DD247165A1

DD247165A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung metallischer werkstuecke mittels energietraegerstrahl

Info

Publication number: DD247165A1
Application number: DD28838586A
Authority: DD
Inventors: Steffen Keitel; Goetz Sobisch; Karl-Otto Prietzel
Original assignee: Zentralinstitut Schweiss
Priority date: 1986-03-27
Filing date: 1986-03-27
Publication date: 1987-07-01

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflaechenbehandlung metallischer Werkstuecke mittels Energietraegerstrahl, insbesondere zum Beeinflussen von aufgetragenen Legierungsschichten. Ziel ist, Schutzschichten mit einer hohen Qualitaet zu schaffen. Aufgabenmaessig ist bei der Oberflaechenbehandlung der Energietraegerstrahl so zu fuehren, dass die Materialeigenschaften der Legierungsschicht gezielt beeinflusst werden koennen und in einer nachfolgenden Behandlungsphase eine weitere Beeinflussung der Zusammensetzung der Legierungsschicht verhindert wird. Erfindungsgemaess werden zunaechst auf einer Werkstueckoberflaeche karbidbildende Legierungselemente deponiert, die nachfolgend in einer ersten Umschmelzstufe mit Hilfe eines Energietraegerstrahles mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 100 kV mit dem Grundwerkstoff vermischt werden, derart, dass zunaechst eine vollstaendig metallische Bindung erfolgt, und dass in einer nachfolgenden zweiten Umschmelzstufe ein nochmaliges Umschmelzen der metallisch gebundenen Schicht durchgefuehrt wird unter Verwendung eines Energietraegerstrahles, der mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 75 kV und geringerer Strahlleistung gefuehrt wird.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mittels Energieträgerstrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, insbesondere zum Beeinflussen von aufgetragenen Legierungsschichten, die zum Schutz der Oberfläche gegen Verschleiß, Korrosion, thermische Beanspruchung u.a. dienen.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es ist bekannt, eine Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mit Hilfe eines Energieträgerstrahles durchzuführen, wobei die Oberflächen umgeschmolzen werden, um eine Verbesserung der Gebrauchseigenschaften hinsichtlich Verschleiß und Korrosion zu erzielen. Durch den Umschmelzprozeß kommt es zu einem gewünschten feinkörnigen Gefüge bzw. zur Ausbildung eines beispielsweise ledeburitischen Gefüges.

Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften bietet das Umschmelzlegieren. Hierbei werden während des Umschmelzvorganges dem Schmelzbad Legierungselemente zugeführt, was in unterschiedlichsterweise erfolgen kann. So sind Verfahren bekannt, bei denen Legierungselemente in Drahtform eingebracht werden. Das erfolgt vorzugsweise beim als „Springstrahlschweißen" bekannten Verfahren, bei dem eine Veredlung einer oberen Ringnut an einem Kolben für Brennkraftmaschinen erfolgt.

Auch ist die Zuführung von Legierungselementen in Form von vorher aufgebrachten Ringen und deren Einschmelzen bekannt. Diese Verfahren arbeiten jedoch nicht mit dem Ziel einer Ausbildungen Karbiden als Mittel eines Oberflächenschutzes. Karbidhaltige Verschleißschutzschichten werden vorwiegend durch CVD-PVD-Beschichtungen erzeugt. Diese Verfahren arbeiten jedoch mit Schichtdicken im /xm-Bereich. Größere Schichtdicken werden beim Flammpulverspritzen bzw. Plasmaspritzen erzielt. Die dabei erzeugten Verschleißschutzschichten sind jedoch durch eine hohe Porosität gekennzeichnet, wodurch es bei einer abrasiven Beanspruchung zum Abrieb der aufgebrachten Schicht kommt, da deren Bindung zum Grundwerkstoff meistens ungenügend ist. Werden Schichtdicken im Millimeterbereich gefordert, so besteht die Gefahr, daß die Schicht abplatzt. Von weiterem Nachteil ist, daß bei diesen Lösungen stets nur eine mechanische Bindung der aufgebrachten Schicht mit dem Grundwerkstoff erfolgt, wodurch die Qualität solcher Schichten in bezug auf Oberflächenrauheit und Homogenität mangelhaft ist.

Deshalb gehen in letzter Zeit Versuche dahin, derartige Schichten einzuschmelzen, um eine bessere Haftung der Schicht mit dem Grundwerkstoff zu gewährleisten.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung ist ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke zu schaffen, wobei mit Hilfe eines Energieträgerstrahles Schutzschichten mit einer hohen Qualität ermöglicht werden.

-2- 247 165 Das Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke zu entwickeln, wobei ein Energieträgerstrahl so zu führen ist, daß die Materialeigenschaften der Legierungsschicht gezielt beeinflußt werden können und in einer nachfolgenden Behandlungsphase eine weitere Beeinflussung der Zusammensetzung der Legierungsschicht verhindert wird un'd ein hoher Schutz der Oberfläche gegen Verschleiß, Korrosion, thermische Beanspruchung u.a. gewährleistet ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zunächst karbidbildende Legierungselemente auf einer Werkstückoberfläche deponiert werden, die danach in einer ersten Umschmelzstufe mit Hilfe eines Energieträgerstrahles mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 100 kV mit dem Grundwerkstoff vermischt werden, derart, daß zunächst nur eine vollständige metallische Bindung erfolgt, und in einer nachfolgenden zweiten Umschmelzstufe ein nochmaliges Umschmelzen der metallisch gebundenen Schicht mit einem Energieträgerstrahl durchgeführt wird, der mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 75 kV und geringerer Strahl leistung geführt wird.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Umschmelzen unter Wegfall beider Umschmelzstufen mit einem geteilten oder mehreren Energieträgerstrahlen erfolgen, wobei sich die geteilten Energieträgerstrahlen unter Berücksichtigung des Umschmelzprozesses hintereinander oder nebeneinander befinden.

Bei dem Gegenstand der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren, bei dem eine Vermischung von Legierungselementen und Grundwerkstoff sowie die Ausbildung der Geometrie der Legierungsschicht mittels einer Bestrahlung mit hoher Leistung in einer ersten Umschmelzstufe erreicht wird. Die so erzielten Oberflächenschichten besitzen eine gute Bindung zum Grundwerkstoff, ihre Eigenschaften zum Grundwerkstoff sind jedoch nicht optimal.

In der zweiten Umschmelzstufe kommt es zu einem Schmelzen der Oberflächenschicht durch geringere Strahlleistungen, wodurch aufgrund der unterschiedlichen Schmelztemperatur der Legierungsschicht und Grundwerkstoff nur die legierte Schicht nochmals umgeschmolzen wird. Damit können die Eigenschaft der Schicht wie Struktur, Oberflächenrauhigkeit dem jeweiligen Belastungsfall des Bauteils angepaßt werden. Die Zusammensetzung der Legierungsschicht ändert sich nicht, daß bei dem Umschmelzprozeß eine weitere Vermischung der Legierungsschicht und des Grundwerkstoffes ausgeschlossen ist. Lediglich die durch den Oberflächenschmelzvorgang erzeugte Wärme beeinflußt den Grundwerkstoff. Diese Beeinflussung kann entsprechend durch eine schnelle Behandlung vorteilhaft genutzt werden, um den Grundwerkstoff zu bearbeiten. Es kommt dann zum Umschmelzen der Legierungsschicht und zum Wärmebehandeln des Grundwerkstoffes.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

Auf der Oberfläche einer Welle aus 16 MnCr 5 werden die Legierungselemente Ni, Cr, B, Si sowie Karbide mit Hilfe des Widerstandsauftragsschweißens deponiert. Anschließend erfolgt die erste Umschmelzstufe unter Verwendung eines Elektronenstrahles bei einer Beschleunigungsspannung von 10OkV und scharf fokussiertem Strahl. Dabei kommt es zur Vermischung von Grundwerkstoff und den Legierungselementen. Die Karbide, die als Verschleißschutz erzeugt werden sollen, liegen in unterschiedlicher Verteilung vor, wobei das Oberflächengefüge noch keine homogene Struktur besitzt. Die groben Karbidkörner, die an der Oberfläche der Welle deponiert wurden, liegen in ungelöster Form vor.

In der nun folgenden zweiten Umschmelzstufe erfolgt die Bestrahlung mit einer Beschleunigungsspannung von 75kV und defokussiertem Elektronenstrahl. Da der Schmelzpunkt der legierten Schicht ca. 1200⁰C und der des Grundwerkstoffes ca. 1 500°C beträgt, findet keine weitere Vermischung statt, wodurch die Oberflächenqualität deutlich verbessert wird. Das nach der zweiten Umschmelzstufe gewonnene Gefüge ist feinkörniger und homogener und somit dem Verschleißverhalten gegen Mineral-Gleit-Verschleiß angepaßt. Die Verschleißeigenschaften können in weiteren Behandlungsstufen weiter verbessert bzw. verändert werden.

Claims

Erfindungsanspruch:

1. Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke mittels Energieträgerstrahl, vorzugsweise Elektronenstrahl, insbesondere zum Beeinflussen von Legierungsschichten, die zum Schutz der Oberfläche gegen Verschleiß, Korrosion, thermische Beanspruchung u.a. dienen, gekennzeichnet dadurch, daß zunächst kardidbildende Legierungselemente auf einer Werkstückoberfläche deponiert werden, die nachfolgend in einer ersten Umschmelzstufe mit Hilfe eines Energieträgerstrahles mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 100 kV mit dem Grundwerkstoff vermischt werden, derart, daß zunächst eine vollständig metallische Bildung erfolgt, und daß in einer nachfolgenden zweiten Umschmelzstufe ein nochmaliges Umschmelzen der metallisch gebundenen Schicht mit einem Energieträgerstrahl durchgeführt wird, der mit einer Beschleunigungsspannung von vorzugsweise 75kV und geringerer Strahlleistung geführt wird.
2. Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß bei Wegfallbeider Umschmelzstufen das Umschmelzen der Werkstückoberfläche mit einem geteilten oder mehreren Energieträgerstrahlen erfolgt, wobei sich die geteilten Energiestrahlen unter Berücksichtigung des Umschmelzprozesses hintereinander oder nebeneinander befinden.
3. Verfahren zur Oberflächenbehandlung metallischer Werkstücke nach Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß ein Elektronenstrahl verwendet wird.