Technisches Gebiet
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers
mit einer druckeigenspannungsbelasteten galvanischen Beschichtung.
Stand der Technik
[0002] 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.
[0003] 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.
[0004] 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.
[0005] 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.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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.
[0009] Keiner der zitierten Dokumente offenbart Vorversuche.
Darstellung der Erfindung
[0010] 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.
[0011] 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.
[0012] 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.
[0013] 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.
[0014] 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.
[0015] Nach Festlegung der vorstehend beschriebenen Behandlungsparameter wird der oberflächenzubehandelnde
Bereich der Schicht aus sprödhartem Schichtmaterial, beispielsweise im Rahmen eines
Kugelstrahlverfahrens, behandelt.
[0016] 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.
[0017] 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.
[0018] 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.
[0019] 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.
[0020] 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.
[0021] 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.
[0022] 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
[0023] 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
[0024] 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.
[0025] 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.
[0026] 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.
[0027] 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.
[0028] 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.
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.
1. A method for producing a composite body with an electrodeposited coating under internal
compressive stress,
characterised by the following method steps:
- preparing a composite body which is provided with an electrodeposited layer and
has a base body which has been subjected to an electrodeposited coating process,
- carrying out a surface treatment of the electrodeposited chromium layer by the introduction
of mechanical energy directed at the electrodeposited layer, with treatment parameters
adapted to the nature of the base body and the electrodeposited layer deposited thereon
in such a way that local plastic deformations are introduced into the electrodeposited
chromium layer, wherein the treatment parameters are established in a preliminary
trial as follows:
- in a first step, the dependence of the compression creep limit and the brittle fracture
limit of the electrodeposited chromium layer deposited on the base body is determined
from the tool geometry of the tools acting on the electrodeposited chromium layer
in the course of the surface treatment, from which a required tool geometry, the required
and maximum permissible force on the tool and the hardness of the tool region coming
into contact with the electrodeposited chromium layer to be treated are determined,
- in a second step, a determination is made of the number of permissible repeated
ball indentations per contact area that are required in order to deform plastically
the electrodeposited layer, but without damaging the electrodeposited layer, and
- that a shot blasting process, hammering, nailing or rolling is used as a surface
treatment.
2. The method according to claim 1,
characterised in that the chromium layer is a brittle-hard hard chromium layer.
3. The method according to claim 1 or 2,
characterised in that the base body is a metallic body or at least one electrically conductive surface.
1. Procédé pour la fabrication d'un corps composite avec un revêtement électrolytique
soumis à des contraintes internes de compression,
caractérisé par les étapes suivantes du procédé :
- préparation d'un corps composite pourvu d'une couche de chrome électrolytique, lequel
présente un corps de base, lequel a été soumis à un procédé de revêtement électrolytique,
- réalisation d'un traitement de surface de la couche de chrome électrolytique par
application d'énergie mécanique sur la couche de chrome électrolytique avec des paramètres
de traitement adaptés à la nature du corps de base ainsi qu'à la couche galvanique
déposée sur celui-ci de manière à ce que des déformations plastiques locales apparaissent
dans la couche de chrome électrolytique, les paramètres de traitement étant déterminés
lors d'un essai préalable de la manière suivante :
- dans une première étape, détermination de la dépendance de la limite d'écoulement
sous pression et de la limite de rupture fragile de la couche de chrome électrolytique
appliquée sur le corps de base de la géométrie d'outil des outils agissant sur la
couche de chrome électrolytique dans le cadre du traitement de surface, à partir de
laquelle on détermine une géométrie d'outil nécessaire, la force nécessaire et maximale
admissible sur l'outil ainsi que la dureté de la zone d'outil entrant en contact avec
la couche de chrome électrolytique à traiter,
- dans une deuxième étape, détermination du nombre d'empreintes de billes admissibles
et répétées par surface de contact, lesquelles sont nécessaires pour déformer plastiquement
la couche électrolytique sans pour autant endommager la couche électrolytique, et
- utilisation, en guise de traitement de surface, d'un procédé de grenaillage, d'un
martelage, d'un clouage ou d'un tonnelage.
2. Procédé selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
la couche de chrome est une couche de chrome dur résistant à la fragilité.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce que
le corps de base présente un corps métallique ou au moins une surface électro-conductrice.