Verfahren zur Bearbeitung eines Werkstücks aus Metall

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes aus Metall, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wobei das Werkstück auf eine vorbestimmte erste Temperatur erwärmt und unmittelbar anschließend an die Erwärmung solange derart mit einem Strahl aus Festkörperteilchen behandelt wird, daß es in einem Randbereich bis auf eine vorbestimmte zweite Temperatur abgekühlt wird. Dies erzielt einen Tiefenverlauf (20) der Eigenspannung bis zu einer Tiefe d von 500 µm.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes aus Metall, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

[0002] Zum Einbringen von Eigenspannungen in einen Werkstoff eines Werkstückes wird dieses beispielsweise Sand- oder Kugelgestrahlt.

[0003] Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei eine weitere Verbesserung von Materialeigenschaften eines behandelten Werkstückes insbesondere bezüglich einer mechanischen Festigkeit erzielt wird.

[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

[0005] Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Werkstück auf eine vorbestimmte erste Temperatur erwärmt und unmittelbar anschließend an die Erwärmung solange derart mit einem Strahl aus Festkörperteilchen behandelt wird, daß es in einem Randbereich bis auf eine vorbestimmte zweite Temperatur abgekühlt wird.

[0006] Dies hat den Vorteil, daß durch das gleichzeitige Anlassen und Partikelstrahlen (Anlasstrahlen) eine höher Werkstückfestigkeit erzielt wird. Dadurch kann ein Werkstück entweder für gegebene mechanische Belastungen geringer dimensioniert werden, was zu einer entsprechenden Gewichtseinsparung führt, oder bei konstanter Dimensionierung für höhere mechanische Belastungen verwendet werden.

[0007] Zweckmäßigerweise sind die Festkörperteilchen Kugeln und/oder Sandkörner, wobei die erste Temperatur beispielsweise einen Wert im Bereich 500 bis 600 °C und die zweite Temperatur beispielsweise einen Wert im Bereich 50 bis 200 °C, insbesondere einen Wert von 100 °C, hat.

[0008] In einer bevorzugten Ausführung ist das Metall ein anlaßbeständiger Stahl, insbesondere Federstahl, und das Werkstück bevorzugte ein Pleuel, eine Achsfeder, eine Ventilfeder oder eine Blattfeder.

[0009] Dadurch, daß nach dem Behandeln mit Partikelstrahlen das Werkstück langsam mit einer vorbestimmten Temperaturkurve abgekühlt wird, zieht sich das gesamte Werkstück zusammen und es steilen sich die mechanische Festigkeit erhöhende Druckeigenspannungen in einem durch das Strahlen plastifizierten Randbereich ein. Dies erhöht ferner in vorteilhafter Weise eine Schwingfestigkeit des Werkstückes.

[0010] Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen in

Fig. 1

einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Pleuelstegquerschnitt und

Fig. 2

einen Tiefenverlauf von durch das erfindungsgemäße Verfahren in dem Werkstück erzeugten Eigenspannungen.

[0011] Fig. 1 zeigt beispielhaft als Werkstück einen Schnitt eines Pleuelsteges 10, welcher mit dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Werkstoffestigkeit durch Vorwärmen, beispielsweise in einem Ofen, zunächst verringert. Beim unmittelbar nachfolgenden Behandeln mit Festkörperpartikeln, wie beispielsweise Sand- oder Kugelstrahlen, ist das Werkstück 10 im wesentlichen noch auf der Vorwärmtemperatur. Auftreffende Strahlteilchen bzw. Strahlkörner bewirken nunmehr am noch heißen Werkstoff eine erhöhte Plastifizierung einer Randschicht 12, welche in Fig. 1 mit der Tiefe d dargestellt ist. Durch das Strahlen wird die Randschicht 12 während der Strahlbehandlung schneller abgekühlt als ein Kern 14 im Inneren des Werkstückes 10.

[0012] Durch eine nachfolgende Abkühlung im Kern 14 zieht sich das gesamte Werkstück 10 zusammen und Druckeigenspannungen im gesamten plastifizierten Randbereich 12 stellen sich ein. Dies erhöht eine mechanische und eine Schwingfestigkeit des Werkstückes 10.

[0013] Beispielsweise wird das Werkstück 10 noch im vorgewärmten Zustand bei einer Werkstück-Temperatur von beispielsweise 500 bis 600 °C mit einem Partikelstrahl behandelt, wobei das Strahlen eine Abkühlung der Randschicht 12 auf eine Temperatur von beispielsweise 100 °C am Ende der Behandlung bewirkt, wogegen der Kern 14 noch eine Temperatur von beispielsweise >200 °C hat. Das Werkstück aus beispielsweise anlaßbeständigem Stahl, insbesondere Federstahl, wird gehärtet, ganz oder teilweise in einer Ofenatmosphäre auf 500 bis 600 °C durchgewärmt und aus der Ofenatmosphäre sofort intensiv Partikel- oder Kugelgestrahlt, bis die Randtemperatur auf ca. 100 °C abgefallen ist. Das Werkstück wird dann langsam aktiv (durch z. B. Kühlung) oder passiv (durch z. B. Wärmeabstrahlung) abgekühlt.

[0014] Nunmehr haben sich durch die erfindungsgemäße Behandlung Druckeigenspannungen bis in eine Tiefe von ca. 500 µm ausgebildet, wie in Fig. 2 dargestellt. Auf der vertikalen Achse 16 ist hierbei eine Eigenspannung in MPa und auf der horizontalen Achse 18 ist eine Tiefe d in µm aufgetragen. Die Eigenspannungen sind als Tiefenverlauf 20 dargestellt mit einem Bereich 22. Die Eigenspannungen nehmen von der Oberfläche aus gesehen in das Werkstück 10 hinein zunächst zu und nach durchlaufen eines Kurvenminimums (d. h. maximaler Eigenspannung) wieder ab. Bei einer Tiefe d von etwa 500 µm hat der Tiefenvertauf 20 der Eigenspannung einen Nulldurchgang, d. h. es sind im wesentlichen keine Eigenspannungen mehr vorhanden. Im Gegensatz dazu erreicht man bei herkömmlichem Kugelstrahlen nur Tiefen bis zu 300 µm für Eigenspannungen, d. h. der Nulldurchgang des Tiefenverlaufes der Eigenspannungen ist bereits bei einer Tiefe d von 300 µm.

[0015] Somit ist z. B. ein Pleuel mit geringerem Querschnitt bei gleicher mechanischer Festigkeit als ein herkömmlich hergestelltes Pleuel erzielbar, wobei sich eine Gewichtseinsparung von > 30 % ergibt.

[0016] Die erfindungsgemäße Warmstrahlbehandlung ist auch auf andere Bauteile übertragbar, wie beispielsweise eine Feder (Achsfeder, Ventilfeder, Blattfeder), wodurch man gewichtsoptimierte Federn erzielt. Auch hier bewirkt das Strahlen bei Temperaturen von etwa. ≥ 500 °C eine Plastifizierung, bis die Randschicht 12 kälter als der Kern 14 ist, wodurch sich eine günstige Eigenspannungsverteilung einstellt. Dies bedeutet für Eigenschaften von derart behandelten Werkstücken, daß eine höhere Belastbarkeit und/oder eine Gewichtseinsparung erzielt wird. Grundsätzlich ist dieses Verfahren bei allen mit einem Partikelstrahl behandelten Werkstücken verwendbar.

BEZUGSZEICHENLISTE

[0017] 

10

Pleuelsteg

12

Randschicht

14

Kern

16

vertikalen Achse

18

horizontalen Achse

20

Tiefenverlauf

22

Bereich

d

Tiefe der Randschicht

Ansprüche

1. Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstückes aus Metall, insbesondere für ein Kraftfahrzeug,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkstück auf eine vorbestimmte erste Temperatur erwärmt und unmittelbar anschließend an die Erwärmung solange derart mit einem Strahl aus Festkörperteilchen behandelt wird, daß es in einem Randbereich bis auf eine vorbestimmte zweite Temperatur abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Festkörperteilchen Kugeln und/oder Sandkörner sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß
die erste Temperatur einen Wert im Bereich 500 bis 600 °C hat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
die zweite Temperatur einen Wert im Bereich 50 bis 200 °C, insbesondere einen Wert von weniger als 125 °C, hat.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Metall ein anlaßbeständiger Stahl, insbesondere Federstahl ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
das Werkstück ein Pleuel, eine Achsfeder, eine Ventilfeder oder eine Blattfeder ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem Behandeln mit Partikelstrahlen das Werkstück langsam mit einer vorbestimmten Temperaturkurve abgekühlt wird.

Zeichnung