DE69604979T2

DE69604979T2 - Elektrochemisches Verfahren zur Modifizierung der Oberflächenhärte eines nichtallotropischen Metalls

Info

Publication number: DE69604979T2
Application number: DE69604979T
Authority: DE
Inventors: Daniel Edward Wilkosz; Matthew John Zaluzec
Original assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA
Current assignee: Ford Werke GmbH; Ford France SA
Priority date: 1995-07-10
Filing date: 1996-07-03
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2016-07-04
Also published as: DE69604979D1; EP0753598A1; US6139656A; EP0753598B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Modifizierung der Oberflächenhärte von Metallteilen, die eine nahezu endgültige Form besitzen, und spezielle elektrochemische Techniken zum Erlangen derartiger Härteänderungen.
Selektive Oberflächen von Gegenständen auf Eisenbasis wurden durch Schmelzen der Oberfläche mit hoher Energie gehärtet, wie etwa durch Elektronenbeschuß, Laserlicht, oder einen Plasmastrom, wobei es der Körper des Eisenmetalls erlaubt die geschmolzene Oberfläche abzuschrecken und eine phasengehärtete Oberfläche zu erzeugen. Metalloberflächen wurden durch eine thermochemische Behandlung gehärtet, worin Moleküle aus einer Elektrode oder aus einem umgebenden Gasmedium in die Metalloberfläche hineinimprägniert wird. Oberflächen wurden auch durch Adhäsion überlagerter Schichten aus härterem Material gehärtet.
Hochenergetische Strahlen sind nachteilig, weil sie schwierig zu regulieren und im Betrieb teuer sind, und oft Sicherheitsmaßnahmen zum Schutz des Anwenders benötigen. Thermochemische Behandlungen erfordern eine empfindliche und hoch entwickelte Apparatur zur Energieerzeugung in einer dicht umschließenden Kammer, welche das System schwierig zu bedienen macht und teuer ist. Anhaftende Lagen von härterem Material komplizieren und verzerren oft die annähernd endgültige Form der Gegenstände, so daß es ohne Erhöhung er Herstellungskosten schwieriger ist eine genaue, endgültige Form des Gegenstandes zu erreichen.
Dem Anmelder ist ein Härten nicht-allotropen Metallen, wie etwa Aluminium, durch elektrochemische Behandlung unbekannt, worin eine elektrische Entladung über ein isolierendes, dielektrisches Fluid Kügelchen der nicht-allotoropen Metalloberfläche zum Schmelzen bringt, und worin nach Entfernen der elektrischen Entladung ein Wiedererstarren der Kügelchen mit legierenden Elementen im Dielektrikum oder der metallischen Oberfläche gestattet wird; was eine substituierende Legierung und eine härtere Oberfläche erzwingt. Dem Anmelder ist ein elektrochemischer, oft als Funkenerosion bezeichneter Prozeß bekannt, der für das fortschreitende Entfernen von Oberflächenmetall von Gegenständen verwendet wurde, jedoch ohne die Kontrolle der Härte der resultierenden Werkstück-Oberfläche zu beachten.
Die Erfindung stellt ein elektrochemisches Verfahren zur Modifizierung der Oberflächenhärte eines nicht-allotropen Metall-Bauelementes bereit, welches umfaßt: (a) Formen des Bauteils in annähernde endgültige Form mit mindestens einer zu · härtenden Oberfläche; und in dem (b) die Oberfläche durch Einfall einer elektrischen Entladung zwischen einer Elektrode und der in geringem Abstand hierzu angeordneten Oberfläche einem schnellen Schmelzen und Wiedererstarren ausgesetzt wird, wobei der Zwischenraum einen Elektrolyten mit plasmabildenden Eigenschaften enthält, und die Oberfläche durch eine kristallographische Veränderung der Kügelchen gehärtet wird, was aus einer substituierenden Legierungsbildung oder einer Festlösungsverfestigung resultiert; und (c) Kappen der Oberflächenkörner der Oberfläche zur Erhöhung der Lasttragfähigkeit, während die Aufnahmefähigkeit für Flüssigkeiten bewahrt wird.
Mittels dieser elektrischen Entladung kann die Härte der behandelten Oberfläche thermochemisch verbessert werden, um ihre Härte um mindestens 25 HK oder sogar auf 70 HK oder mehr zu erhöhen.
Das Verfahren der Erfindung ist besonders nützlich zum Härten der Druckoberflächen eines einheitlichen Taumelscheiben-Bauteils auf Aluminiumbasis, das in Kompressoren nützlich ist und das umfaßt: (a) eine Scheibe, die um eine Achse durch ihre Mitte drehbar beweglich ist, die jedoch zur Ebene der Scheibe gekippt ist; und (b) angegossene Schultern auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe, von denen jede eine Druckoberfläche zur Aufnahme einer Mehrzahl von Wälzlagerbelastungen darstellt, wobei die Druckoberflächen um eine solche Achse zentriert sind und sich in einer zu einer solchen Achse senkrechten Ebene befinden. Die - von einem Kappen auf eine Oberflächenrauhigkeit von 1.5 umRa oder weniger gefolgte - Behandlung der Druckoberflächen zur thermochemischen Erhöhung ihrer Härte bis zu einer Tiefe von 10-400 um (Mikrometer), z. B. 100 um, durch elektrische Entladung ist effektiv, um die Kosten der Taumelscheiben-Herstellung und ein Versagen der Lasttragfähigkeit zu vermindern.
Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in welchen:
Abb. 1 eine perspektivische Ansicht einer Kompressor-Taumelscheibe ist, die als erster Schritt der Erfindung nahezu in ihre Endform geformt wurde;
Abb. 2 ein stark vergrößerter, schematischer Querschnitt der drucktragenden Oberfläche der Taumelscheibe als Ergebnis des ersten Schrittes ist;
Abb. 3 eine schematische Darstellung eines Apparates zur Ausführung des zweiten Schrittes des Verfahrens der Erfindung ist;
Abb. 4 ein stark vergrößerter Querschnitt im selben Maßstab wie in Abb. 2 ist, welche die Beschaffenheit der Druckoberfläche nach dem zweiten Schritt des Verfahrens zeigt;
Abb. 5 eine Illustration eines Rasterelektronen-Kleingefügebildes einer Draufsicht der drucktragenden Oberfläche nach dem zweiten Schritt des Verfahrens ist;
Abb. 6 eine Illustration eines Rasterelektronen-Kleingefügebildes des Querschnitts der selben Oberfläche wie in Abb. 5 ist;
Abb. 7 ein stark vergrößerter Querschnitt im selben Maßstab wie in Abb. 2 ist, welche die Beschaffenheit der drucktragenden Oberfläche nach dem dritten Schritt des Verfahrens zeigt; und
Abb. 8 ein Balkendiagramm ist, welches die Veränderung des abgenutzten Flächenvolumens der Taumelscheibe als Funktion der resultierenden Härte für verschiedene, thermochemisch behandelte Probestücke unter zwei verschiedenen Belastungsbedingungen zeigt.
Das Verfahren dieser Erfindung umfaßt im wesentlichen drei Schritte, von denen der erste das Formen des Metall-Bauteils 10 aus nicht-allotropem Metall 11 in die nahezu endgültige Form ist, wobei seine Oberflächen 12, 13 hohen, rollenden oder reibenden Belastungen ausgesetzt werden und daher einer Härtung bedürfen. Das Formen kann durch Gießen, spanabhebende Formgebung von geschmiedetem Stangenmaterial oder durch Schmieden ausgeführt werden. Wie in Abb. 1 gezeigt ist das Bauteil eine durch Schmieden aus Alluminiumlegierung 390 gebildete Kompressor- Taumelscheibe. Nahezu Endform bedeutet, wie hier verwendet, daß kritische Oberflächen - wie etwa 12 und 13 - im wesentlichen innerhalb von 3.5 um auf die abschließende Form gefertigt werden. Die Ausgangsrauhigkeit solcher Oberflächen beträgt gewöhnlich etwa 2.0 umRa wenn geschmiedet wurde, oder etwa 1.0 umRa wenn auf nahezu die Endform rohbearbeitet wurde. Wie in Abb. 2 gezeigt wird die Oberfläche Spitzen 14 und Täler 15 von wesentlichem Unterschied besitzen.
Nicht-allotrope Metalle schließen Aluminium, Magnesium und Titan ein. Solche Metalle müssen legierende Bestandteile enthalten, die in der Lage sind eine Lösungshärtung durch eine kristallographische Änderung (der legierende Bestandteil beansprucht die molekulare Matrix des Metalls) zu fördern. In Aluminium erfüllen zum Beispiel Silizium, Kupfer, Magnesium, Eisen und Mangan diesen Zweck und können in Gußaluminium - Legierungen der Reihe 319, 390, 356, 357, 380, und in Schmiedealuminium - Legierungen der Reihe 2000, 3000, 6000 und 7000 vorhanden sein. Ein solcher, Aluminium legierender Bestandteil sollte in einer Menge von mindestens 0.15% bezogen auf das Gewicht vorliegen, und kann in manchen Legierung bis zu 15% in sich vereinigen. Für Magnesium kann der Bestandteil Al, Zn, Mn, Si, Cu, Ni oder Fe sein; für Titan kann der Bestandteil Al, V, Fe oder Sn sein.
Die Ausgangs-Oberflächenhärte eines solchen Bauteil in nahezu endgültiger Form beträgt etwa Rb 40-55 wenn aus Aluminium gegossen oder aus Schmiede-Aluminium rohbearbeitet wurde. Für ein Magnesium- oder Titanbauteil beträgt eine solche Härte etwa Rb 35-45 beziehungsweise Rb 65-75.
Der zweite Schritt des Verfahrens ist es, die Oberflächen 12 und 13 einem raschen Schmelzen und Wiedererstarren durch Einfall einer elektrischen Entladung zwischen einer Elektrode 16 und den mit geringem Abstand dazu angeordneten Oberflächen 12 und 13 auszusetzen. Der Abstand 17 sollte einen Elektrolyten 18 mit plasmabildenden Fähigkeiten enthalten, so daß die Oberfläche durch eine kristallographische Veränderung der Kügelchen gehärtet werden kann, die aus einem raschen Schmelzen resultieren; wobei diese Kügelchen eine substituierende Legierung oder eine Festlösungsverfestigung erfahren. Eine oder mehrere Elektroden 16 sind komplementär zu den Oberflächen 12 und 13 geformt und so angeordnet, daß sie innerhalb von etwa 40 um (Mikrometer) solcher Oberflächen positioniert werden. Die Elektroden können von einem Roboterarm 19 getragen oder gehandhabt werden, um das rasche Durchlaufen des elektrischen Entladungsschrittes zu erleichtern. Eine geeignete Stromversorgung 20 führt den Elektroden 16 entsprechend einem programmierten Schema einen elektrischen Strom zu. Das Medium des Elektrolyten 18 füllt die zwischen den Elektroden und der zu modifizierenden Oberfläche bestehende Lücke 17. Der Elektrolyt wird in die Lücke eingeführt, wenn die Elektrode in die Flüssigkeit von Tank 21 eingetaucht wird. Um somit zum Zweck dieser Erfindung eine elektrische Entladung über die Funkenstrecke 17 auftreten zu lassen, bedürfen die notwendigen Bauteile dem Anlegen einer Gleichspannung an eine kathodische Elektrode, und dem Anschließen des Metall-Bauteils 10, um als Anode in dem dielektrischen Fluid zu wirken; das dielektrische Fluid 18 kann deionisiertes Wasser mit einer typischen elektrischen Leitfähigkeit von etwa 15 Mikrosiemens sein. Das deionisierte Wasser kann Kationen von Wasserstoff, Natrium, Calcium, Magnesium, Aluminium, Eisen und Anionen enthalten, wie etwa Hydroxyde, Chloride, Bicarbonate, Carbonate, Sulfate, Nitrate und Phosphate. Übliche Verunreinigungen in deionisiertem Wasser schließen Natrium, Silika, Kohlendioxid und Bicarbonat ein. Es ist üblich daß in deionisiertem Wasser Metalle wie etwa Eisen oder Kupfer vorliegen.
Bei Beginn der elektrischen Entladung fließt zuerst kein elektrischer Strom zwischen der anodischen Bauteil-Oberfläche 12 und der kathodischen Elektroden-Oberfläche 22. Wegen der Isolierung des Dielektrikums Wasser in der Lücke 17 wird der Strom anfänglich pulsieren. Innerhalb von ein paar Mikrosekunden wird ein elektrisches Feld bewirken, daß die Verunreinigungsteilchen im Mikrometerbereich suspendiert werden und eine Brücke über Lücke 17 hinweg bilden, welche dann in einem Durchschlagen des Dielektrikums resultiert. Die Spannung wird auf einen niedrigeren Wert abfallen, und der Strom wird auf einen konstanten, wie vom Bediener eingestellten Wert ansteigen. Wegen der Emission von negativen Teilchen wird - während des Zeitabschnitts in dem der Puls "AN" ist - ein Plasmakanal wachsen. Um den Plasmakanal herum wird sich dann eine Dampfblase bilden, und das umgebende, dichte Dielektrikum Wasser wird den Wuchs des Plasmas beschränken, was die eingebrachte Energie auf ein sehr kleines Volumen konzentriert. Die Plasmatemperatur wird sehr hohe Werte wie etwa 40 000 K erreichen, und der Plasmadruck kann bis auf Werte so hoch wie 3 kbar steigen. Als Ergebnis des verminderten Wärmeeintrags nach dem Abfall in der Stromperiode wird eine Schmelzumformung von Metallkügelchen an den Oberflächen 12 oder 13 stattfinden. Wenn der Stromfluß stoppt implodiert die Blase, wodurch die geschmolzenen Kügelchen verzerrt werden ohne sie zum Erstarren zu bringen. Das dielektrische Fluid verfestigt dieses geschmolzene Material durch seine Temperaturdifferenz, bevor solches Material fortgetragen werden kann. Der Zyklus wird während einer nachfolgenden Zeit, in welcher der Stromzyklus "AN" ist, wiederholt.
Wegen eines Beschusses mit sich schnell bewegenden Elektronen am Anfang des Pulses wird die zu härtende Oberfläche zuerst rasch schmelzen, dann nach ein paar Mikrosekunden aber beginnen sich wieder zu verfestigen.
Um die Bedingungen für die Härteverbesserung abzusichern sollte die Spannung in einem die elektrische Entladung fördernden Bereich liegen, die Strömstärke sollte im Bereich von 3-20 Ampere liegen, und der Entladungspuls sollte über Zeitabschnitte von 200 - 1 000 Mikrosekunden "AN" sein. Die Dauer, über welche die Härtebehandlung ausgeführt wird, beträgt gewöhnlich etwa 0.5 - 2 Minuten. Der Spannungs/Strom- Zeitabschnitt wird um einiges niedriger gehalten als der, der zum Aufrauhen oder für die Funkenerosion verwendet wird. Die Tiefe der Härte kann mit einer leichten Erhöhung von Spannung und Puls variiert werden.
Als Ergebnis des zweiten Schrittes wird die durch elektrische Entladung behandelte Oberfläche 12 wie in Abb. 4 gezeigt ein glatteres, jedoch gewelltes Profil besitzen. Neue Spitzen 23 und neue Täler 24 werden durch Verlegen des Schmelzens und rasches Wiedererstarren vermindert. Die betroffene Oberfläche wird bis zu einer Tiefe 25 in der Härte auf etwa Rb 65-80 verbessert werden. Die Rauhigkeit kann durch Manipulation der Spannung, der Stromstärken-Pulsation oder des elektrischen Entladungsvorgangs angepaßt werden. Der Nachweis einer höheren Gleichmäßigkeit des Oberflächencharakters der betroffenen Taumelscheibe wird in den Rasterelektronen-Kleingefügebildern der Abb. 5 und 6 gezeigt. Abb. 5 zeigt die - als Ergebnis von elektrischer Entladung - unbeschichtete Oberfläche. Abb. 6 ist ein Rasterelektronen-Kleingefügeschnittbild einer beschichteten Oberfläche, die vorher einer elektrischen Entladung ausgesetzt wurde, und zeigt daß die Tiefe der betroffenen Schicht 200-900 um beträgt. Zwischen der Beschichtung 26 und der gekappten, elektrisch entladenen und chemisch modifizierten Oberfläche 27 findet ein hohes Maß an mechanischer Durchdringung statt.
Der dritte Schritt des Verfahrens ist das Kappen der Oberflächenkörner 29 der Oberfläche 12 entlang einer Ebene 28 wie in Abb. 7 gezeigt, um ihre Tragfähigkeit zu erhöhen. Dies kann durch Honen unter Verwendung eines Diamantflachrades ausgeführt werden, das die Gipfel der Spitzen der Oberflächenkörner kappt. Die Oberflächen-Rauhigkeit kann ohne Beeinträchtigung der - vorher als Ergebnis der elektrischen Entladungsbehandlung verliehenen - Härte auf 1.5 umRa oder weniger vermindert werden.
Die Abnutzungseigenschaften eine Bauteils aus Aluminiumlegierung 357 können bestimmt werden, indem das Bauteil einem Block-auf-Ring-Verschleißtest unterworfen wird. Die sich ergebenden Daten sind in Abb. 8 gezeigt, worin die Balken der Gruppe A das Verschleißvolumen für Probestücke darstellt, die bei 250 MPa (36 000 psi) einem Trocken-Verschleißtest ausgesetzt wurden; und worin die Balken der Gruppe B Probestücke darstellen, die einem geschmierten Verschleißtest mit 250 MPa (36 000 psi) ausgesetzt wurden. Die Balken der Gruppe C stellen Probekörper dar, die bei 6.9 MPa (10 000 psi) einem Trocken-Verschleißtest ausgesetzt wurden; und die Balken der Gruppe D stellen Probekörper dar, die bei 6.9 MPa (10 000 psi) einem geschmierten Verschleißtest ausgesetzt wurden. Die Verschleißdaten für die geschmierten Probekörper der Gruppe B nehmen prägnant ab, wenn die Härte zunimmt. Die Gruppen C und D stehen für Probestücke die - sowohl trocken wie auch geschmiert - bei einer Belastung von 10 000 psi betrieben wurden; unter dieser leichteren Belastung zeigt die Zunahme in der Härte der Probestücke wiederum - ob geschmiert oder nicht - einen eindeutigen Trend in Richtung auf eine Verminderung des Verschleiß'.
Das resultierende neue Produkt, wie etwa die Taumelscheibe eines Kompressors, besitzt mehrere, neue Vorteile. Erstens kann das Taumelscheiben-Produkt Versagen aufgrund von Scheuer- und Gleitverschleiß eliminieren. Zweitens werden die Herstellungskosten der Kompressor-Taumelscheibe als Ergebnis der Oberflächenhärtung durch ein elektrisches Entladungsverfahren, verglichen mit herkömmlichen Hartbeschichtungs-Anwendungen zur Vermeidung von Verschleiß, wesentlich reduziert. Die Taumelscheibe 10 ist um eine Achse 30 durch ihre Mitte, die gegen die Ebene 31 der Platte gekippt ist, drehbar beweglich montiert. Die Beschläge 32, 33 auf gegenüberliegenden Seiten der Scheibe besitzen eine Mehrzahl von Sitzen 34, von denen jeder ein Lager 35 festhält, welches eine Roll- oder Gleitbelastung auf den um Achse 30 zentrierten Druckoberflächen 12 oder 13 darstellt. Die Druckoberflächen besitzen eine thermochemisch, durch elektrische Entladung bis zu einer Tiefe von 100 um gesteigerte Härte, und jede besitzt eine Oberflächenrauhigkeit von 1.5 umRa oder weniger. Die Druckoberflächen sind effektiv, um die Kosten der Taumelscheiben-Herstellung wesentlich zu vermindern und um ein Versagen der Tragfähigkeit zu vermindern.

Claims

1. Ein elektrochemisches Verfahren zur Modifizierung der Oberflächenhärte eines nicht-allotropen Metall-Bauteiles, welches umfaßt:

(a) Formen dieses Bauteils (10) in nahezu endgültige Form mit mindestens einer zu härtenden Oberfläche (12, 13);

(b) Aussetzen dieser Oberfläche (12, 13) gegen ein rasches Schmelzen und Wiedererstarren durch Einfall einer elektrischen Entladung zwischen einer Elektrode (16) und dieser Oberfläche (12, 13), welche sich in geringem Abstand hierzu befindet, wobei der Zwischenraum einen Elektrolyten (18) mit plasmabildenden Eigenschaften enthält; und die Oberfläche (12, 13) durch kristallographische Veränderung der Kügelchen gehärtet wird, die aus einer substituierenden Legierungsbildung oder einer Festlösungsverfestigung resultiert; und

(b) Kappen der Oberflächenkörner (29) dieser Oberfläche zur Erhöhung der Lasttragfähigkeit, während die Fähigkeit zur Aufnahme von Flüssigkeiten erhalten bleibt.

2. Ein Verfahren nach Anspruch 1, in welchem die Härte dieser behandelten Oberfläche um mindestens 25 HK erhöht wird.

3. Ein Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem die Tiefe der Oberflächenhärtung durch leichtes Erhöhen der Spannung und der Pulsdauer geändert wird.

4. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in welchem die Entladung von Schritt (b) mit einem Strom im Bereich von 3-20 Ampere ausgeführt wird und die Entladung in Abschnitten von 200 - 1000 Mikrosekunden gepulst ist.

5. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in welchem die Rauhigkeit der gekappten, gehärteten Oberfläche 1.5 umRa oder weniger beträgt.

6. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in welchem dieses Metall-Bauteil aus der aus Titan, Magnesium und Aluminium bestehenden Gruppe von Metallen ausgewählt wird.

7. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, in welchem das Kappen von Schritt (c) mittels Diamant-Flachhonen ausgeführt wird.

8. Ein Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, worin die zu härtende Oberfläche eine Druckoberfläche (12, 13) eines einheitlichen, auf Aluminium basierenden Taumelscheiben-Bauteils ist, das für einen Kompressor nützlich ist und umfaßt:

(a) eine Scheibe, die um eine Achse durch ihre Mitte drehbar bewegliche ist; die jedoch zur Ebene der Scheibe gekippt ist;

(b) angegossene Schultern an einander entgegengesetzten Seiten dieser Scheibe, von denen jede eine Druckoberfläche zur Aufnahme einer Mehrzahl von Wälzlagerbelastungen darstellt, wobei diese Druckoberflächen um diese Achse zentriert sind und sich in einer zu dieser Achse senkrechten Ebene befinden.

9. Ein Verfahren nach Anspruch 8, in welchem das Bauteil aus Aluminium besteht, das einen legierenden Bestandteil besitzt, der aus der Gruppe aus Si, Cu, Mn, Fe, Cr, Ni, Zn oder Al ausgewählt wird; und worin die Aluminiumoberfläche der thermochemisch gehärteten Oberfläche zur Erhöhung der Härte durch substituierende Legierungsbildung und Festlösungsverfestigung chemisch und kristallographisch lösungsmodifiziert ist.

10. Ein Verfahren nach Anspruch 8, in welchem die Härte jeder Druckoberfläche bis zu einer Tiefe von 10-400 um erhöht ist, und die Oberflächenrauigkeit auf 1.5 um oder weniger gekappt ist, und die Härte dieser Druckoberfläche auf 70 HK oder höher erhöht ist.