DD220340A1

DD220340A1 - METHOD FOR COMBINED SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIALS

Info

Publication number: DD220340A1
Application number: DD25895583A
Authority: DD
Inventors: Rolf Zenker; Ursula Zenker; Hans-Joerg Hunger; Bernd Laemmel; Thomas Koehler; Manfred Hein
Original assignee: Karl Marx Stadt Tech Hochschul
Priority date: 1983-12-30
Filing date: 1983-12-30
Publication date: 1985-03-27

Abstract

DIE ERFINDUNG BETRIFFT EIN VERFAHREN ZUR KOMBINIERTEN OBERFLAECHENBEHANDLUNG METALLISCHER WERKSTOFFE MIT DEM ZIEL, BAUTEILE UND WERKZEUGE VORWIEGEND AUS STAHL MIT VERBESSERTEN MECHANISCHEN EIGENSCHAFTEN DER OBERFLAECHE BZW. EINES OBERFLAECHENNAHEN BEREICHES HERZUSTELLEN UND FINDET ANWENDUNG IN ER METALLVERARBEITENDEN INDUSTRIE, VORWIEGEND IM MASCHINENBAU, FAHRZEUGBAU UND IN DER WERKZEUGINDUSTRIE. ERFINDUNGSGEMAESS WIRD EINE THERMOCHEMISCHE BEHANDLUNG, DIE IN DER RANDZONE DIE ANREICHERUNG DES GRUNDWERKSTOFFES MIT C UND/ODER N UND GEGEBENENFALLS MIT WEITEREN ELEMENTEN ZUR FOLGE HAT, MIT EINER NACHFOLGENDEN LASERBEHANDLUNG, DIE STRUKTURELLE UND/ODER GEFUEGEAENDERUNGEN IN EINEM BESTIMMTEN BEREICH DES THERMOCHEMISCH BEEINFLUSSTEN GRUNDSTOFFES HERBEIFUEHRT, KOMBIMIERT, SO DASS DIE GEWUENSCHTEN EIGENSCHAFTSAENDERUNGEN ERREICHT WERDEN.The invention relates to a method for the combined surface treatment of metallic materials with the aim of producing components and tools predominantly made of steel with improved mechanical properties of the surface or the like. A SURFACE FINISHED AREA AND APPLIES TO THE METAL-PROCESSING INDUSTRY, PRESENT IN MACHINERY, VEHICLES AND TOOLING INDUSTRY. A THERMOCHEMICAL TREATMENT, WHICH IN THE EDGING ZONE CONTAINS THE ENRICHMENT OF THE BASE MATERIAL WITH C AND / OR N AND, WHERE APPROPRIATE, WITH FURTHER ELEMENTS, WILL, ACCORDING TO THE INVENTION, BE FOLLOWED BY SUBSEQUENT LASER TREATMENT CREATING STRUCTURAL AND / OR FEED CHANGES IN A SPECIFIC AREA OF THE THERMOCHEMICALLY INFLUENCED BASE. COMBINED THAT THE DESIRED PROPERTY CHANGES WILL BE REACHED.

Description

Verfahren zur kombinierten Oberflächenbehandlung metallischer WerkstoffeProcess for the combined surface treatment of metallic materials

Anwendungsgebiete der ErfindungFields of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur kombinierten Oberflächenbehandlung metallischer Werkstoffe. Die Anwendung des Verfahrens bezieht sich vorwiegend auf Bauteile und Werkzeuge aus Stahl,.an die erhöhte Anforderungen vorrangig an die mechanischen Eigenschaften gestellt werden. Das betrifft Anwendungsgebiete in der metallverarbeitenden Industrie, vorzugsweise im Maschinenbau, im Fahrzeugbau und in der Werkzeugindustrie.The invention relates to a method for the combined surface treatment of metallic materials. The application of the method mainly refers to components and tools made of steel, to which increased demands are placed primarily on the mechanical properties. This applies to applications in the metalworking industry, preferably in mechanical engineering, in vehicle construction and in the tool industry.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der 'Oberr fläche bzw. eines oberflächennahen Bereiches von Bauteilen und Werkzeugen ist es einerseits üblich, durch thermochemische Wärmebehandlungsverfahren den Grundwerkstoff bis in eine gewünschte Tiefe mit Diffusionselementen anzureichern bzw. bestimmte Verbindungsschichten zu erzeugen, andererseits wird die angestrebte Eigenschaftsverbesserung ₍ durch verschiedene Varianten einer thermischen Oberflächenwärmebehandlung realisiert, wobei mit verschiedenen Erwärmungsverfahren, u.a. Laser gearbeitet wird.To improve the mechanical properties of the Oberr surface or a near-surface region of components and tools, it is on the one hand by thermo-chemical heat treatment process enrich the base material to a desired depth with diffusion elements or to produce certain connecting layers, on the other hand, the desired property improvement ₍ by realized different variants of a thermal surface heat treatment, being used with various heating methods, including laser.

Es sind außerdem auch Lösungen bekannt, die eine Kombination spezieller Behandlungsvarianten ttiermochemischerund thermischer Oberflächenwärmebehandlungsyerfahren vorsehen.There are also known solutions which provide a combination of special treatment variants of animal chemical and thermal surface heat treatment methods.

In Verbindung mit der Anwendung von Lasern wurden diesbezüglich verschiedene Methoden entwickelt♦ Einige der möglichen Verfahren bestehen darin, daß eine Oberfläche mit bestimmten Elementen oder Verbindungen in Form von Pulvern oder Pasten belegt und dann einem 'Laserstrahl ausgesetzt wird. Durch Aufschmelzen einer dünnen Oberflächenzone gelingt es, spezielle Schichten zu erzeugen, auch solche, die auf anderem Wege nicht möglich sind· Dabei handelt es sich def ini tiönsgemäß nicht um kombinier te Wärmebehartdlungsverfahren* .λ'.:¹'-. _:.,-'.' · ' . ' , ':· ·' ^. ..·. \ ; .,';''--^- ''' ·' :; Die DE-PS 3112460 sieht ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers sowie die Anwendung dieses Verfahrens vor, bei dem eine Oberflächthschicht von mindestens zwei verschiedenen Boriden, Karbiden, Nitriden und/oder Oxiden der Elemente Al, Si, Ti, Zr, Hf₁ Ta, Nb und/oder W mittels CVD-Verfahren auf eine durch Laser periodisch thermisch aktivierten Oberflache aufgebracht wird.Wesentlich für diese Lösung ist, daß sich der Verbundkörper in einem reaktiven Gasgemisch, das die zur Bildung der gewünschten Oberflächenschicht erforderliphen Komponenten enthält, während der Laserstrahl einwirkt.Hauptziel dieser vVrfahrenskombination ist somit* die Aktivierung der Oberfläche und damit einmal die Erhöhung der Äbscheidungsrate und andererseits ' die Abscheidung von beliebigen .kombinationen':' von Boridenc, Karbiden, Nitriden und/oder Oxiden der angegebenen Elemerite zu ermöglichen j die unter könventioneilen Bedingungen äua thermodynaraisehen csründen nicht immer realisierbar¹ ist. Nachtei 1 der pE-PS 3112460 ist v.ö.r: allem der hohe apparative Äu'fwand, der sich aus der kopplung der beschriebenen CVD'- und Laser-Anlagen ergibt. ;Various methods have been developed in connection with the use of lasers ♦ Some of the possible methods consist of covering a surface with certain elements or compounds in the form of powders or pastes and then exposing it to a laser beam . By melting a thin surface zone, it is possible to produce special layers, even those which are not possible in other ways. These are not, according to their merits, combined heat treatment processes * .λ ': ¹ ' -. _: ., - '.' · '. ',': · · '^. .. ·. \; ., ';''- ^ -''' · ':; DE-PS 3112460 provides a method for producing a composite body and the application of this method, in which a Oberflächthschicht of at least two different borides, carbides, nitrides and / or oxides of the elements Al, Si, Ti, Zr, Hf ₁ Ta, Nb and / or W is CVD applied to a laser-periodically thermally activated surface. Essential to this approach is that the composite act in a reactive gas mixture containing the components necessary to form the desired surface layer while the laser beam is being applied The main goal of this process combination is thus to enable the activation of the surface and thus once the rate of deposition and, on the other hand, the deposition of any combinations of borides c, carbides, nitrides and / or oxides of the specified elemerites Conditions are not always realizable bar is ¹ . Nachtei 1 of the pE-PS 3112460 is v.ö.r: all the high apparatus Äu'fwand, resulting from the coupling of the described CVD'- and laser systems. ;

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, Bauteile und Werkzeuge vorwiegend aus Stahl, unabhängig vom Vorbehandluhgszustand herzustellen, an die erhöhte Anforderungen -besonders an die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche bzw. eines oberflächennahen Bereiches, wie Härte, Festigkeit und Verschleiß gestellt werden· Gleichzeitig soll die Energieausbeute des Lasers erhöht werden.The aim of the invention is to produce components and tools primarily made of steel, regardless of Vorbehandluhgszustand, to the increased demands - especially on the mechanical properties of the surface or a near-surface area, such as hardness, strength and wear are provided · At the same time the energy yield of Lasers be increased.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technischtechnologisch vorteilhaftes Verfahren zu entwickeln, mit dem durch zielgerichtete Veränderung strukturelle und/oder Gefügeänderungen der Oberfläche bzw. eines oberflächennahen Bereiches von Bauteilen und Werkzeugen vorwiegend aus Stahl die mechanischen Eigenschaften des beeinflußten Bereiches, wie Härten Festigkeit und Verschleiß verbessert werden und ein günstigerer Härtegradient von der Oberfläche zum Kern eingestellt wird.The invention has for its object to develop a technically advantageous method with which by targeted modification structural and / or structural changes of the surface or a near-surface region of components and tools mainly steel, the mechanical properties of the affected area, such as hardening strength and wear be improved and a more favorable hardness gradient is set from the surface to the core.

Erfindungsgetaäß wird die Aufgabe unter Verwendung an sich bekannter Wärmebehandlungsverfahren dadurch gelöst, das in einem ersten Schritt der Grundwerkstoff thermochemisch bis in eine bestimmte Tiefe mit C und/oder N und gegebenenfalls auch mit weiteren Elementen angereichert wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der so behandelte Grundwerkstoff in einem definierten Bereich mit einem Laser thermisch oberflächenbehandelt. Die Wahl der Parameter bei der Laserbehandlung erfolgt dabei so, daß es im beeinflußten Bereich infolge von Umwandlungsvorgängen zu strukturellen und/oder Qefügeänderungen komjmtj ohne oder mit nur geringfügigen Aufschmelzungen an der Oberfläche, die die gewünschten Eigenschaftsänderungen zur Folge haben,According to the invention, the object is achieved by using heat treatment methods known per se, which in a first step thermochemically enriches the base material to a certain depth with C and / or N and optionally also with further elements. In a second process step, the base material thus treated is thermally surface-treated in a defined region with a laser. The choice of parameters in the laser treatment is carried out so that it in the affected area as a result of conversion processes to structural and / or Qefügeänderungen komjmtj without or with only minor melting on the surface, which have the desired property changes result

Wesentlich bei der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination ist es, daß die Einwirkungsdauer des Lasers unter Beachtung spezifischer Parameter so gewählt ist, daß die Konzentration an C und/oder N im beeinflußten Bereich nicht oder nur unwesentlich beeinflußt wird, andererseits aber die gewünschten Struktur- und/oder Gefügeänderungen möglich sind. Durch Veränderungen der Art des verwendeten Lasers und Variation der Verfahrensparameter können die Fläche des laserbeeinflußten Bereiches und die Einwirkungstiefe entsprechend den Anforderungen an das Bauteil bzw« Werkzeug innerhalb physikalisch und technisch möglicher Grenzen variiert werden, wobei die Einwirkungstiefe den im Ergebnis der kombinierten Behandlung erzielten Hartegradienten bestimmt. Die Laserbehandlung kann auch unter Schutzgas durchgeführt werden.It is essential in the process combination according to the invention that the exposure time of the laser is selected taking into account specific parameters so that the concentration of C and / or N in the affected area is not or only slightly affected, but on the other hand, the desired structural and / or microstructural changes possible are. By changing the type of laser used and varying the process parameters, the area of the laser-affected area and the depth of action can be varied within physically and technically possible limits according to the requirements of the component or tool, the depth of action determining the hardness gradient achieved as a result of the combined treatment , The laser treatment can also be carried out under protective gas.

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeisp.iel anhand einer Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung die Härte HV in Abhängigkeit vom Abstand von der Oberfläche a\,_y wobei von einer gleichen Tiefe a* der laserbeeiriflußten Zone ausgegangen wurde. ν ;The invention will be explained below with reference to a Ausführungsbeisp.iel reference to a drawing. The drawing shows, in a schematic representation, the hardness HV as a function of the distance from the surface a 1, _y starting from an equal depth a * of the laser-infiltrated zone. ν;

Proben der Stähle C 45 und 50CrV4 im normalgeglühten Zustand wurden bei 843 Kl bis 4h unter Verwendung von Ammoniak und Stadtgas (5:1) gaskarbonitriert. Die Tiefe der therniochemisch beeinflußten Zone beträgt danach etwa 0,5 mm. Üie nachfolgende Laserbehandlung erfolgte mit Hilfe eines kontinuierlich arbeitenden Nd:YAG-Lasers mit defokussier ten^ Strahl .Die Breite der Läserspur beträgt 0.07 - 0/09 mm, die Tiefe d&f laserbeeinflußten Zone etwa 0,02 mm/ Zum Vergleich wurden Proben im normalgeglühten und vergüteten Zustand ohne tberrmochemische Be- Handlung laserbehandelt. ; ^ ^ ; . ; ; ,'Samples of steels C 45 and 50CrV4 in normalized condition were gas carbonitrided at 843K for 4 hours using ammonia and town gas (5: 1). The depth of the therniochemically affected zone is then about 0.5 mm. Üie subsequent laser treatment was carried out by means of a continuously operating Nd: YAG laser with beam defocusing th ^ .The width of the Läserspur is 0:07 - 0/09 mm, the depth d f laserbeeinflußten zone is about 0.02 mm / For comparison, samples were normalized and tempered state without tberrmochemische treatment laser-treated. ; ^ ^; , ; ; '

Im normalgeglühten Zustand A ergaben sich infolge Laserbehandlung Gefügeänderungen, die in weiten Bereichen schwankende Härtewerte zur Folge haben. Während die niedrigsten gemessenen Werte in der laserbeeinflußten Zone den Härtewerten des Kerns entsprachen (300 HV 0,01), konnten Spitzenwerte im Bereich um bzw· etwas über 1000 HV 0,01 ermittelt werden.In normalized condition A, microstructural changes resulted as a result of laser treatment, which resulted in fluctuating hardness values in many areas. While the lowest measured values in the laser-affected zone corresponded to the hardness values of the core (300 HV 0.01), peak values in the range around or slightly above 1000 HV 0.01 could be determined.

Eine Laserbehandlung an konventionell vergüteten Proben B hatte Härteänderungen zur Folge, bei der sich Werte um 975 HV 0,01 mit nur geringfügigen Schwankungen um diesen Wert einstellten. _; Laser treatment on conventionally annealed samples B resulted in hardness changes, with values around 975 HV 0.01 with only minor fluctuations around this value. _;

Die Kurve C zeigt den Härte-Tiefe-Verlauf einer thermo-/ chemisch behandelten Probe. Die erreichten Maximalwerte der Härte lagen hier bei etwa 825 HV 0,01. ,Curve C shows the hardness-depth profile of a thermo / chemically treated sample. The maximum hardness values achieved here were about 825 HV 0.01. .

Durch eine der Erfindungsbeschreibung gemäße nachfolgende Laserbehandlung an thermochemisch behandelten Proben D unter den o.g. Bedingungen konnten Härtewertei die über 1000 HV 0,01 lagen, erreicht werden.By following the description of the invention according to subsequent laser treatment of thermochemically treated samples D under the o.g. Conditions were hardness values that were over 1000 HV 0.01, can be achieved.

Damit ergeben sich durch die erfindungsgemäße Verfahrenskombination einmal höhere Härtewerte in einem bestimmten Oberflächenbereich als sie mit Hilfe anderer Wärmebehandlungsverfahren erzielbar sind. Zum anderen wirkt sich der spezielle Härtegradient im Ergebnis der erfindungsgemäßen Verfahrenskombination mit hohen Härtewerten im oberflächennahen, thermochemisch und laserbeeinflußten Bereich und einem im Vergleich zu nur laserbehandelten Bauteilen allmählichen Übergang zum Kern infolge der thermochemischen Behandlung günstig aus. Des weiteren begünstigen die optischen Eigenschaften der thermochemisch behandelten Oberfläche das Absorptionsvermögen, wodurch gleichzeitig die Energieausbeute des Laserstrahls ohne zusätzliche Maßnahme erhöht wird.This results in the method combination according to the invention once higher hardness values in a certain surface area than they can be achieved with the help of other heat treatment processes. On the other hand, the special hardness gradient as a result of the process combination according to the invention with high hardness values in the near-surface, thermochemically and laser-influenced region and a gradual transition compared to laser-treated components to the core due to the thermochemical treatment has a favorable effect. Furthermore, the optical properties of the thermochemically treated surface favor the absorption capacity, whereby at the same time the energy yield of the laser beam is increased without additional measures.

Claims

1 .

invention claim

1. A process for the combined surface treatment of metallic materials using heat treatment methods known per se, characterized in that in a peripheral zone thermopchemically enriched with C and / or N and optionally with other elements base material is subsequently thermally treated by means of a laser such that in a certain surface or near-surface area by suitable structural and / or microstructural changes more favorable properties, in particular an increased hardness and improved wear behavior can be achieved.

2. The method according to claim 1, characterized in that the depth of the laser-affected zone is less than that of the thermochemically influenced.

3. The method according to claim 1 and 2, characterized in that the thermal laser treatment is realized both in continuous and pulsating operation.

4. The method according to claim 1 to 2, characterized in that the combined treatment is carried out on steels, regardless of the pretreatment state.

Here is a sheet of drawings.