DE102013017883A1

DE102013017883A1 - Method for producing a press fit and composite material with press fit

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Publication number: DE102013017883A1
Application number: DE201310017883
Authority: DE
Inventors: Andreas Emmel
Original assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN AMBERG WEIDEN; Hochschule fur angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden
Current assignee: HOCHSCHULE fur ANGEWANDTE WISSENSCHAFTEN AMBERG WEIDEN; Hochschule fur angewandte Wissenschaften Amberg-Weiden
Priority date: 2013-10-26
Filing date: 2013-10-26
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Es werden ein Verfahren zur Herstellung eines Presssitzes (9) zwischen einem ersten Werkstück (1) und einem zweiten Werkstück (2) durch eine Volumenzunahme eines der Werkstücke (1, 2) sowie ein Materialverbund (10) aus einem ersten Werkstück (1) und aus einem zweiten Werkstück (2), die durch einen Presssitz (3) kraftschlüssig gefügt sind, angegeben. Zur Volumenzunahme wird die Umwandlung eines allotropen Werkstoffes (W) durch Abkühlung herangezogen.A method for producing a press fit (9) between a first workpiece (1) and a second workpiece (2) by an increase in volume of one of the workpieces (1, 2) and a composite material (10) of a first workpiece (1) and from a second workpiece (2), which are non-positively joined by a press fit (3) specified. To increase the volume, the conversion of an allotropic material (W) by cooling is used.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Presssitzes zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück durch eine Volumenzunahme eines der Werkstücke. Die Erfindung betrifft weiter einen Materialverbund aus einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück, die durch einen Presssitz kraftschlüssig gefügt sind.The invention relates to a method for producing a press fit between a first workpiece and a second workpiece by an increase in volume of one of the workpieces. The invention further relates to a composite material of a first workpiece and a second workpiece, which are positively joined by a press fit.

Bei einem Presssitz sind zwei toleranzbehaftete Werkstücke kraftschlüssig gefügt, wobei auch unter Einbeziehung ihrer jeweiligen Toleranzfelder in ihrer Bemaßung stets ein Übermaß vorliegt. Die Werkstücke sind mit einer sogenannten Press- oder Übermaßpassung gefertigt. Ist beispielsweise eine Welle in einer Bohrung mittels eines Presssitzes gefügt, so ist das Größtmaß der Bohrung in jedem Fall kleiner als das Kleinstmaß der Welle. Bei einem Presssitz sind die Werkstücke mit einer Materialverformung gefügt. Die resultierenden Eigenspannungen bleiben aufgrund der gegebenen Festigkeiten der für die Werkstücke verwendeten Materialien bestehen.In a press fit two tolerance-sensitive workpieces are non-positively joined, whereby even with the inclusion of their respective tolerance fields in their dimensioning is always an excess. The workpieces are manufactured with a so-called press or interference fit. If, for example, a shaft is joined in a bore by means of a press fit, then the largest dimension of the bore is smaller than the smallest dimension of the shaft in each case. In a press fit the workpieces are joined with a material deformation. The resulting residual stresses remain due to the given strengths of the materials used for the workpieces.

Mit einer Press- oder Übermaßpassung hergestellte Werkstücke können nicht oder nur mit einem hohen Kraftaufwand gefügt werden. Zur technischen Herstellung eines Presssitzes wird daher üblicherweise das Prinzip der Wärmeausdehnung eingesetzt. Dabei wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass sich Stoffe, insbesondere Legierungen, mit zunehmender Wärme ausdehnen. Wird beispielsweise ein äußeres Werkstück erhitzt, was zu seiner Ausdehnung führt, so kann es anschließend auf ein inneres, mit Übermaßpassung gefertigtes Werkstück gezogen werden. Nach dem Erkalten schrumpft das äußere Werkstück wieder und presst sich so dem inneren Werkstück auf. Die beiden Werkstücke bleiben über einen Presssitz kraftschlüssig miteinander verbunden. Dieses Verfahren wird Aufschrumpfen genannt. Das gegenteilige Verfahren ist das sogenannte Kalt- oder Eindehnen. Dabei wird eines der beiden Werkstücke, beispielsweise ein inneres, abgekühlt, wodurch es schrumpft. Nach dem Fügen der beiden Werkstücke dehnt sich das vorher abgekühlte Werkstück wieder aus, wodurch wiederum ein Presssitz der beiden Werkstücke zueinander entsteht. Beiden Verfahren ist gemeinsam, dass die zu verbindenden Werkstücke auf unterschiedliche Temperatur gebracht und in diesem Zustand miteinander gefügt werden müssen.Workpieces produced with a press or oversize fit can not be joined or only with great effort. For the technical production of a press fit, therefore, the principle of thermal expansion is usually used. This exploits the property that substances, in particular alloys, expand with increasing heat. If, for example, an external workpiece is heated, which leads to its expansion, it can then be drawn onto an inner workpiece manufactured with interference fit. After cooling, the outer workpiece shrinks again and thus presses on the inner workpiece. The two workpieces remain connected via a press fit non-positively. This process is called shrinking. The opposite procedure is the so-called cold or stretching. In the process, one of the two workpieces, for example an inner one, is cooled, as a result of which it shrinks. After joining the two workpieces, the previously cooled workpiece expands again, which in turn results in a press fit of the two workpieces to each other. Both methods have in common that the workpieces to be joined must be brought to different temperatures and joined together in this state.

Weiter ist es beispielsweise aus der US 6,019,960 A bekannt, das Formgedächtnis einer sogenannten Formgedächtnislegierung auszunutzen, um zwischen zwei Werkstücken einen Presssitz herzustellen. Dabei wird die grundlegende Eigenschaft von Formgedächtnislegierungen genutzt, beim Erwärmen unter Verrichtung von Arbeit in einen eingeprägten ursprünglichen Formzustand zurückzukehren. Gemäß der US 6,019, 960 A wird ein Pin im Zustand einer martensitischen Phase in eine Bohrung eingefügt. Durch Erwärmung kehrt der Pin in einen Zustand eines aufgeprägten größeren Volumens austenitischer Phase zurück. Beim Abkühlen verharrt der Pin aufgrund Hysterese im Zustand größeren Volumens in der austenitischen Phase. Die beiden Werkstücke sind durch einen Presssitz kraftschlüssig miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist eingeschränkt nur auf Formgedächtnislegierungen anzuwenden.Next it is for example from the US 6,019,960 A Known to exploit the shape memory of a so-called shape memory alloy to make a press fit between two workpieces. The fundamental property of shape memory alloys is used to return to an impressed original shape state upon heating while performing work. According to the US 6,019,960A a pin is inserted into a hole in the state of a martensitic phase. By heating, the pin returns to a state of an impressed larger volume of austenitic phase. Upon cooling, the pin remains in the austenitic phase due to hysteresis in the larger volume state. The two workpieces are non-positively connected by a press fit. This method is limited to apply only to shape memory alloys.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Presssitzes zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück anzugeben, welches technisch vergleichsweise einfach realisierbar und vielfältig einsetzbar ist. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen entsprechend hergestellten Materialverbund aus zwei Werkstücken anzugeben, die über einen derartigen Presssitz miteinander verbunden sind.The invention has for its object to provide a method for producing a press fit between a first workpiece and a second workpiece, which is technically relatively easy to implement and versatile. Furthermore, the invention has for its object to provide a correspondingly produced composite material of two workpieces, which are connected to each other via such a press fit.

Hinsichtlich des Verfahrens wird die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass zur Herstellung eines Presssitzes zwischen einem ersten Werkstück und einem zweiten Werkstück zur Volumenzunahme die Umwandlung eines allotropen Werkstoffes durch Abkühlung herangezogen wird.With regard to the method, the stated object is achieved according to the invention in that the conversion of an allotropic material by cooling is used to produce a press fit between a first workpiece and a second workpiece to increase the volume.

Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von der Überlegung aus, dass gerade bei Stahl, welcher der Hauptwerkstoff für technische Wellen, Achsen, Lager und sonstige beanspruchte Maschinenbauteile ist, der diffusionslose und allotrope Übergang aus einer Hochtemperaturphase, in der eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur vorliegt, in eine Niedertemperaturphase, in der eine tetragonal raumzentrierte Kristallstruktur vorliegt, zum Härten eingesetzt wird. Dieses Härten von Stahl durch Abkühlung bzw. durch Abschrecken ist seit Jahrtausenden bekannt. Im stabilen Gefüge der Niedertemperaturphase erhält Stahl durch den eingelagerten Kohlenstoff eine außerordentlich hohe Härte.The invention is based in a first step on the consideration that, especially in steel, which is the main material for technical waves, axles, bearings and other claimed machine components, the diffusionless and allotropic transition from a high-temperature phase in which a cubic face-centered crystal structure is present , is used in a low-temperature phase in which a tetragonal body-centered crystal structure is used for curing. This hardening of steel by cooling or by quenching has been known for millennia. In the stable microstructure of the low-temperature phase, steel receives extremely high hardness due to the embedded carbon.

In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass das Härten von Stahl mit einer Volumenzunahme verbunden ist. Die dichte, durch eine kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur definierte Hochtemperaturphase wird beim Abschrecken bzw. beim Härten diffusionslos in die weniger dichte, durch eine tetragonal raumzentrierte Kristallstruktur definierte Niedertemperaturphase überführt. Das gleiche Werkstück nimmt in der Niedertemperaturphase gegenüber der Hochtemperaturphase ein größeres Raumvolumen ein. Bei Stahl ist die Hochtemperaturphase als austenitische Phase bekannt. Die Niedertemperaturphase wird als martensitische Phase bezeichnet.In a second step, the invention recognizes that the hardening of steel is associated with an increase in volume. The dense, defined by a cubic face-centered crystal structure high-temperature phase is transferred during quenching or curing without diffusion into the less dense, defined by a tetragonal body-centered crystal structure low-temperature phase. The same workpiece occupies a larger volume of space in the low-temperature phase compared to the high-temperature phase. For steel, the high-temperature phase is known as the austenitic phase. The low temperature phase is called the martensitic phase.

In einem dritten Schritt schließlich erkennt die Erfindung, dass sich die Volumenzunahme bei der Umwandlung eines allotropen Werkstoffes aus einer Hochtemperaturphase in eine Niedertemperaturphase zur Herstellung eines Presssitzes zwischen zwei Werkstücken einsetzen lässt. Durch die aus der allotropen Gefügeumwandlung bei Abkühlung resultierende Volumenzunahme entstehen Eigenspannungen, die bei entsprechender Festigkeit des Werkstoffes dauerhaft im Werkstück verbleiben. Gerade bei Stahl ist die Niedertemperaturphase als solche, also die martensitische Phase, durch eine hohe Festigkeit und Härte gekennzeichnet. Die Volumenzunahme erfolgt ohne Energiezufuhr während des Abkühlprozesses. Nach allotroper Umwandlung einer Hochtemperaturphase in eine Niedertemperaturphase sind die beiden Werkstücke über einen Presssitz kraftschlüssig miteinander verbunden. Finally, in a third step, the invention recognizes that the volume increase in the conversion of an allotropic material from a high-temperature phase into a low-temperature phase can be used to produce a press fit between two workpieces. Due to the increase in volume resulting from the allotropic microstructure transformation on cooling, residual stresses arise, which remain permanently in the workpiece if the material has the required strength. Especially with steel, the low-temperature phase as such, ie the martensitic phase, is characterized by high strength and hardness. The volume increase takes place without energy supply during the cooling process. After allotropic transformation of a high-temperature phase into a low-temperature phase, the two workpieces are frictionally connected to one another via a press fit.

Die zur Herstellung des Presssitzes geeigneten Materialien brauchen kein Formgedächtnis aufzuweisen. Es wird lediglich die Volumenzunahme einer diffusionslosen, allotropen Umwandlung einer Hochtemperaturphase in eine Niedertemperaturphase ausgenutzt. Bei Stahl ist diese Volumenzunahme durch die Änderung einer kubisch flächenzentrierten in eine kubisch raumzentrierte bzw. bei Anwesenheit von Kohlenstoff in eine tetragonal raumzentrierte Kristallstruktur bedingt. Jedoch zeigen auch andere Materialien eine wenn auch geringe Volumenänderung beim allotropen Übergang von einer Kristallstruktur in eine andere. Beispiele hierfür sind Titan oder Kobalt. Komplexer sind die Umwandlungen bei Legierungen, da hier der Anteil der Legierungselemente die Umwandlungstemperatur, das Umwandlungsverhalten und die sich einstellenden Volumina stark beeinflussen. Grundsätzlich kann die Erfindung insofern eingesetzt werden für alle Materialien, die bei einer Abkühlung unter Volumenzunahme eine Umwandlung einer Hochtemperaturphase mit geringerem Volumen – im Fall des Stahls Austenit – in eine Niedertemperaturphase mit größerem Volumen – im Fall des Stahls Martensit – zeigen. Um beim Anwendungsfall Stahl zu bleiben, muss dabei nicht notwendigerweise die austenitische Phase vollständig in die martensitische Phase umgewandelt werden. Zur Ausbildung einer Volumenzunahme genügt es mithin, wenn lediglich ein Teil der austenitischen Phase durch Abkühlung oder Abschreckung in die martensitische Phase überführt wird. Die Niedertemperaturphase ist zweckmäßigerweise als eine Umgebungstemperaturphase gewählt, die bei den Betriebs- oder Einsatztemperaturen des durch Presssitz der Werkstücke hergestellten Materialverbunds stabil ist.The materials suitable for producing the interference fit do not need to have shape memory. Only the volume increase of a diffusionless, allotropic transformation of a high-temperature phase into a low-temperature phase is utilized. In steel, this increase in volume is due to the change of a cubic face-centered into a cubic body-centered or in the presence of carbon in a tetragonal body-centered crystal structure. However, other materials also show an albeit small volume change in the allotropic transition from one crystal structure to another. Examples include titanium or cobalt. More complex are the transformations in alloys, since here the proportion of alloying elements strongly influence the transformation temperature, the conversion behavior and the resulting volumes. In principle, the invention can be used in this respect for all materials that show a conversion of a high-temperature phase with a smaller volume - in the case of steel austenite - in a low-temperature phase with a larger volume - in the case of steel martensite - at a cooling with volume increase. In order to remain steel in the application, it is not necessary to convert the austenitic phase completely into the martensitic phase. Thus, to produce an increase in volume, it is sufficient if only part of the austenitic phase is converted into the martensitic phase by cooling or quenching. The low-temperature phase is expediently selected as an ambient temperature phase which is stable at the operating or operating temperatures of the composite material produced by press-fitting the workpieces.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird zur Volumenzunahme, wie im Falle von Stahl, die allotrope Umwandlung des Werkstoffes aus einer austenitischen Phase in eine martensitische Phase herangezogen.In a preferred embodiment, the volume increase, as in the case of steel, the allotropic transformation of the material from an austenitic phase into a martensitic phase used.

In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung umfasst das erste Werkstück einen martensitisch umwandelnden Stahl, welcher durch Erwärmung in eine Gefügestruktur mit überwiegend austenitischer Phase überführt wird, wobei zur Volumenzunahme der Stahl durch Abkühlung aus der Gefügestruktur mit überwiegend austenitischer Phase in eine Gefügestruktur mit überwiegend martensitischer Phase überführt wird. Dabei wird zum Einen Bezug darauf genommen, dass das zur Volumenzunahme behandelte Werkstück aus Stahl nicht notwendigerweise vollständig in die austenitische Phase überführt werden muss. Andererseits wird Bezug darauf genommen, dass abhängig von der Abkühlgeschwindigkeit und den Anteilen an Kohlenstoff und weiterer Legierungskomponenten die austenitische Phase auch nicht vollständig in die martensitische Phase überführt werden muss. Vorteilhaft ist es jedoch, das zu behandelnde Werkstück aus einem martensitisch umwandelnden Stahl vor dem Fügeprozess durch eine Wärmebehandlung in eine Gefügestruktur mit überwiegend austenitischer Phase überzuführen. Die Abkühlgeschwindigkeit, der Anteil an Kohlenstoff und/oder der Anteil an weiteren Legierungskomponenten sind vorteilhaft so aufeinander abgestimmt, dass das behandelte Werkstück am Ende des Fügeprozesses eine Gefügestruktur mit überwiegend martensitischer Phase zeigt.In a further advantageous embodiment, the first workpiece comprises a martensitic steel, which is converted by heating in a microstructure predominantly austenitic phase, wherein the volume increase of the steel is transferred by cooling from the microstructure predominantly austenitic phase in a microstructure predominantly martensitic phase , Reference is made on the one hand to the fact that the volume increase-treated steel workpiece does not necessarily have to be completely converted into the austenitic phase. On the other hand, reference is made to the fact that, depending on the cooling rate and the proportions of carbon and other alloying components, the austenitic phase does not have to be completely converted into the martensitic phase either. However, it is advantageous to convert the workpiece to be treated from a martensitic steel before the joining process by a heat treatment in a microstructure with predominantly austenitic phase. The cooling rate, the proportion of carbon and / or the proportion of further alloy components are advantageously coordinated so that the treated workpiece at the end of the joining process shows a microstructure predominantly martensitic phase.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist als martensitisch umwandelnder Stahl ein Stahl mit einem Kohlenstoffanteil zwischen 0,15 Gew.-% und 2,1 Gew.-%, vorzugsweise ein Vergütungs- oder Werkzeugstahl, gewählt. Ein derartiger Stahl weist eine zur Herstellung des Presssitzes genügende Umwandlung der austenitischen in die martensitische Phase auf. Ein Werkstück aus einem Vergütungsstahl zeigt zudem am Ende des Fügeprozesses die notwendige Festigkeit, um im Materialverbund die Eigenspannungen für den Presssitz in ausreichendem Maße aufrecht zu erhalten. Die üblichen Legierungskomponenten sind hierbei Nickel, Mangan, Chrom, Molybdän, Silizium, Niob und Titan. Auch können weitere Legierungskomponenten wie Phosphor und Schwefel beigemengt sein. Vergütungsstähle werden technisch bevorzugt für Kurbelwellen, Achsen, Wellen, Pleuelstangen und Bolzen sowie anderer Bauteile mit hoher Festigkeit eingesetzt.In an advantageous embodiment, a steel having a carbon content of between 0.15% by weight and 2.1% by weight, preferably a tempering or tool steel, is selected as martensitic steel. Such a steel has a transformation of the austenitic into the martensitic phase sufficient to produce the press fit. At the end of the joining process, a work piece made of a tempered steel also exhibits the necessary strength to sufficiently maintain the internal stresses in the composite material for the interference fit. The usual alloy components here are nickel, manganese, chromium, molybdenum, silicon, niobium and titanium. Also, other alloying components such as phosphorus and sulfur may be added. Heat-treated steels are technically preferred for crankshafts, axles, shafts, connecting rods and bolts, as well as other high strength components.

Vorteilhaft werden hoch legierte Stähle eingesetzt, bei denen der Gesamtanteil an zugesetzten Legierungskomponenten mehr als 5 Gew.-% beträgt. Die zugesetzten Legierungskomponenten wirken hierbei im Sinne der Erfindung doppelt vorteilhaft. Zum Einen bewirken sie eine gewünschte und ausreichende Härte und Festigkeit des gefügten Werkstückes. Zum Anderen wirken sie als Diffusionssperren, so dass der Abkühlprozess zum Erzielen des Übergangs der austenitischen Phase in die martensitische Phase verlangsamt durchgeführt werden kann. Dies ist besonders vorteilhaft für das Fügen von großvolumigen Werkstücken, wie z. B. von Turbinenwellen oder dergleichen, in deren Innerem sich eine rasche Abkühlung nur schwer erreichen lässt.Highly alloyed steels are advantageously used in which the total amount of alloying components added is more than 5% by weight. The added alloying components act here doubly advantageous in the sense of the invention. On the one hand, they bring about a desired and sufficient hardness and strength of the joined workpiece. On the other hand, they act as diffusion barriers, so that the cooling process to achieve the transition of the austenitic phase to the martensitic phase can be slowed down. This is particularly advantageous for the joining of large-volume workpieces, such. As turbine shafts or the like, in the interior of which a rapid cooling is difficult to achieve.

Die Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass lediglich eines der beiden Werkstücke eine Volumenzunahme beim Übergang der austenitischen Phase in die martensitische Phase zeigt. Es genügt grundsätzlich, dass beim Fügeprozess das eine Werkstück eine größere Volumenzunahme als das andere Werkstück erfährt.The invention is not restricted to the fact that only one of the two workpieces exhibits an increase in volume during the transition of the austenitic phase into the martensitic phase. It is sufficient in principle that in the joining process, the one workpiece undergoes a larger volume increase than the other workpiece.

In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst jedoch das zweite Werkstück einen phasenstabilen Werkstoff. In diesem Fall erfährt bei dem angegebenen Fügeverfahren lediglich das erste Werkstück durch Gefügeänderung die zum Presssitz notwendige Volumenzunahme. Das zweite Werkstück zeigt keine Phasenumwandlung und bleibt insofern gefügestabil. Als Fügepartner ist das zweite Werkstück dann lediglich so auszuwählen, dass es die notwendige Festigkeit aufweist, um den durch den Phasenübergang des ersten Werkstücks bedingten Eigenspannungen stand zu halten.In an advantageous embodiment, however, the second workpiece comprises a phase-stable material. In this case, learns in the specified joining method, only the first workpiece by structural change the volume increase necessary for press fit. The second workpiece shows no phase transformation and thus remains stable. As a joining partner, the second workpiece is then only to be selected such that it has the necessary strength to withstand the residual stresses caused by the phase transition of the first workpiece.

Ebenso wie das erste Werkstück ist auch das zweite Werkstück nicht auf ein Metall eingeschränkt. Insbesondere kann das zweite Werkstück auch als eine Keramik oder als ein Glas ausgebildet sein.Like the first workpiece, the second workpiece is not limited to a metal. In particular, the second workpiece may also be formed as a ceramic or as a glass.

Bevorzugt ist als phasenstabiler Werkstoff ein Stahl gewählt, in dem die austenitische Phase durch Legierungszusätze stabilisiert ist. Nach den bekannten sogenannten Schaeffler-Diagrammen kann durch Wahl und Anteil der entsprechenden Legierungskomponenten der Anteil an benötigter austenitischer Phase im abgekühlten Stahl stabilisiert werden. Für das zweite Werkstück ist hierbei ein Stahl zu bevorzugen, welcher im abgekühlten Zustand einen relativ geringen Anteil an Martensit aufweist und insofern während des Fügeprozesses kaum oder keine Volumenzunahme erfährt. Zweckmäßigerweise wird als phasenstabilisierter Stahl ein Vollaustentit gewählt, der im abgekühlten Zustand eine Gefügestruktur mit ausschließlich austenitischer Phase aufweist.Preferably, a steel is selected as the phase-stable material, in which the austenitic phase is stabilized by alloying additives. According to the known so-called Schaeffler diagrams, the proportion of required austenitic phase in the cooled steel can be stabilized by the choice and proportion of the corresponding alloy components. For the second workpiece in this case a steel is to be preferred, which has a relatively low proportion of martensite in the cooled state and insofar undergoes little or no volume increase during the joining process. Conveniently, as the phase-stabilized steel, a full aging element is selected which, when cooled, has a microstructure with exclusively austenitic phase.

Die Erfindung bietet insbesondere den großen Vorteil, dass das erste Werkstück und das zweite Werkstück bei einer Gleichtemperatur gefügt, gemeinsam erwärmt und anschließend zur Volumenzunahme unter Umwandlung der Hochtemperaturphase in die Niedertemperaturphase gemeinsam abgekühlt werden können. Dazu werden die beiden zu fügenden Werkstücke mit Untermaß oder Gleichmaß zueinander gefügt. Bei der anschließenden Erwärmung wird das Material zumindest eines der beiden Werkstücke in die Hochtemperaturphase, insbesondere also in die austenitische Phase, überführt. Anschließend werden die beiden Werkstücke gemeinsam abgekühlt oder abgeschreckt, so dass zumindest das Material oder der Werkstoff des einen der beiden Werkstücke eine allotrope Umwandlung der Hochtemperaturphase in die Niedertemperaturphase, insbesondere also in die martensitische Phase, zeigt, wodurch es zu einer Volumenzunahme des Werkstückes kommt. Nach dem Abkühlprozess sind die beiden Werkstücke durch einen Presssitz kraftschlüssig miteinander verbunden.In particular, the invention offers the great advantage that the first workpiece and the second workpiece can be joined at a common temperature, heated together and then cooled together to increase the volume while converting the high-temperature phase into the low-temperature phase. For this purpose, the two workpieces to be joined are joined together with undersize or even dimension. During the subsequent heating, the material of at least one of the two workpieces is transferred into the high-temperature phase, that is, in particular into the austenitic phase. Subsequently, the two workpieces are cooled or quenched together, so that at least the material or the material of one of the two workpieces an allotropic transformation of the high-temperature phase in the low-temperature phase, ie in particular in the martensitic phase shows, resulting in an increase in volume of the workpiece. After the cooling process, the two workpieces are non-positively connected by a press fit.

Die allotrope Umwandlung der Hochtemperaturphase in die Niedertemperaturphase geschieht diffusionslos. Ist die Abkühlgeschwindigkeit zu gering, so finden konkurrierende Diffusionsprozesse statt, die die Ausbildung der Niedertemperaturphase behindern. In Stahl kann es je nach Abkühlbedingungen zur Ausbildung von Mischphasen aus Austenit, Martensit, Ferrit, Zementit sowie weiterer Karbide oder Nitride kommen.The allotropic transformation of the high-temperature phase into the low-temperature phase occurs without diffusion. If the cooling rate is too low, competing diffusion processes take place which hinder the formation of the low-temperature phase. In steel, depending on the cooling conditions, mixed phases of austenite, martensite, ferrite, cementite and other carbides or nitrides may form.

Insbesondere an den Grenzflächen der zu fügenden Werkstücke kann es bei einem gemeinsamen Erwärmen und Härten ebenfalls zu Diffusionsprozessen kommen. Durch derartige Diffusionsprozesse können sich besonders die Materialeigenschaften und die Art der Gefügeausbildung im Hinblick auf das Erreichen eines Presssitzes negativ ändern. Beispielsweise können sich durch Diffusionsprozesse an der Grenzfläche die gewünschte Volumenzunahme beim Aushärten oder die gewünschte Festigkeit der Fügepartner verringern, so dass die Qualität des erreichten Presssitzes leidet.In particular, at the interfaces of the workpieces to be joined can also come to a common heating and curing to diffusion processes. Through such diffusion processes, in particular the material properties and the type of microstructure formation can change negatively with regard to achieving a press fit. For example, by diffusion processes at the interface, the desired volume increase during curing or the desired strength of the joining partners can be reduced, so that the quality of the achieved interference fit suffers.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist daher wenigstens auf einem der Werkstücke zumindest im Bereich des Presssitzes eine Diffusionssperrschicht aufgebracht. Eine derartige Diffusionssperrschicht behindert die vorgenannten Diffusionsprozesse, indem sie die Einwanderung von Fremdatomen aus dem einen Werkstück in das jeweils andere Werkstück blockiert. Als eine derartige Diffusionssperrschicht eignen sich beispielsweise ein Oxid und/oder ein Metall, welches im Material oder im Werkstoff der Werkstücke unlöslich ist. Im Falle von Stahl kann die Diffusionssperrschicht beispielsweise Kupfer oder ein Aluminiumoxid umfassen. Derartige Diffusionssperrschichten können insbesondere mittels chemischer oder physikalischer Gasabscheideprozesse auf der Oberfläche der Werkstücke erzeugt werden.In a preferred embodiment of the invention, therefore, a diffusion barrier layer is applied at least on one of the workpieces at least in the region of the press fit. Such a diffusion barrier layer obstructs the aforementioned diffusion processes by blocking the migration of foreign atoms from one workpiece into the other workpiece. As such a diffusion barrier layer are, for example, an oxide and / or a metal which is insoluble in the material or in the material of the workpieces. For example, in the case of steel, the diffusion barrier layer may comprise copper or an aluminum oxide. Such diffusion barrier layers can be produced in particular by means of chemical or physical gas deposition processes on the surface of the workpieces.

Hinsichtlich des Materialverbundes wird die eingangs genannte Aufgabe erfindungsgemäß für ein erstes Werkstück und ein zweites Werkstück, die durch einen Presssitz kraftschlüssig gefügt sind, dadurch gelöst, dass die Presspassung gemäß dem vorbeschriebenen Verfahren hergestellt ist.With regard to the composite material, the object mentioned in the introduction is achieved according to the invention for a first workpiece and a second workpiece, which are positively joined by a press fit, in that the press fit is produced according to the method described above.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich hierzu in den auf einen Materialverbund gerichteten Unteransprüchen. Die für das Verfahren genannten Vorteile können hierbei sinngemäß auf den Materialverbund übertragen werden.Further advantageous embodiments can be found in the on a composite material directed subclaims. The advantages mentioned for the method can be transferred analogously to the composite material.

Im Falle des Einsatzes von Stahl beträgt im Materialverbund vorteilhafterweise der Anteil an martensitischer Phase im Stahl des ersten Werkstücks und der Anteil an austenitischer Phase im Stahl des zweiten Werkstücks jeweils zwischen 70% und 100%. Im Bereich des Presssitzes ist das zweite Werkstück vom ersten Werkstück bevorzugt zumindest teilweise durchdrungen.In the case of the use of steel in the composite material advantageously the proportion of martensitic phase in the steel of the first workpiece and the proportion of austenitic phase in the steel of the second workpiece each between 70% and 100%. In the region of the press fit, the second workpiece is preferably at least partially penetrated by the first workpiece.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige 1 schematisch die Herstellung eines Presssitzes 9 zwischen einem ersten Werkstück 1 und einem zweiten Werkstück 2, wobei eine Volumenzunahme des ersten Werkstücks 1 mittels Umwandlung einer austenitischen Phase (A) in eine martensitische Phase (M) erfolgt.An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. The only one shows 1 schematically the production of a press fit 9 between a first workpiece 1 and a second workpiece 2 , wherein an increase in volume of the first workpiece 1 by conversion of an austenitic phase (A) into a martensitic phase (M).

Das erste Werkstück 1 ist als eine Welle aus einem martensitisch umwandelnden Vergütungsstahl C35 mit einem Anteil von 0,35 Gew.-% Kohlenstoff, weniger als 0,44 Gew.-% Silizium, 0,65 Gew.-% Mangan, weniger als 0,045 Gew.-% Phosphor, weniger als 0,045 Gew.-% Schwefel, weniger als 0,4 Gew.-% Chrom, weniger als 0,1 Gew.-% Molybdän und 0,4 Gew.-% Nickel hergestellt. Das erste Werkstück 1 ist damit aus einem allotropen Werkstoff (W) gefertigt. Das zweite Werkstück 2 liegt als eine Hülse vor und ist aus einem vollaustenitischen Stahl 1.4452 (P2000) mit einem Anteil an 16,0–20,0 Gew.-% Chrom, 12,0–16,0 Gew.-% Mangan, 2,5–4,2 Gew.-% Molybdän und 0,75–1,0 Gew.-% Stickstoff gefertigt. Am Innenumfang des zweiten Werkstücks 2 ist eine Diffusionssperrschicht 3 aus Kupfer oder aus Aluminiumoxid aufgebracht.The first workpiece 1 is a martensitic conversion C35 steel shaft containing 0.35% by weight of carbon, less than 0.44% by weight of silicon, 0.65% by weight of manganese, less than 0.045% by weight. Phosphorus, less than 0.045 wt% sulfur, less than 0.4 wt% chromium, less than 0.1 wt% molybdenum, and 0.4 wt% nickel. The first workpiece 1 is thus made of an allotropic material (W). The second workpiece 2 is present as a sleeve and is made of a fully austenitic steel 1.4452 (P2000) containing 16.0-20.0% by weight of chromium, 12.0-16.0% by weight of manganese, 2.5-4 , 2% by weight of molybdenum and 0.75-1.0% by weight of nitrogen. On the inner circumference of the second workpiece 2 is a diffusion barrier layer 3 made of copper or alumina.

Das Werkstück 1 liegt vor dem Fügeprozess in einer Ferrit-Perlit-Struktur (P) vor. Das zweite Werkstück 2 zeigt ein Gefüge mit austenitischer Phase (A). Der Außendurchmesser des ersten Werkstücks 1 und der Innendurchmesser des zweiten Werkstücks 2 sind mit Gleichmaß gefertigt. Durch einen kraftlosen Fügeprozess 4 werden das erste Werkstück 1 und das zweite Werkstück 2 bei Normaltemperatur ineinander zu einem losen Materialverbund 5 gesteckt.The workpiece 1 is present before the joining process in a ferrite-pearlite structure (P). The second workpiece 2 shows a structure with austenitic phase (A). The outer diameter of the first workpiece 1 and the inner diameter of the second workpiece 2 are made with regularity. Through a powerless joining process 4 become the first workpiece 1 and the second workpiece 2 at normal temperature into each other to a loose composite material 5 plugged.

Anschließend wird der lose Materialverbund 5 durch eine Wärmebehandlung 6 gemeinsam auf eine Temperatur von 900°C erhitzt. Dabei wird das Material des ersten Werkstücks 1 vollständig austenisiert. Am Ende der Wärmebehandlung 6 liegt das erste Werkstück 1 in einer Gefügestruktur mit austenitischer Phase A vor. Die Gefügestruktur des zweiten Werkstücks 2 ändert sich nicht.Subsequently, the loose material composite 5 through a heat treatment 6 heated together to a temperature of 900 ° C. In this case, the material of the first workpiece 1 completely austenized. At the end of the heat treatment 6 lies the first workpiece 1 in a microstructure with austenitic phase A. The microstructure of the second workpiece 2 does not change.

Anschließend wird der Materialverbund 5 durch eine Abschreckung 7 in Wasser rasch abgekühlt. Dabei wandelt sich die martensitische Phase A des ersten Werkstücks 1 diffusionslos in eine martensitische Phase M um. Durch die Änderung des Gefüges von einer kubisch flächenzentrierten in eine tetragonal raumzentrierte Kristallstruktur resultiert eine Volumenzunahme.Subsequently, the composite material 5 by a deterrent 7 cooled rapidly in water. In this case, the martensitic phase A of the first workpiece changes 1 diffusionless into a martensitic phase M um. Changing the microstructure from a cubic face-centered to a tetragonal body-centered crystal structure results in an increase in volume.

Nach einer metallographischen Endbehandlung 8 ist das erste Werkstück 1 in einer Gefügestruktur mit martensitischer Phase M durch einen Presssitz 9 kraftschlüssig mit dem zweiten Werkstück 2 in einer Gefügestruktur mit austenitischer Phase A verbunden. Es resultiert ein dauerhaft fester Materialverbund 10 zwischen dem ersten Werkstück 1 und dem zweiten Werkstück 2.After a metallographic finish 8th is the first workpiece 1 in a microstructure with martensitic phase M through a press fit 9 non-positively with the second workpiece 2 connected in a microstructure with austenitic phase A. The result is a permanently solid composite material 10 between the first workpiece 1 and the second workpiece 2 ,

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11: erstes Werkstückfirst workpiece
22: zweites Werkstücksecond workpiece
33: DiffusionssperrschichtDiffusion barrier layer
44: loses Fügenloose joining
55: Materialverbund, loseMaterial composite, loose
66: ErwärmenHeat
77: Abkühlen, AbschreckenCooling, quenching
88th: EndbehandlungFinal treatment
99: Presssitzpress fit
1010: Materialverbund, festComposite material, solid
AA: austenitische Phaseaustenitic phase
MM: martensitische Phasemartensitic phase
PP: Perlitperlite
WW: Werkstoffmaterial

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 6019960 A [0004, 0004]

Claims

Method for producing a press fit ( 9 ) between a first workpiece ( 1 ) and a second workpiece ( 2 ) by an increase in volume of one of the workpieces ( 1 . 2 ), characterized in that the volume increase, the conversion of an allotropic material (W) is used by cooling.

A method according to claim 1, characterized in that the volume increase, the conversion of the material (W) from an austenitic phase (A) in a martensitic phase (M) is used.

Method according to claim 2, characterized in that the first workpiece ( 1 ) is a martensitic transforming steel, which is converted by heating in a microstructure of predominantly austenitic phase (A), wherein the increase in volume of the steel by cooling from the microstructure of predominantly austenitic phase (A) in a microstructure with predominantly martensitic phase (M) is transferred.

A method according to claim 3, characterized in that as martensitic converting steel, a steel having a carbon content of between 0.15 wt .-% and 2.1 wt .-%, preferably tempering or tool steel, is selected.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that a high-alloy steel is selected as the martensitic converting steel.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the second workpiece ( 2 ) comprises a phase-stable material.

A method according to claim 5, characterized in that a steel is selected as the phase-stable material, in which the austenitic phase (A) is stabilized by alloying additives.

A method according to claim 7, characterized in that a full austenite is selected as the phase-stabilized steel.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the first workpiece ( 1 ) and the second workpiece ( 2 ) are added at a temperature equal, heated together and then cooled together to increase the volume while converting the allotropic material together.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that on at least one of the workpieces ( 1 . 2 ) at least in the region of the interference fit ( 9 ) a diffusion barrier layer ( 3 ) is applied.

Method according to claim 10, characterized in that the diffusion barrier layer ( 3 ) comprises an oxide and / or a metal, which in the material of the workpiece ( 1 . 2 ) is insoluble.

Composite material ( 10 ) from a first workpiece ( 1 ) and a second workpiece ( 2 ), which by a press fit ( 3 ) are frictionally joined, characterized in that the press fit ( 3 ) is produced by a method according to one of the preceding claims.

Composite material ( 10 ) according to claim 12, characterized in that the first workpiece ( 1 ) Comprises steel with a predominantly martensitic phase (M) having microstructure, and that the second workpiece ( 2 ) Comprises steel having a predominantly austenitic phase (A) having microstructure.

Composite material ( 10 ) according to claim 13, characterized in that the proportion of martensitic phase (M) in the steel of the first workpiece ( 1 ) and the proportion of austenitic phase (A) in the steel of the second workpiece ( 2 ) are each between 70% and 100%.

Composite material ( 10 ) according to one of claims 12 or 14, characterized in that the second workpiece ( 2 ) from the first workpiece ( 1 ) is at least partially penetrated.

Composite material ( 10 ) according to one of claims 12 to 15, characterized in that between the first workpiece ( 1 ) and the second workpiece ( 2 ) at least in the region of the interference fit ( 9 ) a diffusion barrier layer ( 3 ) is arranged.