WO2006105891A1 - Reibschweissverfahren und bauteile aus stahl und metallalumind unter verwendung eines zwischenstückes aus einer ni -legierung - Google Patents

Reibschweissverfahren und bauteile aus stahl und metallalumind unter verwendung eines zwischenstückes aus einer ni -legierung Download PDF

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alloy
intermediate piece
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Hartmut Baur
Herbert Gasthuber
Michael Scheydecker
Peter Fledersbacher
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Definitions

  • the invention relates to a method for joining a first component (1, 3) made of a metal aluminide or a refractory Ti alloy with an external component made of steel or metal aluminide, in particular a steel washer ⁇ 21 by friction welding by means of an intermediate piece (4) made of a Ni Alloy according to the subject matter of claim 1.
  • the invention further relates to a turbocharger rotor with turbine wheel (1), steel shaft (2) and compressor wheel (3), wherein turbine wheel (1) and / or compressor wheel (3) are formed from a metal aluminide and via a connecting layer (4 ') of a Ni-alloy, which has a diffusion layer on both sides connected to the steel shaft according to claim 13, and a valve for internal combustion engines with valve disc (5) of a metal aluminide which is connected via a connecting layer (4 ') with a steel shaft (6) according to
  • generic components are used in motor vehicle engines and turbochargers for motor vehicle engines.
  • valves or turbochargers made of steel For the automotive industry, there is a need to replace steel valves or turbochargers made of steel by Lelchtraetalllegleiteren.
  • the conventional one-piece valves or turbocharger rotors made of steels are characterized by multi-part Constructions with the highest possible proportion of heat-resistant light metal alloys replaced since full metal parts are generally not produced in a suitable quality. It has been proven to leave the axial shaft or the axial shaft for reasons of strength of steel and to produce only the corresponding valve disk, respectively rotor or compressor wheel of the light metal, or the Metallalurninid.
  • JP-A-2-78734 is known a Tuxbolader with rotor and Turbirvenrad, in which the turbine wheel of ⁇ - Titanalüminid ( ⁇ -Ti ⁇ 1) is connected to a steel shaft. Between turbine wheel and steel shaft, an intermediate piece of nickel-based alloy is provided, which is connected on one side with turbine wheel by friction welding. The formed friction-welded joint sometimes has no satisfactory strength.
  • a method is known in which a valve plate made of TiA1 is connected to a shaft of an ⁇ -ß-titanium alloy by means of friction welding.
  • the two parts to be joined are butt welded to one another or by means of a widening of the connection area existing on the steel shaft.
  • the process is suitable due to the close chemical relationship of Ti alloy and titanium aluminide, but is hardly transferable to the different materials of steel shaft and TiA1 Ventiiteller.
  • the object is achieved by a method for connecting a first component (1, 3) of a metal aluminide or a combinscheltzenden Ti alloy with a second component of steel or metal aluminide, in particular of a steel shaft (2), by friction welding by means of an intermediate piece ( 4) of a Ni alloy according to the subject-matter of claim 1 having the features of claim 1, and by a turbocharger rotor having the features of claim 13, and by a valve for internal combustion engines having the features of claim 15.
  • FIG. 1 shows a turbocharger rotor with component (1) made of metal aluminide, in the configuration of a turbine wheel, steel part (2), in the embodiment of a steel shaft, component (3), in the embodiment of a compressor wheel, and intermediate layer (4 ')
  • Fig. 2 is a valve before friction welding with component (1) made of metal aluminide in the embodiment as a valve disk, spacer (4) and steel part (2) in the embodiment as a valve stem.
  • FIG. 3 shows a turbocharger rotor with first component (1) of metal aluminide, in the design of a turbine wheel, and second component (2), in the embodiment of a steel shaft and component (3), in the embodiment of a compressor wheel, and intermediate layer (4), wherein the second component (2) has a recess (6) for fixing the intermediate piece (4) and the intermediate piece (4) has a recess (5) for placing on the steel part (2) and
  • Fig. 4 method for friction welding with components (1, 2) which are movably held over a clamping (B), with a feed device (9) for in a band (7) fixed intermediate pieces (4).
  • the connecting layer is firmly connected on both sides with the second component (2), respectively the first component (1,3) and ensures the mechanical coupling of the two components.
  • the compound is produced in a single friction welding process.
  • This procedure has the advantage that only a single friction welding process has to be carried out.
  • the connector is not firmly attached before the friction welding either on the steel part or on the component so dasa the friction welding process can not cause any thermal or mechanical stress on a previously introduced in the vicinity of the compound connection or joint.
  • the combination of two friction welding processes for connecting the intermediate piece first with a steel part and then with the titanium aluminide component leads to an impairment of the first friction-welding intermediate layer or connecting layer.
  • the method according to the invention thus has the advantage that a comparatively thin intermediate layer can be chosen for the connection of the two workpieces.
  • the connecting layer must be chosen only so thick that a material and form-fitting connection can be formed.
  • the connection layer is preferably designed somewhat thicker, so that it acts as a thermal barrier, that is to say an obstacle to the heat conduction. This is particularly important if the second component is made of steel or a titanium alloy with a lower melting point than the metal aluminide alloy of the first component,
  • the intermediate piece. (4) preferably has a thickness in the range of 1 to 10 mm.
  • the thickness of the spacer is significantly reduced by pushing the excess material laterally out of the joint area.
  • the intermediate piece (4) is reduced in friction welding to an intermediate layer (4 ') having a thickness in the range of 3 to 2000 microns.
  • the intermediate layer after friction welding has a thickness of more than 50 .mu.m, for the connection steel / metal aluminide preferably in the range of 200 to 2000 microns.
  • the intermediate layer is characterized by a. Composition which substantially corresponds to the composition of the intermediate piece.
  • a diffusion zone is formed on both sides of the intermediate layer. This is a mixing zone in which the material of the intermediate layer and the material of the steel part or the component penetrate more or less strongly. These diffusion zones or mixing zones represent an effective cohesive connection.
  • connection layer may have a penetration structure of the three metal alloys involved.
  • the one-step friction welding process must be performed at temperatures that correspond to the friction welding temperatures of the higher melting point metal aluminides.
  • the high temperatures lead to a very effective two-sided welding of the intermediate piece.
  • Suitable metal aluminides include titanium aluminide, nickel aluminide, or iron aluminide.
  • a nickel alloy in particular a nickel-based alloy is selected.
  • a nickel-based alloy is selected.
  • the Ni alloy is formed by a Ni-base alloy and embedded ceramic particles.
  • Preferred ceramic particles are SiC, TiC and / or WC. The ceramic particles have the effect of friction particles, which have a favorable effect on the friction welding process. In the bonding layer, the ceramic particles in particular bring about an advantageous reduction in the thermal conductivity or the heat transfer.
  • the intermediate piece can be designed as a plate, foil or cap, which is introduced between the Verbind.ungs Scheme before friction welding or loosely attached to one of the two bodies. It is also possible to connect the thus designed intermediate piece with one of the two bodies mechanically or positively, for example by pressing or shrinking. It is expedient to be guided by the more suitable geometry of the two components to be connected.
  • a recess in the connecting region is provided on one of the two bodies, in which the intermediate piece, in particular as
  • a further preferred embodiment of the method is shown schematically in FIG. 4 and provides that the Intermediate piece in a feed device (9), in particular one fixed to a belt (7) is fed continuously into the connecting region of the two components.
  • the intermediate pieces (4) are embedded, for example, in a steel strip (7), in particular pressed and are supplied to the connecting region of the two components (1,2) using a sheet guide (9).
  • components (1, 2) bars of titanium aluminide can be provided, for example, on both sides.
  • the components (1, 2) are held by movable clamping and are friction welded to the connector. (4) ascended. After friction welding, the steel strip (7) is separated from the welded-together component, whereby the component can be removed from the dex friction welding device.
  • the steel strip is moved further into the connecting region by means of the sender (9) and brought into position with newly clamped components (1, 3).
  • different rotational speeds and pressure strengths during friction welding can be provided by the two components (1) or (2) in order to produce different welding temperatures or welding pressures on the two sides of the intermediate piece.
  • the intermediate piece is not loosely introduced into the connection area, but first positively connected to one of the components. If a steel part is provided, this is usually the preferred partner for attachment of the intermediate piece.
  • the compound itself need not have any particular strength, since it only has to ensure the fixation of the intermediate piece for the friction welding process. Therefore, quite different methods for fastening the intermediate piece can be used. In particular, in this case it is not necessary to fasten the connecting piece by welding or friction welding.
  • the intermediate piece consists of a coating of a Ni alloy.
  • Ni, nickel alloy or a Ni alloy with SiC particles can be electrodeposited.
  • the steel part is coated, in particular galvanically coated.
  • the coating consists of a pressed-on powder push, in particular of Ni alloy with ceramic particles and / or further metal particles, in particular of Cr, Sb or Mo.
  • At least one of the two components, steel part or metal aluminide component, is rotationally symmetrical.
  • the first component is a steel rod or a steel cylinder, which is connected to the second component.
  • the friction welding preferably forms a rotationally symmetrical body with a longitudinal axis in the steel part. It is obvious that the invention 006/002786
  • Reibach place polish can also be applied multiple times for attaching multiple components to the first component.
  • a rod-shaped steel part can be successively connected at both ends with a Titanaluminidbauteii (1, 3).
  • the steel part is simultaneously connected at both ends to a component (1, 3).
  • the number of individual prose is reduced,
  • a very good axial alignment and centering can take place, which extends over the entire joined component.
  • a cylinder or hollow part is used as the steel part, then it is expedient to close the ends to be welded. If particularly thick spacers are used, it is also possible to close the open ends only during friction welding.
  • Another aspect of the invention relates to a turbocharger rotor with turbine wheel (1), steel shaft (2) and compressor wheel (3), said turbine wheel (1) and / or compressor wheel (3) are formed from a Metailalurainid and via a connecting layer (4 ') with a steel shaft are connected via a friction welding process, wherein the connecting layer (4 ') is formed by a Ni alloy, which has a diffusion layer on both sides and which has a thickness in the range of 3 .mu.m to 2 mm. It is essential that class the connection layer is made as thin as possible. The layer on the one hand bring about no mechanical weakness with respect to the materials of steel or metal aluminide r other hand also possible an effective thermal barrier form, to reduce the heat transfer to the steel.
  • the Metallaluininidmaschine be much hotter than the steel shaft, so that the heat transfer is to reduce as much as possible.
  • the thickness of the bonding layer, or joint seam is in the range of 100 to 1000 ⁇ m.
  • the joint seam or connection pipe (4 ') is partially penetrated by steel and / or metal aluminide; the connecting layer thus has a penetration structure of the three metal alloys involved.
  • the friction welding method according to the invention represents a cost-effective process to reliably produce these turbocharger rotors with a thin joint seam or connecting shank.
  • the steel shaft is preferably connected in succession to the corresponding components via the friction welding process according to the invention.
  • valve for internal combustion engines with valve disc (5) from a This valve is particularly preferably produced by the friction welding process according to the invention, wherein the bonding layer (4 ') is formed by a Ni alloy which has a D ' on both sides .
  • the thickness of the bonding layer is in the range of 3 ⁇ m to 2 mm.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1, 3) aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung mit einem zweiten Bauteil (2) aus Stahl, Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung, insbesondere aus einer Stahl welle, durch Reibschweißen, wobei zwischen das erste Bauteil (1, 3) und das zweite Bauteil (2) im Verbindungsbereich ein Zwischenstück (4) aus einer Ni-Legierung eingebracht wird und anschließend ein Reibschweißvorgang durchgeführt wird, bei welchem aus dem Zwischenstück (4) eine Verbindungs Schicht (4) gebildet wird, die beidseitig mit ersten (1, 3) , respektive zweitem Bauteil (2) fest verbunden ist, sowie hierdurch erhältliche Turboladerrotoren und Ventile für Verbrennungsmotoren.

Description

REIBSCHWEISSVERFAHREN UND BAUTEILE AUS STAHL UND METALLALUMIND UNTER VERWENDUNG EINES ZWISCHENSTÜCKES AUS EINER NI -LEGIERUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1, 3) aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti-Legierung mit einem aweiten Bauteil aus Stahl oder Metallaluminid, insbesondere aus einer Stahlwslle {21 durch Reibschweißen mittels eines Zwischenstückes (4) aus einer Ni-Legierung gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft des Weiteren einen Turboladerrotor mit Turbinenrad (1), Stahlwelle (2) und Verdichterrad (3), wobei Turbinenrad (1} und/oder Verdichterrad (3) aus einem Metallaluminid gebildet sind und über eine Verbindungsschicht (4') aus einer Ni-Legierung, die beidseitig eine Diffusionsschicht aufweist mit der Stahlwelle verbunden sind gemäß dem Anspruch 13, sowie ein Ventil für Verbrennungsmotoren mit Ventilteller (5) aus einem Metallaluminid der über eine Verbindungsschicht (4') mit einem Stahlschaft (6) verbunden ist, gemäß den Merkmalen des Anspruchs 15, Gattungsgemäße Bauteile finden Verwendung in Kraftfahrzeugmotoren und Turboladern für Kraftfahrzeugmotoren.
Für die Automobilindustrie besteht das Bedürfnis Stahlventile oder Turbolader aus Stahl durch Lelchtraetalllegierungen zu ersetzen. Die konventionell einstückigen Ventile oder Turboladerrotoren aus Stählen werden dabei durch mehrteilige Konstruktionen mit möglichst hohem Anteil an hochwarmfesten Leichtmetall-Legierungen ersetzt, da Vollteile aus Metallalumlniden in der Regel nicht in geeigneter Qualität herstellbar sind. Dabei hat es sich bewährt den axialen Schaft oder die axiale Welle aus Gründen der Festigkeit aus Stahl zu belassen und nur den entsprechenden Ventilteller, respektive Rotor oder Verdichterrad aus dem Leichtmetall, beziehungsweise dem Metallalurninid herzustellen.
Aus der JP-A-2-78734 ist ein Tuxbolader mit Rotor und Turbirvenrad bekannt, bei dem das Turbinenrad aus γ- Titanalüminid (γ-TiΑ1) mit einer Stahlwelle verbunden ist. Zwischen Turbinenrad und Stahlwelle ist ein Zwischenstück aus Nickelbasislegierung vorgesehen, welches einseitig mit Turbinenrad durch Reibschweißen verbunden ist. Die gebildete Reibschweißverbindung weist mitunter keine befriedigende Festigkeit auf .
Aus der EP-A-2-1 213 087 ist ein Verfahren bekannt, bei dein ein Ventiiteller aus TiA1 mit einem Schaft aus einer α-ß- Titanlegierung mittels Reibschweißen verbunden wird. Die beiden zu verbindenden Teile werden, stumpf aufeinander geschweißt oder mittels einer am Stahlschaft vorhandenen Rufweitung des Verbindungsbereiches . Das Verfahren eignet sich aufgrund der engen chemischen Verwandtschaft von Ti- Leqierung und Titanaluminid, ist aber auf die unterschiedlichen Materialien von Stahlschaft und TiA1- Ventiiteller kaum übertragbar.
Aus der EP-B-1-O 590 197 ist ein Verfahren zum Verbinden einer Stahlweile mit Verdichterrad mit einem γ-TiA1- Turbinenrad bekannt. Dabei wird die Verbindung zwischen der Stahlwelle und dem Turbinenrad durch Reibschweißen eines Zwischenstück aus einer Ni-Basislegierung das mit der Stahlwelle fest verbunden ist, durchgeführt. Die Verbindung zwischen Stahlwelle und Verbindungsstück erfolgt bevorzugt über einen weiteren vorgelagerten Reibschweiß-Prozess. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, dass zwei Reibschweißprozesse durchgeführt werden müssen. Dabei sind Vorkehrungen zu treffen, dass- die erste Schweißschicht durch den zweiten Schweißprozess nicht geschädigt, insbesondere nicht erneut aufgeschmolzen wird.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereit zu stellen, um ein erstes Bauteil aus hochtemperaturfester Leichtmetalllegierung mit einem zweiten hochtemperaturfesten Bauteil, insbesondere einem Stahlbauteil kostengünstig und fest zu verbinden, sowie für die Herateilung eines Turboladerrotors mit Turbinenrad und/oder Verdichterrad aus Leichtmetalllegierung und Stahlwelle oder eines Ventils mit Stahlschaft und Leichtmetall-Ventilteller geeignet ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1, 3) aus einem Metallaluminid oder einer hochschtnelzenden Ti-Legierung mit einem zweiten Bauteil aus Stahl oder Metallaluminid, insbesondere aus einer Stahlwelle (2) , durch Reibschweißen mittels eines Zwischenstückes (4) aus einer Ni-Legierung gemäß dem Gegenstand des Anspruchs 1 mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch einen Turboladerrotor mit den Merkmalen des Anspruchs 13, sowie durch ein Ventil für Verbrennungsmotoren mit den Merkmalen des Anspruchs 15.
Die Erfindung wird unter Suhilfenahme schernatischer Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigen: Fig. 1 einen Turboladerrotor mit Bauteil (1) aus Metallaluminid , in der Ausgestaltung eines Turbinenrades, Stahlteil (2) , in der Ausgestaltung einer Stahlwelle, Bauteil (3) , in der Ausgestaltung eines Verdichterrades, sowie Zwischenschicht (4' )
Fig. 2 ein Ventil vor dem Reibschweißen mit Bauteil (1) aus Metallaluminid in der Ausgestaltung als Ventilteller , Zwischenstück (4) und Stahlteil (2) in der Ausgestaltung als Ventilschaft.
Fig. 3 einen Turboladerrotor mit erstem Bauteil (1) aus Metallaluminid, in der Ausgestaltung eines Turbinenrades, und zweitem Bauteil (2) , in der Ausgestaltung einer Stahlwelle und Bauteil (3), in der Ausgestaltung eines Verdichterrades, sowie Zwischenschicht (4), wobei das zweite Bauteil (2) eine Aussparung (6) zum Fixieren des Zwischenstücks (4) und das Zwischenstück (4 ) eine Aussparung (5) zum Aufsetzen auf das Stahlteil (2) aufweist und
Fig. 4 Verfahren zum Reibschweißen mit Bauteilen (1, 2), die beweglich über eine Aufspannung (B) gehalten werden, mit einer Zuführvorrichtung (9) für in einem Band (7) fixierten Zwischenstücken (4).
Erfindungsgemäß ist somit vorgesehen, zwischen das zweite Bauteil, insbesondere Stahlte.il (2) und das Bauteil (1, 3) im Verbindungsbereich ein Zwischenstück (4) aus einer Ni- Legierung einzubringen und anschließend einen Reibschweißvorgang durchzuführen, so dass aus dein Zwischenstück (4) eine Verbindungsschicht (4') gebildet wird. Die Verbindungsschicht ist beidseitig mit dem zweiten Bauteil (2), respektive dem ersten Bauteil (1,3) fest verbunden und stellt die mechanische Kopplung beider Bauteile sicher. Im Gegensatz zu den bekannten Verfahren wird die Verbindung in einem einzigen Reibschweißprozess hergestellt.
Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass nur ein einziger Reibschweißprozess durchgeführt werden muss. Das Verbindungsstück ist vor diesem Reibschweißvorgang weder am Stahlteil noch am Bauteil fest gefügt, so dasa der Reibschweißvorgang keine thermische oder mechanische Belastung einer zuvor in der Nähe der Verbindung eingeführten Verbindungs- oder Fügestelle hervorrufen kann. Im Vergleich hierzu führt die Kombination von zwei Reibschweißprozessen zur Verbindung des Zwischenstückes zuerst mit einem Stahlteil und dann mit dem Titanaluminid-Bauteil zu einer Beeinträchtigung der ersten Reibschweiß-Zwisc,henschicht beziehungsweise Verbindungsschicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist somit den Vorteil auf, dass eine vergleichsweise dünne Zwischenschicht zur Verbindung der beiden Werkstücke gewählt werden kann. Im Prinzip muss die Verbindungsschicht nur so dick gewählt sein, dass eine stoff- und formschlüssige Verbindung gebildet werden kann. Bevorzugt wird die Verbindungsschicht aber etwas dicker ausgelegt, so dass sie als thermische Barriere wirkt, das heißt ein Hindernis für die Wärmeleitung darstellt. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn das zweite Bauteil aus Stahl gebildet ist oder einer Titanlegierung mit geringerem Schmelzpunkt als die Metallaluminidlegierung des ersten Bauteils,
Das Zwischenstück. (4) weist bevorzugt eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 mm auf. Beim Reibschweißen wird die Dicke des Zwischenstücks erheblich reduziert, indem das überschüssige Material seitlich aus dem Verbindungsbereich herausgedrückt wird. Typischerweise wird das Zwischenstück (4) beim Reibschweißen auf eine Zwischenschicht (4' ) mit einer Dicke im Bereich von 3 bis 2000 μm reduziert. Bevorzugt weist die Zwischenschicht nach dem Reibschweißen eine Dicke oberhalb 50 μm auf, für die Verbindung Stahl/Metallaluminid bevorzugt im Bereich von 200 bis 2000 μrn. Die Zwischenschicht ist charakterisiert durch eine. Zusammensetzung, die im Wesentlichen der Zusammensetzung des Zwischenstücks entspricht. Beidseitig der Zwischenschicht ist eine Diffusionszone ausgebildet. Diese ist eine Mischzone, in der sich das Material der Zwischenschicht und das Material des Stahlteils oder des Bauteils mehr oder weniger stark durchdringen. Diese Diffusionszonen oder Mischzonen stellen eine wirkungsvolle stoffschlüssige Verbindung dar.
Je nach Dicke der Verbindungsschicht und Prozessbedingungen des Reibschweißens kann die Verbindungsschicht ein Durchdringa-ngsgefüge der drei beteiligten Metalllegierungen aufweisen.
Der einstufige Reibschweißprozess muss bei Temperaturen durchgeführt werden, die den Reibschweißteinperaturen der höherschmelzenden Metallalurninide entsprechen. Die hohen Temperaturen führen zu einer sehr effektiven beidseitigen Verschweißung des Zwischenstücks.
Zu den geeigneten Metailaluminiden gehören Titanaluminid , Nickelaluminid , oder Eisenaluminid.
Als Zwischenstück wird eine Nickellegierung, insbesondere eine Nickelbasislegierung gewählt. Hierzu' sind auch die Inconel-Legierungen zu zählen. Bevorzugte Ni-Legierungen weisen unter anderem 2- 10% Mo und/oder 2-10% Nb auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Zwischenstücks ist die Ni-Legierung durch eine Ni- Basislegierung und eingelagerte keramische Partikel gebildet. Bevorzugte keramische Partikel sind SiC, TiC und/oder WC. Die keramischen Partikel haben die Wirkung von Reibpartikeln, die sich günstig auf den Reibschweißprozess auswirken. In der Verbindungsschicht bewirken die keramischen Partikel insbesondere eine vorteilhafte Verringerung der Wärmeleitfähigkeit beziehungsweise des Wärmedurchgangs.
Auch für den Fall, dass beide zu verbindenden Bauteile aus dem gleichen Metallaluminid bestehen, bietet die Reibschweiß- Fügung mittels artfremdem Zwischenstück Vorteile gegenüber dem Reibschweißen ohne Zwischenstück, da die erfindungsgemäß gebildete Verbindung eine geringere Sprödfaruch-Anfälligkeit aufweist.
Das Zwischenstück kann als Plättchen, Folie oder Kappe ausgestaltet werden, welche vor dem Reibschweißen zwischen den Verbind.ungsbereich eingebracht oder an einem der beiden Körper lose befestigt wird. Ebenso ist es möglich das so gestaltete Zwischenstück mit einem der beiden Körper mechanisch respektive formschlüssig zu verbinden, beispielsweise durch Aufpressen oder Aufschrumpfen. Dabei ist es zweckmäßig sich von der besser geeigneten Geometrie der beiden zu verbindenden Bauteile leiten zu lassen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird auf einem der beiden Körper eine Aussparung im Verbindungsbereich vorgesehen, in den das Zwischenstück, insbesondere als
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens ist in Fig. 4 schematisch abgebildet und sieht vor, dass das Zwischenstück in einer Zuführvorrichtung (9), insbesondere ein einem Band (7) fixiert kontinuierlich in den Verbindungsbereich der beiden Bauteile zugeführt wird. Die Zwischenstücke (4) sind beispielsweise in einem Stahlband (7) eingelagert, insbesondere eingepresst und werden dem Verbindungsbereich der beiden Bauteile (1,2) mithilfe einer Blechführung (9) zugeführt. Als Bauteile (1, 2) können zum Beispiel beidseitig Stäbe aus Titanaluminid vorgesehen werden. Die Bauteile (1, 2) sind durch bewegliche Aufspannungen gehalten und werden zum Reibschweißen auf das Verbindungsstück. (4) aufgefahren. Nach dem Reibschweißen wird das Stahlband (7) vor dem zusammengeschweißten Bauteil abgetrennt, wodurch das Bauteil aus dex Reibschweißvorrichtung entnehmbar wird. Für den nächsten Reibschweißvorrichtungwird das Stahlband mittels der Suführvorrichtung (9) in den Verbindungsbereich weitertaewegt und mit neu eingespannten Bauteilen (1, 3) in Position gebracht .
Mit den kontinuierlich zuführbaren und fixierten Verbindungsstücken kann das Reibschweißverfahren wesentlich effizienter gestaltet werden. Die Rüstzeiten für die Reibschweißvorrichtung werden deutlich verkürzt.
In weiterer Ausgestaltung dieser Variante können durch die beiden Bauteile (1) oder (2) unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten und Andruckstärken beim Reibschweißen vorgesehen werden, um an den beiden Seiten des Zwischenstückes unterschiedliche Schweißtemperaturen bzw. Schweißdrücke zu erzeugen. Hierzu ist es zweckmäßig, für die Zuführvorrichtung mit dem Band (7) und den eingelagerten Zwischenstücken (4) eine sehr stabile Konstruktion vorzusehen, um beidseitig des Bandes unterschiedliche Andrücke einstellen zu können. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Zwischenstück nicht lose in den Verbindungsbereich eingebracht, sondern zunächst mit einem der Bauteile formschlüssig verbunden. Sofern ein Stahlteil vorgesehen ist, stellt dieses in der Regel den bevorzugten Partner zur Befestigung des Zwischenstücks dar. Die Verbindung selbst braucht keine besondere Festigkeit aufzuweisen , da sie lediglich die Fixierung des Zwischenstücks für den Reibschweißvorgang sicherstellen muss . Daher können recht unterschiedliche Verfahr-en zur Befestigung des- Zwischenstücks angewendet werden. Insbesondere ist es hierbei nicht erforderlich, das Verbindungsstück durch Schweißen oder Reibschweißen zu befestigen.
Besonders bevorzugt besteht das Zwischenstück dabei aus siner Beschichtung einer Ni-Legierung. Beispielsweise kann Ni, Nickellegierung oder auch eine Ni-Legierung mit SiC-Partikeln galvanisch abgeschieden werden. Bevorzugt wird dabei das Stahlteil beschichtet, insbesondere galvanisch beschichtet. In einer weiteren Ausführung besteht die Beschichtung aus einer aufgepressten Pulverschiebt, insbesondere aus Ni- Legierung mit Keramikpartikeln und/oder weiteren Metallpartikeln, insbesondere aus Cr, Sb oder Mo.
Typischerweise ist zumindest eines der beiden Bauteile, Stahlteil, oder Metallaluminid-Bauteil, rotationssymmetrisch ausgebildet.
Bevorzugt stellt das erste Bauteil einen Stahlstab oder einen Stahlsylinder dar, der mit dem zweiten Bauteil verbunden ist. Dadurch wird durch. das Reibschweißen bevorzugt ein rotationssymmetrischer Körper mit Längsachse im Stahlteil gebildet. Es ist offensichtlich, dass der erfindungsgemäße 006/002786
Reibachweißprozess auch mehrfach zum Anbringen mehrerer Bauteile an das erste Bauteil angewendet werden kann. So kann beispielsweise ein stabförmiges Stahlteil nacheinander an beiden Enden mit einem Titanaluminid-Bauteii (1, 3) verbunden werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Stahlteil gleichzeitig an beiden Enden mit einem Bauteil (1, 3) verbunden. Hierdurch wird die Anzahl der einzelnen Prosesse reduziert, Darüber hinaus kann eine sehr gute axiale Ausrichtung und Zentrierung erfolgen, die sich über das gesamte gefügte Bauteil erstreckt.
Da die Bauteile beim Reibschweißen fest fixiert sind, kann beim Reibschweißen kein Verzug oder Versetzen oder Abknicken innerhalb der Verbindungsschicht erfolgen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil für alle erfindungsgemäß hergestellten Bauteile, insbesondere wenn diese als schnell rotierende Teile eingesetzt werden sollen.
Wird als Stahlteil ein Zylinder oder Hohlteil verwendet, so ist es zweckmäßig die zu verschweißenden Enden zu schließen. Werden besonders dicke Zwischenstücke eingesetzt, ist es auch möglich die offenen Enden erst beim Reibschweißen zu verschließen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft einen Turboladerrotor mit Turbinenrad (1), Stahlwelle (2) und Verdichterrad (3), wobei Turbinenrad (1) und/oder Verdichterrad (3) aus einem Metailalurainid gebildet sind und über eine Verbindungsschicht (4') mit einer Stahlwelle über einen Reibschweißprozess verbunden sind, wobei dia Verbindungsschicht (4') durch eine Ni-Legierung gebildet ist, die beidseitig eine Diffusionsschicht aufweist und welche eine Dicke im Bereich von 3 μm bis 2 mm besitzt. Dabei ist es von wesentlicher Bedeutung, class die Verbindungsschicht möglichst dünn ausgestaltet wird. Die Schicht soll einerseits keine mechanische Schwächung gegenüber den Werkstoffen Stahl oder Metallaluminid herbeiführenr andererseits aber auch eine möglichst wirkungsvolle thermische Barriere bilden, um den Wärmeübergang auf den Stahl zu reduzieren. Im Betrieb werden die Metallaluininidteile wesentlich heißer als die Stahlwelle, so dass der Wärmeübergang entsprechend möglichst zu reduzieren ist . Besonders bevorzugt liegt die Dicke der Verbindungsschicht, oder Fügenaht, im Bereich von 100 bis 1000 μm.
In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist die Fügenaht oder Verbindungaschichfc (4') teilweise durch Stahl und/oder Metallaluminid durchdrungen; die Verbindungsschicht weist somit ein Durchdringungsgefüge der drei beteiligten Metalllegierungen auf.
Das erfindungsgemäße Reibschweiß-Verfahren stellt einen kostengünstigen Prozess dar, diese Turboladerrotoren mit einer dünnen Fügenaht, beziehungsweise Verbindungsschient zuverlässig herzustellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Stahlwelle (2) einerseits mit Turbinenrad (1) und andererseits mit Verdichterrad (3) über eine jeweilige Verbindungsschicht
(4') verbunden. Bevorzugt wird die Stahlwelle dabei nacheinander über den erfindungsgemäßen Reibschweißprozess mit den entsprechenden Bauteilen verbunden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Ventil für Verbrennungsmotoren mit Ventilteller (5} aus einem Metallaiuminid, der über eine Verbindungsschiebt (4'} mit einem Stahlschaft (6) verbunden ist. Dieses Ventil wird besonders bevorzugt durch den erfindungsgemäßen Reibschweißprozess erzeugt, wobei die Vexbindungsschicht (4'} durch eine Ni-Legierung gebildet ist, die beidseitig eine D'iffusionsschicht aufweist. Die Dicke der Verbindungsschicht liegt im Bereich von 3 μm bis 2 mm.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (1, 3} aus einem Metallaluminid oder einer hochschmelzenden Ti- Legierung mit einem zweiten Bauteil {2} aus Stahl, Metallaluminid oder hochschmelzenden Ti-Legierung, insbesondere aus einer Stahlwelle durch Reibschweißen dadurch gekennzeichnet, dass zwischen das erste Bauteil (1, 3) und das zweite Bauteil (2) im -Vezbindungsbereich ein Zwischenstück (4) aus einer Ni-Legierung eingebracht wird und anschließend ein Reibschweißvorgang durchgeführt wird, bei welchem aus dem Zwischenstück (4) eine Verbindungsschicht (4') gebildet wird, die beidseitig mit ersten (1, 3) , respektive zweitem Bauteil (2) fest verbunden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (4) eine Dicke im Bereich von 1 bis 10 mm aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischenstück (4) beim Reibschweißen auf eine Zwischenschicht (4') mit einer Dicke im Bereich von 3 bis 2000 μm reduziert wird.
4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass beim Reibschweißen beidseitig der Zwischenschicht (4') eine Diffusionsschicht gebildet wird.
5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass als Metallaluminid Titanaluminid,
6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, daas das Zwischenstück, vor dem Einbringen in den Verbindungsbereich mit einem der Bauteile formschlüssig verbunden wird.
7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet; dass das Zwischenstück aus einem Plättchen, Folie, Kappe, oder einer Baschichtung ausgewählt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch, gekennzeichnet, dass
Zwischenstücke (4) über eine Zuführvorrichtung (9) fixiert und kontinuierlich in den Verbindungsbereich der beiden Bauteile (1, 2, 3) zugeführt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die beiden Bauteile (1) oder (2) unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten und Andruckstärken beim Reibschweißen vorgesehen werden, um an den beiden Seiten des Zwischenstückes (4) unterschiedliche Schweißtemperaturen bzw. Schweißdrücke zu erzeugen
10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil nacheinander an beiden Enden mit einem Bauteil (1, 3) verbunden wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet,, dass das zweite Bauteil (2) gleichzeitig an beiden Enden mit einem Bauteil (1, 3) verbunden wird.
12. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (1, 3) durch einen Ventilteller, ein Verdichterrad oder ein Turbinenrad gebildet wird und das zweite Bauteil (2) durch einen Stahlschaft oder eine Stahlwelle.
13. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche , dadurch gekennzeichnet,, dass als zweites Bauteil (2) ein hohles Stahlteil verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein hohles Stahlteil verwendet wird, das zumindest auf der Seite der Verbindung geschlossen ist.
15. Turboladerrotor mit Turbinenrad (1) , Stahlwelle (2) und Verdichterrad (3), wobei Turbinenrad (1) und/oder Verdichterrad (3) aus einem Metallaluminid gebildet sind und über eine Verbindungsschicht (4'} mit der Stahlwelle verbunden sind, erhältlich nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die
Verbindungsschicht (4'} durch eine Ni-Legierung gebildet ist, die beidseitig eine Diffusionsschicht aufweist und welche eine Dicke im Bereich von 3 μm bis 2 mm besitzt.
16. Turboladerrotor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Stahlwelle (2) einerseits mit Turbinenrad (1) und andererseits mit Verdichterrad (3) über die Verbindungsschicht {4'} verbunden ist.
17. Ventil fur Verbrennungsmotoren .mit Ventilteller (5) aus einem Metallaluminid der über eine Verbindungsschicht (4') mit einem Stahlschaft (6) verbunden ist, erhältlich nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Verbindungsschicht (4') durch eine Ni-Leglerung gebildet ist, die beidseitig eine Diffusionsschicht aufweist und welche eine Dicke im Bereich von 3 μm bis 2 mm besitzt.
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