DE19733135C2 - Verfahren zur Herstellung eines aus zwei Teilelementen zusammengesetzten Bauteils - Google Patents

Description

Die Herstellung eines aus wenigstens zwei Teilelementen zu einem einheitlichen metallischen Bauteils, bei dem die Teile­ lemente aufgrund der Betriebsanforderungen unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen müssen, kann schwierig sein. Dies gilt beispielsweise dann, wenn das Bauteil insgesamt dy­ namisch beansprucht wird, insbesondere durch Stoß oder Schlag beansprucht wird, so daß die Verbindung zwischen den beiden Teilelementen in gleicher Weise durch Stoß oder Schlag bean­ sprucht wird. Dies kann beispielsweise bei einem Bauteil auf­ treten, bei dem das eine Teilelement aus einem einfachen Ei­ senwerkstoff besteht und das andere Teilelement aus einem hochwertigen Stahlwerkstoff besteht. Eine rein mechanische Verbindung durch einen Schrumpf- oder Preßsitz oder durch ein Vernieten ist bei einer häufigen, insbesondere bei einer hochfrequenten wechselnden Stoß- oder Schlagbeanspruchung im Dauerbetrieb nicht genügend widerstandsfähig. Eine Schweiß­ verbindung ist im Hinblick auf die erheblichen Strukturverän­ derungen in dem aus einem hochwertigen Stahlwerkstoff beste­ henden Teilelement bei derartigen Einsatzfällen ebenfalls nicht möglich.

Aus der Veröffentlichung von I. E. Petrunin "Handbuch der Löt­ technik", 1991, Seite 106/107, ist es grundsätzlich bekannt, daß sich zwei Teile aus Stahl mit Hilfe von Kupferlot im so­ genannen "Hartlötverfahren" miteinander verbinden lassen, wo­ bei die Verbindung eine hohe Festigkeit aufweist.

Als ein Anwendungsfall ist aus DE-A-40 08 102 ein Verfahren zur Herstellung eines Schneid-, Stech- oder Bohrwerkzeuges bekannt, das einen Schaft aus einem preisgünstigen Stahl, beispielsweise einem St 37 oder auch einem höher legierten Stahl aufweist. In den Schaft ist eine taschenförmige Ausneh­ mung eingearbeitet, in die ein Einsatzstück aus einem hochle­ gierten, sogenannten Schnellarbeitsstahl in Form einer Schneidplatte eingesetzt die. Die Verbindung zwischen dem Schaft und der Schneidplatte wird hierbei durch Löten mit ei­ nem kupferhaltigen Lot bewirkt.

Aus DE-A-42 44 627 ist als weiterer Anwendungsfall ein Ver­ fahren zum Verbindung von Arbeitsplatten mit einem Grundkör­ per aus Stahl zur Herstellung von Werkzeugen, insbesondere von Schnitt-, Stanz-, Biege- und Umformwerkzeugen bekannt. Auch bei diesem Verfahren erfolgt die Verbindung der Arbeits­ platten aus einem Schnellarbeitsstahl mit dem Grundkörper aus einfachem Vergütungs- oder Werkzeugstahl durch ein Hochtempe­ raturlöten unter Vakuum.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ausgehend von den vorbekannten Verfahren ein Verfahren zu schaffen, mit dem eine feste Verbindung zwischen zwei dynamisch, insbesondere schlagend beanspruchten Teilelementen geschaffen werden kann, bei der die vorstehend erwähnten Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren da­ durch gelöst, daß das Bauteil durch Einsetzen eines ersten stabförmigen Teilelementes aus einem vergütbaren Stahlwerk­ stoff in eine als Bohrung ausgebildete Ausnehmung in einem zweiten plattenförmigen Teilelement aus einem weichmagneti­ schen Eisenwerkstoff vormontiert wird, daß am vormontierten Bauteil an der Ausnehmung im Übergangsbereich zwischen dem ersten Teilelement und dem zweiten Teilelement ein Lot auf Kupferbasis appliziert wird, daß danach das Bauteil in senk­ rechter Ausrichtung des stabförmigen Teilelementes auf eine Temperatur erhitzt wird, die über der Schmelztemperatur des Lotes liegt, daß nach dem Verschießen des flüssigen Lotes im Berührunsbereich der beiden Teilelemente das Bauteil abge­ kühlt und gehärtet und anschließend wird wenigstens einmal auf die Vergütungstemperatur für den Stahlwerkstoff des er­ sten Teilelementes gebracht und über eine vorgegebene Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann vollständig abgekühlt ist es möglich, ein Bauteil mit zwei Teilelementen von so un­ terschiedlichen Werkstoffeigenschaften, wie sie ein vergütba­ rer Stahlwerkstoff einerseits und ein weichmagnetischer Ei­ senwerkstoff andererseits aufweisen, zum einen fest miteinan­ der zu verbinden, andererseits nach dem Lötvorgang den Stahl­ werkstoff auf die gewünschte Qualität zu vergüten. Hierbei wird mit Vorteil ausgenutzt, daß die Schmelztemperatur der für derartige hochbeanspruchte Verbindungen in Betracht kom­ menden Lote erheblich über der Härte- und Anlaßtemperatur für einen vergütbaren Stahlwerkstoff liegen, so daß nach Abschluß des Lötvorganges, d. h. nach dem Verschießen und Erstarren des Lotes im Verbindungsbereich die weitere Wärmebehandlung durchgeführt werden kann, ohne daß hierdurch die Lötstelle in ihrer Festigkeit beeinflußt wird.

Da üblicherweise die hier in Betracht kommenden Lotqualitäten einen definierten Schmelzpunkt aufweisen, ist es auch mög­ lich, die Temperaturführung bei der Erhitzung des Bauteil so zu führen, daß hierbei auf die Gefügeumwandlungen in dem ver­ gütbaren Stahlwerkstoff Rücksicht genommen wird. So kann es je nach der Art des vergütbaren Stahlwerkstoffes zweckmäßig sein, stufenweise zu erhitzen und hierbei während einer Tem­ peraturzwischenstufe die Temperatur auf einer vorgegebenen Temperaturhöhe zu halten, um hier die Gefügeausbildung im Stahlwerkstoff einwandfrei ablaufen zu lassen. Eine derartige Haltezeit kann je nach Stahlwerkstoff über mehrere Minuten dauern. Da das Lot praktisch einen Schmelzpunkt aufweist, d. h. bei einer definierten Temperatur sich verflüssigt und im Berührungsbereich zwischen den beiden Teilelementen ver­ schießt, genügt es, wenn diese für den Lötvorgang erforderli­ che Spitzentemperatur nur kurzfristig im Sekunden- bis Minu­ tenbereich aufrechterhalten wird und anschließend der Abkühl­ vorgang eingeleitet wird und das Lot sofort erstarrt und be­ reits die feste Verbindung gegeben ist.

Mit dem vorstehend beschriebenen Verfahren lassen sich vor­ teilhaft Bauteile für elektromagnetische Funktionselemente herstellen, bei denen das zweite plattenförmige Teilelement aus Relaiseisen hergestellt ist und dem Einfluß magnetischer Felder ausgesetzt ist. Bei einem Einsatz als elektromagneti­ sches Funktionselement, bei dem das stabförmige Teilelement der Führung und Lagerung dient und dementsprechend ver­ schleißarm ausgebildet sein muß, kann je nach Einsatzfall ein derartiges Bauteil mit sehr hohen, auch wechselnden Magnet­ kräften beaufschlagt werden, so daß hierbei hohe Stoßbela­ stungen wirksam werden, die sich dann entsprechend auch auf die Verbindung zwischen dem Teilelement aus Relaiseisen und dem Teilelement aus vergütetem Stahl übertragen.

Zweckmäßig ist es hierbei, wenn nach dem Verschießen des Lo­ tes das Bauteil zunächst bis auf etwa 30°C rasch abgekühlt und danach bis auf die Vergütungstemperatur für den Stahl­ werkstoff erwärmt wird. Die Vergütungstemperatur wird dann für eine Zeit aufrechterhalten, wobei die Zeitdauer sich nach dem verwendeten Stahlwerkstoff richtet. Damit kann das Löten und Vergüten "in einer Hitze" bewirkt werden.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für das plattenförmig ausgebildete zweite Teilelement als Werkstoff ein Relaiseisen verwendet wird. Damit ist die Gewähr gegeben, daß bei entsprechenden Einsatzfällen der aus dem zweiten Tei­ lelement gebildete Bereich des Bauteils unter dem Einfluß von wechselnden Magnetfeldern ohne nennenswerte Remanenz ummagne­ tisierbar ist und dementsprechend auch schnellwechselnden Ma­ gnetfeldern ausgesetzt werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß für das stabförmig ausgebildete erste Teilelement als Werk­ stoff ein Schnellarbeitsstahl verwendet wird. Ein derartiger Stahl läßt sich einwandfrei und über den gesamten Querschnitt im wesentlichen gleichmäßig vergüten. So erbrachte beispiels­ weise die Verwendung eines Schnellarbeitsstahles mit einer Zusammensetzung gem. der ISO-DIN-Stoffnummer 1.3343 nach der Vergütung durchgehend Härtewerte, die zwischen 58 und 62 HRC lagen. Damit weist das erste Teilelement eine entsprechend hohe Härte und damit auch hohe Verschleißfestigkeit auf, wie sie beispielsweise für eine Führung eines hin- und herbeweg­ baren Bauteils erforderlich ist. Zweckmäßig kann auch die Verwendung eines sogenannten Kaltarbeits- oder Werkzeugstah­ les sein, beispielsweise eine Werkzeugstahles mit einer Zu­ sammensetzung gem. ISO-DIN-Stoffnummer 1.2379.

Bei der Auswahl des Lotes ist es zweckmäßig, ein Lot zu wäh­ len, dessen Schmelzpunkt so hoch liegt, daß die für die an­ schließende Vergütung des Stahlwerkstoffes notwendigen Tempe­ raturen zur Gefügeumwandlung erreicht werden. So ist es bei­ spielsweise bei der Verwendung des vorstehend genannten Schnellarbeitsstahles gem. ISO-DIN 1.3343 zweckmäßig, wenn die Schmelztemperatur des Lotes mit 1180°C etwas oberhalb der für die Austenitisierung notwendigen Temperatur dieses Schnellarbeitsstahles liegt. Zur Austenitisierung eines Kalt­ arbeitsstahles, wie er beispielsweise vorstehend ebenfalls genannt ist, würde eine Temperatur von etwa 1020 bis 1080°C ausreichen, so daß hier ein Lot mit einer geringeren Schmelz­ temperatur verwendet werden kann.

Unter Berücksichtigung der für die Wärmebehandlung des Stahl­ werkstoffes notwendigen Temperaturen einerseits und der ge­ forderten Festigkeit der Lötverbindung andererseits, ist die Verwendung eines Lotes auf Kupferbasis zweckmäßig. Hierbei kann entweder reines Kupfer verwendet werden oder aber eine Kupferlegierung, beispielsweise CuSn6. Die verwendeten Eisen- und Stahlwerkstoffe werden von diesem Lot sehr gut benetzt, so daß bei einer Breite des Spaltes im Verbindungsbereich zwischen den beiden miteinander zu verbindenden Teileelemen­ ten von 1 bis 60 µm, vorzugsweise 25 bis 50 µm eine einwand­ freie und vollflächige Verbindung gebildet wird. Das Lot kann hierbei zweckmäßigerweise als vorkonfektioniertes Biegeteil, bei einem Rundquerschnitt für das erste Teilelement, bei­ spielsweise als Drahtring, ausgebildet sein, der auf das er­ ste Teilelement aufgeschoben und im Kantenbereich der Ausneh­ mung positioniert wird. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn für die Applizierung des Lotes eine Kante der Ausnehmung im zwei­ ten Teilelement mit einer Fase versehen wird, so daß in die­ sem Bereich ein "Schmelzbad" entsteht, das dann in den Spalt des Verbindungsbereichs abläuft.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorge­ sehen, daß die Innenabmessung der Ausnehmung im zweiten Tei­ lelement einerseits und die Außenabmessung des ersten Teile­ lementes im Verbindungsbereich andererseits so bemessen sind, daß ein Spielsitz vorhanden ist. Hierdurch ist eine genügende Spaltbreite zur Ausnahme des flüssigen Lotes vorhanden.

Insbesondere bei einem stabförmigen Teilelement mit Rundquer­ schnitt ist es zweckmäßig, wenn das erste Teilelement im Ver­ bindungsbereich mit vorzugsweise drei Zentriervorsprüngen versehen ist, die unter Aufrechterhaltung eines Spaltes zwi­ schen den beiden Teilelementen einen Preßsitz bewirken. Damit ist zum einen eine geometrisch genaue Vormontage des Bauteils möglich, wobei über die Zentriervorsprünge eine genügende Preßkraft aufgebracht wird, um das vormontierte Bauteil zu handhaben.

Der Lötvorgang und die Vergütung des Stahlwerkstoffs, insbe­ sondere wenn diese in "einer Hitze" durchgeführt werden, er­ folgt zweckmäßigerweise in einem Vakuumofen. Die Abkühlung nach dem Löten kann unter Schutzgas durchgeführt werden, wo­ bei auch ein Abkühlvorgang mit Schutzgas unter Überdruck mög­ lich ist. In der Regel kann es ausreichen, den Stahlwerkstoff nur einer Anlaßbehandlung auszusetzen. Bei der Verwendung des vorstehend erwähnten Schnellarbeitsstahles kann es zweckmäßig sein, das Bauteil einer zweiten Anlaßbehandlung zu unterwer­ fen.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines aus wenigstens zwei Teile­ lementen mit unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften zusam­ mengesetzten metallischen Bauteil, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil durch Einsetzen eines ersten stabförmigen Teilelementes aus einem vergütbaren Stahlwerkstoff in eine als Bohrung ausgebildete Ausnehmung in einem zweiten platten­ förmigen Teilelement aus einem weichmagnetischen Eisenwerk­ stoff vormontiert wird, daß am vormontierten Bauteil an der Ausnehmung im Übergangsbereich zwischen dem ersten Teilele­ ment und dem zweiten Teilelement ein Lot auf Kupferbasis appliziert wird, daß danach das Bauteil in senkrechter Aus­ richtung des stabförmigen Teilelementes auf eine Temperatur erhitzt wird, die über der Schmelztemperatur des Lotes liegt, daß nach dem Verschießen des flüssigen Lotes im Berührungsbe­ reich der beiden Teilelemente das Bauteil abgekühlt wird und daß das Bauteil wenigstens einmal auf die Vergütungstempera­ tur für den Stahlwerkstoff des ersten Teilelementes gebracht, über eine vorgegebene Zeit auf dieser Temperatur gehalten und dann vollständig abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Verschießen des Lotes das Bauteil zunächst bis auf etwa 30°C rasch abgekühlt und danach die Vergütungstemperatur des Stahlwerkstoffes erwärmt und über eine vorgegebene Zeit auf dieser Temperatur gehalten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das plattenförmig ausgebildete zweite Teilelement als Werk­ stoff Relaiseisen verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für das stabförmige erste Teilelement als Werkstoff ein Schnellarbeitsstahl verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für das stabförmige erste Teilelement als Werkstoff ein Werkzeugstahl verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Lot Kupfer verwendet wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Lot eine Kupferlegierung verwendet wird, insbesondere Cu94Sn6.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lot als ein aus Draht vorkonfektionier­ ter Biegekörper appliziert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß für die Applizierung des Lotes eine Kante der Ausnehmung im zweiten Teilelement mit einer Fase versehen wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Innenabmessung der Ausnehmung im zwei­ ten Teilelement einerseits und die Außenabmessung des ersten Teilelementes im Verbindungsbereich andererseits so bemessen sind, daß ein Spielsitz vorhanden ist.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das erste Teilelement im Verbindungsbereich mit vorzugsweise drei Zentriervorsprüngen versehen ist, die unter Aufrechterhaltung eines Spaltes zwischen beiden Teile­ lementen einen Preßsitz bewirken.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Breite des Spaltes 1 bis 60 µm, vorzugs­ weise 25 bis 50 µm beträgt.