Bauteil aus zwei kraftschlüssig verbundenen Werkstücken

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bauteil aus ^: zwei über Fügeflächen kraftschlüssig verbundenen Werkstücken, wobei wenigstens eine Oberfläche im Fügebereich ! der Werkstücke eine Oberflächenstruktur mit Strukturerhebungen und Strukturtälern aufweist .

Stand der Technik Kraftschlüssige Verbindungen werden in allen Bereichen des Maschinenbaus häufig zur übertragung von Querkräften oder Drehmomenten eingesetzt. Die Grosse der jeweils übertragbaren Kraft hängt neben den konstruktiven Gegebenheitein in erster Linie vom Haftreibungswert (Haftbeiwert) der mitein- ander verbundenen Bauteiloberflächen ab. Stahl/Stahl-tPaarungen weisen typischerweise Haftbeiwerte von 0,15 auf, was bei den zunehmend steigenden Anforderungen an Maschinenbauteile häufig für eine sichere kraftschlüssige Verbindung nicht ausreicht .

Ein Beispiel für ein Bauteil aus zwei über Fügeflächen kraftschlüssig verbundenen Werkstücken ist ein gebauter Kolben eines Grossdieselmotors. Bei diesem Kolben ist; ein Kolbenoberteil mit einem Kolbenunterteil verschraubt.: Die im Betrieb unter hoher thermischer und mechanischer Belastung auftretenden Schwingungen führen zu Relativbewegύngen der beiden Kolbenteile und in der Folge zu erhöhtem lokalem Verschleiss der Fügeflächen. Untersuchungen haben gezeigt,

dass ein erheblicher Verschleiss bereits bei Relativbewegungen ab etwa 30μm auftreten kann, wobei dieser Werit in Abhängigkeit der eingesetzten Werkstoffe auch kleiner ioder grösser sein kann.

Eine seit langem bekannte Massnahme zur Reibungserhöhung bei kraftschlüssigen Fügeverbindungen besteht darin, harte Partikel in den Fügespalt einzubringen, die durch teilweises Eindringen in die Bauteiloberflächen zu einem Mikro- Formschluss führen.

Die DE-A-23 64 275 offenbart die Bildung einer Hartstioff- körper enthaltenden Schicht auf einer gerillten Fläche; von zwei zusammenwirkenden Flächen durch Aufdampfen, Aufsprit- zen, Aufsintern oder Diffusion eines Fremdstoffs in die Bauteiloberfläche. Bei Bauteilen aus Stahl kann eine Nitrierung durchgeführt werden. Die Rillenkuppen führen beim Verspannen der beiden Bauteile zu einem Aufbrechen der ;Nitrierschicht. Die vorwiegend aus Nitriden bestehenden Bruchstücke werden beim weiteren Verspannen der Bauteile in die Bauteiloberflächen eingedrückt . Die in die Rillentäler gelangten Bruchstücke durchdrücken dabei infolge des iweicheren Untergrundes die fest haftende, unzerstörte Nitrierschicht .

Die EP-A-O 961 038 beschreibt ein Verbindungselement, welches an beiden Oberflächen mit harten Partikeln aus beispielsweise Carbide wie SiC, WC und B ₄ C, oder Nitride wie Si ₃ N ₄ beschichtet ist und dort zum Einsatz kommt, wo leine direkte Beschichtung der Bauteiloberfläche nicht möglich ist. Die Herstellung dieser reibungserhöhenden Schichten erfolgt in Metallisierungsbädern mit darin dispergierten Feststoffpartikeln. Diesem Verfahren inhärent ist der jkon-

tinuierliche Einbau von Partikeln in die anwachsende Schicht, was dazu führt, dass die am Ende des Besrfiiich- tungsvorgangs eingebauten Partikel nur zum geringen ,Teil von Schichtmatrix umschlossen sind und daher keine feste Verankerung in dieser haben.

In der EP-A-I 300 485 ist eine mit einer reibungserhöhende Partikel enthaltenden Matrix beschichtete Bauteiloberfläche bekannt . Die Matrix umfasst eine obere und eine untere Schicht, wobei die untere Schicht eine für eine reibungserhöhende Fixierung übliche metallische Bindephase ist.! Als reibungserhöhende Partikel sind Diamantkörner genannt,! die metallischen Bindephasen bestehen aus Chemisch Nickelf. Da das Festhalten der Hartstoffpartikel auch hier rein mecha- nisch erfolgt und keine Adhäsions- oder sonstigen Bindungskräfte auftreten, müssen die zu sichernden Partikel mindes- tens bis zu ihrem halben Durchmesser von Matrixmaterial umgeben sein. Die zusätzlich aufzubringende Schicht ist daher so dick zu wählen, dass die kraftübertragenden Partikel mit nicht mehr als ihrem halben Durchmesser aus der neuen iMatrixoberfläche herausragen.

Nach der EP-A-O 668 375 werden Hartchromschichten aus mik- rorissbildenden Verchromungselektrolyten mit darin disper- gierten Feststoffpartikeln unter Verwendung von pulsierendem Strom abgeschieden, wobei unter kathodischer Schaltung des Werkstückes sich in die bildende Chromschicht ausser in den Rissen auch in die Chrommatrix selbst die Feststoffpartikel einlagern.

Die EP-A-O 909 839 offenbart eine aus mindestens zwei Lagen Hartchrom bestehende galvanische Hartchromschicht mit einem Rissnetzwerk und in den Rissen eingelagerten und eingekap-

selten Feststoffpartikeln. Mindestens eine Lage Hartchrom ist unter pulsierendem Gleichstrom abgeschieden, so jdass das Chrom in unterschiedlicher Kristallisationsform 'vorliegt.

Es sind auch galvanisch erzeugte strukturierte Hartchromschichten auf Bauteilen bekannt. Im technischen Bereich er- füllen strukturierte Hartchromschichten bestimmte funktionale Eigenschaften. Bei Maschinenbauteilen, die in gleiten- dem Kontakt miteinander stehen, wie z.B. Kolben, Zylindern, Laufbuchsen oder Achslagern, dienen strukturierte Hart- chromschichten zur Bildung von Schmiermitteldepots, die ein Trockenlaufen verhindern. In der graphischen Industrie !werden z.B. für Druckmaschinen Farbwalzen und insbesondere Feuchtreibzylinder mit einer speziell strukturierten Oberfläche benötigt. In der Umformtechnik können strukturver- chromte Werkzeuge verwendet werden, um dem zu bearbeitenden Werkstück eine strukturierte Oberfläche zu verleihen.

Verfahren zur Herstellung galvanisch erzeugter Hartchromschichten mit unterschiedlich strukturierter Oberfläche sind dem Fachmann beispielsweise aus der DE-A- 42 11 881, der DE-A-198 28 545, der DE-A-195 15 394 und der EP-A-O 722 515 bekannt.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächenstruktur der Fügefläche/n bei einem Bauteil der eingangs genannten Art so auszugestalten, dass Relativbewegungen ge- fügter Werkstücke auf einfache und kostengünstige Weise weiter vermindert werden können.

Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt gemäss un-

abhängigem Anspruch 1, dass zur Verminderung einer Relativbewegung der beiden Werkstücke alternativ

eine der Fügeflächen der beiden Werkstücke von einer galvanisch abgeschiedenen und eine Vielzahl von Strukturerhebungen aufweisenden Hartchromschicht gebildet ist, wobei die Spitzen der Strukturerhebungen ini die unbeschichtete Fügefläche des anderen Werkstücks einge- presst sind, oder

die Fügeflächen beider Werkstücke von einer galvanisch abgeschiedenen und eine Vielzahl von Strukturerhebungen aufweisenden Hartchromschicht gebildet sind, wobei die Strukturerhebungen der Fügefläche des einen Werkstücks in die Strukturtäler der Fügefläche des jeweils anderen Werkstücks einragen.

Der wesentliche Kern der Erfindung liegt bei Bauteilen aus zwei über Fügeflächen kraftschlüssig verbundenen Werkstü- cken in der Verwendung einer an sich bekannten HartcHrom- schicht mit strukturierter Oberfläche als Beschichtung von Fügeflächen anstelle der bekannten reibungserhöhenden' Beschichtung der Fügeflächen mit einer Bindephase mit eingelagerten harten Partikeln.

Die Erfindung kombiniert alle Vorteile einer Hartverσhro- mung, wie Schutz gegen Verschleiss durch Abrasion, Flächenpressungen u.a. sowie gegen Korrosion durch Einwirkung von Medien, hohe Temperaturen u.a. mit den Vorteilen der jrei- bungserhöhenden Beschichtung der Fügeflächen mit einer 'Bin- dephase mit eingelagerten harten Partikeln. Durch die! er- findungsgemäss verminderte Relativbewegung wird auch; ein Kaltverschweissen verhindert .

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Ansprüchen.

Die Strukturerhebungen der Oberflächenstruktur entsprechen üblicherweise einer im wesentlichen gleichmässigen Zufalls- verteilung .

Die Oberflächenstruktur weist bevorzugt einen Rauhigkeits- wert R ₂ > 5 um, insbesondere R ₂ > 10 μm, auf.

Der Mittenabstand benachbarter Strukturerhebungen entspricht vorzugsweise dem 0,5- bis 15-fachen Betrag ¹ des Durchmessers der Strukturerhebungen.

Die gewünschte Oberflächenstruktur kann durch mechanische oder elektrolytische Verfahren erreicht werden.

Die zu verchromenden Werkstücke können grundsätzlich! aus allen Werkstoffen bestehen. Bevorzugte Werkstoffe sind aus Metall, insbesondere aus Stahl, Stahlguss, Gusseisen, Hart- guss, Kupfer, Nickel, Messing, Bronze, Aluminium oder einer Legierung der vorgenannten Werkstoffe. Wenn nur einei der Fügeflächen der beiden Werkstücke verchromt ist, wird der die unverchromte Fügefläche bildende Werkstoff weicher ge- wählt als die Hartchromschicht der beschichteten Fügefläche. Bei verchromter Fügefläche kann der Werkstoff unter der Hartchromschicht auch härter als die Hartchromschicht sein.

Ein Bauteil, bei dem die erfindungsgemässe Hartverchromung einer Fügefläche zu einer wesentlichen Verlängerung _! der Standzeit führt, ist ein gebauter Kolben mit Kolbenoberteil

und Kolbenunterteil eines Grossdieselmotors.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt schematisch in

Fig. Ia, b einen Querschnitt durch den Fügebereich eines aus zwei Werkstücken gefügten Bauteils mit einer ersten Ausführungsform von Fügeflächen vor, und nach dem Fügen;

Fig. 2a, b einen Querschnitt durch den Fügebereich eines aus zwei Werkstücken gefügten Bauteils mit einer zweiten Ausführungsform von Fügeflächen vor und nach dem Fügen.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

Ein in Fig. Ia dargestelltes erstes Werkstück 10 eines Bau- teils 30 aus beispielsweise Stahl weist eine zur Anlagό mit einer Fügefläche 21 eines zweiten Werkstücks 20 des 'Bauteils 30 vorgesehene Fügefläche 11 auf. Die Fügeflächle 11 des ersten Werkstücks 10 ist als strukturierte Oberfläche einer galvanisch erzeugten Hartchromschicht 12 mit einer Vielzahl von Strukturerhebungen 14 und Strukturtälern 16 ausgebildet. Die Fügefläche 21 des zweiten Werkstücks 20 ist unbeschichtet.

Die Dicke der Hartchromschicht 12 liegt üblicherweise ,zwi- sehen etwa 10 μm und 500 μm und beträgt beispielsweise 50 μm. Die Rauheit R _z der strukturierten Hartchromschicht 12, d.h., die Höhe der Strukturerhebungen 14 über den Struktur-

tälern 16, beträgt beispielsweise 15 μm. Die Verteilung der Strukturerhebungen 16 auf der Oberfläche der Hartclfrom- Schicht 12 entspricht einer annähernd gleichmässigenj Zu- fallsverteilung. Der Mittenabstand a zwischen benachbarten Strukturerhebungen 16 entspricht beispielsweise dem 2,5 fachen Durchmesser D der Strukturerhebungen 16.

Beim Zusammenbau des Bauteils 30 werden die beiden Werkstücke 10, 20 mit einander anliegenden Fügeflächen 11, 23j ge- geneinander gepresst, so dass die Spitzen der Strukturerhebungen 14 der Fügefläche 11 in der Hartchromschicht 12J des ersten Werkstücks 10 in die unbeschichtete ebenen Füg^flä- che 21 des zweiten Werkstücks 20 eingedrückt werden {Fig. Ib) . Die durch die kraftschlüssige Verbindung der beiden zum Bauteil 30 gefügten Werkstücke 10, 20 eingeschränkte Relativbewegung der beiden Werkstücke 10, 20 in der Fügefläche 11, 21 wird durch die in der Fügefläche 21 des zweiten Werkstücks 20 verankerten Strukturerhebungen 14 der Fügefläche 11 des ersten Werkstücks 10 weiter vermindert.

Bei einer in Fig. 2a dargestellten Verbindungsvariante; ist neben der Fügefläche 11 des ersten Werkstücks 10 auclj die Fügefläche 21 des zweiten Werkstücks 20 als strukturierte Oberfläche einer galvanisch erzeugten HartehromsChichjt 22 mit einer Vielzahl von Strukturerhebungen 24 und Strukturtälern 26 ausgebildet.

Beim Zusammenbau des Bauteils 30 werden die beiden Werkstücke 10, 20 mit einander anliegenden Fügeflächen 11, 211 ge- geneinander gepresst, so dass die Spitzen der Strukturörhe- bungen 14 der Fügefläche 11 in der Hartchromschicht 12j des i ersten Werkstücks 10 in Strukturtäler 26 der Fügefläche 21 in der Hartchromschicht 22 des zweiten Werkstücks 20 lein-

greifen und umgekehrt die Spitzen der Strukturerhebungen 24 der Fügefläche 21 in der Hartchromschicht 22 des zweiten Werkstücks 20 in Strukturtäler 16 der Fügefläche 11 in der Hartchromschicht 12 des ersten Werkstücks 10 eingreifen. Die durch die kraftschlüssige Verbindung der beideni zum Bauteil 30 gefügten Werkstücke 10, 20 eingeschränkte Relativbewegung der beiden Werkstücke 10, 20 in der Fügefläche 11, 21 wird durch die gegenseitige Verkrallung der Strukturerhebungen 14, 24 der Fügefläche 11, 21 der beiden Werkstücke 10, 20 weiter vermindert.

Bezugszeichenliste

10 erstes Werkstück

11 Fügefläche

12 Hartchromschicht 14 Strukturerhebungen

16 Strukturtäler

20 zweites Werkstück

21 Fügefläche

22 Hartchromschicht 24 Strukturerhebungen

26 Strukturtäler a Mittenabstand benachbarter Strukturerhebungen 14, 24 D Durchmesser der Strukturerhebungen 14, 24