DD217738A1

DD217738A1 - Verfahren zum oberflaechenbehandeln von teilen

Info

Publication number: DD217738A1
Application number: DD25534583A
Authority: DD
Inventors: Peter Wiesner; Anh M Tuan
Original assignee: Ilmenau Tech Hochschule
Priority date: 1983-10-03
Filing date: 1983-10-03
Publication date: 1985-01-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflaechenbehandeln von Teilen mit dem Laserstrahl. Sie soll es ermoeglichen, beim Haerten und Umschmelzveredeln mit dem Laserstrahl hohe Abkuehlgeschwindigkeiten zu erreichen, um harte, verschleissfeste und korrosionsbestaendige Oberflaechen zu erzeugen. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass die an der Oberflaeche zu haertenden oder umzuschmelzenden Werkstuecke in einen Behaelter mit Wasser gelegt werden, so dass das Haerten und Umschmelzen mit dem Laserstrahl im Wasser erfolgt, wodurch die Waerme nicht nur in das Werkstueck, sondern nach allen Seiten in das Wasser abgefuehrt wird. Dadurch wird nicht nur eine hohe Abkuehlgeschwindigkeit erreicht, sondern gleichzeitig ein Schutz des Werkstueckes vor Oxidation und ein Schutz der Spiegel und Linsen vor Daempfen und Spritzern gewaehrleistet. Fig. 1

Description

Terfahren^zum öberflächenbehandein von Teilen Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Oberflächenbehandeln von Teilen mit dem Laserstrahl, wobei durch das Behandeln mit dem Laserstrahl harte, verschleißfeste und korrosionsbeständige Oberflächen erzeugt werden sollen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Ee ist bekannt, sowohl mit dem Laser-, als auch mit dem Elektronenstrahl Oberflächen von ¥ietallen zu härten oder urazuschmelzen (US-PS 4 304 978), Man nutzt bei diesen Verfahren die¹ Selbstabkühlung durch das Material, Durch den fokussierten Laser« oder Elektronenstrahl wird eine dünne Oberflächenschicht sehr schnell auf die technologisch notwendige Temperatur erhitzt. Aus dieser dünnen Zone wird die Wärme sehr schnell in das Material abgeführt. Dabei wird die zum Härten notwendige,Abkühlgeschwindigkeit erreicht* Sie liegt bei Stahl in der Größenordnung von 10 K/s, Das Härten erfolgt entweder punktweise oder durch linienförmigee Abrastern der Oberfläche, Das Härten kann aus der festen Phase oder über die Phasen fest-flUssig-fest vorgenommen werden. Wenn durch den Strahl die Oberfläche aufgeschmolzen wird, erfolgt durch das schnelle Aufschmelzen und Erstarren eine Ge-

fügeverbeseerung* Dieser Prozeß '-wird als Umschraelzveredeln bezeichnet (Z, Metall, 32 (1978) 6;, S. 549 - 554). Ba ist weiter bekannt, daß amorphe Metalle, auch metallische Gläser genannt, eine Reihe hervorragender Eigenschaften aufweisen. Sie besitzen eine hohe Permeabilität und eine kleine Koerzitivfeidstärke, geringe Umraagnetisierungeverluste, eine hohe Zugfestigkeit und einen niedrigen E-Modül sowie einen hohen elektrischen Widerstand und eine gute Korrosionsbeständigkeit (Z, Metall» 36 (1982) 7, S. 784 - 785). Metallische Gläser entstehen durch sehr schnelles Abkühlen aus der Schmelze. Es sind Abkühlgeschwindigkeiten über 10 K/e notwendig. Zur Herstellung sind spezielle Verfahren entwickelt worden. Als Werkstoff kommen Legierungen vom Typ ^sq^O ^{zur Anweiläun}&· Außerdem werden Legierungen auf Co-, Ni- oder NiFe-Baeis eingesetzt»

Bis jetzt kann man amorphe Metalle nur in Form von sehr dünnen Bändern herstellen Es ist aber wünschenswert, die amorphen Metalle als Schicht auf einem kompakten Grundkörper zu erhalten« Das Härten und Umschmelzveredeln mit dem Laserstrahl sind geeignete Verfahren zum Bearbeiten und Behandeln kleiner Teile und kleiner Flächen auf großen Werkstücken» Die genaue Dosierung der Energie, die Sauberkeit der Bearbeitung, die gute Steuerbarkeit des Prozesses sowie die definierte räumlich und zeitlich eingrenzbare Wirkung der Strahlen sind Vorteile, die besonders im Gerätebau zur Geltung kommen. Bei kleinen Teilen sind Jedoch die zur Wärmeableitung zur Verfugung stehenden Flächen sehr klein, Außerdem heizen sich die Teile schnell auf. Man gelangt bei kleinen Werkstücken mit geringer wardenden Abmessungen an eine Grenze, bei der die Abkühlgeschwindigkeit durch die Selbstabschreckung zum Hörten und umschmelzveredeln nicht mehr ausreicht.

Ein weiteres Problem, welches beim derzeitigen Stand der Technik das Anwenden des Laserhärtens einschränkt, sind Anlaßvorgänge, die hervorgerufen werden, wenn der Laserstrahl die nächste Spur neben der bereits gehärteten Spur zieht. Um die·» se Anlaßvorgänge auszuschalten, ist man zum punktweisen Härten übergegangen, wobei die Lage der Punkte entsprechend den Abkühlbedingungen durch komplizierte Steuerungen festgelegt wird.

Es ist weiter bekennt, .zwischen der Fokussierungslineie und dem Werkstück^:für den Laserstrahl durchlässige Medien anzuordnen (DE«-OS 27-'38 .16?₉ DD-PS 144 013)« Man bringt vor der Linse oder Ujber dem Werkstück Glasscheiben oder Kunststofffolien an₉ um,die.Linse top dem beim Bearbeiten entstehenden Spritzen ssu schützen« . , . - ' ..^{; ;;} '.

Is ist das .Ziel :d@r Erfindung, ein Verfahren au entwickeln, das die beschriebenen Nachteile, zu gering® Abkühlgeachwindigkeit bei kleinen Teilen mit geringer Masse ₉ Anlaßvorgänge durch nebeneinander liegende Spuren und au geringe AbkUhlgeschwinäigkeiten zum Erzeugen amorpher Metalle vermeidet und beim Oberflächenbehandeln mit Laserstrahlen genügend hohe Abkühlgeschwindigkeiten gewährleistet.

Der irfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches auch bei kleinen Teilen mit geringer Masse und kleinen wärmeableitenden Querschnitten beim pberflächenver» edein mit dem Laserstrahl hohe Abkühlgeschsdndigkeiten garan- -tiert» . ' .''. ' -

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch ,gelöst» daß die an der Oberfläche zu härtenden oder umzuschmelzenden Werkstücke in einen Behälter mit Wasser gelegt werden, so daß das Härten und Umschmelzen mit dem Laserstrahl im Wasser erfolgt, wodurch die Wärme nicht nur in das Werkstück, sondern nach allen Seiten in das Wasser abgeführt wird. Bei dem bis jetzt Üblichen Oberflächenhärten oder Umschmelzveredeln wird die Wärme hajlb» kugelförmig in das Innere des Werkstückes abgeführt» Die War» meabführung durch Konvektion und Strahlung ist gegenüber der Wärmeabführung durch Wärmeleitung vernachläesigbar gering» Luft hat »mit X= O₉OOO24 J/cm s K eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit· Die ,Wärmeübergangszahl von Metall zu Luft ist mit OC« 0,0018 J/cm s K ebenfalls sehr klein* Legt man das zu be-

arbeitende Werkstück in ein Wasserbad, dann wird die Wärme nicht nur in das Werkatückinnere, sondern auch nach oben abgeführt* Die Wärme breitet sich kugelförmig aus» Die Wärmeleitfähigkeit von Wassor und die WärmeÜbergangszahl Metall-Wasser liegen mit' = 0,006 J/cm s K und =* 0,21 J/cra² s K sehr viel höher als die angeführten Werte für Luft· Außerdem verhindert das Wasser durch seine große Wärmekapazität von 4,19 J/gK ein Aufheizen kleiner Werkstücke. Die Wärmekapazität von Stahl beträgt nur 0,46 J/gK.

Das Wärmebehandeln mit dem Laserstrahl kann unter der Wasseroberfläche erfolgen* Der Laserstrahl wird in seinen für das Härten und Umschmelzen wichtigen Eigenschaften beim Durchgang durch die Waseerschicht nicht wesentlich gestört· Das Wasser schützt gleichzeitig das Werkstück vor Oxydation und vor anderen Reaktionen mit den Gasen der Luft. Um unerwünschte Wirkungen zwischen dem Wasser und dem Werkstück zu vermeiden, können dem Wasser korroslonshemmende, passivierende oder benetzungsheramende Zusätze beigemischt werden. Wenn die Abkühlgeschwindigkeit nicht so hoch sein soll· kann man für den Laserstrahl durchlässiges öl verwenden und das Bearbeiten unter Öl durchführen.

Die Abkühlgeschwindigkeit beim Härten und Umsohmelζveredeln unter Wasser liegt in der Größenordnung von 10 K/s. Diese Abkühlgeschwindigkeit reicht aus, um mit diesem Verfahren amorphe Metallschichten auf kompakten Grundkörpern mit Hilfe des Laserstrahles zu erzeugen. Die zum Erzeugen des amorphen Zustandes geeigneten Legierungen werden vor dem Aufschmelzen mit dem Laserstrahl durch Diffusionsschweißen, Löten oder ein anderes geeignetes Verfahren auf dem Gründkörper aufgebracht,

Ausführun^sbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert werden.

Die dazugehörende Zeichnung zeigt eine Einrichtung zum linienförmigen Laserhärten und Umschmelzveredeln.

Der vom Resonator kommende .'Laserstrahl 1 wird durch die Linse 2 fokussiert· Er trifft auf den um die Achse 4 dreh- ' baren Spiegel 3. Von diesem Spiegel 3 gelangt der Laserstrahl 1 zu dem um die Achse 3 drehbaren Spiegel 5. Dieser Spiegel 5 lenkt den Laeerstrahl 1 auf das an der Oberfläche zu'härtende Werkstück 7» Die Länge dea Laserstrahles 1 zwischen der Linse 2 und dem Werkstück 7 ist so eingestellt, daß der Brennfleck des Laserstrahles 1 auf der Oberfläche des Werkstückes 7 liegt· Das Werkstück 7, welches auf einer Metaliunterlage 9 liegt, befindet sich in einem mit Wasser gefüllten Behälter 8_β Die beiden Spiegel 3 und 5 schwingen um die Achsen 4 und 6· Der Winkel beträgt nur wenige Grad» Durch die Bewegung der Spiegel 3 und 5 wird der Laserstrahl 1 in einer Linie über das Werkstück 7 geführt» Der Brennfleck bleibt dabei stets auf der Werkstückoberfläche." Infolge der hohen Leistungsdichte des Laserstrahles 1 wird die Oberfläche des Werkstückes 7 an der Auftreffstelle des Laserstrahles 1 in sehr kurzer Zelt auf die zum Härten oder Aufschmelaen notwendige Temperatur erwärmt· Wenn sich der Laserstrahl 1 weiterbewegt hat, kühlt sich die erwärmte oder aufgeschmolzene Stelle sofort ab. Die Abkühlung erfolgt sehr schnell, da die Wärme nicht nur in das Werkstück 7» sondern durch das Wasser nach allen Seiten abgeleitet wird· Dadurch ist die Abkühlgeschwindigkeit auch bei kleinen und dünnen Werkstücken sehr hoch. Außerdem wird ein Anlassen bereite gehärteter Bereiche vermieden.

Claims

Verfahren zum Oberflächenbehandeln von Teilen₉ insbesondere zum Oberflächenhärten und zum Umschmelzen von Oberflächen mit Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Oberfläche zu härtenden oder umzuschmel» zenden Werkstücke (7) in einen Behälter (8) mit Wasser (10) gelegt werden₉ so daß das Härten und Umschmelzen mit dem Laserstrahl (1) in Wasser (10) erfolgt·

Verfahren nach funkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke (7) an der Oberfläche mit einer Legierung beschichtet sind j die durch schnelles Abkühlen in den amorphen Zustand übergeht, daß die Legierung mit dem Laserstrahl (1) aufgeschmolzen wird, durch das sie umgebende Wasser (1) sehr schnell abkühlt und nach dem Erstarren eine Schicht amorphen Metalls auf dem Werkstück (7) bil«

3® Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser (10) korrosionshemmende, passivierende, benetzungs heramende oder andere Zusätze zugesetzt werden»

4e Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Flüssigkeit zur Wärmeableitung andere Flüssigkeiten., wie zum Beispiel Öl verwendet werden, um eine gesteuerte Abkühlgeschwindigkeit zu erreichen»

Hierzo .α. Seilen Zeichnungen