DE102009000238B3

DE102009000238B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102009000238B3
Application number: DE200910000238
Authority: DE
Inventors: Harry Kroetz; Inga Rudolph; Juergen Hackenberg
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-15
Filing date: 2009-01-15
Publication date: 2010-08-26
Anticipated expiration: 2029-01-16
Also published as: EP2387621A1; WO2010081827A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen (5; 8), bei der eine Spannungsquelle (15) mit einem Werkzeug (18; 30) als einem Pol und dem Bauteil (5; 8) oder einer Hilfselektrode (25) als anderem Pol elektrisch verbunden werden und das Werkzeug (18; 30) und das Bauteil (5; 8) bzw. die Hilfselektrode (25) über ein Elektrolyt (12) elektrisch miteinander leitend verbunden werden, wobei mittels der Spannungsquelle (15) in einem ersten Verfahrensschritt durch Anlegen einer Spannung (U) an der Spannungsquelle (15) ein Plasma (19) im Bereich mindestens eines einseitig oder mehrseitig ausgebildeten Hohlraums (1; 2) des Bauteils (5; 8), insbesondere einer Bohrung, gezündet wird, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche des Hohlraums (1; 2) erhitzt wird, und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Spannung (U) reduziert wird, woraufhin das Plasma (19) erlischt, so dass Elektrolyt (12) an die Oberfläche des Hohlraums (1; 2) gelangt. Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt ein Härten von Bohrungen (1; 2) mit relativ geringem Energieaufwand.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen gemäß dem Anspruch 1 und eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 5.
Insbesondere beim Härten von Bohrungen in Bauteilen, die einen relativ kleinen Durchmesser aufweisen, ist es sehr schwierig, die Oberfläche der Bohrung gezielt lokal zu erwärmen. Daher wird in der Praxis oftmals das gesamte Bauteil wärmebehandelt, was einen relativ hohen Energieaufwand darstellt und verfahrenstechnisch den Prozess verlängert.
Es ist schon ein Verfahren bekannt, bei dem ein Plasma an der Oberfläche eines Bauteils zum Zwecke des Erwärmens der Bauteiloberfläche gezündet wird, wobei sich das Bauteil dabei in einem Elektrolyt befindet. Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der DD 0 154 715 A1 bekannt. Ferner ist es bekannt, zum Beispiel mittels so genanntem Induktionshärten oder aber mittels Laserstrahlhärten Randschichten eines Bauteils zu härten. Diese Verfahren sind jedoch beim Härten von Bohrungen, welche beispielsweise einen Durchmesser von weniger als 2 mm haben, nur in sehr begrenztem Maße einsetzbar. Dies hängt damit zusammen, dass es zum Beispiel sehr schwierig ist, bei kleinen Bohrungen eine Laser- oder Elektronenstrahlung gezielt umzulenken bzw. es sind so kleine Induktoren fertigungstechnisch bisher nicht herstellbar.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, das eine Wärmebehandlung von Bohrungen in Bauteilen ermöglicht, die eine geringe Energiezufuhr und eine relativ geringe Prozesszeit benötigt.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens und deren vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen. Zur Vermeidung von Wiederholungen sollen vorrichtungsgemäß offenbarte Merkmale als verfahrensgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein. Ebenso sollen verfahrensgemäß offenbarte Merkmale als vorrichtungsgemäß offenbart gelten und beanspruchbar sein.
Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, dass ein Plasma im Bereich einer Bohrung gezündet wird, wobei die Bohrung anschließend, nach Erlöschen des Plasmas, vom Elektrolyt abgeschreckt und somit gehärtet wird. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es daher lediglich erforderlich, den relativ kleinen Bereich der Bohrung selbst zu erhitzen. Aufgrund der relativ geringen erforderlichen Energie hierfür erfolgt dies relativ schnell, so dass nur eine kurze Prozesszeit benötigt wird.
Vorteilhaft ist es, dass das Verfahren sowohl unter Verwendung einer Gleichspannung, als auch einer gepulsten Gleichspannung oder einer Wechselspannung durchführbar ist, wodurch es optimal an bereits bestehende Vorrichtungen angepasst werden kann und somit ggf. nur geringe zusätzliche Investitionskosten erfordert.
Besonders vorteilhaft ist es weiterhin, dass das Verfahren mit anderen thermochemischen, thermischen oder elektrochemischen Behandlungen der Bohrung des Bauteils kombiniert werden kann. Dadurch lassen sich die Materialeigenschaften bzw. die topographischen Eigenschaften mit relativ geringem Zusatzaufwand in relativ geringer Zeit in gewünschter Weise beeinflussen.
Eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens weist in vorteilhafter Weise eine stiftförmige Form auf. Damit lässt sich die Bohrung über deren gesamte Tiefe schnell und gleichmäßig erhitzen und es ist denkbar, durch eine entsprechende Wahl des Durchmessers des Werkzeugs die Energiezufuhr in die Oberfläche der Bohrung in einfacher Art und Weise zu beeinflussen.
Zur besseren und gleichmäßigen Versorgung der Bohrung mit dem Elektrolyt, oder einem der Ausbildung des Plasmas dienendem Medium, wird in einer vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, das Werkzeug mit wenigstens einer Versorgungsleitung, beispielsweise einer Bohrung, auszustatten, die an den dafür erforderlichen Stellen der Bohrung des Bauteils mündet.
Zur Reduzierung der erforderlichen Energiemenge ist es weiterhin vorteilhaft, ein Hilfswerkzeug mit einem Reservoir für den Elektrolyten vorzusehen. Dadurch wird über das Plasma lediglich Energie in eine relativ kleine Menge an Elektrolyt abgegeben.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.
Diese zeigen in:
1 bis 4 jeweils eine vereinfachte Prinzipdarstellung von verschiedenen Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmebehandlung einer Bohrung eines Bauteils.
In den Figuren sind gleiche Bauteile und Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
In 1 ist eine Vorrichtung 10 zur Wärmebehandlung, insbesondere zum Härten einer Bohrung 1 in einem Bauteil 5 dargestellt. Die Vorrichtung 10 umfasst einen Behälter 11, der mit einem Elektrolyt 12 (oder einer Elektrolytlösung) befüllt ist, wobei sich die Bohrung 1 vollständig in Kontakt mit dem Elektrolyt 12 befindet. Der Minuspol einer Spannungsquelle 15, im dargestellten Ausführungsbeispiel einer Gleichspannungsquelle, ist elektrisch über eine erste Leitung 16 mit einem stiftförmigen Werkzeug 17 verbunden, das somit eine Kathode ausbildet. Das Werkzeug 17 durchdringt die Bohrung 1 vollständig. Weiterhin ist der Pluspol der Spannungsquelle 15 über eine zweite Leitung 18 elektrisch mit dem Bauteil 5 verbunden, das somit eine Anode ausbildet.
Nach dem Anlegen einer Spannung U an der Spannungsquelle 15 fließt ein elektrischer Strom I durch den Elektrolyt 12. Aufgrund der Elektrolyse von Wasser kommt es an der Oberfläche des Werkzeugs 17 zur Bildung von Wasserstoff, an der Oberfläche der Bohrung 1 zur Bildung von Sauerstoff. Daraufhin nimmt der elektrische Widerstand aufgrund der Bildung des Gaspolsters zwischen der Bohrung 1 und dem Werkzeug 17 zu. Wenn die Spannung U an der Spannungsquelle 15 hoch genug ist (z. B. größer 80 V je nach Art des verwendeten Elektrolyts und der Bauteilegeometrien), kommt es zu einer Ionisierung des Gases und zu einem Durchschlag in Form eines Funkens, durch den ein Plasma 19 entsteht, welches das Werkzeug 17 im Elektrolyt 12 umschließt und bis zur Oberfläche der Bohrung 1 reicht. Dieses Plasma 19 erwärmt somit die Oberfläche der Bohrung 1 innerhalb des Bauteils 5. Sobald die Oberfläche der Bohrung 1 bis zu der erwünschten Tiefe in dem erforderlichen Maß erhitzt ist, kann die Spannung U an der Spannungsquelle 15 wieder reduziert bzw. abgeschaltet werden, so dass das Plasma 19 erlischt. Daraufhin gelangt der (relativ kalte) Elektrolyt 12 in Kontakt mit der Oberfläche der Bohrung 1, wodurch die Oberfläche der Bohrung 1 abgeschreckt und somit in gewünschter Weise gehärtet wird.
Ergänzend wird erwähnt, dass die Polarität der angelegten Spannung U auch umgekehrt werden kann. In diesem Fall bildet sich dann Sauerstoff an dem Werkzeug 17 und Wasserstoff an dem Bauteil 5 bzw. der Bohrung 1. Der grundsätzliche Härtungsprozess verläuft ansonsten jedoch identisch.
Weiterhin kann anstelle einer Gleichspannung bzw. einer Gleichspannungsquelle auch eine Wechselspannung bzw. eine Wechselspannungsquelle verwendet werden. Bei Verwendung einer Gleichspannungsquelle ist es auch möglich, eine gepulste Gleichspannung zu verwenden. Wesentlich ist nur die zumindest zeitweise Bildung eines Plasmas 19 zur Erwärmung der Bohrung 1.
Beim ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1 wird nach Erreichen der gewünschten Temperatur in der Oberfläche der Bohrung 1 die Energiezufuhr durch Abschalten bzw. Reduzierung der Spannung U gestoppt. Bei den zuletzt genannten Möglichkeiten kann die Energieübertragung in das Bauteil 5 bei einer gepulsten Gleichspannung beispielsweise über das Puls/Pause-Verhältnis gesteuert werden. Weitere Möglichkeiten der Regulierung der Energiezufuhr bestehen durch eine einstellbare Strombegrenzung, einer Limitierung der Höhe der Spannungsamplitude der Art bzw. der Zusammensetzung des ELektrolyts 12 oder einer Beeinflussung des Abstandes zwischen dem Werkzeug 17 und der Oberfläche der Bohrung 1. In letzterem Fall kann dies in einfacher Weise durch eine entsprechende Wahl des Durchmessers des Werkzeugs 17 erfolgen. Die Energiezufuhr kann weiterhin durch eine selektive Wärmebehandlung zumindest von Bereichen des Bauteils 5, insbesondere durch eine lokal unterschiedliche Energiezufuhr zum Beispiel durch Blendelektroden oder eine Abstandsregulierung erfolgen.
Bei dem in 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei ansonsten identischem Aufbau im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel das Bauteil 5 von der Spannungsquelle 15 galvanisch getrennt. Während das Werkzeug 17 wiederum mit dem Minuspol der Spannungsquelle 15 verbunden ist, ist der Pluspol über eine Leitung 22 elektrisch mit einer röhrenförmigen Ringgitterelektrode 25 verbunden, die als Hilfselektrode wirkt. Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bildet sich das Plasma 19 wiederum an der Oberfläche des Werkzeugs 17 und erhitzt durch seinen geringen Abstand zur Bohrung 1 die Oberfläche der Bohrung 1, es fließt hierbei jedoch kein Strom durch das Bauteil 5.
Ergänzend wird erwähnt, dass sich die Hilfselektrode nicht unbedingt in der Bohrung 1 befinden muss, sondern sie sich auch außerhalb der Bohrung 1 an irgend einer Stelle im Elektrolyt 12 befinden kann. Dadurch kommt es trotzdem zur Gasbildung in der Bohrung 1 und anschließend zur Aubildung eines Plasmas 19.
Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß 3 entspricht die elektrische Schaltung zwischen der Spannungsquelle 15 und dem Werkzeug 17 sowie dem Bauteil 5 der Vorrichtung 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel nach 1. Im Unterschied hierzu ist jedoch ein Hilfswerkzeug 27 vorgesehen, das in Kontakt mit der Unterseite 6 des Bauteils 5 steht. Das Hilfswerkzeug 27 weist im Ausführungsbeispiel eine halbkugelförmige Ausnehmung 28 auf, die in Verlängerung bzw. fluchtend mit der Bohrung 1 des Bauteils 5 angeordnet ist. Die Ausnehmung 28 dient als Reservoir für den Elektrolyt 12. Damit sich ein Plasma 19 bilden kann ist es hierbei lediglich erforderlich, dass sich genügend Elektrolyt 12 im Bereich der Ausnehmung 28 sowie der Bohrung 1 befindet. Bei diesem Aus führungsbeispiel wird somit durch die geringe Menge an erhitztem Elektrolyt 12 weniger Wärme an die Umgebung abgegeben, so dass relativ wenig Energie zur Wärmebehandlung des Bauteils 5 erforderlich ist.
Bei dem vierten Ausführungsbeispiel gemäß 4 wird an einem Bauteil 8 eine Sacklochbohrung 2 gehärtet. Die elektrische Schaltung des Bauteils 8 und des Werkzeugs 30 entspricht hierbei prinzipiell dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 1. Um die Elektrolytzufuhr in der Sacklochbohrung 2 zu gewährleisten weist hierbei das Werkzeug 30 in seiner Längsachse eine Durchgangsbohrung 31 auf, die an der Unterseite des Werkzeugs 30 mündet, und die mit einer nicht dargestellten, unter Druck stehenden Elektrolytquelle verbunden ist. Zusätzlich oder alternativ hierzu können von der Durchgangsbohrung 31 auch radial angeordnete Spritzbohrungen 33 vorgesehen sein, wobei exemplarisch nur zwei Spritzbohrungen 33 in 4 dargestellt sind. Über eine entsprechende Anordnung derartiger Spritzbohrungen 33 können somit auch relativ schwer zugängliche Stellen in der Sacklochbohrung 2 (oder gegebenenfalls anderen wärmezubehandelnden Stellen von Bauteilen) mit Elektrolyt 12 versorgt werden. Anstelle des Elektrolyts 12 kann auch ein geeignetes Gas oder Gasgemisch zugeführt werden, das die Ausbildung des Plasmas 19 steuert.
Ergänzend wird erwähnt, dass neben dem anhand der vier Ausführungsbeispiele beschriebenen martensitischen Härten der Bohrung 1, 2 das beschriebene Verfahren auch bei anderen Bearbeitungsverfahren, die zumindest einen Wärmebehandlungsschritt aufweisen, verwendet werden kann. Hierzu zählen insbesondere und somit nicht abschließend thermo-chemische Wärmebehandlungsverfahren wie zum Beispiel Nitrieren, Nitrocarbonieren, Borieren, Chromieren oder Aufkohlen. Bei diesen Verfahren werden dem Elektrolyt 12 die entsprechenden Stoffe zugesetzt. So kann im Falle des Aufkohlens der Kohlenstoff dem Elektrolyt 12 in Form von Graphitpulver zugeführt werden. Auch ist die Verwendung einer Emulsion aus Elektrolyt und Öl denkbar. Das Öl zersetzt sich hierbei bei den durch das Plasma 19 hervorgerufenen hohen Temperaturen und liefert so den benötigten Kohlenstoff. Alternativ ist es auch denkbar, eine Graphitelektrode (als Werkzeug 17) zu verwenden, die sich im Plasma 19 abbaut und so den benötigten Kohlenstoff liefert.
Als weitere Variante von Wärmebehandlungen der Bohrung 1, 2 sei das so genannte Anlassen erwähnt, bei der die Bohrung 1, 2 über einen definierten Zeitraum auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird. Weiterhin kann das beschriebene Verfahren auch als ein Teil von mehreren Bearbeitungsschritten verwendet werden, bei dem die Oberflächentopologie während oder anschließend an das Härten durch Plasmaätzen oder eine sonstige elektrochemische Bearbeitung mit ggf. zeitlich angepassten Wärmebehandlungen des Bauteils 5, 8 bzw. der gehärteten Bohrung 1, 2 in derselben Aufspannung weiter beeinflusst werden kann.
Die Erfindung wurde exemplarisch anhand eine Bauteils 5, 8 beschrieben, das eine Bohrung 1 bzw. eine Sacklochbohrung 2 aufweist. Selbstverständlich ist das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur auf derartige Bohrungen beschränkt. Vielmehr ist es auch auf alle ein- oder mehrseitig ausgebildete Hohlräume in Bauteilen 5, 8 anwendbar. Als Beispiele für derartige Hohlräume seinen exemplarisch rotationssymmetrische Bauteilführungen, profilierte Bauteilführungen (zum Beispiel konisch verlaufende Führungen), Kammern, Taschen o. ä. genannt. Auch kann das Verfahren an Bereichen zwischen Hochdruck und Niederdruck führenden Bereichen, zum Beispiel bei Einspritzdüsen angewendet werden.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von Bauteilen (5; 8), bei der eine Spannungsquelle (15) mit einem Werkzeug (17; 30) als einem Pol und dem Bauteil (5; 8) oder einer Hilfselektrode (25) als anderem Pol elektrisch verbunden werden und das Werkzeug (17; 30) und das Bauteil (5; 8) bzw. die Hilfselektrode (25) über ein Elektrolyt (12) elektrisch miteinander leitend verbunden werden, wobei mittels der Spannungsquelle (15) in einem ersten Verfahrensschritt durch Anlegen einer Spannung (U) an der Spannungsquelle (15) ein Plasma (19) im Bereich mindestens eines einseitig oder mehrseitig ausgebildeten Hohlraums (1; 2) des Bauteils (5; 8), insbesondere einer Bohrung, gezündet wird, wobei zumindest ein Teil der Oberfläche des Hohlraums (1; 2) erhitzt wird, und wobei in einem zweiten Verfahrensschritt die Spannung (U) reduziert wird, woraufhin das Plasma (19) erlischt, so dass Elektrolyt (12) an die Oberfläche des Hohlraums (1; 2) gelangt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Spannung (U) eine Gleichspannung, eine Wechselspannung oder eine gepulste Gleichspannung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Energiezufuhr in die Oberfläche des Hohlraumes (1; 2) durch eine Regelung der Höhe der Spannung (U), das Puls/Pause-Verhältnis der Spannung (U), eine Strombegrenzung, eine Limitierung der Höhe der Spannungsamplitude, die Art des Elektrolyts (12) oder eine Regelung des Abstandes zwischen dem Werkzeug (17; 30) und dem Hohlraum (1; 2) gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (1; 2) während oder nach nach den beiden ersten Verfahrensschritten anschließend durch wenigstens einen weiteren Verfahrensschritt einer thermochemischen, einer thermischen oder einer elektrochemischen Behandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zusätze im Elektrolyt (12) vorgesehen sind, die während des ersten und des zweiten Verfahrensschritts Diffusionsvorgänge in die Oberfläche des Bauteils (5; 8), insbesondere ein Bornieren, Chromieren, Nitrieren oder Aufkohlen ermöglichen.
Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer Spannungsquelle (15), deren einer Pol mit einem Werkzeug (17; 30) und deren anderer Pol mit einem Bauteil (5; 8) oder einer Hilfselektrode (25) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (17; 30) stiftförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (30) wenigstens eine mit einer Elektrolytquelle verbundene Versorgungsleitung (31, 33) aufweist, die bei einer Anordnung des Werkzeugs (30) in dem Hohlraum (2) im Bereich des Hohlraums (2) des Bauteils (5; 8) mündet und diese mit Elektrolyt (12) versorgt.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein einen Speicher für das Elektrolyt (12) aufweisendes Element vorgesehen ist, das mit dem Bauteil (5) verbindbar ist, wobei der Hohlraum (1) des Bauteils (5) in Verbindung mit dem Speicher angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Werkzeug (17) zumindest teilweise aus Graphit besteht.