DD242638A1

DD242638A1 - Verfahren zur haftfestigkeitsverbesserung von metallspritzschichten

Info

Publication number: DD242638A1
Application number: DD28292685A
Authority: DD
Inventors: Kurt Wagner; Wolfgang Weber; Kurt Hoehne; Eckhard Bihler
Original assignee: Ibr Fuer Entwickl Techn U Rat
Priority date: 1985-11-18
Filing date: 1985-11-18
Publication date: 1987-02-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, mit welchem zu regenerierende Bauteile durch thermische Spritzen so behandelt werden, dass eine Reinigung der Oberflaeche, Aktivierung des Gefueges sowie eine Verbesserung des Haftfestigkeitsvermoegens erzielt wird. Aufwendige technologische Schritte, die bisher fuer die Behandlung von Metalloberflaechen notwendig waren, werden durch eine saubere und wirkungsvollere Verfahrenstechnik abgeloest. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass nach einer eventuellen Formkorrektur und einer Grobreinigung des zu beschichtenden Bauteiles der Haftgrund fuer das thermische Spritzen durch metallurgisches Aufschmelzen bzw. gesteuerte thermische Beaufschlagung ohne wesentliche Schmelzphase, eine Oberflaechensaeuberung, ein Aufrauhen bis zur Kraterbildung und eine Aktivierung des oberflaechennahen Bereiches vorbereitet wird. Die Realisierung dieser Vorgaenge erfolgt durch die Anwendung eines kontinuierlichen oder pulsierenden Laserstrahles bestimmter Leistung.

Description

Dieser aktivierte Zustand bleibt stabil erhalten bis auf die Tatsache, daß eine atomare Belegung der Oberfläche mit Gasatomen erfolgt. Die ungeschmolzene bzw. partiell aufgeschmolzene Schicht gemäß der aufgezeigten Bearbeitung ist u.a. charakterisiert durch eine hohe Härte und besonders ausgeprägte Strukturmerkmale. Diese Schicht hat unter der durch das thermische Spritzen aufgebrachten Schicht bei mechanischer Beanspruchung eine stützende Wirkung. Weiterhin besitzt diese Oberfläche nach verschleißmäßigem Abtrag der Spritzschicht einen höheren Verschleißwiderstand als das unbehandelte Grundmaterial. Der technologische Ablauf der Haftgrundvorbereitung mit energiereicher Strahlung ist sauber, bringt keinen Materialverlust mit sich und bewirkt wegen der besonderen Oberflächenmodifikation eine Gebrauchswerterhöhung des gesamten beschichteten Bauteils. Bei Verwendung der Laserstrahlung kann die Haftgrundvorbereitung und die anschließende Beschichtung auf einer speziell dazu ausgestatteten Anlage erfolgen.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an vier Beispielen näher erläutert werden.

Beispiel 1:

Eine verschlissene Welle aus GGG soll durch thermisches Spritzen regeneriert werden. Nach der geometrischen Formkorrektur und der Reinigung im Lösungsmittelbad wird ein kontinuierlicher CO₂-Laserstrahl von 400 W Leistung mit einer Geschwindigkeit von 10 mm/s und einem Fokusdurchmesser von 0,5 mm axial so auf der Oberfläche geführt, daß sich die Schmelzspuren gerade berühren. Das beeinflußte Oberflächengebiet ist durch den Umschmelzprozeß homogenisiert und weist eine Härte von 1400HV₀,₀₅auf.

Beispiel 2:

Eine verschlissene Führungsbahn wird nach Formkorrektur und Grobreinigung mit einem pulsierenden Laserstrahl ( = 10,6Mm) beaufschlagt. Die Impulsenergie beträgt 1,0Ws und die Impulslänge 1 μιη bei einer Pulsfrequenz von 1 kHz. Die Geschwindigkeit und die Spuranreihung ist so gewählt, daß sich eine Überlappung Einflußzonen von 15% einstellt, die durch die Energieimpulse entstehende Plasmafackel bewirkt ein Abdampfen bzw. Wegsprengen von Verunreinigungen und eine Aktivierung der Oberfläche.

Beispiel 3:

Der verschlissene Zapfen einer Kurbelwelle aus ferritischem Stahl wird nach Formkorrektur und Grobreinigung mit einem absorbierenden Mittel beschichtet. Der 15mm dicke Strahl eines 400W-cw-Lasers wird nach Fokussierung mit einer 200mm brennweitigen Linse und Einstellung des Fokusabstandes zur Oberfläche auf 10 mm so axial bewegt, daß sich auf der Zapfenoberfläche eine Schraubenlinie mit 10% Überlappung ergibt. Die Kurbelwelle wird mit einer Tangentialgeschwindigkeit" von 12 mm/s gedreht. Die Oberfläche ist partiell angeschmolzen, festphasenumgewandelt und weist eine Härte von 900HV_0|05 auf. Das aufgebrachte Absorbtionsmittel ist abgedampft.

Beispiel 4:

Der verschlissene Zapfen einer Kurbelwelle aus GGG wird nach Formkorrektur und Grobreinigung für ein notwendiges thermisches Spritzen haftgrundvorbereitet. Mit einem Laserstrahl von 400 W-cw, 15 mm Strahldurchmesser, Fokussierung mit 200 mm brennweitiger Linse der Welle 6 mm/s und einer Überlappung benachbarter Schraubenlinien von 10% wird die Oberfläche aufgeschmolzen. Im anschließenden 2. Arbeitsgang unter dem veränderten Fokusabstand zur Oberfläche von 18mm erfolgt ein „Spannungsfreiglühen".

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Haftfestigkeitsverbesserung von Metallspritzschichten, dadurch gekennzeichnet, daß das zu beschichtende Bauteil nach einer eventuellen Formkorrektur einer Grobreinigung zu unterziehen ist, wobei die Bauteiloberfläche durch . Aufschmelzen mittels eines kontinuierlichen Laserstrahls bestimmter Leistungsdichte oder durch gesteuerte thermische Beaufschlagung eine Säuberung erfährt, und der Energiesstrahl zur Aufrauhung und Aktivierung des oberflächennahen Bereiches vor dem thermischen Spritzauftrag in entsprechenden Bahnen auf dem Bauteil zu führen ist.
2. Verfahren nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufschmelzen ein Leistungslaser mit P = 200W, vorzugsweise 400W P 2500W verwendet wird.
3. Verfahren nach Punkt 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ebenso ein pulsierender Laserstrahl zum Einsatz kommt.
4. Verfahren nach Punkt 1,2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Haftfestigkeitsverbesserung als auch die Beschichtung durch thermisches Spritzen in einer speziell dazu geschaffenen Anlage erfolgt.

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Haftfestigkeitsverbesserung von Metallspritzschichten, insbesondere an metallischen Oberflächen, die durch thermisches Spritzen mit Metall oder Keramik beschichtet werden sollen. Das Verfahren dient zur Regenerierung der Oberflächen und wird speziell an durch Abnutzung verschlissenen Bauteilen zum Einsatz kommen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösung

Die gute Haftung einer thermischen Spritzschicht auf einer Bauteiloberfläche erfordert eine gewissenhafte Vorbereitung des Haftgrundes. Adhäsion bzw. mechanische Verklammerung der Spritzschicht beeinflussen die Beanspruchbarkeit des Grundmaterial-Schichtsystems und sind damit entscheidend für die Sicherheit bzw. Belastbarkeit des behandelten Werkstückes. Bekannte Verfahren zur Haftgrundvorbereitung sind zum einem mechanische Aufrauhmethoden, wie Strahlen, Drehen, Fräsen, zum anderen das elektrische Aufrauhen bzw. das Aufbringen von Zwischenschichten. Zur Beibehaltung der aktivierten Oberfläche bei der Haftgrundvorbereitung ist eine kurze Zeitspanne bis zum Auftragen der Spritzschichten notwendig. Gegenüber den herkömmlichen Aufrauhverfahren zeichnen sich bei der Laseraufbereitung auf Grund der Anlagenbedingungen wesentlich kürzere Zeitabstände bis zum Auftragen der Spritzschichten ab. Nachteile der genannten Verfahren sind dabei auftretende Kerben im Haftgrund, wodurch sich die ursprünglich zulässigen Beanspruchungen bei dynamischer Belastung stark verringern können. Durch die beim Strahlen auftretenden starken Staub- und Schallemissionen und ihre manuell aufwendige Durchführbarkeit sind ebenfalls schwerwiegende Mangel und somit unerwünschte Erscheinungen im technologischen Ablauf.

Ziel der Erfindung

Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein technologisches Verfahren zu schaffen, bei welchem der Haftgrund keine tiefgriefende Zerstörung erfährt und die Haftfestigkeit der Metallspritzschicht wesentlich verbessert wird. Die Durchführung des Verfahrens soll relativ einfach und unaufwendig sein. Als Effekte sind die Sauberkeit bei der Anwendung, die hohe Zuverlässigkeit bei Einsatz des regenerierten Bauteiles, die Verbesserung der Arbeitsbedingungen und die günstige Eingliederung in den technologischen Gesamtprozeß zu nennen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem das zu regenerierende Bauteil nach der Beschichtung als vollwertig regeneriert zu betrachten ist, also keine Einschränkungen gegenüber den bisher zulässigen Beanspruchungen, die das Bauteil zu gewährleisten hatte, zu machen sind.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß nach einer eventuellen Formkorrektur und einer Grobreinigung des zu beschichtenden Bauteiles der Haftgrund für das thermische Spritzen Vorbereitet wird. Hierzu ist eine sorgfältige Oberflächensäuberung durch metallurgisches Aufschmelzen bzw. gesteuerte thermische Beaufschlagung ohne wesentliche Schmelzphase, ein Aufrauhen bis zur Kraterbildung und eine Aktivierung des oberflächennahen Bereiches durch Schaffung eines metastabilen Gefüges notwendig. Die Realisierung dieser Vorgänge erfolgt mittels eines kontinuierlichen oder pulsierenden Laserstrahls bestimmter Leistung. Durch das oberflächliche Aufschmelzen werden anhaftende Schichten beseitigt, indem diese Schichten in der Schmelzpfütze mit dem Grundmaterial vermischt oder beim Wirken einer höheren Leistungsdichte verdampft werden. Die an der Oberfläche auftretende Schmelzphase ist mit einer geometrischen Aufrauhung verbunden und durch die Leistungsdichte, die Zusatzgasart und -menge steuerbar. Da bei dynamisch beanspruchten Bauteilen Kerben, Rillen oder auch ungünstige Biegebeanspruchungen zu vermeiden sind, muß die Behandlung so vorgenommen werden, daß nur ein leichtes partielles Aufschmelzen erfolgt oder durch ein wiederholtes Überstreichen mittels des Energiestrahles mit geringerer Leistungsdichte vorhandene Eigenspannungen abgebaut werden. Die im Abkühlungsprozeß entstandene Oberfläche ist durch eine hohe Flächenenergie gekennzeichnet, indem das aufgeschmolzene Material innerhalb kurzer Zeit erstarrt und somit eine reine Oberfläche existiert, Gitterstörungen „eingefroren" werden bzw. metastabile Gefügebereiche vorhanden sind.