DE19652872C2 - Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Stei­ gerung der Randschichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken.

Die Forderung nach größtmöglicher Prozeßsicherheit bei verfahrenstechnischen Anlagen und der steigende Kostendruck in den Bereichen Wartung, Instandhaltung und Neubeschaffung von Anlagekomponenten sind der Hauptgrund für die gewachsenen Anforderungen an die Lagertechnik, beispielsweise in Rührwerken und Pumpen. Da Pumpen über einen weiten Temperaturbereich einsetzbar sein sollen und da Schmierstoffe, die zu Verunreinigungen führen können, vermieden werden müssen, ergeben sich neben der Forderung nach langer Lebensdauer und kostengünstigem Kosten-Leistungs- Verhältnis zusätzliche Anforderungen hinsichtlich der Trockenlaufeignung und der Medienschmierung.

Den vorstehenden Forderungen entsprechen insbesondere keramische Werkstoffe, die beispielsweise bei der Herstellung von Lagern, wie beispielsweise Wälzlagern und Gleitlagern, eingesetzt werden. Neben den nur geringen Verschleißerscheinungen spielt die hohe Temperaturbeständigkeit von keramischen Werkstoffen beim Einsatz derartiger Materialien eine große Rolle.

Ein wesentlicher Aspekt bezüglich des Einsatzes sprödharter Materialien, unter die keramische Materialien, wie beispielsweise Siliziumnitride, fallen, ist ihre Randschichtfestigkeit, durch die insbesondere der Materialverschleiß bzw. die Materialbeanspruchung bestimmt ist. Gerade für den Einsatz als Bauteile im Maschinen- und Anlagenbau, die aus teil- oder vollkeramischen Wälzlagern, Gleitlagern sowie aus keramischen Bauteilen oder keramischen Schutzschichten bestehen, bei denen ein hoher Widerstand gegen verschiedene Arten von Verschleiß, wie beispielsweise Gleit-, Strahl-, Wälz- oder Kavitationsverschleiß, gefordert wird, ist ein besonders hohes Maß an Randschichtfestigkeit der einzelnen Werkstücke wünschenswert.

Die gegenwärtige Auffassung bezüglich der Materialeigenschaften von hochspröden Materialien wie vorstehend aufgezählt, geht jedoch dahin, daß diese Materialien in ihren physikalischen Eigenschaften als "ausgereizt" eingeschätzt werden und eine weitere Steigerung ihrer Festigkeit über das natürliche Festigkeitsgefüge hinaus nicht möglich sei und nur durch den Einsatz noch teurerer Rohstoffen und Fertigungstechniken zu realisieren seien.

Aus einem Beitrag von J. Kriegmann, "Was ist neu an den Mecha­ nokeramikwerkstoffen?", Keramische Zeitschrift, 39. Jahrgang, Nr. 1 1997 auf Seite 32, linke Spalte geht folgendes hervor: "Im Gegensatz zu den Metallen findet der Bruch aber schon im elastischen Bereich des Spannungs-Dehnungs-Diagramms statt. Das mechanische Werkstoffverhalten von Keramiken ist damit spröde, was für die mechanische Anwendung äußerst nachteilig zu sein scheint. Wird nämlich auf einen keramischen Werkstoff eine elastische Energie übertragen, so hat auch er wieder das Bestreben, diese Energie abzubauen. Die Keramik hat aber nur die Möglichkeit, dies durch Bruch zu erreichen."

In der Festschrift zu Ehren Herrn Prof. Eckard Macherauch, ISBN 3-88355-176-7, auf Seite 611, 3. Absatz ist wie folgt zi­ tiert: "Keramische Werkstoffe zeigen in vielen Fällen prak­ tisch kein elastisches Verhalten und brechen bei überkriti­ scher Beanspruchung kathastrophal."

Ebenso geht aus dem Beitrag von Dr. Prümmer "Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung von keramischen Werkstoffen durch Ober­ flächendruckspannungen", erschienen in Keramische Zeitschrift, 38. Jahrgang, Nr. 9, 1986 auf Seite 512, rechte Spalte hervor: "Eine Verfestigung von keramischen Werkstoffen in dem Maße, wie sie bei metallenen Werkstoffoberflächen beim spanabheben­ den Bearbeiten, Schleifen, und Kugelstrahlen erreicht wird, ist bei keramischen Werkstoffen in der Regel nicht zu erwar­ ten."

Schließlich wird in einem Beitrag von F. Kroupa zur "Interna­ tional Conference on Advanced Materials and Technologies", 13. bis 16. Juni 1995, Prag konstatiert: "However, all ceramic materials known to date have insufficient dislocation mobility or manoeuvrability and the transition temperatures are very high."

Die vorstehenden Zitate aus dem Stand der Technik zeigen, dass die Fachwelt generell der Auffassung ist, dass eine Oberflä­ chenverfestigung von sprödharten Werkstoffen, insbesondere Ke­ ramiken, durch mechanische Einwirkungen nicht möglich sei.

Zwar sind Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit von sprödharten Materialien bekannt, doch sind die damit verbundenen erreichbaren Erfolge nicht zufriedenstellend. Hierzu zählen im einzelnen thermische und/oder chemische Behandlungsverfahren zur Beeinflussung der Oberflächeneigenschaften sprödharter Materialien.

Zu den thermischen Verfahren ist das thermische Härten zu zählen, bei dem der zu härtende Gegenstand zunächst erhitzt und nachfolgend möglichst kurzfristig, im Rahmen eines "Abschreckvorganges", abgekühlt wird. Derartige Härtungsverfahren werden vorzugsweise bei Gläsern ange­ wendet, um gezielte Oberflächenspannungen im Glas zu erzeugen, wodurch die Bruchfestigkeit von Gläsern, beispielsweise Brillengläser oder Autoscheiben, er­ heblich gesteigert werden kann. Eine derartige An­ wendung des thermischen Härtens bei sprödharten Materialien stößt jedoch insbesondere bei Keramiken auf erhebliche Schwierigkeiten, da in der Regel sogenannte Thermoschock-Schädigungen auf der Keramikoberfläche auftreten, wodurch Oberflächenrisse gebildet werden, die einer möglichen Randschichtfestigkeitserhöhung entscheidend entgegenwirken. Aus diesem Grunde sind derzeit keine praktisch durchführbare thermische Ver­ fahren zum Härten von sprödharten Materialien, insbe­ sondere Hochleistungskeramiken, bekannt.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Randschichtfestigkeit von Keramiken besteht in der chemischen Veränderung der Randschicht durch Difussionsbehandlungen mit entsprechenden Medien bzw. Materialien. Auch dieses Verfahren hat bisher nur bei Gläsern oder teilkristallinen Gläsern Anwendung gefunden, der Versuch Hochleistungskeramiken mittels "chemischen Härtens" positiv zur Steigerung der Randschichtfestigkeit zu behandeln, schlug bislang fehl. Gründe hierfür sind u. a. die sehr hohen Temperaturen und langen Behandlungsdauern für den Härtevorgang, so daß derartige Verfahren bislang keine praktische Bedeutung erhielten.

Als dritte Alternative zur Steigerung der Randschichtfestigkeit bei sprödharten Materialien sind grundsätzlich auch mechanische Verfahren zu nennen, wie sie bei der Behandlung von Werkstücken aus Metallen in vielfacher Weise bekannt sind. So werden in an sich bekannter Weise metallische Bauteile zur mechanischen Randschichtverfestigung mittels geeigneter Werkzeuge mit Oberflächendruckeigenspannungen versehen, wodurch die Oberflächenfestigkeit derartiger metallischer Bauteile gesteigert werden kann. Eine entsprechende Festigkeitserhöhung bei sprödharten Materialien durch mechanische Randschichtbehandlungen ist bislang weder bekannt noch wird dies praktiziert. Vielmehr wird davon ausgegangen, daß bei mechanischer Beanspruchung der Randschicht von sprödharten Materialien aufgrund der spröden Eigenschaften eher Schädigungen als eine Festigkeitssteigerung an der Oberfläche bewirkt wird.

Mögliche bekannte Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit von metallischen Bauteilen stellt beispielsweise das Kugelstrahlverfahren dar, das die Oberfläche der zu bearbeitenden Bauteile plastisch verformt. Ausdrücklich wird beispielsweise in der DE 43 11 319 A1 auf Seite 5, Zeilen 14 und 15 ausgeführt, daß die bei metallischen Hauteilen erhältliche Randschichtfestigkeitssteigerung durch Anwendung von Kugelstahlstrahlen sich nicht bei keramischen Materialien einstellt, da sie einfach zu spröde sind, um der Strahlenergie zu widerstehen.

Aus den japanischen Druckschriften JP 1-145367 (A), JP 2- 254144 (A), JP 5-85819 (A) und JP 0626513-A sind Lösungen be­ kannt, deren Lösungen ausschließlich keramische Werkstoffe o­ der Schichten betreffen, die teilweise aus der Keramik ZrO₂ be­ stehen. Diese Keramiken, insbesondere in der dort erwähnten teilstabilisierten Modifikation, besitzen die Besonderheit, dass unter mechanischer Belastung, beispielsweise beim Kugel­ strahlen, eine Umwandlung von der tetragonalen Kristallmodifi­ kation in die monokline Kristallmodifikation stattfindet. Die­ se Umwandlung ist mit einer Volumenvergrößerung und damit mit einer elastischen Verspannung der umgewandelten Bereiche ge­ genüber nicht umgewandelten Bereichen verbunden. Dieser Effekt der Phasenumwandlung ist bekannt, begründet die besonderen Festigkeitseigenschaften dieser Keramikart (ZrO₂) und ist auch auf diese spezielle Keramikart beschränkt.

Lediglich die zuvor mitgenannte japanische Druckschrift JP 2- 254144 (A) beschreibt die Möglichkeit der Festigkeitssteigerung durch das Prinzip der lokalen plastischen Verformung. Aller­ dings wird die Anwendung des Verfahrens ausschließlich auf mit Hartstoffen oder Keramiken beschichteten Werkstücken beschrie­ ben. Von einer derartigen Oberflächenbehandlung bei Werkstü­ cken aus Keramikvollmaterial ist dieser Druckschrift kein Hin­ weis zu entnehmen.

Vielmehr wird sprödharten Materialien, wie beispielsweise den angesprochenen Keramiken, die Fähigkeit zur plastischen Ver­ formung bei Raumtemperatur abgesprochen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücke derart anzugeben, daß die Oberflächenfestig­ keit derartiger sprödharter Materialien durch ein ein­ faches, kostengünstiges Bearbeitungsverfahren erheblich gesteigert werden kann. Es soll erreicht werden, daß die Widerstandsfähigkeit von im Anlagenbau verwendeter keramischer Werkstückteile gesteigert wird.

Die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe ist im Patentanspruch 1 angegeben. Den Erfindungsgedanken vorteilhaft ausbildende Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen gefertigten Werkstücken derart ausgebildet, daß die Werkstückoberfläche in eng begrenzten Oberflächenbereichen mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht wird, das den Oberflächenbereich ausschließlich plastisch verformt und innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druckeigenspannungen erzeugt.

Der Erfindung liegt die unvorhergesehene Erkenntnis zugrunde, daß trotz der vorstehend umrissenen Vorurtei­ le bei sprödharten Materialien eine Steigerung der Randschichtfestigkeit durch mechanische Oberflächenbehandlung möglich ist. Es konnte bei­ spielsweise gezeigt werden, daß ein Werkstück aus Siliziumnitrit unter Verwendung von Kugelstrahl-Ver­ fahren derart an seiner Oberfläche durch plastische Verformungen bearbeitet werden konnte, so daß eine Steigerung der Randschichtfestigkeit von 15% erreicht werden konnte.

Das mechanische Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit von sprödharten Materialien, insbesondere Keramiken, beruht insbesondere darauf, daß oberflächennahe Bereiche mit einem geeigneten Werkzeug lokal plastisch verformt werden und in der Oberfläche Druckeigenspannungen erzeugt werden, die den Betriebsbeanspruchungen, wie sie im Einsatz von aus Keramik gefertigten Wälzlagern beispielsweise herrschen, entgegenwirken können. Wesentlich bei der Durchführung der mechanischen Oberflächenbehandlungen ist, daß bei der Erzeugung plastischer Oberflächenverformungen nicht gleichzeitig Schädigungen in Form von Sprödbruchvorgängen an den Keramikoberflächen erzeugt werden, deren festigkeitsmindernde Wirkung größer ist, als die festigkeitssteigernde Wirkung durch die "Plastifizierung".

Die vorstehend genannte Forderung wird dadurch erreicht, daß zum einen die plastische Verformung auf lateral eng begrenzten Oberflächenbereichen beschränkt ist und zum anderen, das Werkzeug, mit dem die Oberfläche des zu behandelnden Werkstückes in Kontakt tritt, eine bestimmte Kontur im Bereich der Kontaktfläche aufweist, die allgemein beschrieben als nicht scharfkantig anzusehen ist.

Wird ein materialspezifischer und von der Form des Werkzeuges abhängiger Grenzwert für die Kontaktfläche zwischen Werkzeug und Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes und für die Eindrucktiefe des Werkzeuges nicht überschritten, so kann durch eine wiederholte, lateral versetzte lokale Oberflächenbehandlung der gewünschte Effekt, der gezielt eingebrachten plastischen Verformung, oberflächendeckend erreicht werden.

Die vorstehend beschriebene Forderung wird insbesondere dadurch erfüllt, daß das Werkzeug eine geeignete Geometrie aufweist, die vorzugsweise von runder Kontur ist und einen vom Werkstoff des zu bearbeitenden Werkstückes abhängigen kritischen Werkzeugdurchmesser nicht überschreitet. Für den Fall einer Kugel, wie sie bei Kugelstrahlversuchen zum Einsatz kommen und der Verwendung von Siliziumnitrit als Werkstückmaterial haben sich geeignete Kugeldurchmesser von ca. 4 mm herausgestellt. Der vorstehend genannte kritische Durchmesser, der für die Dimensionierung der Kugel bestimmend ist, definiert auch den eng begrenzten Oberflächenbereich, innerhalb dem die plastische Verformung auf der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes aus sprödhartem Material zu erfolgen hat.

Neben der geometrischen Dimensionierung der Werkzeuge, mit denen die Oberfläche der zu behandelnden Werkstücke bearbeitet wird, und hierbei sind alternativ zum Kugelstrahlen auch Hämmer, Nägel und Walzen zu nennen, spielt insbesondere beim Kugelstrahl- Verfahren der auf die Werkstückoberfläche einwirkende kinetische Impuls eine große Rolle. Geometrie des Werkzeuges sowie die Impulseinstellung, mit der das Werkzeug gegen die zu bearbeitende Werkstückoberfläche trifft, sind dabei derart einzustellen, daß die erwünschte plastische Verformung vor dem vorzugsweise nicht zu erfolgenden Sprödbruch erfolgt, d. h., die Höhe des Impulseintrages ist so zu bemessen, daß das Ausmaß von eventuell eintretenden schädlichem Sprödbruch so­ weit begrenzt wird, daß der positive Einfluß der plastischen Verformung auf die Randschichtfestigkeit überwiegt.

Um die Einstellung der für den Erfolg notwendigen Verfahrensparameter zu bestimmen, sind vorzugsweise zwei Vorversuche durchzuführen:
An einer Platte aus dem zu behandelnden Werkstoff wird die Abhängigkeit der Druckfließgrenze und der Sprödbruchgrenze von der Werkzeuggeometrie ermittelt. Hierzu wird z. B. der statische Kugeldruckversuch eingesetzt, der beispielsweise aus dem Beitrag von T. Hollstein et. al., "Vollkeramische Wälzlager aus Siliziumnitrit: Anwendung, Auslegung und Optimierung", VDI-Berichte Nr. 1151, 1995, Seite 3-10, beschrieben ist. Als Werkzeugwerkstoff wird ein Werkstoff mit mindestens der gleichen Härte gewählt, wie das zu behandelnde Werkstück selbst besitzt. Als Werkzeugform wird für den Kontaktbereich zwischen Werkzeug und Werkstück eine möglichst glatte, abgerundete Form gewählt. Aus diesem Vorversuch ergibt sich die erforderliche Werkzeuggeometrie und der zulässige Impulseintrag.

In einem zweiten Schritt wird im Rahmen eines dynamischen Kugeldruckversuches ermittelt, welche Anzahl von wiederholten Kugeleindrücken pro Kontaktfläche zulässig sind, ohne dabei die Werkstückoberfläche zu schädigen aber zugleich die Oberfläche plastisch zu verformen. Auf diese Weise wird der zulässige Überdeckungsgrad, d. h. die Anzahl der Werkzeugeindrücke pro Kontaktfläche festgelegt.

Nach Festlegung der vorstehend beschriebenen Verfahrensparameter wird der oberflächenzubehandelnde Bereich des Werkstückes aus sprödhartem Material, beispielsweise im Rahmen eines Kugelstrahlverfahrens, behandelt. Gefährdete Ecken und Kanten des Werkstückes, die nicht behandelt werden sollen, sind durch Masken vor Beschädigungen zu schützen.

Die auf die Werkstückoberfläche eintreffenden kugelförmigen Werkzeugelemente können im Rahmen einer Strahlanlage per Druckluft oder mittels eines Schleuderradantriebes auf die Werkstückoberfläche mit einstellbarem kinetischen Impuls geschleudert werden, so daß jede Stelle der zu behandelnden Werkstückoberfläche ein- oder mehrfach getroffen wird.

Claims (9)

1. Verfahren zur Steigerung der Randschichtfestigkeit an Oberflächen von aus sprödharten Werkstoffen ge­ fertigten Werkstücken, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche in eng begrenzten Oberflächenbereichen mit einem Werkzeug in Kontakt gebracht wird, das ohne Werkstoff abzutragen den Oberflächenbereich plastisch verformt und innerhalb des Werkstückes oberflächennahe Druck­ eigenspannungen erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug einen Eigenimpuls aufweist und auf die ruhende Werkstückoberfläche gerichtet wird, an der die Randschicht des Werkstückes durch den Impulseintrag des Werkzeuges derformiert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug zumindest im Bereich, mit dem es mit der Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird, eine weitgehend runde Kontur aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Impulseintrag des Werkzeuges auf die Werkstückoberfläche derart bemessen ist, daß kein Sprödbruch auftritt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstückoberfläche durch wiederholte Beaufschlagung mit dem Werkzeug oder durch Verwendung einer Vielzahl von auf die Werstückoberfläche einwirkenden Werkzeugen oberflächendeckend plastisch verformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug aus einer Vielzahl von Kugeln besteht, die mittels einer druckluftbetriebenen oder schleuderradbetriebenen Strahlanlage auf die Werkstückoberfläche getrieben werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kugelmaterial aus gleichem oder ähnlichem Material wie das oberflächenzubehandelnde Werkstück ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkzeug ein Hammer oder eine Vielzahl von Hämmern, ein Nagel oder eine Vielzahl davon oder eine oder mehrere Walzen ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das sprödharte Material ein keramischer Werkstoff ist.