DE102010008654A1

DE102010008654A1 - Verfahren zur Herstellung eines gesinterten oder geschmiedeten Bauteils

Info

Publication number: DE102010008654A1
Application number: DE102010008654A
Authority: DE
Inventors: Clemens 83236 Luchner; Marc 80992 Kronenberg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2010-02-20
Filing date: 2010-02-20
Publication date: 2011-08-25
Also published as: WO2011101074A1

Abstract

Ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung (16) und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche (18) umfasst folgende Schritte: – Bereitstellen eines Sintergrünlings; – Vorsehen einer Bohrung (16) im Grünling; – Sintern des Grünlings; und – Vergüten wenigstens eines Teils (18a) der Bohrungsoberfläche (18) ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche (18). Alternativ zu einem Sintergrünling kann auch ein Schmiederohling bereitgestellt werden. In diesem Fall wird der Rohling geschmiedet, und es wird eine Bohrung (16) im geschmiedeten Bauteil (10) vorgesehen, bevor wenigstens ein Teil der Bohrungsoberfläche (18) ohne vorherige Bearbeitung vergütet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche.
Pleuel für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen werden üblicherweise in einem Schmiede-, Sinter- oder Sinter/Schmiedeverfahren hergestellt. Bei Pleueln ohne gesonderte Gleit- oder Wälzlager (sogenannte Integralpleuel) stellen die Innenflächen der Pleuelaugen (Bohrungsoberflächen) die Lagerflächen dar, die aufgrund der hohen Beanspruchung vergütet oder beschichtet werden.
In der DE 10 2006 015 888 A1 ist beschrieben, wie bei einem aus einem Stahlwerkstoff geschmiedeten Pleuel das kleine Pleuelauge durch induktive Wärmebehandlung oder Laserstrahlung vergütet werden kann. Um die Wärmeverzüge zu reduzieren, wird nur die Bohrung des Pleuelauges wärmebehandelt, und zwar so, dass eine wärmebehandelte Zone nicht bis an den axialen Bohrungsrand reicht.
Das bekannte Verfahren ist jedoch auf Pleuel beschränkt, die aus einem Stahlwerkstoff gesenkgeschmiedet sind. Insbesondere pulvermetallurgisch hergestellte Pleuel aus Eisen-basiertem, Kohlenstoff-haltigem Pulver sind nicht umfasst. Bei gesenkgeschmiedeten Stahlpleueln für Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen (Pkw-, Nfz- und Motorradmotoren) ist vor dem Vergüten eine Vorbearbeitung erforderlich (Vollbohren), was zu einem erhöhten Aufwand bei der Fertigung des Pleuels führt. Außerdem besteht beim Induktionshärten mit einem HF-Generator die Gefahr der Überhitzung des oberflächennahen Werkstoffbereichs. Weitere Nachteile sind die engen Prozessparametergrenzen und die technischen Schwierigkeiten beim anschließenden induktiven Anlassen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Pleuels, mit einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche anzugeben, mit dem die obigen Beschränkungen und Nachteile vermieden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verfahren sind in den Unteransprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bauteils, insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche, umfasst gemäß einem ersten Aspekt folgende Schritte:

– Bereitstellen eines Sintergrünlings;
– Vorsehen einer Bohrung im Grünling;
– Sintern des Grünlings; und
– Vergüten wenigstens eines Teils der Bohrungsoberfläche ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einem Bauteil mit einer zu vergütenden Bohrung, insbesondere einem Pleuel, bei dem die Bohrung nicht erst nach dem Sintern eingearbeitet wird, sondern schon vorher im Grünling vorhanden ist, keine Bearbeitung der Bohrungsoberfläche mehr erforderlich ist, bevor diese vergütet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren sieht deshalb einen Grünling mit vorgeformter Bohrung vor, der gesintert wird und dessen Bohrungsoberfläche direkt im Anschluss einem Vergütungsprozess unterworfen wird.
Insgesamt ergibt sich ein robuster Prozess, bei dem die Prozessparametergrenzen für das Vergüten weiter sind, als es bei Bauteilen mit bearbeiteter Bohrungsoberfläche möglich wäre. Insbesondere die Gefahr der Überhitzung an der Bohrungsoberfläche und an den Bohrungsrändern ist verringert. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, wahlweise eine zu den axialen Bohrungsrändern hin auslaufende oder nicht-auslaufende Härtezone prozesssicher herzustellen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren verkürzt sich die Prozesskette bei der pulvermetallurgischen Herstellung des Bauteils, da die Bohrung nicht nach dem Sintern gebildet wird und anschließend noch bearbeitet werden muss; somit können Arbeitsaufwand und Kosten reduziert werden. Aufgrund der verkürzten Prozesskette verringert sich auch der Flächenbedarf für die Bearbeitungsmaschinen; es werden weniger Kühlschmierstoff-(KSS-)Werkzeuge benötigt, und insgesamt ist der Energiebedarf bei der Herstellung des Bauteils reduziert. Auch die Entsorgung vereinfacht sich, da bei der Herstellung weniger Späne anfallen.
Gemäß einem zweiten Aspekt umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Schritte:

– Bereitstellen eines Schmiederohlings;
– Schmieden des Rohlings;
– Vorsehen einer Bohrung im geschmiedeten Bauteil; und
– Vergüten wenigstens eines Teils der Bohrungsoberfläche ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche.

In diesem Fall folgt das Vergüten der Bohrungsoberfläche auf einen Schmiedeprozess, das heißt es wird von einem geschmiedeten Pleuel ausgegangen, wie es insbesondere in Nutzfahrzeugen eingesetzt wird. Auch hier ergeben sich aufgrund der nicht erforderlichen vorherigen Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche im Wesentlichen die gleichen Vorteile wie zuvor im Zusammenhang mit einem gesinterten Bauteil beschrieben.
Details der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Pleuel in Draufsicht;
2 das Pleuel aus 1 im Längsschnitt; und
3 eine Schnittansicht eines Pleueldetails.
Das in den 1 und 2 dargestellte Bauteil 10 weist einen Schaft 12, eine größere Bohrung 14 und eine kleinere Bohrung 16 auf. Das Bauteil 10 ist als Pleuel für eine Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine ausgebildet, wobei die größere Bohrung 14 einem großen Pleuelauge zur Lagerung einer Kurbelwelle und die kleinere Bohrung 16 einem kleinen Pleuelauge zur Lagerung eines Kolbenbolzens entspricht. Im Folgenden wird nur auf die in 3 im Detail dargestellte kleinere Bohrung 16 eingegangen.
Die Oberfläche 18 der Bohrung 16 ist, wie später noch genauer beschrieben wird, je nach Anforderung ganz oder teilweise vergütet. In 3 ist beispielhaft eine vergütete Teiloberfläche 18a gezeigt. Es ist erkennbar, dass sich der vergütete Teil 18a der Bohrungsoberfläche 18 hier nur um ca. 180° um den Bohrungsumfang erstreckt. Auch die axiale Ausdehnung der Vergütung kann variieren; beispielsweise kann ein bestimmter axialer Abstand vom axialen Bohrungsrand vorgesehen sein, der auch von der äußeren Form des die Bohrung 16 umgebenden Bauteilabschnitts (hier: des kleinen Pleuelauges) abhängen kann.
Um die Herstellung eines solchen Bauteils 10 effizient zu gestalten, werden Maßnahmen getroffen, damit keine (mechanische) Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche 18a unmittelbar vor dem Vergüten durchgeführt werden muss.
Im Falle eines pulvermetallurgisch hergestellten Bauteils 10 wird ein Sintergrünling aus einem Eisen-basiertem, Kohlenstoff-haltigem Pulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8% bereitgestellt. Im vorgepressten Grünling ist bereits vor dem Sinterprozess zumindest die Bohrung 16, vorzugsweise auch die äußere Form des die Bohrung 16 umgebenden Bauteilabschnitts (z. B. Trapezform, Bügelform, abgestufte Form), vorgesehen. Die Bohrung 16 kann durch das Presswerkzeug, mit dem der Grünling hergestellt wird, oder durch eine mechanische Bearbeitung des vorgepressten Grünlings gebildet werden.
Im anschließenden Sinterprozess wird der so vorgepresste und vorgeformte Grünling durch Wärmebehandlung unterhalb der Schmelztemperatur verdichtet und ausgehärtet. Es wird davon ausgegangen, dass das Bauteil 10 nach dem Sintern randentkohlt ist, zumindest im Bereich der Bohrungsoberfläche 18, obwohl dies nichtzwingend so sein muss.
Ohne spezielle Bearbeitung der Bohrungsoberfläche 18 wird diese nach dem Sintern vergütet. Dabei kann, wie oben bereits angedeutet, die komplette Bohrungsoberfläche 18, ein Ringausschnitt und/oder ein Umfangsabschnitt (Segment) der Bohrungsoberfläche 18 zur Vergütung vorgesehen sein. Ein Vergüten anderer Abschnitte des Bauteils 10 ist nicht vorgesehen.
Das Vergüten der Bohrungsoberfläche 18 beinhaltet eine Wärmebehandlung und erfolgt vorzugsweise durch Induktions- oder Laserhärten. Die Parameter der Wärmebehandlung sind so gewählt, dass eine Einhärtetiefe von 0,2–1,5 mm bezogen auf das fertige Bauteil erzielt wird. Die Bearbeitungszugabe zur Egalisierung der Form- und Lageungenauigkeiten des Grünlings und/oder der Dicke der randentkohlten Zone wird vorgehalten.
Anschließend erfolgt ein Anlassen zumindest der zu vergütenden Bohrungsoberfläche 18a. Das Anlassen kann induktiv in einem HF-Generator, thermisch in einem Kammer- bzw. Durchlaufofen, oder unter Zuhilfenahme eines anderen geeigneten thermischen Prozesses durchgeführt werden.
Im Falle eines aus einem Stahlwerkstoff bestehenden und durch Schmieden hergestellten Bauteils wird anstelle des Sintergrünlings ein Schmiederohling bereitgestellt. Der Stahlwerkstoff des Rohlings hat wiederum einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8%.
Beim Schmieden des Rohlings wird unter anderem eine Kontur der späteren Bohrung 16 vorgeformt. Die äußere Form des die Bohrung 16 umgebenden Bauteilabschnitts kann am Rohling bereits vor dem Schmieden vorhanden sein. Auch hier wird davon ausgegangen, dass das Bauteil 10 nach dem Schmieden randentkohlt ist.
Nach dem Schmieden wird die Bohrung 16 im geschmiedeten Bauteil 10 gelocht. Das Lochen der Bohrung 16 erfolgt in mithilfe einer in ein Abgratwerkzeug integrierten Einrichtung, sodass nach dem Abgraten kein separater Arbeitsschritt in einer zusätzlichen Bearbeitungsmaschine erforderlich ist.
Das anschließende Vergüten der Bohrungsoberfläche 18 oder eines Teils 18a hiervon erfolgt wie oben beschrieben – d. h. insbesondere ohne vorherige spezielle Bearbeitung der Bohrungsoberfläche 18 – mittels einer Wärmebehandlung durch Induktions- oder Laserhärten und anschließendes Anlassen. Die Prozessparameter sind wiederum so gewählt, dass eine Einhärtetiefe von 0,2–1,5 mm bezogen auf das fertige Bauteil erzielt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006015888 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung (16) und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche (18), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Sintergrünlings; – Vorsehen einer Bohrung (16) im Grünling; – Sintern des Grünlings; und – Vergüten wenigstens eines Teils (18a) der Bohrungsoberfläche (18) ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche (18).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) im Grünling vor dem Sintern mithilfe eines Presswerkzeugs gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) im Grünling vor dem Sintern durch mechanische Bearbeitung des Grünlings gebildet wird.
Verfahren zur Herstellung eines Bauteils (10), insbesondere eines Pleuels, mit einer Bohrung (16) und einer wenigstens teilweise vergüteten Bohrungsoberfläche (18), wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Schmiederohlings; – Schmieden des Rohlings; – Vorsehen einer Bohrung (16) im geschmiedeten Bauteil (10); und – Vergüten wenigstens eines Teils der Bohrungsoberfläche ohne vorherige Bearbeitung der zu vergütenden Bohrungsoberfläche (18).
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass beim Schmieden des Rohlings die Kontur der späteren Bohrung (16) vorgeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) im geschmiedeten Bauteil (10) gelocht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (16) mithilfe einer in ein Abgratwerkzeug integrierten Einrichtung gelocht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergüten ein Induktions- oder Laserhärten beinhaltet, vorzugsweise mit einer Einhärtetiefe von 0,2 bis 1,5 mm.
Verfahren nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch ein nachfolgendes Anlassen wenigstens der gehärteten Bohrungsoberfläche (18).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Grünlings bzw. des Rohlings einen Kohlenstoffgehalt von 0,3 bis 0,8% aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Form des die Bohrung (16) umgebenden Bauteilabschnitts am Grünling vor dem Sintern bzw. am Rohling vor dem Schmieden gebildet wird.