DE10163970A1 - Production of fluid-lubricated light metal cylinder surfaces of reciprocating machine comprises forming harder sites by changing the intermetallic structure of the base material - Google Patents
Production of fluid-lubricated light metal cylinder surfaces of reciprocating machine comprises forming harder sites by changing the intermetallic structure of the base materialInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von verschleißarmen Werkstückflächen, insbesondere von fluidgeschmierten Leichtmetall- Zylinderflächen von Kolben-Kraft- und Arbeitsmaschinen mit einer im wesentlichen glatten Oberfläche und eine solche verschleißarme Werkstückfläche. In ihr sind über die Oberfläche singulär verteilt gegenüber einem Basismaterial härtere Stellen vorgesehen, die gegebenenfalls über das Grundmaterial vorstehen. The invention relates to a method for producing low-wear Workpiece surfaces, especially of fluid-lubricated light metal Cylinder surfaces of piston engines and machines with an im essentially smooth surface and such a low-wear Workpiece surface. In it are singularly distributed across the surface a base material provided harder places, if necessary project over the base material.
Die Gestaltung der Oberfläche von Kolbenlaufbahnen, insbesondere von Verbrennungsmotoren, ist einer der Kernpunkte der Motorenentwicklung. Sie ist weitgehend mit bestimmend für das Verschleißverhalten und damit die Standzeit des Motors, seine Reibung und damit die Leistung und vor allem auch den Ölverbrauch. Durch das sogenannte Plateauhonen sind schon erhebliche Fortschritte gemacht worden. Dabei wird eine grob vorgehonte Oberfläche so nachgehont, dass zwischen den tieferen Riefen, die der Ölhaltung dienen, relativ glatte Plateaus geschaffen werden, die die Verschleißarmut und den energiesparenden Lauf ermöglichen, sowie das Einlaufverhalten des Motors und den Ölverbrauch verbessern. The design of the surface of piston races, especially of Internal combustion engines is one of the key points of the Engine development. It is largely determinative of wear behavior and thus the service life of the engine, its friction and thus the Performance and especially the oil consumption. Through the so-called Plateau honing has made considerable progress. there a roughly honed surface is honed so that between the deeper grooves, which serve to keep the oil, relatively smooth plateaus be created, the low wear and the energy-saving Enable run, as well as the running-in behavior of the engine and the Improve oil consumption.
Es ist auch schon versucht worden, Kolbenlaufbahnen mittels Laserstrahls zu bearbeiten, der flächig auf die zu bearbeitende Oberfläche gerichtet ist. Dies soll bei Zylinderblöcken aus Gusseisen, die beim Honen ggf überdeckten Lamellen zur Erzeugung von Notlaufeigenschaften frei liegen (DE 42 17 530 A1). Es ist ferner schon bekannt geworden, Werkstückoberflächen mittels Laserstrahls zu bearbeiten, um Riefen/Lochstrukturen zu erzeugen (DE 43 16 012 C2). Attempts have also been made to use piston races To process laser beam, which is flat on the surface to be processed is directed. This is said to be the case with cylinder blocks made of cast iron Honing covered slats to create emergency running properties exposed (DE 42 17 530 A1). It has also become known Machining workpiece surfaces by means of laser beam in order to To produce grooves / perforated structures (DE 43 16 012 C2).
Zylinderflächen, die aus Leichtmetallen hergestellt sind, werden in ihrer Verschleißfestigkeit verbessert, indem sie z. B. aus übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen hergestellt sind, bei denen die entstehenden Silizium-Kristalle in dem weicheren Basiswerkstoff eingebettet sind. Diese Kristalle werden durch verschiedene Verfahren freigelegt, so dass sie etwas über die Oberfläche des Basiswerkstoffs vorstehen, z. B. durch Bürsten (EP 0 348 608 (KADIA)). Es sind auch schon andere Verfahren zur Freilegung dieser Silizium-Kristalle in Werkstoffen, wie ALUSIL, DURALCAN oder LOCASIL (Markennamen) bekannt geworden, beispielsweise durch Honen oder Ätzen. Dies ist im dem Artikel "Moderne Leichtmetallwerkstoffe für den Motorenbau und deren Endbearbeitung durch Honen" von Josef Schmid in MTZ Motortechnische Zeitschrift, Heft 4, 1998, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Wiesbaden, beschrieben. Cylinder surfaces, which are made of light metals, are in their Wear resistance improved by z. B. from hypereutectic Aluminum-silicon alloys are manufactured in which the emerging silicon crystals in the softer base material are embedded. These crystals are made by different methods exposed so that they are slightly above the surface of the base material project, e.g. B. by brushing (EP 0 348 608 (KADIA)). They are too other methods for exposing these silicon crystals in Materials such as ALUSIL, DURALCAN or LOCASIL (brand names) become known, for example by honing or etching. This is in the article "Modern light metal materials for engine construction and their finishing by honing "by Josef Schmid in MTZ Motortechnische Zeitschrift, Issue 4, 1998, Friedrich Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Wiesbaden.
Aufgabe und LösungTask and solution
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Zylinderlauffläche zu schaffen, die ein verbessertes Verschleißverhalten hat. The object of the invention is to provide a cylinder tread that a has improved wear behavior.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, dass die härteren Stellen durch auf sie ausgerichtete Änderungen der intermetallischen Struktur des Basismaterials erzeugt werden. Die Zunahme der Härte gegenüber dem Basismaterial sollte gemessen in Vickers, um mehr den Faktor 1,5, bevorzugt 3, gesteigert werden. This object is achieved according to the invention in that the harder places through targeted changes to the intermetallic structure of the base material are generated. The increase in Hardness against the base material should be measured in Vickers order more the factor 1.5, preferably 3, can be increased.
Dies kann dadurch geschehen, dass die härteren Stellen durch punktuelle Erwärmung des Basismaterials, z. B. durch einen Laserstrahl, erzeugt werden. Diese Stellen kühlen sich dann relativ schnell ab, so dass sie eine punktuelle Härtung erzeugen. This can be done by making the harder parts through selective heating of the base material, e.g. B. by a laser beam, be generated. These places then cool down relatively quickly, so that they produce selective hardening.
In der deutschen Patentanmeldung 101 31 703 der Anmelderin ist ein Verfahren beschrieben, mit dem mittels eines Laserstrahls z. B. ringförmige Löcher in einer solchen Werkstückfläche erzeugt werden können, in deren Mitte ein "Stempel" stehen bleibt. Durch entsprechende Wahl der Temperaturen und Werkstoffe kann auch hier um die durch Verdampfen des Materials entstehenden Ringrillen herum ein gehärterter Bereich erzeugt werden. In the applicant's German patent application 101 31 703 there is a Described method with which by means of a laser beam z. B. annular holes can be created in such a workpiece surface, a "stamp" remains in the middle. By appropriate choice The temperatures and materials can also be affected by the Evaporating the material resulting ring grooves around a hardened Area.
Bei der punktuellen Erwärmung kann ein Aufschmelzen eintreten, so dass die Härtung durch Abkühlung aus der Schmelze erfolgt. With selective heating, melting can occur, so that the hardening takes place by cooling from the melt.
Besonders bevorzugt ist, dass die Stellen größerer Härte mittels eines Zusatzmaterials erzeugt werden, das auf das Basismaterial aufgebracht wird und durch kurzzeitige Erwärmung eine intermetallische Phase mit dem Basismaterial bildet, beispielsweise durch Einlegierung des Zusatzmaterials in das Basismaterial. It is particularly preferred that the points of greater hardness are used by means of a Additional material is generated, which is applied to the base material and an intermetallic phase with brief heating forms the base material, for example by alloying the Additional material in the base material.
Dazu sind wiederum mehrere Verfahren möglich, nämlich einerseits das Basismaterial, beispielsweise durch Siebdruck, Tampondruck o. dgl. an den zu härtenden Stellen punktuell aufzubringen und dann die gesamte Werkstückoberfläche, beispielsweise mit einem flächenüberstreichenden Laserstrahl, zur Bildung der intermetallischen Phase zu erwärmen oder das Zusatzmaterial großflächig auf die Werkstückfläche aufzubringen und dann die Erwärmung nur punktuell vorzunehmen. Im Zusammenhang mit der Erfindung soll der Ausdruck "punktuell" bedeuten, dass es sich um relativ kleine Flächenbereiche handelt, die aber nicht unbedingt als "runder Punkt" vorliegen müssen, sondern beliebige Formen haben können, beispielsweise auch Ringstrukturen, Sterne oder ähnliches. Die so erzeugten Stellen sollen jedoch von dem übrigen Material klar abgegrenzt sein und singulär verteilt auf der Werkstückoberfläche vorliegen, d. h., dass die einzelnen Stellen nicht unmittelbar aneinander angrenzen, sondern in erheblichem Abstand voneinander einzeln vorliegen. Die Verteilung kann dabei stochastisch, d. h. willkürlich, sein. Again, several methods are possible for this, namely the one Base material, for example by screen printing, pad printing or the like to apply the areas to be hardened selectively and then the whole Workpiece surface, for example with a surface covering Laser beam to heat or to form the intermetallic phase to apply the additional material to the workpiece surface over a large area and then only carry out the heating selectively. in the In connection with the invention, the term "punctiform" is intended to mean that it are relatively small areas, but not necessarily must be present as a "round point", but have any shape can, for example also ring structures, stars or the like. The Places created in this way should, however, be clear from the rest of the material be delimited and distributed singularly on the workpiece surface, d. that is, the individual points do not directly adjoin one another, but rather individually at a considerable distance from each other. The Distribution can be stochastic, i.e. H. to be arbitrary.
Die Aufbringung des Zusatzmaterials erfolgt zumeist in Pulverform, das beispielsweise als Paste aufgebracht wird und kann bevorzugt in Form von Metallhydriden zur Verhinderung von Oxidationserscheinungen erfolgen. Als Zusatzmaterial können Metalle wie Kupfer, Nickel, Eisen, Silizium verwendet werden. Bevorzugt ist jedoch Titan wegen der besseren Korrosionsbeständigkeit in Verbindung mit einem Basiswerkstoff auf der Grundlage von Aluminium oder Magnesium. Bei einigen Materialen empfiehlt es sich, die Erwärmung unter Schutzgas vorzunehmen, um Oxidationsvorgänge zu vermeiden. The additional material is usually applied in powder form for example, is applied as a paste and can preferably be in the form of metal hydrides to prevent oxidation respectively. Metals such as copper, nickel, iron, Silicon can be used. However, titanium is preferred because of the better corrosion resistance in connection with a base material based on aluminum or magnesium. With some materials it is advisable to heat under protective gas in order to To avoid oxidation processes.
Durch eine Bildung von harten intermetallischen Phasen in Form einer Einlegierung in den Grundwerkstoff entsteht eine feste metallische Verbindung dort hin. Die Umwandlungs- bzw. Legierungszone sollte in das Grundmaterial hineinreichen und eine Mindeststärke von 2 µm haben. Sie kann aber auch erheblich dicker sein und bis zu einem Millimeter in das Grundmaterial hineinreichen. Through the formation of hard intermetallic phases in the form of a Alloy in the base material creates a solid metallic Connection there. The conversion or alloy zone should be in the Reach in the base material and have a minimum thickness of 2 µm. But it can also be considerably thicker and up to one millimeter in hand in the basic material.
Die gehärteten Stellen können dadurch freigelegt und als verschleißfeste tragende Struktur verwendet werden, wenn das Basismaterial um diese Stellen herum zurückgesetzt wird, beispielsweise durch mechanisches oder chemisches Abtragen, wie Honen, Bürsten, Ätzen oder eine Strahlbehandlung, z. B. mit Hartpartikeln o. dgl.. Überschüssiges, nicht mit dem Basismaterial in intermetallischer Verbindung stehendes Zusatzmaterial, das gegenüber den harten Stellen besonders weich ist, wird dabei mit abgetragen. Bei dem Abtragen werden die härteren Stellen gleichzeitig geglättet, wenn man beispielsweise eine Honbearbeitung dafür verwendet. The hardened areas can be exposed and as Wear-resistant supporting structure can be used when the base material is around is reset around these places, for example by mechanical or chemical removal, such as honing, brushing, etching or a Blasting, e.g. B. with hard particles or the like. Excess, not intermetallic with the base material Additional material that is particularly soft compared to the hard areas, is also removed. When you remove it, the harder Make smoothing at the same time, for example, when honing used for this.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf anderen Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. These and other features go beyond the claims from the description and the drawings, the individual Features each individually or in groups in the form of Sub-combinations in one embodiment of the invention and on other areas to be realized and beneficial as well can represent protective designs for which protection is claimed here becomes. Embodiments of the invention are in the drawings shown and are explained in more detail below.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden erläutert. Es zeigen: Embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained below. Show it:
Fig. 1 eine schematische perspektivische Draufsicht auf eine Werkstückfläche mit gegenüber dem Basismaterial härteren Stellen, Fig. 1 is a schematic perspective plan view of a work surface with respect to the base material harder sites,
Fig. 2 eine Stelle in einer Version mit einer Ringrinne in starker Vergrößerung, Fig. 2 is a point in a version with an annular groove in high magnification,
Fig. 3 die Aufbringung eines Zusatzmaterials auf das Basismaterial im schematischen Detailschnitt, Fig. 3 shows the application of an additional material on the base material in schematic detail section,
Fig. 4 das Werkstück nach Fig. 3 nach Bildung der intermetallischen Verbindung, Fig. 4 shows the workpiece of FIG. 3 after formation of the intermetallic compound,
Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Darstellung mit durchgehender Aufbringung eines Zusatzmaterials, Fig. 5 is a Fig. Representation corresponding 3 with continuous application of an additional material,
Fig. 6 das Werkstück nach Fig. 5 nach Bildung der intermetallischen Phasen und Fig. 6 shows the workpiece of Fig. 5 after formation of the intermetallic phases and
Fig. 7 das Werkstück nach Fig. 5 und 6 nach einer abtragenden Behandlung. Fig. 7 shows the workpiece of FIG. 5 and 6 after an etching treatment.
Fig. 1 zeigt vergrößert einen Ausschnitt eines Werkstücks 11, beispielsweise einem aus Leichtmetall oder Leichtmetalllegierungen, wie Aluminium, Magnesium o. dgl. bestehenden Arbeitszylinder einer Kolbenmaschine, wie eines Benzin- oder Dieselmotors. Die die Kolbenlauffläche bildende Oberfläche 12 des Werkstücks 11 ist durch übliche Bearbeitungsvorgänge, wie Honen, bis zu einer recht hohen Oberflächengüte und geringen Rauhtiefe bearbeitet, z. B. zu einer Rauhtiefe zwischen 0,5 µm und 4 µm, bevorzugt bei 2 µm. Fig. 1 shows enlarged a section of a workpiece 11, such as a like of light metal or light metal alloys, such as aluminum, magnesium o.. Existing working cylinder of a piston engine such as a gasoline or diesel engine. The surface 12 of the workpiece 11 which forms the piston running surface is machined by conventional machining processes, such as honing, to a very high surface quality and a low surface roughness, e.g. B. to a surface roughness between 0.5 microns and 4 microns, preferably at 2 microns.
In dieser Oberfläche 12 sind, stochastisch, d. h. unregelmäßig verteilt, Stellen 13 größerer Härte enthalten. Diese Stellen können im wesentlichen kreisrund sein, jedoch auch andere Formen haben, beispielsweise langgestreckte, ring- oder sternförmige Strukturen umfassen etc. Sie sind auf der Oberfläche singulär, d. h. voneinander beabstandet, vorgesehen. Ihre Abmessungen, z. B. bei einer runden Stelle der Durchmesser, sind relativ klein und können vorzugsweise zwischen 2 µm und 1 mm, besonders bevorzugt zwischen 5 µm und 200 µm betragen. Stochastic, ie irregularly distributed, points 13 of greater hardness are contained in this surface 12 . These points can be essentially circular, but can also have other shapes, for example include elongated, ring-shaped or star-shaped structures, etc. They are provided singularly on the surface, ie spaced apart from one another. Your dimensions, e.g. B. at a round point of diameter, are relatively small and can preferably be between 2 microns and 1 mm, particularly preferably between 5 microns and 200 microns.
Die durchschnittliche Distanz d zwischen den Stellen 13 sollte in jedem Falle größer sein als deren Abmessungen a. Sie ergibt sich auch aus dem bevorzugten Flächenanteil der Oberflächen der Stellen 13, verglichen mit der restlichen Oberfläche 12 von 5% bis 50%, insbesondere 10% bis 30%. The average distance d between the points 13 should in any case be greater than their dimensions a. It also results from the preferred area proportion of the surfaces of the points 13 , compared to the remaining surface 12 of 5% to 50%, in particular 10% to 30%.
Aufgrund des im folgenden noch beschriebenen Herstellungsverfahrens sind die Stellen auch nicht scharf begrenzt, sondern gehen mit einem Übergangsbereich in das den größten Teil der Oberfläche 12 bildende Basismaterial 21 über. Due to the manufacturing process described below, the locations are not sharply delimited, but rather pass with a transition region into the base material 21 forming the largest part of the surface 12 .
Die härteren Stellen 13 werden dadurch erzeugt, dass die Oberfläche 12 des Basismaterials 21 punktuell mit einem Laserstrahl behandelt wird, der im wesentlichen der Größe a der Stellen 13 entspricht. Dadurch wird das Material stark erwärmt, vorzugsweise aufgeschmolzen, in Fig. 1 jedoch, ohne zu verdampfen. Aufgrund der geringen Größe der Stellen, ihres Abstandes voneinander, der Erwärmung nur an der Oberfläche, die für eine relativ geringe Eindringtiefe sorgt, und der guten Wärmeleitfähigkeit des Basismaterials kühlen diese Stellen nach der Abschaltung des Laserstrahls sehr schnell ab, so dass eine Änderung der intermetallischen Struktur des Basismaterials erzeugt wird, die zu einer größeren Härte führt als die der Basismaterial-Oberfläche. Aufgrund der geringen Größe und Isoliertheit der Stellen spielen jedoch beim Härten sonst mögliche Verzugserscheinungen, Oberflächenveränderungen sowie eine eventuell größere Sprödigkeit des gehärteten Werkstoffs, was z. B. zu Rissen führen könnte, keine Rolle. The harder points 13 are generated by treating the surface 12 of the base material 21 selectively with a laser beam which essentially corresponds to the size a of the points 13 . As a result, the material is heated up, preferably melted, but in FIG. 1 without evaporating. Due to the small size of the spots, their distance from each other, the heating only on the surface, which ensures a relatively small penetration depth, and the good thermal conductivity of the base material, these spots cool very quickly after the laser beam is switched off, so that a change in the intermetallic Structure of the base material is generated, which leads to a greater hardness than that of the base material surface. Due to the small size and isolation of the spots, however, possible distortions, surface changes and possibly greater brittleness of the hardened material play during hardening. B. could lead to cracks, no role.
Beim Werkstoff ist darauf zu achten, dass härtbare Leichtmetalllegierungen, auch Titan, verwendet werden. Zur Erzeugung des Laserstrahls kann ein gepulster Laser Verwendung finden, dessen Strahl auf die gewünschte Größe a der Stellen eingestellt ist und der nach einem vorgegebenen Programm, beispielsweise unter Verwendung eines Zufallsgenerators, über die Werkstückoberfläche 12 geführt wird. Es ist jedoch auch eine gleichmäßige Anordnung der Stellen 13 möglich. When it comes to the material, make sure that hardenable light metal alloys, including titanium, are used. A pulsed laser can be used to generate the laser beam, the beam of which is set to the desired size a of the positions and which is guided over the workpiece surface 12 according to a predetermined program, for example using a random generator. However, a uniform arrangement of the points 13 is also possible.
Fig. 2 zeigt in sehr starker Vergrößerung eine Härtestelle 13a, die mittels eines defokussierten Lasers erzeugt wird. Der Laserstrahl hat dabei eine rohrförmige Intensitätsverteilung, so dass er bei seinem Auftreffen auf die Oberfläche 12 durch Verdampfen eine ringförmige Rinne 14 schafft, in deren Mitte ein im wesentlichen auf dem Niveau der Oberfläche 12 liegender "Stempel" 15 stehen bleibt. Diese auch als Ringkrater zu bezeichnende Ringrinne 14 sorgt für eine gute Ölhaltung. Im Umkreis um die Ringrinne 14 bilden sich sowohl auf der Außenseite als auch auf der Innenseite, d. h. auf dem "Stempel" Zonen 16, die bei Verwendung eines härtbaren Basismaterials 21 eine größere Härte haben als der Basiswerkstoff 21, der sie umgibt bzw. von ihnen umgeben wird. Es sollte aber darauf geachtet werden, dass die größten Abmessungen der Stellen bzw. Zonen größerer Härte nicht zu groß werden, insbesondere bei Linienstrukturen, weil dann Rissgefahr besteht. Fig. 2 shows in a very large enlargement a hardening point 13 a, which is generated by means of a defocused laser. The laser beam has a tubular intensity distribution, so that when it strikes the surface 12 by evaporation, it creates an annular groove 14 , in the center of which a "stamp" 15 which is essentially at the level of the surface 12 remains. This ring channel 14 , which can also be referred to as a ring crater, ensures good oil maintenance. In the periphery around the annular groove 14 , zones 16 are formed both on the outside and on the inside, ie on the "stamp", which, when using a hardenable base material 21, have a greater hardness than the base material 21 which surrounds them or from them is surrounded. However, care should be taken to ensure that the largest dimensions of the areas or zones of greater hardness do not become too large, in particular in the case of line structures, because there is then a risk of cracking.
Nach der Bildung der härteren Stellen 13 werden diese durch eine mechanische oder chemische Behandlung frei gelegt, d. h. die verbleibende Oberfläche 12 wird etwas abgetragen. Dies wird vorzugsweise durch eine Honbearbeitung durchgeführt, die aufgrund der Verfahrensweise und/oder Werkzeugbeschaffenheit von dem weicheren Basismaterial 21 mehr abträgt als von den härteren Stellen 13. Diese werden dabei jedoch geglättet, so dass sie in ihrer Gesamtheit eine relativ glatte und harte Tragstruktur bilden, die mit einer auf ihr gleitenden Gegenfläche, beispielsweise einem Kolben bzw. dessen Kolbenringen, in verschleißarmer Weise zusammen arbeitet. Dabei sorgen die etwas zurückgesetzten Abschnitte der Oberfläche 12 für eine gute Haltung eines Schmiermittels. Die entsprechenden Werkstückflächen sind also besonders für fluidgeschmierte Anwendung vorgesehen. After the hard spots 13 have been formed , they are exposed by mechanical or chemical treatment, ie the remaining surface 12 is removed somewhat. This is preferably carried out by honing, which removes more from the softer base material 21 than from the harder points 13 due to the procedure and / or tool properties. However, these are smoothed so that, in their entirety, they form a relatively smooth and hard supporting structure which works with a counter surface sliding on it, for example a piston or its piston rings, in a low-wear manner. The slightly recessed sections of the surface 12 ensure that lubricant is held well. The corresponding workpiece surfaces are therefore particularly intended for fluid-lubricated applications.
Derartige Ringkanalstrukturen sind in der deutschen Patentanmeldung 101 31 703 vom 29.06.2001 der Anmelderin im einzelnen beschrieben. Auf diese wird wegen der Einzelheiten Bezug genommen. Such ring channel structures are in the German patent application 101 31 703 dated June 29, 2001 by the applicant. These are referred to for the details.
Während bei den Ausführungen nach Fig. 1 und 2 der Werkstoff in seiner Zusammensetzung unverändert blieb und nur die intermetallische Struktur durch die Wärmebehandlung geändert wurde, wird bei den Ausführungsformen, die anhand der Fig. 3 bis 7 beschrieben werden, auch die Zusammensetzungen der Werkstoffe geändert. During remained unchanged in the embodiments according to FIGS. 1 and 2 the material in its composition, and only the intermetallic structure has been changed by the heat treatment, the compositions of the materials is changed in the embodiments described with reference to FIGS. 3 to 7 ,
Fig. 3 und 4 zeigt eine Ausführung, bei der auf die Oberfläche 12 des Werkstücks 11 mittels Siebdruck, Tampondruck, Tintenstrahldruck o. dgl. ein Zusatzmaterial 18 in Form der sich später daraus bildenden Stellen 13 aufgebracht. Bei dem Zusatzmaterial handelt es sich um ein mit dem Basismaterial 21 des Werkstücks 11 eine intermetallische Verbindung, beispielsweise eine Legierung, eingehendes Material, also bei Leichtmetallen beispielsweise Kupfer, Nickel, Eisen, Silizium etc. Sofern das Basismaterial nicht selbst aus Titan besteht, ist Titan ein bevorzugter Zusatzwerkstoff. Dieses Zusatzmaterial wird in Form einer Paste aufgebracht, die das Material beispielsweise als Pulver enthalten kann, bevorzugt aber in Form eines entsprechenden Metallhydrids. FIGS. 3 and 4 shows an embodiment in which onto the surface 12 of the workpiece 11 by means of screen printing, pad printing, inkjet printing o. The like. Additive material 18 in the form of later forming therefrom bodies 13 is applied. The additional material is an intermetallic compound, for example an alloy, incoming material with the base material 21 of the workpiece 11 , that is to say in the case of light metals, for example copper, nickel, iron, silicon etc. If the base material does not itself consist of titanium, it is titanium a preferred filler material. This additional material is applied in the form of a paste, which may contain the material, for example, as a powder, but preferably in the form of a corresponding metal hydride.
Nach der punktuellen Aufbringung des Zusatzmaterials 18 wird die gesamte Werkstückoberfläche 12 mit einem Flächenlaser, z. B. (cw- Laser; continons wave, d. h. nicht gepulst) erwärmt. Dies kann beispielsweise ein CO2-Laser sein, der mit sehr großer Leistung in kürzester Zeit die gesamte Oberfläche erhitzt, so dass zumindest die mit Zusatzmaterial bewegten Stellen aufgeschmolzen werden. Je nach den Reflexions- bzw. Absorptionscharakteristika des Zusatzmaterials und der restlichen Oberfläche 12 (Basismaterial) kann dabei entweder nur das Zusatzmaterial aufgeschmolzen werden oder die gesamte Fläche. Im letzteren Fall erfolgt auch auf dieser Oberfläche eine gewisse, wenn auch geringere Härtung, weil die Abkühlung infolge der Großflächigkeit der Erhitzung nicht so schnell erfolgt. Auch kann das Basismaterial 21 so gewählt werden, dass es nicht in diesem Maße durch Wärme aushärtbar ist. After the selective application of the additional material 18 , the entire workpiece surface 12 with a surface laser, z. B. (cw laser; continons wave, ie not pulsed) heated. This can be, for example, a CO 2 laser, which heats the entire surface in a very short time with very high power, so that at least the points moved with additional material are melted. Depending on the reflection or absorption characteristics of the additional material and the remaining surface 12 (base material), either only the additional material can be melted or the entire surface. In the latter case, a certain, albeit less, hardening also takes place on this surface because the cooling does not take place as quickly due to the large area of the heating. The base material 21 can also be selected such that it cannot be hardened to the same extent by heat.
An den Stellen 13 geht jedoch das Basismaterial 21 mit dem Zusatzmaterial 18 eine intermetallische Verbindung ein. Fig. 4 zeigt, dass diese intermetallische Phase in das Basismaterial über eine gewisse Tiefe hineinreicht. Je nach dem Aufschmelzungsgrad und den verwendeten Werkstoffen kann diese Umwandlungs- bzw. Legierungszone sehr unterschiedlich dick sein. Sie sollte eine Mindeststärke von 2 µm haben, kann aber auch wesentlich größer, z. B. bis 1 mm dick sein. Bevorzugt ist die Dicke 5 µm bis 200 µm. Die die Dicke 5 µm bis 200 µm. Die entsprechenden Werkstoffpaarungen werden so gewählt, dass sich durch die intermetallische Phase im Zusammenwirken mit der schnellen Erhitzung und Abkühlung an den Stellen 13 eine größere Härte einstellt. At points 13 , however, the base material 21 forms an intermetallic compound with the additional material 18 . Fig. 4 shows that this intermetallic phase extends into the base material over a certain depth. Depending on the degree of melting and the materials used, this conversion or alloy zone can have very different thicknesses. You should have a minimum thickness of 2 microns, but can also be much larger, z. B. up to 1 mm thick. The thickness is preferably 5 μm to 200 μm. The thickness is 5 µm to 200 µm. The corresponding material pairings are selected so that the intermetallic phase, together with the rapid heating and cooling, results in greater hardness at points 13 .
Bei der anschließenden abtragenden Bearbeitung, wie sie anlässlich Fig. 1 und 2 beschrieben wurde, wird die restliche Oberfläche 12 durch Abtragen etwas zurück versetzt (siehe strichpunktierte Linie 12a in Fig. 4), so dass die Stellen 13 freigelegt sind und so die gewünschte Tragpunktstruktur bzw. -matrix entsteht. Die Oberfläche 20 an den Stellen 13 wird dabei ebenfalls in ihrer Form und Oberflächenbeschaffenheit verbessert und es findet an den Randbereichen eine Entgratung statt. Infolge der größeren Härte bleiben die Stellen 13 jedoch als hervorstehende "Inseln" stehen. In the subsequent ablation processing, as described on the occasion of FIGS. 1 and 2, the remaining surface 12 is displaced somewhat by abrasion (see dash-dotted line 12 a in FIG. 4), so that the locations 13 are exposed and thus the desired one Support structure or matrix is created. The surface 20 at the points 13 is also improved in its shape and surface quality, and deburring takes place at the edge regions. Due to the greater hardness, however, the positions 13 remain as protruding "islands".
Die Bedruckung mit dem Zusatzmaterial 18 (Fig. 3) kann in beliebigen Schichtdicken erfolgen, die wesentlich dicker sein können als die spätere intermetallische Phase. Die Art der Bedruckung schafft praktisch unbegrenzte Möglichkeiten für dem Anwendungszweck angepasste Muster der Tragpunktstruktur. Bei der kurzzeitigen Erwärmung verdampfen die das Zusatzmaterial druckfähig machenden, z. B. pastösen Bestandteile des Druckmaterials. The printing with the additional material 18 ( FIG. 3) can take place in any layer thicknesses which can be considerably thicker than the later intermetallic phase. The type of printing creates practically unlimited possibilities for patterns of the supporting point structure adapted to the application. In the case of brief heating, the additional material which makes it printable, e.g. B. pasty components of the printing material.
Bei einigen Zusatzmaterialien oder auch Basiswerkstoffen kann es notwendig werden, bei der Erwärmung in Schutzgasatmosphäre zu arbeiten, um unerwünschte Oxidationserscheinungen, die bis zu einem Verbrennen des Zusatzmaterials führen können, zu vermeiden. Bei Verwendung von Metallhydriden, beispielsweise Titanhydrid, kann dies jedoch unter Umständen vermieden werden. Das Hydrid oxidiert nicht so stark und ist selbst reduzierend. Es entzieht aufgrund der reduzierenden Wirkung aus der Aluminiumoberfläche Sauerstoff und fördert die legierende Verbindung dorthin. Außerdem ist eine so bedruckte Oberfläche länger lagerfähig, ohne dass dort bereits Oxidationserscheinungen zu befürchten sind. With some additional materials or basic materials it can become necessary when heating in a protective gas atmosphere work to remove unwanted oxidation phenomena that result in a Avoid burning the additional material. at Use of metal hydrides, for example titanium hydride, can do this but may be avoided under certain circumstances. The hydride does not oxidize that way strong and is self-reducing. It deprives due to the reducing Effect from the aluminum surface oxygen and promotes the alloying connection there. There is also such a printed surface can be stored longer without there already being signs of oxidation are to be feared.
Die Fig. 5 bis 7 zeigen schematisch eine Variante der Aufbringung. Dort wird die Oberfläche 12 vollflächig mit dem Zusatzmaterial 18 beschichtet, beispielsweise ebenfalls in Form einer aufgebrachten Paste. Es wird dann mit einem Laser, ähnlich wie in Fig. 1, an den Stellen 13 eine kurzzeitige Erwärmung/Aufschmelzung erzeugt, die die intermetallischen Phasen 21 entsprechend Fig. 4 entstehen lässt (Fig. 6). Bei dem nachfolgenden Abtragen wird dann nicht nur das restliche, unverbrauchte Zusatzmaterial 18 abgetragen, sondern auch die Oberfläche 12 gegenüber der Oberfläche 20 der Stellen 13 zurückgesetzt (siehe 12a in Fig. 7). Diese Zurücksetzung (Fig. 7) kann zwischen 0,1 µm und 2 µm, bevorzugt 0,2 µm bis 1 µm, betragen. Dieses Maß ist auch abhängig von den Abmessungen der Stellen 13. The Figs. 5 to 7 schematically show a variant of the application. There, the surface 12 is coated over the entire area with the additional material 18 , for example also in the form of an applied paste. It is then produced with a laser, similar to that in FIG. 1, at points 13 for a brief heating / melting, which causes the intermetallic phases 21 according to FIG. 4 ( FIG. 6). In the subsequent removal, not only is the remaining, unused additional material 18 removed, but also the surface 12 is set back relative to the surface 20 of the locations 13 (see 12a in FIG. 7). This reset ( FIG. 7) can be between 0.1 μm and 2 μm, preferably 0.2 μm to 1 μm. This dimension also depends on the dimensions of the positions 13 .
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