DE10059802A1

DE10059802A1 - Verfahren zur Oberflächenvergütung

Info

Publication number: DE10059802A1
Application number: DE2000159802
Authority: DE
Inventors: Dieter Heinzmann; Johannes Kopietz; Josef Meinhardt; Boris Bevc; Hans Schwimmbeck; Alfons Ederer; Roland Golle; Hartmut Hoffmann
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2000-12-01
Publication date: 2002-06-13
Anticipated expiration: 2020-12-02
Also published as: DE10059802B4

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, mit dem erfindungsgemäß auf fertigungstechnisch einfache Weise eine gehärtete Mikrostruktur auf der Bauteiloberfläche dadurch erzeugt wird, dass das Bauteil in dem zu vergütenden Oberflächenbereich mittels eines energiereichen, die Metalloberfläche örtlich aufschmelzenden Laserstrahls punkt- oder linienförmig mikrotexturiert und dabei die Auftreffstelle des Laserstrahls in eine mit der Metallschmelze zu einer keramischen Verbindung reagierenden Gasatmosphäre eingeschlossen wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Wärmebehandlungsverfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen bekannt, mit denen die Bauteiloberfläche entweder großflächig gehärtet oder durch örtliches Aufbrin gen und anschließendes Erhitzen von zumeist stab-, ring- oder auch pulver förmigen Legierungselementen mit einem Muster aus gehärteten und unge härteten Oberflächenbereichen versehen wird. Auf diese Weise lässt sich je doch nur eine relativ grobe Strukturierung der Bauteiloberfläche erzielen, wäh rend vor allem für tribolisch wirksame Werkzeugoberflächen, etwa in der Stanz- oder Tiefziehtechnik im Zusammenwirken von Werkzeug, Werkstück und Schmiermittel, eine mikrofeine Oberflächenstrukturierung benötigt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art an zugeben, durch das sich auf fertigungstechnisch einfache Weise gehärtete Mikrostrukturen auf metallischen Oberflächen erzeugen lassen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angege bene Verfahren gelöst.

Erfindungsgemäß wird die Bauteiloberfläche mit Hilfe eines fokussierten Laser strahls hoher Intensität punktuell aufgeschmolzen und im Bereich des Schmel zekraters in Folge der gleichzeitigen Anwesenheit einer auf die Metallschmelze abgestimmten Gasatmosphäre zu einer mikrofeinen Keramikstruktur umge wandelt. Auf diese Weise lassen sich auf der Bauteiloberfläche mit geringem Fertigungsaufwand durch entsprechende Intensitäts- und Bewegungssteue rung des Lasers praktisch beliebige Härtungsmuster im Mikrometerbereich er zeugen und dabei das Verhältnis von gehärteter zu ungehärteter Oberfläche in weiten Grenzen variieren. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass nicht die ge samte Bauteiloberfläche, sondern gezielt nur die höher beanspruchten Berei che vom Mikro- bis zum Makrobereich feinstrukturiert werden können. Mit einer Geschwindigkeit von etwa 40 000 Krater/min ist das erfindungsgemäße Verfah ren auch für größere Flächen geeignet.

Als Reaktionsprodukte entstehen bei dem erfindungsgemäßen Strukturie rungsverfahren - je nach Metall- und zugehöriger Gasbeschaffenheit - Metall nitride, -oxide oder -carbonitride. Ein besonders bevorzugter Anwendungsfall der Erfindung ist nach Anspruch 2 die Oberflächenvergütung von Aluminium-, Titan- oder eisenhaltigen Bauteilen in Verbindung mit einer Stickstoffatmosphä re.

Die hohe Vergütungsqualität des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt sich am deutlichsten in den signifikant erhöhten Standzeiten von abrieb- und ver schleißanfälligen Werkzeugflächen. So ergab sich bei einem Stanzwerkzeug eine gegenüber einer konventionellen Härtung um das Fünffache erhöhte Standzeit. Um bei derartigen Formwerkzeugen gleichzeitig die Fertigungskos ten zu senken, wird nach Anspruch 3 zweckmäßigerweise nur eine Werkzeug- Teilfläche im Bereich eines auswechselbaren Werkzeugeinsatzes im Wege des erfindungsgemäßen Verfahrens mikrotexturiert und -keramisiert.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung der in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungs beispiele. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens;

Fig. 2a, b eine stark vergrößerte Teildarstellung einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Oberflä chenstruktur in zwei unterschiedlichen Ausführungsfor men; und

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 2 in nochmals vergrößerter Darstellung.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung enthält einen Werkstücktisch 2 zur Positi onierung des zu vergütenden Werkstücks, etwa des Schneideinsatzes 4 eines Stanzwerkzeugs, sowie einen Gaslaser 6 in Form eines Nd:YAK-Lasers zur Erzeugung eines gepulsten Laserstrahls, dessen Pulszeit, Fokuslage und Strahlleistung veränderlich einstellbar sind. Mit Hilfe eines dem Laser 6 zuge ordneten, programmgesteuerten Mehrachs-Roboters oder -Spiegelsystems (nicht gezeigt) wird der Laserstrahl mit hoher Genauigkeit nach einem vorge gebenen Muster und unter Beibehalt einer senkrechten Strahleinfallrichtung über die zu vergütende, in Fig. 1 schraffiert dargestellte Werkstück-Teilfläche 8 geführt.

Ferner enthält die Vorrichtung eine auf das zu vergütende Werkstück 4 auf setzbare Gaskammer 10, die über ein Steuerventil 12 an einen Gasbehälter 14 angeschlossen ist. Zur Bearbeitung von Aluminium-, Titan- oder eisenhaltigen Oberflächen 8 ist der Gasbehälter 14 mit Stickstoff gefüllt, für Stahl wird je nach Stahlsorte ein stickstoff- und/oder kohlenstoffhaltiges Gas verwendet.

Zwischen der Unterkante der Gaskammer 10 und dem Werkstücktisch 2 ist ein enger Auslassschlitz freigehalten, so dass das in der Gaskammer 10 zunächst vorhandene Luftvolumen nach dem Öffnen des Steuerventils 12 durch den mit geringem Überdruck einströmenden Stickstoff aus der Gaskammer 10 ausge schoben und während des anschließenden Vergütungsvorgangs durch die dann über den Auslassschlitz austretende Stickstoffleckage ein Eindringen von Luft verhindert wird.

Nach der vollständigen Gasbefüllung der Gaskammer 10 beginnt mit dem Ein schalten des Lasers 6 der eigentliche Vergütungsvorgang, bei dem die oberflä chennahe Randzone des Werkstücks 4 unter der Wirkung des Laserstrahls im Mikrobereich aufgeschmolzen und in Anwesenheit der Gasatmosphäre zu einer keramischen Verbindung umgewandelt wird. Durch entsprechende Steuerung des Laserstrahls lässt sich auf diese Weise auf der Bauteiloberfläche praktisch jedes beliebige Muster aus punkt- oder linienförmigen Härtungsspuren im Mik rometerbereich und dazwischenliegenden ungehärteten Oberflächen- Teilstücken generieren.

Fig. 2 zeigt eine derartige Oberflächenstruktur, einmal mit einem punktförmigen Härtungsmuster aus einzelnen Keramikkratern 16 (Fig. 2a) und einmal mit ei nem linienförmigen Muster aus sich kreuzenden Keramikspuren 18 (Fig. 2b), mit jeweils dazwischenliegenden, unbehandelten Oberflächenbereichen 20. Die Geometrie des Härtungsmusters wird natürlich ebenso wie das Verhältnis von ungehärteter zu gehärteter Oberfläche je nach Anwendungsfall unter schiedlich gewählt. So hat sich für tribolische Anwendungen eine Oberflächen struktur mit vorwiegend in einer Richtung verlaufenden Härtungsspuren oder auch die in Fig. 2a gezeigte, gestaffelte Einzelkraterverteilung unter dem Ge sichtspunkt einer günstigen Schmiertaschenbildung als besonders wirksam erwiesen.

Der Durchmesser d der Keramikkrater 16 bzw. die Linienbreite der Keramik spuren 18 liegt etwa zwischen 50 und 200 µm. Der Mittenabstand a der Kera mikkrater 16 bzw. -spuren 18, aus dem sich der unbehandelte Flächenanteil ergibt, beträgt typischerweise 100 µm, kann aber auch bis zu einigen cm groß gewählt werden.

Claims

1. Verfahren zur Oberflächenvergütung von metallischen Bauteilen, da durch gekennzeichnet, dass das Bauteil in dem zu vergütenden Oberflächenbereich mittels eines energiereichen, die Metalloberfläche örtlich aufschmelzenden Laser strahls punkt- oder linienförmig mikrotexturiert und dabei die Auftreff stelle des Laserstrahls in eine mit der Metallschmelze zu einer kerami schen Verbindung reagierende Gasatmosphäre eingeschlossen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Oberflächenvergütung von Aluminium-, Titan- oder eisenhaltigen Bauteilen eine Stickstoffatmosphäre verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 zur Oberflächenvergütung eines Formwerkzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikrotexturierung und -keramisierung auf eine Werkzeug-Teilfläche im Bereich eines auswechselbaren Werkzeugeinsatzes begrenzt wird.