punktschweißmaschine angeordnet ist. Diese Maschine bewirkt den Fluß eines starken Wechselstroms (vom Transformator 35) über den Verbindungsübergang, wenn der Steuerschalter (nicht dargestellt) in der Schweißvorrichtung geschlossen wird (um die Sekundärwicklung des Transformators 35 über die Verbindung zu koppeln), um eine Diffusionsbindung zu bilden. Diese Anordnung läßt sich leicht in eine automatische Presse einbauen.
Die Ausgestaltung von Fig. 4 zeigt, wie der Maschinenschalter (nicht dargestellt) der Anordnung von Fig. 3 durch einen Hammer (40) ersetzt werden kann, um die Welle 20 und das Rad 20 miteinander zu kombinieren, wobei das Umschalten des Stroms durch die wiederholten Kontakte des Hammers 40 bewerkstelligt wird.
In Fig. 5 ist der Einsatz einer Induktionsspule (50) dargestellt, die einen Wechselstrom führt und die Aufgabe hat, Wirbelströme in der Verbindung zu induzieren. Die Wirbelströme zirkulieren in der Welle 20 und dem Rad 22 in der Nähe der Verbindung und über die Verbindung; wenn ein externer Pfad (51) zur Bildung einer Schleife vorgesehen ist, dann wird der Stromfluß über die Verbindung aufgrund der induzierten EMK maximiert, insbesondere bei niedrigen Frequenzen.
Eine Erweiterung der Wirbelstrom-Induktionsschleife von Fig. 5 ist in Fig. 6 dargestellt. Diese Figur zeigt, wie eine Spule in mehrere Wicklungen (60a, b, c) unterteilt werden kann, ähnlich wie der Ständer eines elektrischen Induktionsmotors. Jede Wicklung hat einen Eisenkern (61) mit separaten Polstücken (61a, b, c), eines für jede Wicklung 60; der Kern bündelt das Magnetfeld auf die Verbindung 30, die sich in der Mitte befindet. Wenn die Teile ferritisch sind, dann bilden sie einen Teil des Magnetkreises zur Erhöhung der Effektivität.
Der Eisenkern 61 kann die Form eines Lamellenpakets oder eines gesinterten Ferritkörpers mit hohem Widerstand haben, wobei der letztere Fall besonders günstig zur Intensivierung das Magnetflusses an einer bestimmten Stelle ist und gleichzeitig nur sehr geringe "Eisen"-Verluste verursacht. Durch Kaskadieren der Spulen 60 kann das Magnetfeld zum Wechseln veranlaßt werden. Wird eine Dreiphasenwicklung benutzt, dann rotiert das Magnetfeld effektiv und verbessert so das Erhitzen.
Durch Einstellen der Positionen der Polstücke 61a, b, c kann der Fluß veranlaßt werden, den Übergang 30 zu schneiden. Ein Beispiel hierfür ist die Plazierung entgegengesetzter Pole auf beiden Seiten der auf einer Welle 20 montierten Scheibe 22, wie gezeigt. Dadurch wird gewährleistet, daß die induzierte EMK den Übergang 30 überbrückt und einen Stromfluß bewirkt, dessen internes Feld dem externen angelegten Feld entgegengesetzt ist, im Einklang mit der Rechtsschraubregel (und, wenn Bewegung beteiligt ist, mit dem Lenzschen Gesetz). Mit steigender Frequenz fließen die Ströme aufgrund des "Radiofrequenz- Skineffekts" immer dichter an der Oberfläche, und der Übergang repräsentiert eine proportional größere Impedanz, über die die Erhitzung stattfindet.
Eine weitere Option für ein Induktionssystem ist in Fig. 7 dargestellt. Hier wird der Fluß seitlich über die Verbindung angelegt. Dies hat den Vorteil, daß eine röhrenförmige Verbindung leicht in die Lücke (62) im Eisenkern gelegt werden kann. Diese Vorgehensweise ist somit für Anwendungen wie die Montage röhrenförmiger Rahmenstrukturen wie Fahrradrahmen geeignet, bei denen es aus praktischen Gründen günstig ist, Teile schnell anbringen und abnehmen zu können. Es lohnt sich vielleicht zu erwähnen, daß ähnliche Anordnungen mit einer Spule hergestellt werden können, die jeweils auf jeden Pol (63 & 64) plaziert wird, wobei die Spulen phasengleich angeschlossen werden, um das Feld zu maximieren.

BEISPIEL

Herstellung einer "diffusionsbindungsverstärkten" Abriebverbindung

Eine "diffusionsbindungsverstärkte" Abriebverbindung zwischen zwei Körpern der in Fig. 3 gezeigten Art wurde mit einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt. Eine Welle wurde teilweise in eine engsitzende Hülse gezwängt, dann wurde ein elektrischer Strom durch die Verbindung geleitet, worauf die Welle weiter in die Hülse geschoben wurde. Die zum Einschieben der Welle benötigten Kräfte wurden gemessen, und das Ergebnis wurde als Anzeige für die Festigkeit der gebildeten Verbindung genommen (und somit der Wirksamkeit der Anwendung der Technik mit elektrischem Strom).

Die Materialien

Auf diese Weise wurden zwei verschiedene Verbindungen mit Hilfe der folgenden Teile hergestellt (Abmessungen in mm):
Die Teile wurden aus EN1A-freiem, weichem Metallverarbeitungsstahl hergestellt (auch als 220M07 oder AISI/SAE 1113 bekannt). Jede Welle hatte eine einfügbare Länge von 22 mm, und eine kleine Eingangskonizität von etwa 1 mm wurde in das Wellenende und in den Bohrungseingang eingearbeitet. Die "Verbindungs"-Fläche der Wellen wurde mit einem Reliefmuster versehen, in das eine schraubenförmige Nut mit 0,4 mm Radius und 1 mm Ganghöhe eingearbeitet wurde, und danach wurden die Teile wenigstens 4 Stunden lang ruhengelassen, damit sich die Oberflächenoxide stabilisieren konnten. Die Rauhigkeit der bearbeiteten Oberfläche hatte dann einen Wert von etwa 5 Mikron Ra.

Das Verfahren

Die zu verbindenden Oberflächen erhielten ohne vorherige besondere Reinigung (sie wurden lediglich mit einem sauberen Tuch abgewischt) einen leichten Überzug aus einem abriebfördernden Mittel (Silikonfluid Dow Corning 345). Die Proben wurden in eine Vorrichtung eingespannt, die die Teile lose in der richtigen Beziehung zueinander hielt (mit den Eingangskegeln in leichtem Kontakt), und die Spannvorrichtung wurde in einen Hounsfield-Dehnungsmesser geladen (ein bekanntes Gerät, bei dem, ähnlich wie bei einer Zimmermann-Schraubzwinge, zwei Teile aufeinander zu und ineinander getrieben werden, und das die dabei aufgebrachten Kräfte messen und aufzeichnen kann). Der Dehnungsmesser wurde dann gestartet und die zum Eintreiben der Welle benötigten Kräfte wurden während des Eintreibens gemessen.
In jedem Fall wurde die Welle zunächst ein Stücke weit (15 mm) in die Hülse getrieben, der Dehnungsmesser wurde gestoppt, die Spannvorrichtung entfernt und die Teile elektrisch über eine geeignete Stromquelle miteinander verbunden (eine Meritus- Punktschweißmaschine des Typs PS15A - eine 15 KVA Maschine mit einer Ausgangsleistung von wenigstens 2000A - eingestellt auf ihren niedrigsten Strombereich und zur Erzeugung von Stromimpulsen mit einer Dauer von 0,2 sec). Die Teile erhielten dann fünf Stöße von jeweils 0,2 sec Länge eines 2500A 50 c/s Stroms (mit einer Pause von jeweils 5 sec zwischen jedem Stoß), bei einer durchschnittlichen Stromdichte von etwa 5A/mm². Die Teile wurden dann abkühlen gelassen und dann wieder in den Dehnungsmesser geladen, der erneut gestartet wurde. Dann wurde die Welle vollständig in die Hülse eingetrieben.

Die Ergebnisse

Die Ergebnisse sind graphisch in Fig. 8 dargestellt und werden nachfolgend erläutert.
In jedem Fall wurde die Welle, mit einem 10 kN Träger im Dehnungsmesser, bis zu einer Tiefe von etwa 15 mm in die Hülse gezwängt. Die anfängliche Flanke der Kurve (0,49 kN/mm für Probe 1; 0,40 kN/mm für Probe 2) zeigt, wie die aufgebrachte Kraft beim Eintreiben der Welle linear, aber langsam wächst (und ein kontinuierlich anwachsender Abrieb stattfindet). Nach dem Durchleiten des elektrischen Stroms zeigt die Kurve jedoch (im rechten Teil), daß die notwendige Kraft wesentlich schneller ansteigt - die steilere Flanke (0,97 kN/mm bzw. 0,85 kN/mm jeweils für Proben 1 und 2) - was bedeutet, daß die Festigkeit der Verbindung infolge der Anwendung des Stroms beträchtlich zugenommen hat (durch die Diffusionsbindung). Es wird davon ausgegangen, daß die Spitze (5) das anfängliche Reißen der Diffusionsbindungen beim Neustarten des Einschiebens repräsentiert.
Es läßt sich beobachten, daß die Anwendung des Stroms das Verhältnis der Festigkeitsdifferenz zwischen den beiden Proben von einer Schwankung von 1:1,25 auf 1:1,14 beträchtlich reduziert hat.

Claims

1. Verfahren zur Absicherung gegen seitliche Bewegungen von zwei durch Oberflächenausbuchtungen in direktem Kontakt gehaltenen Körpern (13, 14), um so zwischen den beiden Körpern eine Verbindung herzustellen, durch Bewirken einer seitlichen relativen Bewegung der beiden Oberflächen (11, 12), die zu einem Abrieb dazwischen führt, wobei dieser Abrieb die Oberflächen an einer weiteren solchen Bewegung hindert,

wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß ein elektrischer Strom (I) zwischen den Flächen (11, 12) während und/oder -nach der Bildung der Verbindung durchgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Absicherung gegen seitliche Bewegungen von zwei durch Oberflächenausbuchtungen in direktem Kontakt gehaltenen Körpern (13, 14), um so zwischen den beiden Körpern eine Verbindung herzustellen, durch Einfügen eines Materials (15) in den Grenzbereich (11, 12) zwischen den beiden Körpern, das bei einer ersten minimalen seitlichen relativen Bewegung der beiden Oberflächen (11, 12) einen schnellen, jedoch kontrollierbaren Abrieb zwischen den beiden Oberflächen fördert, wobei dieser Abrieb die Oberflächen an einer weiteren solchen Bewegung hindert,

wobei das Verfahren zur Erhöhung des Abriebpotentials der Oberflächen der beiden Körper, wenn sie in Anwesenheit des abriebfördernden Materials durch Oberflächenausbuchtungen in Reibkontakt gebracht werden, durch Leiten eines elektrischen Stroms (I) zwischen den Flächen (11, 12) während der Bildung der Verbindung verbessert wird.

3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche zur Herstellung von Verbindungen zwischen Körpern (13, 14) aus Eisen und dessen Legierungen.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem als abriebförderndes Mittel (15) ein Polysiloxan eingesetzt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das Polysiloxan eines oder mehrere der im Handel von Dow Corning unter den Warenzeichen MS 200, Dow Corning 531 und 536 sowie Dow Corning 344 und 345 erhältlichen Poly(dimethyl)siloxane mit mittlerer relativer Molekülmasse oder eine Mischung aus Decamethyl-Cyclopentasiloxan und Pentamethyl-Wasserstoff-Cyclopentasiloxan mit einem Gewichtsverhältnis zwischen 95:5 und 50:50 ist.

6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem externer elektrischer Strom (I) in der Form eines sinusförmigen Wechselstroms oder eines Wechselstroms mit einer Gleichstromkomponente oder als Gleichstrom oder pulsierter Gleichstrom durchgeleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, in dem bei Einsatz eines pulsierten Gleichstroms entweder der Potentialabfall über die Verbindung erfaßt wird (durch Leiten eines Prüfimpulses durch die Verbindung), wonach der Leistungspegel der nachfolgenden Impulse eingestellt werden kann, um zu gewährleisten, daß genügend Leistung vorhanden ist, um zu jedem Zeitpunkt alle Oberflächenausbuchtungen zu erweichen, um so die allgemeinen Erhitzungsauswirkungen auf ein Minimum zu reduzieren, oder eine stetig steigende Spannungswellenform (EMF) benutzt und eine Probe der Stromansammlung aufgrund der ersten EMF genommen wird, wobei die letzte EMF dann mit elektronischen Mitteln eingestellt wird, um den Höchststrom für jeden Stromimpuls zu begrenzen.

8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die benötigte extern applizierte Energie den Teilen über ein kontaktloses Induktionsspulenverfahren (50) zugeführt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 zur Absicherung gegen seitliche Bewegungen von zwei durch Oberflächenausbuchtungen in direktem Kontakt gehaltenen Körpern (13, 14), um 50 zwischen den beiden Körpern eine Verbindung herzustellen, durch Einfügen eines Materials (15) in den Grenzbereich (11, 12) zwischen den beiden Körpern, das bei einer ersten minimalen seitlichen relativen Bewegung der beiden Oberflächen (11, 12) einen schnellen, jedoch kontrollierbaren Abrieb zwischen den beiden Oberflächen fördert, wobei dieser Abrieb die Oberflächen an einer weiteren solchen Bewegung hindert,

wobei bei dem Verfahren nach der Bildung der Verbindung und dem Aufhören der abrieberzeugenden Reibbewegung ein elektrischer Strom (I) über die gegenüberliegenden Flächen (11, 12) der Verbindung geleitet wird, um die Bildung von Diffusionskontakten dazwischen zu stimulieren und/oder zu fördern.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Strom bereits mit dem Aufhören der Reibung fließt.