DD217738A1

DD217738A1 - PROCESS FOR SURFACE TREATMENT OF PARTS

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. 1The invention relates to a method for surface treatment of parts with the laser beam. It is intended to make it possible to achieve high cooling rates when hardening and remelting with the laser beam in order to produce hard, wear-resistant and corrosion-resistant surfaces. According to the invention, the object is achieved by placing the workpieces to be handled or remelted on the surface in a container with water, so that the hardening and remelting takes place with the laser beam in the water, as a result of which the heat is transferred not only into the work piece, but after all Sides drained into the water. As a result, not only a high Abkuehlgeschwindigkeit is achieved, but at the same time a protection of the workpiece against oxidation and a protection of the mirrors and lenses against tamping and splashes guaranteed. Fig. 1

Description

Terfahren^zum öberflächenbehandein von Teilen Anwendungsgebiet der Erfindung Retracts, ^ to öberflächenbehandein parts App un g s area de r invention

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.The invention relates to a method for surface treatment of parts with the laser beam, wherein hard, wear-resistant and corrosion-resistant surfaces are to be generated by the treatment with the laser beam.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenChara kteristik the known technical solutions

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-Ee is known ietallen with both the laser as well as with the electron beam surfaces of ¥ cure or urazuschmelzen (U.S. Patent 4,304,978), one uses in this process the ¹ self-cooling through the material by the focused laser "or Electron beam, a thin surface layer is heated very quickly to the technologically necessary temperature. From this thin zone, the heat is dissipated very quickly into the material. In the process, the cooling rate necessary for hardening is achieved. * For steel, it is of the order of 10 K / s. Hardening takes place either pointwise or by linear scanning of the surface. Hardening can take place from the solid phase or through the phases. be made firmly. When the surface is melted by the jet, the rapid melting and solidification results in a

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»blending * This process is referred to as recirculation refining (Z, Metall, 32 (1978) 6; 549-554). Ba is also known that amorphous metals, also called metallic glasses, have a number of excellent properties. They have a high permeability and a small coercive field strength, low Umraagnetisierungverluste, a high tensile strength and a low modulus E, as well as a high electrical resistance and good corrosion resistance (Z, Metall »36 (1982) 7, pp. 784-785). Metallic glasses are formed by very rapid cooling from the melt. Cooling speeds over 10 K / e are necessary. For the production of special processes have been developed. As a material, alloys of the type ^ sq ^ O are used ^{for the dewatering process.} · In addition, alloys on Co, Ni or NiFe-Baeis are used »

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.Up to now, amorphous metals can only be produced in the form of very thin bands. However, it is desirable to obtain the amorphous metals as a layer on a compact body. "Hardening and remelting with the laser beam are suitable methods for processing and treating small parts and small areas on large workpieces »The exact dosage of energy, the cleanliness of the machining process, the good controllability of the process as well as the defined spatial and temporal limited effect of the blasting are advantages that are particularly evident in device construction. For small parts, however, the surfaces available for heat dissipation are very small, in addition, the parts heat up quickly. For small workpieces with small warding dimensions, one reaches a limit at which the cooling rate due to the self-quenching for hearing and remelting is no longer sufficient.

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.Another problem which, in the current state of the art, limits the use of laser hardening, are start-up events that are caused when the laser beam pulls the next track next to the already hardened track. In order to eliminate these start-up operations, one has proceeded to point-hardening, whereby the position of the points is determined according to the cooling conditions by complicated controls.

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« . , . - ' ..^{; ;;} '.It is further confessed, .between the focusing line and the workpiece ^: to arrange permeable media for the laser beam (DE-OS 27-'38 .16? ₉ DD-PS 144 013) "In front of the lens or above the workpiece, glass panes or Plastic films at ₉ um, the.Linse top protect the resulting syringes ssu «. ,. - '.. ^{; ;;} '.

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.This is the object. The aim of this invention is to develop a process which avoids the disadvantages described, too low a cooling speed for small parts with low mass, ₉ tempering processes due to adjacent tracks and low cooling rates for producing amorphous metals and surface treatment Laser beams ensured sufficiently high cooling rates.

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» . ' .''. ' -The object of the invention is to provide a method which guarantees high cooling losses even in the case of small parts with low mass and small heat-dissipating cross-sections in the case of surface treatment with the laser beam. '.' '. '-

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-According to the invention, this object is achieved "that the surface to be cured or remelted workpieces are placed in a container of water, so that the hardening and remelting takes place with the laser beam in the water, whereby the heat not only in the workpiece, but after is discharged into the water on all sides. In the hitherto customary surface hardening or remelting, the heat is dissipated in a spherical manner into the interior of the workpiece. The dissipation of heat by convection and radiation is negligible compared with heat dissipation by heat conduction. "Air has" with X = O ₉ 00024 J / cm s K very low thermal conductivity · The heat transfer coefficient from metal to air is also very small with OC «0.0018 J / cm s K *

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.The heat is propagated in a spherical manner. "The thermal conductivity of water and the heat transfer coefficient of metal-water are '= 0.006 J / cm s K and = * 0.21 J / cra ² s K much higher than the listed values for air. In addition, the high heat capacity of 4.19 J / gK prevents water from heating up small workpieces. The heat capacity of steel is only 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.The heat treatment with the laser beam can take place under the water surface * The laser beam is not significantly disturbed in its properties for curing and remelting when passing through the Waseerschicht · The water also protects the workpiece from oxidation and other reactions with the gases of the air. In order to avoid undesirable effects between the water and the workpiece, corrosive, passivating or wetting ancillary additives can be added to the water. If you do not want the cooling rate to be so high you can use permeable oil for the laser beam and do the processing under oil.

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,The cooling rate during curing and Umsohmelζveredeln under water is of the order of 10 K / s. This cooling rate is sufficient to produce with this method amorphous metal layers on compact bodies by means of the laser beam. The alloys suitable for producing the amorphous state are applied to the green body by fusion welding, soldering or another suitable method before melting with the laser beam,

Ausführun^sbeispiel Ausführu n ^ SExample

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.

Die dazugehörende Zeichnung zeigt eine Einrichtung zum linienförmigen Laserhärten und Umschmelzveredeln.The accompanying drawing shows a device for linear laser hardening and remelting.

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.The laser beam 1 coming from the resonator is focused by the lens 2. It strikes the mirror 3 rotating about the axis 4. The laser beam 1 passes from this mirror 3 to the mirror 5 rotatable about the axis 3. This mirror 5 deflects the laser beam 1 onto the workpiece 7 to be hardened at the surface. The length of the laser beam 1 between the lens 2 and the workpiece 7 is set so that the focal spot of the laser beam 1 lies on the surface of the workpiece 7 , which lies on a metal pad 9, is located in a container filled with water 8 _β The two mirrors 3 and 5 oscillate about the axes 4 and 6 · The angle is only a few degrees »By the movement of the mirrors 3 and 5, the laser beam 1 in a line over the workpiece 7 »The focal spot always remains on the workpiece surface." Due to the high power density of the laser beam 1, the surface of the workpiece 7 at the Impact of the laser beam 1 in a very short tent heated to the temperature necessary for hardening or Aufschmelaen · When the laser beam 1 has moved further, the heated or molten point immediately cools down. The cooling takes place very quickly, since the heat is not only in the workpiece 7 »but derived by the water on all sides · Thus, the cooling rate is very high even for small and thin workpieces. In addition, tempering ready hardened areas is avoided.

Claims

A method for surface treatment of parts ₉ in particular for surface hardening and remelting of surfaces with laser beams, characterized in that on the surface to be hardened or umzuschmel "collapsing workpieces (7) in a container (8) are laid with water (10) ₉ so hardening and remelting with the laser beam (1) in water (10)

A method according to funkt 1, characterized in that the workpieces (7) are coated on the surface with an alloy which passes by rapid cooling in the amorphous state, that the alloy with the laser beam (1) is melted by the surrounding water (1) cools very quickly and after solidification a layer of amorphous metal on the workpiece (7) bil «

3® method according to item 1, characterized in that corrosion-inhibiting, passivating, wetting or other additives are added to the water (10) »

4e method according to item 1, characterized in that as liquid for heat dissipation other liquids., Such as oil are used to achieve a controlled cooling rate »

Hierzo .α. Ropes drawings