EP1920088B1 - Verfahren zur herstellung eines verbundkörpers mit einer druckeigenspannungsbelasteten galvanischen beschichtung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit einer druckeigenspannungsbelasteten galvanischen Beschichtung.
Stand der Technik
• Das Vorsehen galvanisch abgeschiedener Schichten an Körpern mit einer technischen Oberfläche dient zumeist zum Zweck des Korrosionsschutzes, des Verschleißschutzes oder zur Erzielung optischer bzw. dekorativer Eigenschaften. Insbesondere bei Bauteilen und Maschinenkomponenten tragen derartige galvanische Oberflächenvergütungen wesentlich zur Lebensdauererhöhung der einzelnen Bauteile bei.
• Typische Anwendungen sind beispielsweise verchromte Zylinderlaufbüchsen von Dieselmotoren, verchromte Förderrohre für Betonmischungen, Pumpenkomponenten, die korrosiv beansprucht werden, oder Umform- oder Tiefziehwerkzeuge, die zum Zweck des Verschleiß- und Adhäsionsschutzes galvanisch bspw. mit Hartchrom beschichtet werden.
• Hierzu werden in an sich bekannter Weise zumeist aus Metall bestehende Basiskörper in einem galvanischen Abscheideprozess mit z.B. Chrom oder Nickel beschichtet, wodurch entsprechend oberflächenvergütete Verbundkörper entstehen. Besonders die Abscheidung von sprödharten Galvanikschichten wie "Hartchrom" an Bauteiloberflächen vermag die Bauteile zwar wirkungsvoll vor Verschleiß zu schützen, jedoch bilden sich während der Beschichtung meist Mikro- und Makro-Zugeigenspannungen innerhalb des Schichtmaterials aus, die die Materialfestigkeit der Galvanikschicht zumindest lokal überschreiten, so dass Risse in der Schicht entstehen. Die infolge dieser Mikro- und Makro-Zugeigenspannungen entstehenden Mikro- und Makrorisse sowie die in der Galvanikschicht verbleibenden Rest-Zugeigenspannungen vermögen die Festigkeit und den Verschleißwiderstand der Schicht deutlich zu reduzieren. Bei fortschreitendem Risswachstum, das durch mechanische Belastung unterstützt wird, können die Risse an die Bauteiloberfläche und an den Grundwerkstoff des Bauteils gelangen. Aufgrund der Spannungsüberhöhung an der Rissspitze eines sich ausbildenden Risses kann bei einer äußeren Belastung, die bei einem unbeschichteten Bauteil als unkritisch zu bewerten ist, bei einem beschichteten Bauteil ein Risswachstum in den Grundwerkstoff hinein erfolgen und dadurch letztlich ein Versagen des Bauteils erfolgen. Risse, die durch die gesamte Schichtdicke reichen, setzen zudem auch die Korrosionsfestigkeit des gesamten Verbundkörpers herab.
• Eine Vermeidung von Rissen und Zugeigenspannungen in galvanischen Beschichtungen wird bislang nur durch Versuche angestrebt den galvanischen Abscheideprozess als solchen zu optimieren. Dies gelingt Ansatzweise für dünne Schichten oder für einzelne Bereiche im Aufbau dickerer Schichten, jedoch sind keine zuverlässig einsetzbaren Verfahrenstechniken bekannt, vorstehende Galvanikschichten mit einer zuverlässigen Robustheit vor der Wirkung herstellungsbedingter Risse zu schützen.
• Dokument GB 477 295 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit den Schritten: Bereitstellung eines Verbundkörpers durch galvanische Beschichtung einer sprödharten Chrom- oder Nickelschicht auf einen metallischen Basiskörper, Durchführung einer mechanischen Oberflächenbehandlung.
• Dokument US 2003/041924 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit den Schritten: Bereitstellung eines Verbundkörpers durch galvanische Beschichtung einer sprödharten Chromschicht auf einen Basiskörper, ein Metallkörper, Durchführung einer chemischen Oberflächenbehandlung.
• Dokument GB 1 492 503 A offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit den Schritten: Bereitstellung eines Verbundkörpers durch galvanische Beschichtung einer sprödharten Chromschicht auf einen Basiskörper, ein Metallkörper, Stahl in D5, Durchführung einer thermischen Oberflächenbehandlung.
• Keiner der zitierten Dokumente offenbart Vorversuche.
Darstellung der Erfindung
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde Maßnahmen anzugeben, mit denen es möglich ist, galvanisch beschichtete Bauteile zu fertigen, die in der Beschichtung keine zur Oberfläche hin geöffneten, herstellungsbedingten Risse enthalten und die zumindest in einem Teil der Beschichtung hohe Druckeigenspannungen aufweisen, die vorhandene Riss zumindest teilweise umschließen. Grundsätzlich soll die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit galvanisch beschichteter Bauteile deutlich verbessert werden.
• Die Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft weiterbildenden Merkmale sind in den Unteransprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
• Lösungsgemäß wird ein Verbundkörper mit einer druckeigenspannungsbelasteten galvanischen Beschichtung durch die Kombination der folgenden Verfahrensschritte hergestellt:
• Zunächst wird ein mit einer galvanischen Schicht versehener Verbundkörper, der einen Basiskörper aufweist und der einem galvanischen Beschichtungsverfahren unterzogen worden ist, bereitgestellt. Der Beschichtungsvorgang erfolgt im Rahmen einer an sich bekannten Weise durch galvanische Materialabscheidung, bei der vorzugsweise ein aus metallischem Werkstoff bestehender Basiskörper ganz oder teilweise mit einer Hartgalvanikschicht, vorzugsweise einer Hartchromschicht oder Nickelschicht überzogen wird. Unmittelbar im Anschluss an den Beschichtungsvorgang erfolgt eine Oberflächenbehandlung der galvanischen Schicht durch einen auf die galvanische Schicht gerichteten mechanischen Energieeintrag mit an die Beschaffenheit des Basiskörpers sowie der darauf abgeschiedenen galvanischen Schicht angepassten Behandlungsparametern derart, dass ausschließlich lokale plastische Deformationen in der galvanischen Schicht eingebracht werden.
Um die Einstellung der für den Erfolg des Verfahrens notwendigen Behandlungsparameter vorzunehmen, sind erfindungsgemäß zwei Vorversuche durchzuführen:
• Bspw. an einer Platte, aus dem zu behandelnden Verbundkörper wird die Abhängigkeit der Druckfließgrenze und der Sprödbruchgrenze der auf dem Basiskörper aufgebrachten galvanischen Schicht von der Werkzeuggeometrie jener Werkzeuge, mit denen die galvanische Schicht lokal deformiert wird, ermittelt, woraus eine erforderliche Werkzeuggeometrie, die erforderliche und maximal zulässige Kraft auf das Werkzeug sowie die Härte des mit der zu behandelnden galvanischen Schicht in Kontakt gelangenden Werkzeugbereichs bestimmt werden.
• In einem zweiten Schritt wird im Rahmen eines mehrfachen Kugeldruckversuches ermittelt, welche Anzahl von wiederholten Kugeleindrücken pro Kontaktfläche zulässig ist, ohne dabei die Schichtoberfläche zu schädigen, aber zugleich die Schichtoberfläche plastisch zu verformen. Auf diese Weise wird der zulässige Überdeckungsgrad, d.h. die Anzahl der Werkzeugeindrücke pro Kontaktfläche festgelegt.
• Als Werkzeugwerkstoff wird vorzugsweise ein Werkstoff mit mindestens der gleichen Härte gewählt, wie sie die zu behandelnde galvanische Schicht selbst besitzt. Als Werkzeugform wird für den Kontaktbereich zwischen Werkzeug und galvanischer Schicht eine möglichst glatte, abgerundete Form gewählt. Aus diesem Vorversuch ergeben sich die erforderliche Werkzeuggeometrie und die erforderliche und maximal zulässige Kraft auf das Werkzeug.
• Nach Festlegung der vorstehend beschriebenen Behandlungsparameter wird der oberflächenzubehandelnde Bereich der Schicht aus sprödhartem Schichtmaterial, beispielsweise im Rahmen eines Kugelstrahlverfahrens, behandelt.
• Die auf die galvanische Schicht auftreffenden kugelförmigen Werkzeugelemente können im Rahmen einer Strahlanlage per Druckluft oder mittels eines Schleuderradantriebes auf die Schichtoberfläche mit einstellbarem kinetischen Impuls geschleudert werden, so dass jede Stelle der zu behandelnden Schichtoberfläche ein- oder mehrfach getroffen wird.
• Das mechanische Verfahren beruht insbesondere darauf, dass die Schichtoberfläche mit einem geeigneten Werkzeug lokal plastisch verformt wird und in der Schicht Druckeigenspannungen erzeugt werden. Wesentlich bei der Durchführung der mechanischen Oberflächenbehandlung ist, dass bei der Erzeugung plastischer Oberflächenverformungen nicht gleichzeitig Schädigungen in Form von Sprödbruchvorgängen an der galvanischen Schichtoberfläche erzeugt werden, deren die Festigkeit mindernde Wirkung größer ist, als die Festigkeit steigernde Wirkung durch die durch die "Plastifizierung" bewirkten Druckeigenspannungen.
• Die vorstehend genannte Forderung wird dadurch erreicht, dass zum einen die plastische Verformung auf lateral eng begrenzte Schichtoberflächenbereiche beschränkt ist und zum anderen dadurch, dass das Werkzeug, mit dem die Schichtoberfläche des zu behandelnden Werkstückes in Kontakt tritt, eine bestimmte Kontur im Bereich der Kontaktfläche aufweist, die allgemein beschrieben als nicht scharfkantig anzusehen ist.
• Wird ein materialspezifischer und von der Form des Werkzeuges abhängiger Grenzwert für die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Schichtoberfläche sowie für die Eindrucktiefe des Werkzeuges in die galvanische Schicht nicht überschritten, so kann durch eine wiederholte, lateral versetzte lokale Oberflächenbehandlung der gewünschte Effekt, einer gezielt eingebrachten plastischen Verformung, oberflächendeckend erreicht werden.
• Die vorstehend beschriebene Forderung wird insbesondere dadurch erfüllt, dass das Werkzeug eine geeignete Geometrie aufweist, die vorzugsweise von runder Kontur ist und einen vom Werkstoff der zu bearbeitenden galvanischen Schicht abhängigen kritischen Werkzeugdurchmesser nicht überschreitet, Für den Fall einer Kugel, wie sie bei Kugelstrahlversuchen zum Einsatz kommen und der Verwendung von Hartchrom als Schichtmaterial haben sich geeignete Kugeldurchmesser von maximal 6 mm herausgestellt. Der vorstehend genannte kritische Durchmesser, der für die Dimensionierung der Kugel bestimmend ist, definiert auch den eng begrenzten Oberflächenbereich, innerhalb dem die plastische Verformung auf der Schichtoberfläche zu erfolgen hat.
• Neben der geometrischen Dimensionierung der Werkzeuge, mit denen die galvanische Schichtoberfläche bearbeitet wird, und hierbei sind alternativ zum Kugelstrahlen auch Hämmer, Nägel und Walzen zu nennen, spielt insbesondere beim Kugelstrahl-Verfahren der auf die Schichtoberfläche einwirkende kinetische Impuls eine große Rolle. Die Geometrie des Werkzeuges sowie die Impulseinstellung, mit der das Werkzeug gegen die zu bearbeitende Schichtoberfläche trifft, sind dabei derart einzustellen, dass die erwünschte plastische Verformung vor dem vorzugsweise nicht zu erfolgenden Sprödbruch erfolgt, d.h. die Höhe des Impulseintrages ist so zu bemessen, dass das Ausmaß von eventuell eintretenden schädlichem Sprödbruch so weit begrenzt wird, dass der positive Einfluss der plastischen Verformung auf die Festigkeit der galvanischen Schicht überwiegt.
• Durch die lösungsgemäße Beaufschlagung der galvanischen Schicht mit Druckeigenspannungen im Wege bspw. eines vorstehend erläuterten Kugelstrahlverfahrens und ein damit erreichbares Schließen von sich bereits herstellungsbedingt, innerhalb der auf dem Basiskörper galvanisch abgeschiedenen Schicht ausgebildeten Rissen durch die erzeugte plastische Verformung oberflächennaher Bereiche der Schicht, werden die oft auftretenden und bekannten Nachteile galvanischer Schichten hinsichtlich der Reduktion der Bauteilfestigkeit sowie ein nur ungenügender Korrosionswiderstand effektiv gemildert oder sogar vollständig eliminiert. Gleichzeitig werden die Festigkeit und der Verschleißwiderstand der Schicht selbst verbessert. Damit kann unter Umständen auch auf eine Verfestigungsbehandlung des Grundwerkstoffes, aus dem der Basiskörper besteht, verzichtet werden. Durch den lösungsgemäßen Beschichtungsprozess werden zudem zusätzliche Freiheitsgrade in der Wahl der Beschichtungsparameter gewonnen, zumal die Gefahr von Rissbildungen aufgrund vorhandener Zugeigenspannungen innerhalb der galvanischen Schicht aufgrund ihrer wirksamen Reduzierung in den Hintergrund tritt.
Kurze Beschreibung der Erfindung
• Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1a, b

Diagrammbeispiele für den tiefenabhängigen Eigenspannungsverlauf innerhalb einer galvanischen Schicht ohne (a) und mit (b) lösungsgemäßer Behandlung.

Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
• Auf einer Flachprobe bestehend aus einem metallischem Werkstoff, vorzugsweise Stahl, ist eine Hartchrom-Schicht mit einer Schichtdicke von 0,3 mm im Wege einer galvanischen Materialabscheidung abgeschieden worden.
• Zur Überprüfung von Eigenspannungen innerhalb der Hartchrom-Schicht wurden Zugeigenspannungsuntersuchungen an der Probe durchgeführt. Die in den Diagrammen dargestellten Messergebnisse stellen Eigenspannungstiefenverläufe dar, die quer und längs der Proben- bzw. Schichterstreckung erfasst worden sind.
• Im Falle des Diagramms in Figur 1a ist eine unbehandelte Hartchromschicht gemäß dem Stand der Technik vermessen worden. Zu erkenn sind die ungünstigen Zugeigenspannungen von etwa 200 MPa in der Schicht bis hinab zur Grenzfläche Hartchromschicht/Basiskörper in 0,3 mm Tiefe.
• Das Diagramm gemäß Fig. 1b zeigt den Eigenspannungsverlauf in einer Hartchromschicht, die in vergleichbarer Weise auf dem Basiskörper abgeschieden worden ist, gemäß der Fallsituation in Fig. 1a, jedoch nach einer Kugelstrahlbehandlung der Hartchromschicht. Zu erkennen sind die günstigen, außerordentlich hohen Druckeigenspannungen von bis zu 2000 MPa im größten Teil der Schicht.
• Es konnte gezeigt werden, dass lösungsgemäß behandelte, mit Hartchrom beschichtete Basiskörper bei Hertzscher Belastung (Kugeldruckversuch) keine Rissbildungen oder Erweiterungen bereits vorhandener Risse in der Hartchromschicht zeigen, da nur noch eine plastische Deformation in der Chromschicht erreicht werden konnte. Bei nach dem Stand der Technik hergestellten Verbundkörpern konnte hingegen problemlos Rissbildung in der Chromschicht durch Kugeleindruck erreicht werden.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers mit einer druckeigenspannungsbelasteten galvanischen Beschichtung,
   gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   - Bereitstellen eines mit einer als galvanischen Chromschicht versehenen Verbundkörpers, der einen Basiskörper aufweist, der einem galvanischem Beschichtungsverfahren unterzogen worden ist,

   - Durchführen einer Oberflächenbehandlung der galvanischen Chromschicht durch auf die galvanische Chromschicht gerichteten mechanischen Energieeintrag mit an die Beschaffenheit des Basiskörpers sowie der darauf abgeschiedenen galvanischen Schicht angepassten Behandlungsparametern derart, dass lokale plastische Deformationen in der galvanischen Chromschicht eingebracht werden, wobei die Behandlungsparameter in einem Vorversuch in folgender Weise festgelegt werden:

   - in einem ersten Schritt wird die Abhängigkeit der Druckfließgrenze und der Sprödbruchgrenze der auf dem Basiskörper aufgebrachten galvanischen Chromschicht von der Werkzeuggeometrie der im Rahmen der Oberflächenbehandlung auf die galvanische Chromschicht einwirkenden Werkzeuge ermittelt, woraus eine erforderliche Werkzeuggeometrie, die erforderliche und maximal zulässige Kraft auf das Werkzeug sowie die Härte des mit der zu behandelnden galvanischen Chromschicht in Kontakt gelangenden Werkzeugbereichs bestimmt werden,

   - in einem zweiten Schritt wird die Anzahl von zulässigen, wiederholten Kugeleindrücken pro Kontaktfläche ermittelt, die notwendig sind, um die galvanische Schicht plastisch zu verformen, ohne jedoch die galvanische Schicht zu schädigen, und

   - dass als Oberflächenbehandlung ein Kugelstrahlverfahren, Hämmern, Nageln oder Rollieren eingesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
   dadurch gekennzeichnet, dass die Chromschicht eine sprödharte Hartchromschicht ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
   dadurch gekennzeichnet, dass der Basiskörper ein Metallkörper oder wenigstens eine elektrisch leitfähige Oberfläche aufweist.

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