DD273458A1

DD273458A1 - METHOD FOR THE WEAR-PROOF COATING OF METALLIC MATERIALS BY MEANS OF HIGH-ENERGY SOURCE

Info

Publication number: DD273458A1
Application number: DD31719988A
Authority: DD
Inventors: Andreas Uelze; Roland Gassmann; Peter Mueller
Original assignee: Verkehrswesen Hochschule
Priority date: 1988-06-28
Filing date: 1988-06-28
Publication date: 1989-11-15

Abstract

Ein Verfahren zur Verschleissschutzbeschichtung von metallischen Werkstoffen mittels Hochenergiequelle soll ohne zusaetzlichen technologischen Aufwand neben ausreichender Haerte auch Rissfreiheit der Auftragsschicht gewaehrleisten. Es wird dabei die Volumenausdehnung bei der Martensitausscheidung der verwendeten Auftragslegierung ausgenutzt. Dadurch koennen Druckeigenspannungen in der Auftragsschicht auftreten, die bei Optimierung der Waermefuehrung zu minimalster Bauteilverformung fuehren kann. Dieser Effekt wird dann ausgenutzt, wenn ein martensitbildender Beschichtungswerkstoff unter der Bedingung aufgetragen wird, dass die Substrattemperatur waehrend des Auftrags, bis zum Erstarren der Schmelze immer kleiner als die Martensitumwandlungstemperatur ist. Bei unguenstigen Bedingungen ist eine Kuehlung des Substrates erforderlich.A process for wear protection coating of metallic materials by means of high-energy source should ensure, in addition to sufficient technological effort, in addition to sufficient hardness and tear-free of the application layer. It exploits the volume expansion in the Martensitausscheidung the used order alloy. As a result, internal compressive stresses can occur in the application layer, which can lead to minimal component deformation when optimizing the heat transfer. This effect is utilized when a martensite-forming coating material is applied under the condition that the substrate temperature during the application until the solidification of the melt is always smaller than the martensitic transformation temperature. In unfavorable conditions, a cooling of the substrate is required.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung von verschleißbeanspruchten, metallischen Bauteilen.The invention relates to a method for the coating of wear-stressed, metallic components.

Characteristic of the known state of the art

Es ist bekannt, Schutzschichten auf verschleißbeanspruchte Bauteile mit den verschiedensten Verfahren aufzutragen. Als besonders günstig erweist sich dabei der Laserauftrag von verschleißfestem Zusatzwerkstoff, durch einen geringen Vermischungsgrad von Grund- und Zusatzwerkstoff sowie einer geringen thermischen Belastung und einer minimalen Verformung des Bauteiles. Diese Vorteile beruhen auf dem sehr großen Temperaturgradienten der sich zwischen Auftragsschicht und Substratwerkstoff ausbildet. Aufgrund der sehr geringen Erwärmung des Substratwerkstoffes wird die thermische Schrumpfung der Schicht während des Abkühlungsprozesses in Zugeigenspannungen umgesetzt. Diese Zugspannungen können nur durch plastische Dehnung des Schichtwerkstoffes zerstörungsfrei kompensiert werden, wobei die aufgetragene Schicht nach abgeschlossener Abkühlung mit Zugeigenspannungen belastet ist, die die Höhe der Streckgrenze des Zusatzwerkstoffes erreichen können.It is known to apply protective layers on components subject to wear using a wide variety of methods. In this case, the laser application of wear-resistant filler metal, by a low degree of mixing of base and filler material and a low thermal load and a minimal deformation of the component proves to be particularly favorable. These advantages are based on the very large temperature gradient that forms between the application layer and the substrate material. Due to the very low heating of the substrate material, the thermal shrinkage of the layer is converted into tensile residual stresses during the cooling process. These tensile stresses can be compensated nondestructively only by plastic stretching of the coating material, wherein the applied layer is charged after completion of cooling with tensile residual stresses that can reach the level of yield strength of the filler.

Verschleißfeste Werkstoffe weisen in der Regel eine hohe Härte bei relativ geringer Duktilität auf. Dieses geringe plastische Verformungsvermögen führt infolge der Abkühlung zur Entstehung von Rissen in der Auftragsschicht. Nach dem Stand der Technik ist es üblich, durch Vorwärmung des Substratwerkstoffes die bei der Abkühlung entstehenden Zugspannungen in der Auftragsschicht zu verringern (vgl. Lit.: P. J. E. Monson; W. M. Steen; Laser Hardfacing/Cladding in Laser Treatment of Materials/ DGM-Verlag, Oberursel, 1987, S. 123ff. und US-PS 3952180).Wear-resistant materials generally have a high hardness with relatively low ductility. As a result of the cooling, this low plastic deformation capability leads to the formation of cracks in the application layer. According to the state of the art, it is customary to reduce the tensile stresses in the application layer arising during the cooling by preheating the substrate material (cf: PJE Monson, WM Steen, Laser Hardfacing / Cladding in Laser Treatment of Materials / DGM-Verlag, cf. Oberursel, 1987, pp. 123ff and USP 3952180).

Mit dieser Verfahrensweise werden die genannten Vorteile des Laserauftragsschweißens wie der geringe Vermischungsgrad und die geringe thermische Bauteilbelastung negiert. Darüber hinaus ergeben sich für die Vorwärmung ein erhöhter technologischer und ökonomischer Aufwand. Weiterhin wirken sich die vom vorgewärmten Werkstück ausgehende Wärmestrahlung und Konvektion negativ auf die Arbeitsoptik des Lasers aus.With this procedure, the stated advantages of laser deposition welding such as the low degree of mixing and the low thermal component load are negated. In addition, there is an increased technological and economic effort for the preheating. Furthermore, the heat radiation and convection emanating from the preheated workpiece have a negative effect on the working optics of the laser.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung ist es, ohne zusätzliche technologische und ökonomische Aufwände rißfreie Verschleißschutzschichten auf metallische Bauteile mittels Hochenergiequelle aufzuschmelzen.The aim of the invention is to melt without cracks wear-free wear layers on metallic components by means of high energy source without additional technological and economic expenses.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Aufgabe der Erfindung ist es, hochbeanspruchte metallische Bauteile mit Verschleißschutzschichten zu versehen. Es werden die bekannten Vorteile des Laserauftragsschweißens, wie z. B. der geringe Vermischungsgrad von Beschichtungs- und Substratwerkstoff und die starke Wärmeableitung durch das Substrat, ausgenutzt. Dabei sollen neben hoher Härte der Beschichtung auch Rißfreiheit und eine geringe Bauteilverformung ohne zusätzlichen technologischen Aufwand garantiert werden.The object of the invention is to provide highly stressed metallic components with wear protection layers. There are the known advantages of laser deposition welding, such. As the low degree of mixing of coating and substrate material and the strong heat dissipation through the substrate exploited. In addition to high hardness of the coating, crack-free and low component deformation should be guaranteed without additional technological effort.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf ein metallisches Substrat Stahllegierungen aufgeschmolzen werden, die unter den Bedingungen des Laserauftragsschweißens und der damit verbundenen hohen Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze während des Abkühlprozesses Martensit als überwiegenden Gefügeanteil ausscheiden.According to the invention this object is achieved in that on a metallic substrate steel alloys are melted, which excrete martensite as the predominant part of the structure under the conditions of laser deposition welding and the associated high cooling rate of the melt during the cooling process.

Die so erzeugten Schichten weisen die für martensitisch gehärteten, insbesondere lasergehärteten, Oberflächen bekannte hohe Härte und Verschleißfestigkeit auf.The layers produced in this way have the high hardness and wear resistance known for martensitic-hardened, in particular laser-hardened, surfaces.

Die Erfindung nutzt die durch die Ausscheidung des Martensits hervorgerufene Volumenzunahme zur Kompensation der thermischen Schrumpfung des aufgetragenen Beschichtungswerkstoffes. Durch diesen Effekt wird die Rißbildung ohne zusätzliche Verfahrensschritte verhindert. Bei Ausscheidung von Martensit als überwiegenden Gefügebestandteil ist die dadurch hervorgerufene Volumenzunahme größer als die Volumenabnahme infolge der thermischen Schrumpfung. Damit entstehenThe invention uses the increase in volume caused by the excretion of martensite to compensate for the thermal shrinkage of the applied coating material. This effect prevents cracking without additional process steps. In the case of excretion of martensite as the predominant structural constituent, the increase in volume caused thereby is greater than the volume decrease due to the thermal shrinkage. To arise

zusätzlich Druckeigenspannungen in der Schicht, die sich positiv auf das Verschleißverhalten auswirken. Die Optimierung der Wärmeführung führt zu einem Gleichgewicht zwischen der Druckeigenspannung in der Schicht und der darunterliegenden Zugeigenspannungszone des Substratmaterials, sodaß die durch den Wärmeeintrag üblicherweise hervorgerufene Bauteilverformung minimiert wird.additional compressive stresses in the layer, which have a positive effect on the wear behavior. The optimization of the thermal conduction leads to a balance between the compressive residual stress in the layer and the underlying tensile residual stress zone of the substrate material, so that the component deformation usually caused by the heat input is minimized.

Pie Substrattemperatur darf durch die Energiezufuhr während des Beschichtungsprozesses die Martensitumwandlungstemperatur des Beschichtungswerkstoffes nicht erreichen. Bei großen Bauteilmassen, günstigen Wärmeableitungsbedingungen und einer hohen Martensitumwandlungstemperatur des Beschichtungswerkstoffes werden die notwendigen Abkühlungsbedingungen durch Wärmeableitung in das Substratmaterial gesichert. Bei geringen Bauteilmassen, ungünstigen Wärmeableitungsverhältnissen und/oder einer niedrigen Martensitumwandlungstemperatur des Beschichtungswerkstoffes muß das Substrat zusätzlich gekühlt werden.Pie substrate temperature must not reach the martensitic transformation temperature of the coating material due to the energy input during the coating process. With large component masses, favorable heat dissipation conditions and a high martensitic transformation temperature of the coating material, the necessary cooling conditions are ensured by heat dissipation into the substrate material. At low component masses, unfavorable heat dissipation ratios and / or a low martensite transformation temperature of the coating material, the substrate must be additionally cooled.

Ausfuhrungsbeiapiele

1. Eine massive Nockenwelle wird mit der Auftragslegierung 0,5 C/0,9 Si/1,6 Mn/0,3 V/0,1 Mo/ und dem entsprechenden Restmassenanteil Eisen beschichtet.1. A massive camshaft is coated with the application alloy 0.5 C / 0.9 Si / 1.6 Mn / 0.3 V / 0.1 Mo / and the corresponding residual mass iron.

Die Laserleistung beträgt 1 kW, der mittlere Pulvermassenstrom 0,0S5g/s. Die Nockenwelle wird so unter dem Laserstrahl gedreht, daß sich die Bearbeitungszone stets in waagerechter Position befindet. Dabei wird der Brennfleck von 2,4 bis 4,3 mm Durchmesser auf der Werkstückoberfläche mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 100 bis 300 mm/min bewegt.The laser power is 1 kW, the average powder mass flow 0.0S5g / s. The camshaft is rotated under the laser beam so that the processing zone is always in a horizontal position. The focal spot of 2.4 to 4.3 mm diameter is moved on the workpiece surface at a feed rate of 100 to 300 mm / min.

2. Die Nocken einer gebauten Nockenwelle werden mit der Auftragslegierung 1,0 C/18 Cr/18 W/1,5 B/0,9 Si und dem entsprechenden Restmassenanteil Eisen beschichtet. Dazu werden die Nocken auf eine Kupferwelle gespannt, die im Inneren durch einen Wasserkreislauf gekühlt wird. Die Bewegung der Welle erfolgt so, daß der Laserstrahl stets orthogonal auf der Werkstückoberfläche steht.2. The cams of a built-up camshaft are coated with the order alloy 1.0 C / 18 Cr / 18 W / 1.5 B / 0.9 Si and the corresponding residual iron content. For this purpose, the cams are clamped on a copper shaft, which is cooled in the interior by a water cycle. The movement of the shaft is such that the laser beam is always orthogonal to the workpiece surface.

Here are the parameters:

- mittlerer Pulvermassenstrom 0,05g/s- average powder mass flow 0.05g / s

- Laserleistung 1 kW- Laser power 1 kW

- Brennfleckdurchmesser 2,4 bis 4,3 mm- focal spot diameter 2.4 to 4.3 mm

- Vorschubgeschwindigkeit 100 bis 300mm/min zur Anwendung.- Feed rate 100 to 300mm / min for use.

3. Ein Industriemesser mit geringer Bauteilmasse wird so in ein Wasserbad eingelegt, daß die Bearbeitungszone frei zugängl ich bleibt und mit einer der beiden genannten Auftragslegierungen und den gleichen Parametern beschichtet werden kann.3. An industrial knife with low component mass is placed in a water bath so that the processing zone freely zugängl I remains and can be coated with one of the two mentioned order alloys and the same parameters.

Claims

A method for wear protection coating of metallic materials by means of high energy source, characterized in that a martensitbildender coating material is melted onto a metallic substrate with a high energy source under the condition that the temperature of the substrate is always less than the martensitic transformation temperature of the coating material.

2. The method according to claim 1, characterized in that the coating material is a Fe-C-AlloymitO, 2% bisl, 5% C, to 1.5% Si, to 1.0% Mn, to 20% Cr, to 20% Mo, to 10% V, up to 10% Co and up to 2.5% B by weight.

3. The method according to claim 1, characterized in that at low substrate masses, component geometry-related poor heat dissipation or a low martensite transformation temperature of the coating material with additional cooling by liquid and / or solid media in the Besenichtungszone a temperature below the martensitic transformation temperature of the coating material is secured.