Vorrichtung und Verfahren zur Behandlung eines keramischen Werkstücks

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die mechanische Behandlung von Werkstücken oder Bauteilen, die vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweisen.

Aus dem Bereich der konventionellen Technik ist bekannt, dass sich keramische Werkstoffe, die beispielsweise für Bauteile im Maschinen- und Automobilbau verwendet werden, durch ihre Sprödigkeit und geringe Duktilität (hoher innerer Gleitwiderstand) nachteilig auszeichnen. Zugspannungsabhängig kommt es in vielen Fällen zu einem Versagen, welches zumeist von der Materialoberfläche ausgeht. Die statische und dynamische Festigkeit (z.B. gegenüber Wälzermüdungen) dieser Werkstoffe ist begrenzt.

Keramische Materialien zeichnen sich durch eine hohe Härte, Festigkeit und Steifigkeit aus. Zu den wichtigen Strukturkeramiken zählen vor allem Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Siliziumnitrid und Zirkonoxid. Insbesondere Siliziumnitrid und Siliziumcarbid werden zum Beispiel bei der Herstellung von Wälz- bzw. Gleitlagern eingesetzt. Sie weisen neben geringem Verschleiß eine hohe Temperatur- und Korrosionsbeständigkeit auf.

Im Betrieb eines Bauteils wird meist die Werkstoffrandschicht am stärksten beansprucht. Aus der DE 196 52 872 C 2 ist ein Verfahren zur Steigerung der Rand- Schichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken bekannt. Hierbei wird die Werkstückoberfläche in eng begrenzten Oberflächenbereichen mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht, das ohne Werkstoff abzutragen den Oberflächenbereich plastisch verformt und innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druckeigenspannungen erzeugt. Um dies zu erreichen wird ein Bestrahlen mit Kugeln vorgeschlagen, die mittels einer druckluftbetriebenen oder schleuderradgetriebenen Strahlanlage auf die Werkstückoberfläche getrieben werden, um eine plastische Verformung der Oberfläche zu erreichen, ohne dass so genannte Sprödbrüche auftreten. Daraus geht hervor, dass auch Keramiken hinreichende plastische Verformbarkeit besitzen, um die mechanische Erzeugung von Druckeigenspannungen in der Randschicht zu ermöglichen.

Weiterhin ist im Rahmen des Standes der Technik für hochbeanspruchte Bauteile die Verwendung kostenintensiver Hochleistungskeramiken bekannt, wie etwa heiß (isostatisch) gepresstes Siliziumnitrid, welches zum Beispiel für ermüdungsbean- spruchte Bauteile, wie Wälzlager, eingesetzt wird. Alternativ sind aus der Literatur für die Verwendung kostengünstigerer Keramikwerkstoffe auch Verfahren zur Erzeugung von Druckeigenspannungen in der oberflächennahen Randschicht von Werkstücken bekannt. Hierbei wird etwa auf Kugelstrahlen oder Ionenimplantation verwiesen.

Nachteilig an dem Verfahren des Kugelstrahlens ist, dass der Strahl so eingestellt werden muss, dass eine Grenze zum Auftreten der Sprödbrüche des Werkstoffs nicht überschritten wird, was das zugängliche Prozessfenster einengt. Bei Verfahren, die Druckluft oder ein anderes Medium zum Erzeugen des Strahls und zum Beschleunigen von Kugeln oder Partikeln verwenden, ist eine exakte Einstellung der Impulsübertragung auf den Werkstoff aufgrund der statistischen Verteilung der Partikel in dem Strahl nicht möglich. Die Partikel weichen hinsichtlich ihrer Form, Masse und Geschwindigkeit in gewissem Maße voneinander ab, so dass sich hinsichtlich ihrer Impulse ebenfalls eine statistische Verteilung ergibt. Um die Bruchgrenze des Werkstoffs nicht zu überschreiten, wird daher ein gewisser Sicherheits- abstand zu dieser Grenze eingehalten, was dazu führt, dass der stabilisierende Effekt durch die Erhöhung der Druckeigenspannungen nicht vollständig ausgenutzt werden kann.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Konzept zur mechanischen Behandlung von Werkstücken oder Bauteilen, die vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, zu schaffen.

Die Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung und ein Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen.

Ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung liegt in einer Vorrichtung zur mechanischen Behandlung eines Werkstücks oder Bauteils, das vollständig oder zumindest im Bereich der zu behandelnden Oberfläche einen keramischen Werkstoff aufweist, mit einem Behandlungskörper, der ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen stoßfreie Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks zu übertragen und in dem Werkstück, das den keramischen Werkstoff aufweist, Druckeigenspannungen zu erzeugen oder zu erhöhen. Das Werkstück oder das Bauteil kann demnach vollständig oder teilweise einen keramischen, teilkeramischen oder einen Verbundwerkstoff aufweisen. Bevorzugt weist der Behandlungskörper eine höhere Härte als die zu behandelnde Keramik, bzw. die Oberfläche des zu behandelnden Werkstücks oder Bauteils, auf. Die Anpresskraft wird hinreichend hoch eingestellt, dass es zu plastischer Verformung in der Keramik, bzw. in dem Werkstück oder Bauteil, kommt. Die Behandlungsparameter werden so gewählt, dass Rissbildung vollständig vermieden wird oder zumindest nur in für die Anwendung des Werkstücks oder Bauteils unkritisch geringem Maße erfolgt.

Es ist ein Kerngedanke von Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, mechanisch erzeugte Druckeigenspannungen in die Oberfläche und die randnahen Werkstoffzonen von Werkstücken oder Bauteilen, die keramische Werkstoffe auf- weisen, möglichst stoßfrei oder nahezu stoßfrei einzubringen. Dies beruht unter anderem auf der Erkenntnis, dass bei einer stoßfreien Kraftübertragung gerade sprödharte Werkstoffe, wie beispielsweise Keramiken, näher an deren Bruchgrenze (Sprödbruchgrenze) bearbeitet bzw. behandelt werden können. Die Anpresskraft ist durch eine stoßfreie oder nahezu stoßfreie Behandlung oder Bearbeitung definierter einstellbar als beispielsweise bei Bestrahlungsverfahren. Dadurch lassen sich insbesondere keramische Werkstoffe näher an deren Bruchgrenze behandeln oder bearbeiten und insgesamt kann eine verbesserte Stabilität erzielt werden.

Unter stoßfrei bzw. nahezu stoßfrei sei in der vorliegenden Beschreibung verstanden, dass von dem Behandlungs Werkzeug auf das Werkstück kein wesentlicher Impulsübertrag stattfindet. In anderen Worten soll die Anpresskraft zwar auf die Oberfläche des Werkstücks übertragen werden, jedoch soll dies weitgehend„impulslos" oder stoßfrei erfolgen. Dabei wird von dem Behandlungskörper auf das Werkstück ein Stoß, ein Impuls oder auch Energie insoweit übertragen, als die Oberfläche des Werkstücks der Anpresskraft des Behandlungskörpers nachgibt. Der Behandlungskörper besitzt somit relativ zu dem Werkstück im Wesentlichen keinen Impuls und auch keine Relativgeschwindigkeit.

In Ausführungsbeispielen kann als Behandlungskörper ein Rollkörper verwendet werden. Hierzu kann auf der zu behandelnden Oberfläche des Bauteils oder Werkstücks der Rollkörper (z. B. Kugel, Kegel, Walze, Zylinder) unter einem hinreichend großen Anpressdruck abrollen. Dabei kann vorteilhafterweise die Oberfläche des Werkstücks gleichzeitig geglättet werden, z.B. durch Bruch von Rauheitsspitzen.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der beiliegenden Figuren näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstücks oder Bauteils; und Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstücks oder Bauteils.

Fig. 1 illustriert eine Vorrichtung 100 zur Behandlung eines Werkstücks/Bauteils 110, wobei das Werkstück/Bauteil 110 einen keramischen Werkstoff aufweist, mit einem Behandlungskörper 120, der ausgebildet ist, um eine im Wesentlichen stoßfreie Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks/Bauteils 110 zu übertragen und in dem Werkstück/Bauteil 110, das den keramischen Werkstoff aufweist, Druckeigenspannungen zu erzeugen oder zu erhöhen.

Der Behandlungskörper 120 kann höhere Härte besitzen als der zu behandelnde keramische Werkstoff des Werkstücks/Bauteils 110.

Die Vorrichtung 100 kann ferner eine entsprechende Halteeimichtung oder Spanneinrichtung zur Fixierung des Werkstücks 110 aufweisen. Die Halteeimichtung kann ausgebildet sein, um auf das Werkstück 110 keine Kräfte auszuüben, die über der Sprödbruchgrenze des Werkstücks liegen. Demnach kann die Halteeimichtung z.B. entsprechende Backen aufweisen oder generell ausgebildet sein, um eine vorgegebene Kraft auf das Werkstück 110 nicht zu überschreiten.

Dabei ist die im Wesentlichen stoßfreie oder impulslose Übertragung so zu verstehen, dass die Übertragung auch vollständig stoßfrei erfolgen kann. Wie im Folgenden näher erläutert werden wird, kommen bei der Behandlung verschiedene Behandlungskörper 120 in Betracht, bei denen nicht immer eine Impulsübertragung, insbesondere beim Aufsetzen, vermieden werden kann. Die eigentliche Behandlung kann jedoch stoßfrei erfolgen.

Ausführungsbeispiele führen demnach ein Verfahren zum Aufbau von Druckeigenspannung in einem Werkstück 110 durch, wobei das Werkstück 110 einen keramischen Werkstoff aufweist. Das Verfahren umfasst einen Schritt des im Wesentli- chen stoßfreien Anpressens eines Behandlungskörpers 120 und einen Schritt des Übertragens einer Anpresskraft auf eine Oberfläche des Werkstücks 110. In anderen Worten kann das Anpressen mit einer konstanten oder nahezu konstanten Kraft erfolgen.

In Ausführungsbeispielen kann der Behandlungskörper 120 als Rollkörper 120, der bei einem Abrollen die Anpresskraft auf die Oberfläche des Werkstücks 110 überträgt, ausgebildet sein. Dementsprechend kann das Anpressen durch Abrollen durch eine Relativbewegung zwischen dem Werkstück 110 und dem Rollkörper 120 erzeugt werden. Die Anpresskraft kann dann durch Abrollen übertragen und damit im Wesentlichen konstant gehalten werden. Der Rollkörper 120 kann beispielsweise als Kugel oder als Walze ausgebildet sein. Fig. 1 zeigt hier beispielhaft einen Behandlungskörper 120 der in kugelartiger Gestalt ausgebildet ist. Prinzipiell sind in Ausführungsbeispielen mit Rollkörpern 120 beliebige Formen für den Rollkörper 120 denkbar, sofern sich diese zum Abrollen, oder im Wesentlichen zum Abrollen, eignen, wie z.B. Kugeln, Walzen, Kegel, usw. Im entsprechenden Verfahren kann also auch ein Schritt des im Wesentlichen stoßfreien Aufsetzens einer Kugel oder einer Walze auf dem Werkstück 110 vorgesehen sein.

Ausführungsbeispiele schließen dabei nicht aus, dass es zwischen dem Rollkörper 120 und der Oberfläche des Werkstücks 110 zu Schlupf kommen kann. In anderen Worten kann es in Ausführungsbeispielen vorgesehen sein, dass der Behandlungskörper 120 sowohl die Anpresskraft auf die Oberfläche des Werkstücks 110 ausübt, als auch einen glättenden Effekt hervorruft. Der glättende Effekt kann beispielsweise durch Abtragen (abrasiv) oder durch Brechen der Rauigkeits spitzen auf der Oberfläche hervorgerufen werden. Auch ein schleifender Effekt kann zusätzlich durch den Behandlungskörper 120 hervorgerufen werden. In anderen Worten kann in Ausführungsbeispielen mit direkten Kontakt zwischen dem Behandlungskörper 120 und der Oberfläche des Werkstücks 110 ein geringer Materialabtrag z. B. durch Bruch von Rauheits spitzen (damit ist ggf. ein Glätten der Oberfläche verbunden) vorgesehen sein. In Ausführungsbeispielen kann der Behandlungskörper 120 einen keramischen und/oder einen metallischen Werkstoff aufweisen. Als Behandlungs-/Rollkörperma- terial kann Metall (z. B. hochfester Stahl), Keramik (z. B. kugelgestrahltes Siliziumnitrid) oder ein Verbundwerkstoff (z. B. Hartmetall: etwa WC/Co) verwendet werden. Das B auteil /Werkstück 110 kann insbesondere aus polymerabgeleiteter Keramik bestehen und einen bestimmten metallischen Anteil aufweisen. Die zu behandelnde (Funktions-) Fläche kann geschliffen sein und nach der Behandlung/Rollbehandlung zur Einstellung einer gewünschten Rauhigkeit mit geringem Materialabtrag oberflächenbehandelt bzw. -bearbeitet (z.B. gehont) oder direkt ohne weitere Endbearbeitung bzw. Endbehandlung eingesetzt werden.

Die Vorrichtung 100 kann in Ausführungsbeispielen ferner eine Einrichtung zum Ausführen einer Relativbewegung zwischen dem Werkstück 110 und dem Behandlungskörper 120 aufweisen. Gemäß den oben bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen kann diese Relativbewegung ein Abrollen des Behandlungskörpers 120 vorsehen. In anderen Ausführungsbeispielen kann es aber beispielsweise auch zu einer massierenden Relativbewegung zwischen dem Behandlungskörper 120 und der Oberfläche des Werkstücks 110 kommen, wobei ein Abrollen dabei nicht zwingend vorgesehen sein muss. Ausführungsbeispiele sind dabei nicht auf einen bestimmten Bewegungsablauf der Relativbewegung eingeschränkt. Die Relativbewegung kann beispielsweise kreisförmig, sinuswellenförmig, sägezahnförmig, oder ähnlich verlaufen. Dazu kann sich das Behandlungswerkzeug 120 bewegen und das Werkstück 110 kann festgehalten werden. Es ist auch denkbar, das Behandlungswerkzeug 120 festzuhalten und das Werkstück 110 zu bewegen. In weiteren Ausführungsbeispielen ist es denkbar, dass sich sowohl Behandlungswerkzeug 120 und auch das Werkstück 110 bewegen. In anderen Worten können in Ausführungsbeispielen zur Erzielung der Relativbewegung entweder der Rollkörper 120 oder das Bauteil 110 oder auch beide bewegt (gedreht) werden. Es können auch mehrere Behandlungskörper/Rollkörper 120 mit gleichen oder verschiedenen Durchmessern verwendet werden und diese in einem integrierten Behandlungswerkszeug gemein- sam gleichzeitig oder auch mehrfach in einer Einzelkörpervorrichtung 100 nach Austausch zeitlich nacheinander jeweils bei (nahezu) konstantem oder gezielt variierender Anpresskraft abgerollt werden, um den gewünschten Druckeigenspannung saufbau (Maximum, Tiefe) zu erreichen. Eine Abschätzung der Einwirkungen) bei gleichen oder verschiedenen Behandlungskörperdurchmessern und/oder Anpressdrücken erlaubt die Berechnung der Tiefenverteilung(en) der Vergleichsspannung nach von Mises für den/die jeweiligen Hertzschen Kontakt(e).

Ausführungsbeispiele können demnach eine Vorrichtung 100 oder ein Verfahren umfassen, wobei ein Schritt des Anpressen oder des Abrollens einfach oder wiederholt gleichzeitig oder aufeinander folgend mit einem oder mehreren Behandlungsoder Rollkörpern 120 gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers bei konstanter, nahezu konstanter oder gezielt variierender Anpresskraft ausgeführt wird.

Die Vorrichtung 100 kann ausgebildet sein, um die Anpresskraft des Behandlungskörpers 120 durch direkte Berührung mit der Oberfläche des Werkstücks 110 zu übertragen. Dieses Verfahren ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Anpresskraft wird direkt von dem Behandlungskörper 120 auf die Oberfläche des Werkstücks 110 übertragen.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in der Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt zunächst das gleiche Ausführungsbeispiel wie die Fig. 1, demnach die Vorrichtung 100, das Werkstück/Bauteil 110 und den Behandlungskörper 120. Im Unterschied zum Ausführungsbeispiel der Fig. 1 befindet sich in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 2 zwischen der Oberfläche des Werkstücks 110 und dem Behandlungskörper 120 ein Zwischenstoff 140. Dies ist in der Fig. 2 durch den vergrößerten Bereich 130 angedeutet. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Anpresskraft von dem Zwischenstoff 140 auf die Oberfläche des Werkstücks 110 übertragen, wobei der Zwischenstoff fest, flüssig oder gasförmig sein kann, und die Anpresskraft von dem Behandlungskörper 120 auf den Zwischenstoff 140 übertragen wird. Ein Vorteil des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, dass bei Rollbehandlung der Zwischenstoff 140 die Reibung und damit Energie Verluste im Kontakt vermindern kann, was den gewünschten Druckeigenspannungsaufbau im Werkstück/Bauteil 110 verstärkt.

In Ausführungsbeispielen kann die Vorrichtung 100 ausgebildet sein, um die Anpresskraft des Behandlungskörpers 120 durch indirekte Berührung mit einer Oberfläche des Werkstücks 110 zu übertragen. Die Erhöhung der Druckeigenspannungen in der Oberfläche des Werkstücks 110 kann demnach ohne direkte Berührung von Rollkörper 120 und Bauteiloberfläche 110 erfolgen, indem ein geeigneter (z. B. flüssiger) Zwischenstoff 140 verwendet wird. Der Zwischenstoff 140 kann dabei fest, flüssig oder gasförmig sein.

Ausführungsbeispiele können dabei auch vorsehen, den Schritt des Abrollens wiederholt auszuführen. Ausführungsbeispiele können demnach ein Verfahren zur mechanischen Oberflächenbehandlung umfassen, bei dem Oberflächen von keramischen Werkstoffen und Bauteilen 110 behandelt oder bearbeitet werden. Dabei kann die Oberfläche durch einfaches oder wiederholtes, gleichzeitiges oder aufeinander folgendes Abrollen eines oder mehrerer Wälzkörper 120 gleichen oder unterschiedlichen Durchmessers entweder ohne direkte Berührung über einen gasförmigen, flüssigen oder festen Zwischenstoff 140 oder im direkten Kontakt mit geringem oder verschwindendem Materialabtrag durch eine (nahezu) konstante oder gezielt variierende Anpresskraft mit Druckeigenspannungen beaufschlagt werden.

Durch die erzeugten Druckeigenspannungen kann die statische und dynamische Festigkeit (z. B. Eindruck- oder Wälzfestigkeit) erhöht werden. Die Ermüdungslebensdauer eines zyklisch belasteten keramischen Bauteils nimmt zu. Bruchmechanisch zeigt sich der Nutzen, indem die Druckeigenspannungen als Eigenspannungen 1. Art wie Lastspannungen in den Spannungsintensitätsfaktor eingerechnet werden, was einer Steigerung der Zähigkeit (Widerstand gegen Risswachstum) entspricht. Es können beispielsweise keramische Wälzlagerrollkörper (z. B. Zylinderrollen) oder Wälzlagerringe behandelt werden, um die Lebensdauer des Lagers zu erhöhen. Auch der Verschleiß wider stand nimmt zu. Besonders sinnvoll erscheint es, günstigere Keramiksorten (z. B. polymerabgeleitete Keramik, Aluminiumoxid) erfindungsgemäß zu behandeln, um so die im Betrieb hoch beanspruchte Oberflächenschicht mit einem kostengünstigen Verfahren zu verstärken.

Bezugszeichenliste

100 Vorrichtung zur Behandlung eines Werkstücks

110 Werkstück

120 Behandlungskörper

130 Vergrößerungsbereich

140 Zwischenstoff