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Stand der Technik
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Aufgabe der Erfindung
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Die
Erfindung bezeichnet eine Oberflächenbehandlung für
sprödharte Materialien, derart behandelten Hartstoffe sowie
Werkzeuge mit diesen, insbesondere Bohrer, Meissel, Sägeblätter
zur Bearbeitung harter Werkstücke wie Beton oder Gestein.
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Spröde
Materialen wie Glas, Keramik, Beton oder Gestein unterscheiden sich
im werkstoffwissenschaftlichen Grundmodell prinzipiell von duktilen
(d. h. stark plastisch verformbaren) Materialen wie üblichen
Metallen.
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Dies
beruht nach werkstoffwissenschaftlicher Betrachtung auf den prinzipiell
unterschiedlichen Versagenskriterien und dem prinzipiell unterschiedlichen
Verhalten von Rissen in diesen Materialen.
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Das
bei sprödharten Werkstoffen dominierende Versagenskriterium
ist die Hauptnormalspannungshypothese, nachdem ein Versagen des
ungeschädigten Materials bei Überschreiten einer
max. Normalspannung (Zug, Druck) auftritt. Geschädigtes Material
zeigt ein instabiles Bruchverhalten, welches sich ohne plastische
Deformation der Rissspitze rein über einen Spannungsintensitätsfaktor
beschreiben (Griffith-Gleichung) lässt, der selbst zur
Beschreibung der nahe der (atomar scharfen) Rissspitze divergenten
(d. h. an der Rissspitze unendlichen) Zugspannungen dient. Ein hinreichend
geschädigter sprödharter Werkstoff versagt demnach
bei Beanspruchung spontan durch instabiles Risswachstum.
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Das
bei duktilen Materialen dominierende Versagenskriterium ist die
Gestaltänderungshypothese, nachdem ein Versagen des ungeschädigten Materials
bei Überschreiten einer von-Mises-Vergleichsspannung (Oktaederschubspannung)
auftritt. Geschädigtes Material zeigt ein stabiles Bruchverhalten,
welches sich mit wesentlicher plastischer Deformation der Rissspitze
nur energetisch beschreiben (Deformationsenergiedifferenz bzw. J-Integral)
lässt, da es nahe der (stets endlich gerundeten) Rissspitze ab
der Überschreitung der (endlichen) Fliesgrenze durch die
von Mises-Vergleichsspannung zum lokalen Fliessen kommt. Ein hinreichend
geschädigter duktiler Werkstoff versagt demnach bei Beanspruchung
schrittweise durch stabiles Risswachstum.
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Deshalb
wird üblicherweise (nur) bei duktilen Materialien zur Steigerung
der Dauerfestigkeit (gegenüber dynamischer Beanspruchung)
des Werkstücks durch Verminderung von Rissinitiierung und Rissausbreitung
eine Oberflächenverfestigung vorgenommen. Diese beruht
nach dem oben beschriebenen Materialverhalten von duktilen Werkstoffen, insbesondere
auf hydrostatischen Fliessprozessen (welche nach der Gestaltänderungshypothese
gerade kein Versagen hervorrufen), welche Werkstoffschichten unterhalb
der Oberfläche einstauchen und plastisch stark verformen.
Dadurch dehnen sich diese Werkstoffschichten längs der
Oberfläche aus und versuchen, die Oberfläche in
ihre Ausgangsform zurückzubringen, wodurch direkt unter
der Oberfläche ein Bereich kaltverformten Materials mit
einer hohen Druckeigenspannung erzeugt wird. Nach gängiger Meinung
der Fachwelt sind derartige Kaltverfestigungsverfahren prinzipiell
nicht für sprödharte Materialien anwendbar, da
dies (im werkstoffwissenschaftlichen Grundmodell) unmittelbar zu
einem Versagen oder zumindest zu einer Schädigung der Oberfläche führen
würde, da das zur Oberflächenverfestigung notwendige
plastische Fliessen unterhalb der Oberfläche nicht möglich
ist.
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Dieses
Grundmodell bestätigt
EP
0946343 für das üblicherweise (nur) bei
duktilen Materialien angewandte Kugelstrahlen, bei dem die Werkstückoberfläche
mit einem kugelförmigen Strahlmittel bestrahlt wird und
jede Kugel eine Kalotte in die Oberfläche einprägt,
indem dort explizit die aufwändigen Versuche zur notwendigen
Bestimmung sehr enger Verfahrensgrenzwerte (gerade noch zulässige
Anzahl Kugeleindrücke je Fläche) erwähnt
werden. Ausserhalb der engen Verfahrensgrenzen führt ein nach
der
US 3573023 dennoch
im Labormassstab auf sprödharte Keramiken angewandtes Kugelstrahlen
zur Zerstörung der Oberfläche des Werkstücks durch
Oberflächenrisse. Die Ursache der Bildung von Oberflächenrissen
durch Kugelstrahlen kann dabei in der Kontaktpaarung harte Kugel – sprödhartes
Werkstück gesehen werden, die am Rand einer sehr kleinen,
nach der Hertz'schen-Pressung bestimmten, Kontaktfläche
von weniger als 1 mm^2 lokal zu sehr hohen Zugspannungen innerhalb
der Oberfläche führen, die entsprechend der Hauptnormalspannungshypothese
zum lokalen Versagen bzw. lokalen Schädigungen führen.
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Ein
prinzipiell anders wirkendes Kaltverfestigungsverfahren ist das
nach den
US 3850698 ,
US 4401477 bekannte Laserschockhämmern
(engl. Laser Shock Peening), das üblicherweise nur bei
duktilen Materialien angewandt wird. Dabei werden statt eines kugelförmigen
Strahlmittels extrem kurze Laserimpulse durch ein an der Werkstückoberfläche
anliegendes (transparentes festes oder flüssiges) Trägheitsmedium
auf die Werkstückoberfläche geschossen, die dort
zu einer lokalen Überhitzung (auf mehr als 10000 K) führen.
Die somit an der Grenzfläche entstehende, durch die inhärente
Trägheit des Trägheitsmedium abgedichtete, Plasmablase
bewirkt eine Druckschockwelle, die (fokussiert durch das Trägheitsmedium)
in das Werkstück hineinläuft und eine Verdichtung
der tieferen Werkstoffschichten verursacht, welche letztendlich
die Druckeigenspannungen in der Oberfläche erzeugen.
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Bei
der Bearbeitung spröder Werkstücke wie Beton oder
Gestein durch zugeordnete Werkzeuge erfolgt der Materialabtrag weniger
durch ein, bei der Bearbeitung von duktilen Werkstücken
wie Metall charakteristisches, Spanen als vielmehr durch ein Zertrümmern
des oberflächennahen Materialverbundes und dem Abtragen
von Bruchstücken (engl. spalling/chipping). Dementsprechend
müssen die Werkzeuge in der Wirkzone einerseits besonders
hart ausgebildet sein, um in die Oberfläche des spröden Werkstücks
eindringen und Risse initiieren zu können. Andererseits
ist für das Abtragen der Bruchstücke durch Scherbeanspruchung
sowie der Standfestigkeit bezüglich gelegentlicher duktiler
Eisenarmierungstreffer eine hohe Zähigkeit erforderlich.
Da aus rein werkstoffwissenschaftlicher Betrachtung heraus (für
homogene Materialien) beide Forderungen gegenläufig sind,
bedarf die Wirkzone derartiger Werkzeuge einer diesbezüglichen
Optimierung, bspw. eine spezielle Härtung und Wärmenachbehandlung.
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Üblicherweise
weisen derartige Werkzeuge wie Schlagbohrer bspw. nach
US 5553682 oder Steinsägeblätter
bspw. nach
DE 2 803850 zur
Erzielung einer hohen Lebensdauer an den entsprechenden Wirkzonen
aufgesetzte kompakte Hartstoffkronen bzw. eingesetzte plattenförmige
Hartstoffeinsätze auf. Im Weiteren wird für beide
Arten der Begriff Hartstoffeinsatz benutzt. Die verwendeten Hartstoffe zeichnen
sich insbesondere durch eine hohe Härte aus. Dabei handelt
es sich meist um Hartstoffe mit intermetallischen Phasen wie Metallkarbide
und Metallnitride oder um Keramiken mit metallischem Bindungscharakter.
Bei Hartmetallen sind diese Hartstoffe in eine metallische Matrix
eingebettet, bspw. Wolframcarbid in eine Kobaltmatrix. Eine weitere Gruppe
von Hartstoffeinsätzen besteht aus obigen Hartstoffen als
Trägerkörper mit zusätzlich oberflächlich
aufgetragenen superharten polykristallinen Diamantschichten (PKD).
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Nach
der
US 6260639 weist
ein derartiger Hartstoffeinsatz mit einer PKD-Beschichtung in dieser
eine Druckeigenspannung auf, welche einer Rissinitiierung und Rissausbreitung
entgegenwirkt und somit die Lebensdauer erhöht. Die Druckeigenspannung
wird bei der Herstellung durch eine sich unterschiedlich ausbildende
Schichtdicke der PKD-Beschichtung erzielt, indem der zu beschichtende,
im grossen Massstab konvexe, Trägerkörper einen
kleinen umlaufenden konkaven Bereich aufweist.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht in der Erhöhung der Lebensdauer
von Werkzeugen zur Bearbeitung von spröden Materialien,
Hartstoffen für diese und ein Oberflächenverfestigungsverfahren
für diese.
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Die
Aufgabe wird im Wesentlichen durch die Merkmale des Anspruchs 1,
Anspruchs 6 und Anspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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So
wird zur Oberflächenverfestigung von sprödharten
Hartstoffen das Laserschockhämmern angewandt, bei dem Laserimpulse
auf die Oberfläche treffen und eine Plasmablase erzeugen.
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Das
Laserschockhämmern funktioniert ohne die lokale Einprägung
einer Kalotte und den damit verbundenen lokal hohen Zugspannungen
in der Oberfläche, denn in der Plasmablase herrscht stets ein
hydrostatischer Druck, der keine Zugspannungen auf der Werkstoffoberfläche
bewirkt. Somit sind durch Laserschockhämmern auch bei sprödharten Hartstoffen
technologisch einfach Druckeigenspannungen erzeugbar, ohne dass
bereits die Überschreitung enger Verfahrensgrenzwerte (die
bei einer Massenproduktion schwerlich einzuhalten sind) zu Oberflächenrissen
führt. Somit ist gerade dieses spezielle Kaltverfestigungsverfahren
besonders zur Oberflächenbehandlung von sprödharten
Massenprodukten geeignet. Damit wird ein prinzipielles Vorurteil
der Fachwelt überwunden, denn entgegen den Aussagen des
Grundmodells der Werkstoffwissenschaft führt die Anwendung
eines (speziellen) Kaltverfestigungsverfahren in Form des Laserschockhämmerns auf
sprödharte Hartstoffe nicht wie theoretisch mit Sicherheit
zu erwarten zu einer Schädigung oder dem Versagen der Oberfläche
sondern – gerade und nur – im Falle des Laserschockhämmerns
ebenfalls zu einer Druckeigenspannung und damit verbunden zu einer
verminderten Rissinitiierung und Rissausbreitung.
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Vorteilhaft
wird über dem sprödharten Hartstoff eine Trägheitsschicht
aus Wasser erzeugt, weiter vorteilhaft in einer Schichtdicke zwischen
0.3 mm und 3 mm, wodurch die Druckschockwelle in das Material hinein
fokussiert wird.
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Vorteilhaft
wird der sprödharte Hartstoff vor dem Laserschockhämmern
mit einer den Laserstrahl weitgehend absorbierenden Ablationsschicht
beschichtet, wodurch die sehr kurzen (nur einige zehn fs langen)
energiereichen (einige zehn J) Laserimpulse eines Nd:Glas-Pulslasers
mit einer Wellenlänge von etwa 1[my]m weitgehend absorbiert
werden.
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Vorteilhaft
erzeugt der Laserimpuls in der Ablationsschicht eine Plasmablase,
welche bei einer Plasmalebensdauer zwischen 20 ns und 100 ns eine Druckschockwelle
im Bereich zwischen 30000 bar und 300000 bar erregt, wodurch bei
sprödharten Hartstoffen nach praktischen Versuchen Druckeigenspannungen
im Bereich von 300 MPa bis 1000 MPa erzielt werden.
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Vorteilhaft
weist der Laserimpuls auf der Oberfläche des Werkstücks
eine quadratische oder runde Querschnittsfläche auf, weiter
vorteilhaft mit einem Flächeninhalt zwischen 10 mm^2 bis
100 mm^2, wodurch die Druckschockwellen eine zur Druckeigenspannungserzeugung
in einer wirksame Tiefe von 300[my]m bis 2000[my]m erreichen.
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Weiter
besteht ein sprödharter Hartstoffeinsatz aus einem derart
mit Laserschockhämmern oberflächenbearbeiteten
Hartstoff.
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Durch
die Ausbildung des sprödharten Hartstoffeinsatzes als mit
Laserschockhämmern oberflächenbearbeiteten Hartstoff,
weist dieser eine tief druckeigenverspannte Oberfläche
auf, die an der Oberfläche sowohl ein hartes als auch ein
zähes Verhalten aufweist, welches eine Rissinitiierung
und Rissausbreitung verhindert.
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Weiter
besteht ein Werkzeug zur Bearbeitung spröder Werkstücke
aus einem Werkzeuggrundkörper (Bohrer, Meissel, Sägeblatt
etc.), an deren zumindest einer Wirkzone zumindest ein sprödharter
Hartstoffeinsatz aus mit Laserschockhämmern oberflächenbearbeiteten
Hartstoff befestigt ist.
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Die
Erfindung wird bezüglich eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels
näher erläutert mit:
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1a, 1b als
Prinzip des Laserschockhämmerns
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2 als
Druckeigenspannungsverlauf
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3 als
Werkzeug mit Hartstoffeinsatz
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Nach 1a wird
zum Laserschockhämmern über einem sprödharten
Hartstoff 1 eine Trägheitsschicht 2 aus
Wasser in einer Schichtdicke von 1 mm erzeugt. Der Hartstoff 1 wird
von einem pulsierenden Laserstrahl eines Nd:Glas-Pulslasers flächig abgerastert
(nicht dargestellt), welcher eine Folge von 30 fs kurzen und mit
30 J energiereichen Laserimpulsen 3 mit einer Wellenlänge
von 1[my]m aussendet, die eine auf dem Hartstoff 1 zuvor
aufgetragene Ablationsschicht 4 weitgehend absorbiert.
Auf der Oberfläche 6 weist der Laserimpuls eine
quadratische Querschnittsfläche (nicht dargestellt) mit
einer Seitenlänge L von 5 mm auf. Nach 1b entsteht dadurch
während einer Plasmalebensdauer T von 50 ns eine Plasmablase 5,
in der stets ein hydrostatischer Druck p herrscht, der keine Zugspannungen auf
der Oberfläche 6 bewirkt. Die schnell gegen die Trägheitsschicht 2 anwachsende
Plasmablase 5 erzeugt eine Druckschockwelle 7 von
100000 bar, die sich senkrecht zur Oberfläche 6 gerichtet
in den Hartstoff 1 hinein fortpflanzt.
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Nach 2 weist
der mit dem Laserschockhämmern behandelte sprödharte
Hartstoff 1 (1) an der Oberfläche
eine Druckeigenspannung p von zwischen 300 MPa und 500 MPa auf,
die sich nahezu konstant bis in eine Tiefe x von 350[my]m fortsetzt.
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Nach 3 besteht
ein Werkzeug 8 in Form eines Schlagbohrers zum Bohren von
Beton aus einem Werkzeuggrundkörper 9 in Form
eines Schaftes, an dessen werkstückseitigem Stirnende ein sprödharter
Hartstoffeinsatz 10 in Form einer aufgesetzten kompakten
Hartstoffkrone aus mit Laserschockhämmern, bei dem Laserimpulse 3 auf
die Oberfläche 6 treffen und eine Plasmablase 5 (1b)
erzeugen, oberflächenbearbeiteten Hartstoff 1 befestigt
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 0946343 [0007]
- - US 3573023 [0007]
- - US 3850698 [0008]
- - US 4401477 [0008]
- - US 5553682 [0010]
- - DE 2803850 [0010]
- - US 6260639 [0011]