LISON RUDOLF (DE)
RICANEK RUDOLF (DE)
| US3121948A | 1964-02-25 | |||
| GB1462772A | 1977-01-26 | |||
| EP0368642A2 | 1990-05-16 | |||
| US3421201A | 1969-01-14 |
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 9, no. 107 (M-378)11. Mai 1985 & JP,A,59 229 292 ( KAWASAKI JUKOGYO KK ) 22. Dezember 1984
| 1. | Verfahren zum Verbinden von Rohlingen bzw. Koπβtrυk tionsteilen aus Stahl mit solchen aus Aluminiumlβ giβrung oder Titanlegierung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man die Rohlinge bzw. Teile unter Zwischenschal¬ tung zumindest einer Übβrgangsschicht aus einem duk¬ tilen Nebengrυppen etall durch Reibschweißverbindung dar einzelnen Kontaktflachen miteinander verbindet. |
| 2. | Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man zum Verbinden von Teilen aus Stahl mit solchen aus Aluminiumlegierung auf den Stahl eine Reinnickβl schicht durch Reibschweißen aufbringt, deren abgearbei¬ tete Oberfläche mit der Aluminiumlegiβrung durch Reib εchweißen verbunden wird. |
| 3. | Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man zum Verbinden von Teilen aus Stahl mit solchen aus Titanlegierung auf den Stahl durch Reibschweißen eine Kupferschicht und auf die Titanlβgierung eine Va¬ nadinschicht durch Reibschwβißen aufträgt und die be¬ arbeiteten Kupfer und Vanadinobβrflächen durch Reib schwaißβn miteinander verbindet. |
| 4. | Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß man auf einen Stahl, der zur Ausbildung martensi tischer Zonen neigt, vor dem Auftrag der Kupfβrβchicht eine Schicht aus βustenitischβm Stahl durch Rβibschweißβn aufbringt. |
| 5. | Verfahren nach einem der Ansprüche i bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Rohlinge das Turbinenrβd und die Welle oder ein Befestigungsbauteil für die Welle einas Turboladera eingesetzt werden. |
| 6. | Turboleder, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine nach Anspruch 5 erhaltene Verbindung des Turbiπen radβs mit der Welle bzw. dem Befestigungsbauteil für die Welle. |
Verfahren zum Verbinden von Stahl mit Aluminium¬ bzw. Titanlegierungsteilen und danach erhaltene Turbolad.fr
Die Erfindung bezieht eich auf ein Verfahren zum Verbinden von Rohlingen bzw. Konεtruktions- teilen aus Stahl mit solchen aus Aluminiumle¬ gierung oder Titanlegierung, und sie umfaßt danach erhaltene Turbolader.
Die Verbindung unterschiedlicher Werkstoffe spielt in der hochentwickelten Fertigungstech¬ nik eine erhebliche Rolle, da häufig innerhalb einer Anordnung unterschiedliche Eigenschaften gefordert werden, die nicht mit einem einzigen Material erreicht werden können, εo daß je nach Herstellung und Betriebsfunktion für einzelne Elemente eines Teiles oder einer Konstruktion unterschiedliche Werkstoffe eingesetzt werden, um auf ein Optimum an wirtschaftlicher Herstel¬ lung und mechanischen Eigenschaften zu kommen.
So werden z.B. gemäß der EP-PS 0 129 311 aus herβtβllungstechnischen Gründen für des Ver- dichterleufrad eines Turboladβrs Aluminium oder Alurniniu legierung und für die anzufügende Wel¬ le bzw. das Befestigungsbauten für dieselbe wegen der guten mechanischen Eigenschaften, wie Festigkeit und Zähigkeit, Werkzβugstahl vorgesehen, die durch Reibschweißen miteinander verbunden werden sollen.
Dieser Empfehlung zu folgen, bereitet aller¬ dings einige Schwierigkeiten, da zwar Aluminium unter gewissen Bedingungen durch Reibschweißen mit Stahl verbunden werden kann, aber die Schweißverbindung von Stahl mit aus_härtbaren Aluminiumlegierungeπ große Schwierigkeiten be¬ reitet.
Ebenso sind belastbare Reibschweißverbindungen von Stβh mit Titenlβgierungβn bisher nicht erreicht worden.
Aufgebe der Erfindung ist daher ein Verfahren zu entwickeln, mit dem Rohlinge oder Konstruk- tionsteile aus Stahl mit solchen aus Aluminium¬ legierungen oder Titanlegierungen durch Rβib- schwβißen verbunden werden können.
Das zu diesem Zweck entwickelte erfindungsge¬ mäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die Rohlinge bzw. Teile unter Zwischenschal¬ tung zumindest einer übβrgsngsschicht aus einem duktilen Nebengruppenmetall durch Reibschwei߬ verbindung der einzelnen Kontaktflächen mit¬ einander verbindet.
Durch die Verwendung duktiler Reinmetallschich¬ ten können Wärmespannuπgen zwischen den Verbin¬ dungspartnern kompensiert werden. Die Stoff¬ systeme an den Verbindungsflächen bleiben über¬ schaubar, und es werden insbesondere die Bil¬ dung von spröden Phasen im Qrenzbereich unterdrückt. Dabei wird selbstverständlich auf metallurgische Verträglichkeit der Verbindungβ- partner sowie auf Reibschweißeignung geachtet,
Die Verbindung von Stahl mit Titanlβgierung erfolgt insbesondere, indem auf den Stahl durch Reibschwβißen eine Kupfβrschicht und auf die Titanlegierung eine Vanadiπschieht durch Reib- schweißen aufgebracht wird und die bearbeite¬ ten Kupfer- und Vanβdinoberflachen dann durch Reibschweißen miteinander verbunden werden.
Die Reibschweißungen erfolgen zweckmäßigerweise unter Aueeehluß der Umgebungsluft unter Inertgas, im Vakuum oder insbesondere unter Flüssigkeit, wie 2.B. einem Petroleum-Mineralölgemisch, wie es für funkenerosive Bearbeitung benutzt wird.
Für die Verbindung können herkömmliche Reibschwei߬ maschinen eingesetzt werden, die mit festen Dreh¬ zahlen oder mit stufenloser Drehzahleinstellung arbeiten. Als Betriebsweise kommen Zeitreiben oder Wegreiben in Betracht.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren können übliche Drehgeschwindigkeiten in der Gegend von 500 - 2000 U/min, insbesondere im Bereich um 1000 U/min und Stauchdrucke bis etwa 500 kN, insbesondere im Bereich von 100 - 200 kN angewandt werden.
Die Zwischenschichten im fertigen Verbund sind möglichst dünn; ihre Dicke liegt zweckmäßigerweise im mm-Bereich.
Vor dem Reibschweißen wird die Oberfläche sorg¬ fältig vorbereitet, insbesondere wird die frisch abgedrehte Oberfläche in einem Ultraschallbad entfettet, mit Alkohol gespült und getrocknet.
Um hohe Anfahrmomente zu vermeiden, kann auf einem Verbindungspartner eine kegelige Verbindungsfläche vorgesehen werden, jedoch werden aus Gründen der Belastbarkeit des Verbundes ebene Fügeflächen bevorzugt.
Rauhigkeiten der zu verbindenden Flächen von 30 - 300 μm, insbesondere um 100 μm, sind zweck¬ mäßig.
Besonderheiten der Erfindung gehen aus den Unter¬ ansprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschrei¬ bung anhand von Beispielen hervor.
Dabei wird auf die beigefügten Abbildungen bzw. Figur Bezug genommen; es zeigen im einzelnen:
Abb. 1 bis 5 das Ergebnis von Reibschwei߬ verbindungen gemäß Beispiel 1;
Abb. 5 und 7 Makroaufnahmen der Verbünde ge¬ mäß Beispiel 2; und
Figur 8 u. 9 Verdichterlaufrad mit Turbinenrad und Welle eines Turboladers in zwei Alternativen für das Befestigungs¬ bauteil für die Welle.
Beispiel 1
Verbindung von Vergütungsstahl St575 mit aushärtbarer Aluminiumlegierung AN40.
Auf die, wie oben angegeben, vorbereitete Stirn¬ fläche eines zylindrischen Stahlstabes (2T 45 x 140) wurde ein Nickelplättchen (2 x 50 x 50) durch Reibschweißen aufgebracht. Nach einer stirnseitigen Bearbeitung der aufgeschweißten Nickelschicht auf der Drehbank wurde in einem zweiten Reibschweißgang ein zylindrischer Stab aus der Aluminiumlegierung AN40 (∑f 50 x 150) angefügt und damit der Verbund St575/Ni/AN40 fertiggestellt. Die erreichte Festigkeit lag bei 211 N/mm . Die Festigkeit des Verbundes wird durch die Oberflächenrauhigkeit der Nickel¬ schicht beeinflußt. Höchste Festigkeitswerte wur¬ den mit Rauhigkeitswerten der Ni-Bindeflache (zum AN40) von R-, = 162 μm, R - 43 μm und R = 185 μm erreicht. Dabei wird die höchste Fe¬ stigkeit an einem Verbund mit AN40 im ausgehär¬ teten Zustand beobachtet.
Auf den beigefügten Abbildungen sieht man den reib¬ geschweißten Rohling(Abb.1) nach seiner Bearbeitung (Abb.2) und den Querschnitt durch den Rohling (Abb.3). Die Abbildungen «4 und 5 zeigen die Mikrogefüge der Übergänge in diesem Verbund.
Um Versprödungen in der Bindeebene zu vermeiden, wurde die Verbindung St575/Ni 60 min lang unter Hochvakuum bei 680°C wärmebehandelt.
In analoger Weise, wie vorstehend beschrieben, können Rohlinge aus anderen aushärtbaren Aluminiumlegierungen wie AICuMgl, AlCuMg2 oder AlCuMgl828 mit Stahl durch Reibschweißen mit einer Ni-Zwischenschicht miteinander verbunden werden.
Beispiel 2
Verbindung von Vergütungsstahl St575 mit Titan¬ legierung Ti6A14V.
Auf einen Rundstab der Titanlegierung (.8 * 45 x 150) einerseits und auf einen St575 Rundstab {S 45 x 140) andererseits wurden ein Vanadinplättchen bzw. eine Kupferschicht durch Reibschweißen aufgebracht und sorgfältig auf der Drehbank bearbeitet. Es verblieben auf dem Titan eine Vanadinschicht der Dicke 3,5 - 4,5 mm und auf St575 eine Kupferschicht der Dicke 5 - 8,5 mm. Die weitere Verschweißung von Vanadin mit Kupfer führte zu einer Verkürzung zu Lasten des Kupfers. Im fertigen Verbund hatte die Kupferschicht eine Dicke unter 1 mm.
Besonders gute Belastbarkeiten des Verbundes
Ti6A14V/V/Cu/St575 bis in den Bereich von
2
660 N/mm erhält man durch hohe Stauchdrücke beim
2 Reibschweißen im Bereich von 150 N/mm .
Um Härteanstiege im St575 zu vermeiden, wurde bei weiteren Versuchen eine Zwischenschicht aus austenitischem Stahl X10CrNiTil89 zwischen Kup und St575 eingebaut. Diese zusätzliche Zwische schicht unterliegt keinen Strukturveränderungen während des Reibschweißens, sie verhindert aber eine Aufheizung des St575 in den Austenitbereich und die damit verbundene Aufhärtung während der Abkühlung. Die X10CrNiTil89-Schicht wurde mit dem St575 reibverschweißt und diese Verbin¬ dung dann eine Std. bei 600°C wärmebehandelt, um die Aufhärtung im St575 zu beseitigen. Nach einer Bearbeitung der austinitischen Schicht auf der Drehbank auf 2,5 mm Dicke konnte sie weiter mit Kupfer reibverschweißt werden. Mit einem sol-
2 chen Verbund wurden Festigkeiten von 454 N/mm erreicht.
Die Abbildungen 6 und 7 zeigen Makroaufnahmen der Verbünde.
Mit der gleichen Anordnung von Zwischenschichten und gleichen Verfahrensschritten können Werkstoff¬ verbunde von Stahl mit t- und (<λ+ß)-Titanlegierun¬ gen, wie z.B. TiCu2 oder TiA15Fe2,5, hergestellt werden
Stähle mit niedrigem Kohlenstoffgehal , die im Ver¬ lauf der Abkühlung nach dem Reibschweißen nicht zur Martensitbildung neigen, können unter Verzicht auf eine Zwischenschicht aus dem Stahl X10Cr.\ * iTil89 direkt mit Kupfer reibverschweißt werden.
Beispiel 3
Das vorstehend in Beispiel 1 angegebene Verfahren wurde zum Anfügen eines Befestigungsbauteils für die Welle eines Turboladers an das Verdichterlauf¬ rad angewandt:
Auf der beigefügten Figur 8 ist das so erzeugte Bauteil wiedergegeben: Mit der axialen Stirn¬ fläche 17 der mit Schaufeln 12 verbundenen Nabe 11 ist über Zwischenschichten 18 das mit Gewinde versehene Befestigungsbauteil 16 reibverschweißt. Mit dem Befestigungsbauteil 16 ist die mit der Turbinenscheibe 26 mit einstückigen oder angesetz¬ ten Schaufeln 27 integrale Welle 21 verschraubt, über die ein zylindrischer oder abgestufter Ring 23 übergreift, der aufgeschrumpft oder auf¬ gesteckt ist und Radialdichtungsringe 24 aufnimmt - und axial, als Gleitfläche 25 ausgebildet ist.
Anstelle des Befestigungsbauteils 16 kann auch die Welle 21 selbst mit der Nabe 11 reibver¬ schweißt sein. Das gleiche gilt für den Anschluß des Turbinenrades 26 an die Welle 21.
Das Verdichterrad 11 - 17 kann alternativ auch aus einer Titanknetlegieruπg anstelle der Alumi¬ niumknetlegierung bestehen und wird dann gemäß Beispiel 2 durch Reibschweißen mit dem Befesti¬ gungsbau teil 16 oder der Welle 21 verbunden.