DE102004023021B4 - Method for ablative processing of surface areas - Google Patents

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Abstract

Verfahren zur ablativen Bearbeitung von Oberflächenbereichen metallischer Bauteile zur Verbesserung deren tribologischer Eigenschaften, bei dem in einem ablativen Prozess ein energiereicher Elektronenstrahl hochfrequent über die zu behandelnden Oberflächenbereiche geführt wird, wobei die Energieübertragungs- und Ablenkbedingungen des durch den Elektronenstrahl gebildeten Energieübertragungsfeldes so aufeinander abgestimmt werden, dass Material in Form eines definierten Musters von der Oberfläche abgetragen oder verdrängt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
der ablative Prozess mit einem thermischen Prozess kombiniert wird, bei dem der Elektronenstrahl so hochfrequent geführt wird, dass zumindest ein Teil des im ablativen Prozess behandelten Oberflächenbereiches, der außerhalb des erzeugten Musters liegt, zumindest in einer oberflächennahen Schicht auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Umwandlungstemperatur, bei der eine Gefügeänderung erfolgt, erwärmt wird und dass der im thermischen Prozess behandelte Oberflächenbereich anschließend durch Abschreckung gehärtet wird.A process for the ablative processing of surface areas of metallic components to improve their tribological properties, in which an energy-rich electron beam is conducted in a high-frequency over the surface areas to be treated in an ablative process, wherein the energy transfer and deflection conditions of the energy transfer field formed by the electron beam are matched to one another Material in the form of a defined pattern is removed from the surface or displaced,
characterized in that
the ablative process is combined with a thermal process in which the electron beam is guided in such a high frequency that at least a portion of the ablative process surface area outside of the generated pattern is at least in a near-surface layer at a temperature above a critical transition temperature, in which a structural change takes place, is heated, and that the treated surface in the thermal process is then cured by quenching.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur ablativen Bearbeitung von Oberflächenbereichen insbesondere metallischer Bauteile mittels Elektronenstrahl gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The The invention relates to a method for ablative processing of surface areas in particular metallic components by means of electron beam according to the preamble of claim 1.

Gravuren sind eine Form einer ablativen Bearbeitung von Bauteilen und werden z. B. in der Druckindustrie in Oberflächen von Druckwalzen als Farbreservoirs eingebracht ( DE 29 47444 , EP 0076 868 A1 ).Engraving is a form of ablative machining of components and are z. B. introduced in the printing industry in surfaces of pressure rollers as a color reservoir ( DE 29 47444 . EP 0076 868 A1 ).

Unter Verwendung von Elektronen- und Laserstrahlen werden Oberflächengravuren auch zur Markierung bzw. Beschriftung von Bauteilen genutzt ( DD 292 109 B5 ).Using electron and laser beams, surface engravings are also used to mark or inscribe components ( DD 292 109 B5 ).

Eine weitere Anwendung des Gravierens mittels Laser oder Elektronenstrahl dient der Schaffung von Schmiermittelreservoirs und damit der Verbesserung der Laufeigenschaften, insbesondere in Zylinderlaufbuchsen ( EP 0 565 742 A1 , DE 198 09 367 A1 , DD 276 121 A1 ).Another application of engraving by laser or electron beam is to create lubricant reservoirs and thus improve the running properties, especially in cylinder liners ( EP 0 565 742 A1 . DE 198 09 367 A1 . DD 276 121 A1 ).

In der EP 0 565 742 A1 ist ein Verfahren zur aktiven Bearbeitung von Oberflächenbereichen metallischer Bauteile zur Verbesserung von deren tripologischen Eigenschaften beschrieben. Bei ihm wird ein energiereicher Strahl über den zu behandelnden Oberflächenbereich geführt, und zwar der Art, dass von der Oberfläche Material in Form eines definierten Musters abgetragen wird.In the EP 0 565 742 A1 describes a method for active processing of surface areas of metallic components to improve their triphological properties. With him, a high-energy beam is passed over the surface area to be treated, namely the way that material is removed from the surface in the form of a defined pattern.

Aus der DD 276 121 A1 ist ein Verfahren zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften einer Zylinderlauffläche bekannt, bei dem ein energiereicher Strahl über Bereiche der Zylinderlauffläche geführt wird. Die durch den energiereichen Strahl beaufschlagten Bereiche der Zylinderlauffläche werden dabei in einer oberflächennahen Schicht auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Umwandlungstemperatur erwärmt, wodurch nach Abkühlung oder gegebenenfalls nach Abschreckung eine Härtung dieser Oberflächenbereiche erhalten wird.From the DD 276 121 A1 a method for improving the tribological properties of a cylinder surface is known, in which a high-energy beam is guided over portions of the cylinder surface. The acted upon by the high-energy beam areas of the cylinder surface are heated in a near-surface layer to a temperature above a critical transition temperature, whereby after cooling or optionally after quenching a curing of these surface areas is obtained.

Nicht nur im Motorenbau sondern auch im Getriebebau, in der Hydraulikindustrie und im Maschinenbau ist die Verbesserung der tribologischen Eigenschaften von bewegten Teilen von Interesse.Not only in engine construction but also in gearbox construction, in the hydraulic industry and in mechanical engineering is the improvement of the tribological properties of moving parts of interest.

Das gilt gleichermaßen für den hydrodynamischen Verschleiß, die Mischreibung und die Ein- bzw. Notlaufeigenschaften.The applies equally for the hydrodynamic wear, the mixed friction and the run-in or run-flat properties.

Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren zu schaffen, das das Verschleißverhalten von bewegten Teilen weiter verbessert.The The present invention has as its object to provide a method create that the wear behavior further improved by moving parts.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst mit einem Verfahren, welches die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale aufweist.These Task is solved according to the invention with a Method having the features listed in claim 1.

In den Ansprüchen und in der vorliegenden Beschreibung werden zwei Arbeitsbedingungen eines Elektronenstrahles und unter diesen erhaltene Prozesse am Bauteil angesprochen. Diese werden kurz als „Ablationsbedingungen” bzw. „Erhitzungsbedingungen” bzw. „ablativer Prozess” und „thermischer Prozess” bezeichnet werden.In the claims and in the present description, two working conditions of an electron beam and processes obtained thereunder Component addressed. These are called "ablation conditions" or "heating conditions" or "ablative Process "and" thermal Process " become.

Unter Ablationsbedingungen ist die Energiedichte und die momentane Verweildauer des Elektronenstrahls so gewählt, dass eine so starke lokale Energiezufuhr erfolgt, dass Material von der Oberfläche abgetragen oder unter Aufschmelzen umgelagert wird.Under Ablation conditions is the energy density and the momentary residence time of the electron beam chosen so that such a strong local energy supply takes place that material from the surface is removed or relocated with melting.

Unter Erhitzungsbedingungen wird die Energie des Elektronenstrahl durch eine definierte hochfrequente Strahlablenkung auf eine größere Fläche verteilt und in Kombination mit der Einwirkdauer ein Temperatur-Zeit-Profil im Bauteil so realisiert, dass das Material zumindest in einer oberflächennahen Schicht bzw. bis in eine geeignete Tiefe auf eine kritische Temperatur erhitzt wird, bei der das Material umgewandelt wird (z. B: eine Gefügeänderung erfährt, so dass es bei einem raschen Abkühlen (Abschrecken) gehärtet wird). Unter thermischen Prozessen sollen in den Ansprüchen und der vorliegenden Beschreibung auch solche Prozesse verstanden werden, die auf andere Weise als durch Wärme eine Materialumwandlung bewerkstelligen, wie das Härten von Kunststoffen.Under Heating conditions, the energy of the electron beam through a defined high-frequency beam deflection distributed over a larger area and in combination with the duration of exposure, a temperature-time profile realized in the component so that the material at least in a near-surface Layer or to a suitable depth to a critical temperature is heated, at which the material is converted (for example: a structural change learns so that it cools down quickly Hardened (quenching) becomes). Under thermal processes should in the claims and the present description also covers such processes, in other ways than by heat perform a material conversion, such as hardening Plastics.

Dadurch, dass der ablative Prozess und der thermische Prozess des erfindungsgemäßen Verfahrens in der ein- und der gleichen Anlage und/oder Vorrichtung durchgeführt werden kann und nur eine entsprechende Programmierung der Strahlenergie und/oder der Ablenkbedingungen des Strahles notwendig ist, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren ohne anlagentechnischen Mehraufwand gegenüber rein ablativen oder reinthermischen Bearbeitungsverfahren durchführen.The fact that the ablative process and the thermal process of the method according to the invention can be carried out in the same system and / or apparatus and only a corresponding programming of the beam energy and / or the deflection conditions of the beam is necessary perform the inventive method without additional technical equipment compared to purely ablative or pure thermal processing method.

Man erhält so mit dem erfindungsgemäßen Verfahren Oberflächenbereiche von Werkstücken, die zur Verbesserung der tribologischen Eigenschaften eine Oberflächengravur und gleichzeitig tragende Flächen mit erhöhtem Verschleißwiderstand aufweisen.you receives so with the inventive method surface areas of workpieces, to improve the tribological properties of a surface engraving and at the same time bearing surfaces with elevated wear resistance exhibit.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist für unterschiedliche Oberflächen von Bauteilen geeignet, sofern diese für den Elektronenstrahl erreichbar sind, außenliegende und innenliegende Oberflächen, sowohl für Umfangs- als auch für Stirnflächen.The inventive method is for different surfaces of components, provided that they are accessible to the electron beam are, outboard and internal surfaces, as well as Circumferential as well as for Faces.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen angegeben.advantageous Further developments of the invention are specified in subclaims.

Bei einem zweistufigen Verfahren gemäß Ansprüchen 2 und 3 wird das Bauteil zweimal mit Energie beaufschlagt, wobei ablativer Prozess und thermischer Prozess in unterschiedlicher Reihenfolge ausgeführt werden.at a two-stage process according to claims 2 and 3, the component is energized twice, with ablative Process and thermal process in different order be executed.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 ist im Hinblick auf die einstufige Erzeugung großer ablativ und thermisch zu behandelnder, z. B. gravierter und gehärteter Oberflächenbereiche von Werkstücken von Vorteil. Insbesondere lässt sich das Verfahren nach Anspruch 4 auch gut als Durchlauf-Verfahren verwenden.The Development of the invention according to claim 4 is highly ablative in terms of single-stage production and thermally treated, z. B. engraved and hardened surface areas of workpieces of Advantage. In particular, lets The method of claim 4 also good as a continuous process use.

Bei einem einstufigen Verfahren gemäß Anspruch 5 erfolgen die beiden Bearbeitungsschritte unter Ablationsbedingungen bzw. Erhitzungsbedingungen gleichzeitig oder zeitlich alternierend. Dies hat den Vorteil, dass man die bei der Ablation lokal in der Randschicht erzeugte Wärme (Bauteilerwärmung) für Erhitzungszwecke (einen Selbstanlassprozess) nutzen kann und dass man umgekehrt die zu Erhitzungs(z. B. Härtungs)zwecken zugeführte Energie für die Ablation von Material mit nutzen kann.at a one-step process according to claim 5, the two processing steps take place under ablation conditions or heating conditions simultaneously or alternately over time. This has the advantage of being local in ablation Edge layer generated heat (Component heating) for heating purposes (a Selbstanlassprozess) can use and that inversely the for heating (eg curing) purposes supplied Energy for can use the ablation of material with.

Das Verfahren gemäß Anspruch 6, das einstufig oder zweistufig durchgeführt werden kann, wobei die Reihenfolge der Prozesse (ablativ und thermisch z. B. Gravieren und Härten) variabel zu gestalten ist, während das Bauteil in seiner Position fixiert ist. D. h. diese Technologie ist besonders vorteilhaft für ebene oder nur leicht gekrümmte Flächen einsetzbar.The Method according to claim 6, which can be carried out in one or two stages, the order of the processes (ablative and thermal eg engraving and hardening) variable to shape while that Component is fixed in position. Ie. this technology is particularly advantageous for level or only slightly curved surfaces used.

Das Verfahren gemäß Anspruch 7 gestattet die Erzeugung auch nicht rotationssymmetrischer und/oder lateral erweiterter Vertiefungen in der Werkstückoberfläche. Auch zur gezielten Einstellung des Tiefenprofiles der einzelnen Gravuren ist es vorteilhaft.The Method according to claim 7 also allows the production of non-rotationally symmetric and / or laterally extended depressions in the workpiece surface. Also for targeted recruitment the depth profile of the individual engravings, it is advantageous.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:below The invention will be described with reference to embodiments with reference closer to the drawing explained. In this show:

1: einen ersten Verfahrensschritt eines zweistufigen Verfahrens zum Erzeugen gravierter Oberflächenbereiche auf Werkstücken; 1 a first step of a two-step process for producing engraved surface areas on workpieces;

2: einen zweiten Schritt eines zweistufigen Verfahrens zum Erzeugen gehärteter gravierter Oberflächenbereiche von Werkstücken; 2 a second step of a two-step process for producing hardened engraved surface areas of workpieces;

3: eine schematische Darstellung eines einstufigen Verfahrens zur Herstellung eines gehärteten gravierten Oberflächenbereiches eines Werkstückes; 3 a schematic representation of a one-step process for producing a hardened engraved surface area of a workpiece;

4: eine schematische Darstellung eines abgewandelten, einstufigen Verfahrens zum Erzeugen eines gehärteten gravierten Oberflächenbereiches eines Werkstücks; und 4 FIG. 2 is a schematic representation of a modified one-step process for producing a hardened engraved surface area of a workpiece; FIG. and

5–7 vergleichbare Darstellungen wie die 2, 3 und 4, wobei das Werkstück jedoch seine Position nicht ändert und das Überstreichen des zu texturierenden Oberflächenbereiches allein durch Auslenkung des Elektronenstrahles bewerkstelligt wird. 5 - 7 comparable representations like the 2 . 3 and 4 However, the workpiece does not change its position and the sweeping of the surface area to be textured is accomplished solely by deflection of the electron beam.

Nachstehend werden nun unter Bezugnahme auf die 1 ff. verschiedene Arbeitsbedingungen dargelegt, um auf der Oberfläche eines Werkstückes 1 einen gehärteten gravierten Oberflächenbereich zu erzeugen.Hereinafter, referring to FIGS 1 ff. various working conditions set out to work on the surface of a workpiece 1 to produce a hardened engraved surface area.

Ein Elektronenstrahl 2 trägt an vorgegebenen Stellen der Oberfläche des Werkstückes 1 Material zur Erzeugung von Vertiefungen 3 (Gravuren) ab.An electron beam 2 carries at predetermined points of the surface of the workpiece 1 Material for creating depressions 3 (Engravings).

Hierzu fährt der Elektronenstrahl 2 nacheinander Punkte der Werkstückoberfläche an, bei denen Vertiefungen 3 (Gravuren) erzeugt werden, wie in 1 exemplarisch gezeigt.To do this, the electron beam travels 2 successively points of the workpiece surface, where depressions 3 (Engravings) are generated, as in 1 shown as an example.

Zur Erzeugung der in 1 gezeigten Vertiefungen 3 (Gravuren) kann man den Elektronenstrahl 2 jeweils so lange an einer ausgewählten Stelle der Werkstückoberfläche einwirken lassen, bis die Vertiefung 3 (Gravur) der gewünschten Größe erzeugt worden ist, und dann den Elektronenstrahl am nächsten mit einer Vertiefung (Gravur) zu versehenden Punkt der Werkstückoberfläche einwirken lassen.To generate the in 1 shown depressions 3 (Engraving) you can see the electron beam 2 each act on a selected point of the workpiece surface until the depression 3 (Engraving) of the desired size has been generated, and then let the electron beam act on the next to be provided with a recess (engraving) point of the workpiece surface.

Alternativ kann man den Elektronenstrahl an einer vorgegebenen Stelle zunächst nur so lange verweilen lassen, bis ein Teil der gewünschten Vertiefung (Gravur) erstellt ist und schon dann zum nächsten mit einer Vertiefung (Gravur) zu versehenden Ort bewegen, wo eine Vertiefung (Gravur) ebenfalls nur teilweise hergestellt wird usw. Durch zyklisches Durchlaufen der verschiedenen mit Vertiefungen (Gravuren) zu versehenden Stellen der Werkstückoberfläche werden dann im Laufe der Zeit alle Vertiefungen des vom Elektronenstrahl beaufschlagten Arbeitsfeldes sukzessiv erzeugt.alternative At first, you can only electron beam at a given location let it rest until part of the desired recess (engraving) is created and then the next with a recess To move (engraving) to be provided place, where a recess (engraving) is also only partially made, etc. By cycling through the various places to be provided with depressions (engravings) the workpiece surface become then over time, all the wells of the electron beam acted upon Work field generated successively.

Nachdem man den durch Auslenken des Elektronenstrahls erreichbaren Teil der Werkstückoberfläche (Gravierfeld) so mit Vertiefungen (Gravierfeld) versehen hat, wird das Werkstück 1 eine Teilung (Abmessung des Energieübertragungsfeldes an der Werkstückoberfläche gemessen in Werkstückbewegungsrichtung)) weitergestellt, wie in 1 durch einen Pfeil 5 dargestellt, und der oben beschriebene Zyklus wird wiederholt, bis wieder eine Gruppe von Vertiefungen (Gravuren) fertig gestellt ist, usw.After the reachable by deflecting the electron beam portion of the workpiece surface (engraving field) has been provided with recesses (engraving field), the workpiece 1 a pitch (dimension of the energy transmission field on the workpiece surface measured in the workpiece movement direction)) is continued as in FIG 1 through an arrow 5 and the cycle described above is repeated until a group of recesses (engravings) is completed, and so on.

Dieses Gravieren stellt einen ablativen Prozess der Werkstückbearbeitung dar.This Engraving represents an ablative process of workpiece machining represents.

In einem zweiten, thermischen Prozess der Werkstückbearbeitung wird dann eine in 2 mit 6 bezeichnete Randschicht des Werkstückes 1 gehärtet. Hierzu wird der Elektronenstrahl 2 mit entsprechenden Energieübertragungsbedingungen und Ablenkungsbedingungen in Form eines Erhitzungsfeldes 7 so über seinen Arbeitsbereich geführt, dass die Randschicht 6 auf Härtungstemperatur erwärmt wird. Anschließend wird die Randschicht durch Entfernen oder Abschalten des Elektronenstrahles 2 abgeschreckt. Bei diesem thermischen Prozess findet kein (nennenswerter) Materialabtrag statt. Durch entsprechende inkrementale Bewegung des Bauteils um jeweils eine Teilung wird die Härtung über den gesamten gewünschten Werkstückbereich vorgenommen.In a second, thermal process of workpiece machining is then an in 2 With 6 designated edge layer of the workpiece 1 hardened. For this purpose, the electron beam 2 with appropriate energy transfer conditions and deflection conditions in the form of a heating field 7 so led over his work area that the edge layer 6 is heated to the curing temperature. Subsequently, the boundary layer by removing or switching off the electron beam 2 deterred. In this thermal process no (significant) material removal takes place. By appropriate incremental movement of the component by one division, the curing over the entire desired workpiece area is made.

Man erhält so ein Bauteil 1, dessen Randschicht 6 gehärtet und mit den gewünschten Vertiefungen (Gravuren) 3 versehen ist.This gives a component 1 , its edge layer 6 hardened and with the desired recesses (engravings) 3 is provided.

Bei Elektronenstrahl-Bearbeitungsvorrichtungen, die mit einem hinreichend leistungsfähigen Elektronengenerator ausgestattet sind, kann man das Gravieren und Härten auch gleichzeitig durchführen, wie in 3 gezeigt.In electron beam processing devices that are equipped with a sufficiently powerful electron generator, you can also perform the engraving and curing simultaneously, as in 3 shown.

Man lässt in diesem Falle durch entsprechende Ansteuerung der Ablenkeinheit den Elektronenstrahl 2 in zwei Teilfeldern 4, 7, die räumlich getrennt voneinander sind und unterschiedliche Energieverteilungen aufweisen, auf das Bauteil 1 einwirken.It is possible in this case by appropriate control of the deflection of the electron beam 2 in two subfields 4 . 7 , which are spatially separated from each other and have different energy distributions, on the component 1 act.

Im Teilfeld 4 arbeitet der Elektronenstrahl unter Ablationsbedingungen.In the subfield 4 the electron beam works under ablation conditions.

Das andere Teilfeld 7 weist eine Energieverteilung auf, die in der Randschicht 6 ein Erwärmen auf Härtungstemperatur bewirkt. Nach erfolgtem Abschrecken entsteht eine Härteschicht.The other subfield 7 has an energy distribution that is in the boundary layer 6 causes heating to the curing temperature. After quenching, a hardening layer is formed.

Durch inkrementweises Verschieben des Bauteils 1 in Richtung des Pfeils 5 und/oder Rücksetzers der Energieübertragungsfelder 4, 7 wird dieses mit einem gravierten gehärteten Oberflächenbereich versehen.By incrementally moving the component 1 in the direction of the arrow 5 and / or resetting the energy transfer fields 4 . 7 this is provided with an engraved hardened surface area.

Die Arbeitsverhältnisse gemäß 4 ergeben sich dadurch, dass man das zweite Teilfeld 7 dem ersten Teilfeld 4 räumlich überlagert. Das kombinierte Energieübertragungsfeld trägt das Bezugszeichen 8. Durch diese räumliche Zusammenlegung der beiden Teilfelder 4 und 7 erhält man einerseits den Vorteil, dass die Ablation von Material in einer (zu Härtungszwecken) erhitzten Materialschicht erfolgt, so dass der für die Ablation bzw. das Aufschmelzen und Umlagern von Material erforderliche Energieaufwand vermindert ist, andererseits die beim Gravieren erzeugte Wärme mit für das Aufheizen der Randschicht 6 zur Verfügung steht.The employment relationships according to 4 arise from the fact that the second subfield 7 the first subfield 4 spatially superimposed. The combined energy transmission field bears the reference numeral 8th , Through this spatial combination of the two subfields 4 and 7 one obtains on the one hand the advantage that the ablation of material takes place in a (for curing purposes) heated material layer, so that the required for the ablation or melting and rearrangement of material energy expenditure is reduced, on the other hand, the heat generated during engraving with for heating the boundary layer 6 is available.

Die 5, 6 und 7 zeigen ähnliche Arbeitsverhältnisse, wie sie obenstehend unter Bezugnahme auf die 1, 2 und 3 beschrieben wurden, wobei der Elektronenstrahl den gesamten mit der Gravur und der Härteschicht zu versehenden Oberflächenbereich des Bauteils überstreicht. Das Bauteil wird nicht bewegt.The 5 . 6 and 7 show similar employment relationships, as described above with reference to the 1 . 2 and 3 wherein the electron beam passes over the entire surface area of the component to be provided with the engraving and the hardening layer. The component is not moved.

Im zweistufigen Verfahren werden die Gravur 3 gemäß 5 und die Härteschicht 6 gemäß 6 nacheinander erzeugt.In the two-stage process, the engraving 3 according to 5 and the hardening layer 6 according to 6 generated in succession.

Bei der einstufigen Verfahrensvariante erfolgen gemäß 7 Gravieren und Härten gleichzeitig.In the single-stage process variant carried out according to 7 Engraving and hardening at the same time.

Durch Überlagerung einer Oszillationsfigur während der Einwirkung des Elektronenstrahls auf die Bauteiloberfläche lässt sich die Geometrie der Gravur variieren.By overlay an oscillation figure during the effect of the electron beam on the component surface can be the geometry of the engraving vary.

Die Gravurgeometrie kann man ferner auch dadurch beeinflussen, dass man die Fokuslage des Elektronenstrahles variiert (dynamische Über- oder Unterfokussierung bezogen auf die Werkstückoberfläche), so dass die Ablationsbedingungen zeitlich veränderlich in unterschiedlich großen Zonen erfüllt sind.The Engraving geometry can also be influenced by the fact that one varies the focus position of the electron beam (dynamic over- or Underfocusing relative to the workpiece surface), so that the ablation conditions temporally changeable in different sizes Zones met are.

Die nachstehenden Tabellen geben charakteristische Arbeitsparameter für das Elektronenstrahl(EB)-Gravieren bzw. -Härten sowie typische Kenngrößen für die Gravur und die Härteschicht wieder.The The following tables give characteristic working parameters for the Electron beam (EB) engraving or hardening as well as typical parameters for the engraving and the hardening layer again.

Generell versteht sich, dass man für das Gravieren die Verdampfungstemperatur oder beim Verdrängen von Material zumindest die Schmelztemperatur des bearbeiteten Materials überschreiten muss, während für den thermischen Prozess (z. B. das Härten) die Schmelztemperatur in der Regel nicht erreicht werden soll, wenn die Oberfläche durch den thermischen Prozess nicht mehr geändert werden soll.As a general rule it is understood that one for engraving the evaporation temperature or displacing Material at least exceed the melting temperature of the machined material must while for the thermal Process (eg hardening) the Melting temperature usually should not be achieved when the surface should not be changed by the thermal process.

Über die Energiedichte im Elektronenstrahl und die Ablenkbedingungen kann man die Dicke der gehärteten Randschicht 6 variieren. Tabelle 1 Bearbeitungsparameter für das EB-Gravieren Parameter Untergrenze Obergrenze Bemerkung Punktanzahl bei Einzelpunktprogrammierung 1 65536 Rasterfrequenz 1 Hz 20 MHz/Punktanzahl bis 1 kHz Belichtungsdauer (Feld) 0,05s nach oben offen bis ca. 5 s Haltedauer pro Punkt ca. 1 μs nach oben offen bis ca. 100 μs Belichtungsanzahl 1 nach oben offen bis ca. 200 Punktabstand ca. 100 μm bis geometr. Grenzen ca. 0,5–2 mm Tabelle 2 Arbeitsparameter für das EB-Härten Parameter Untergrenze Obergrenze Bemerkung Strahlstrom (Flashtechnik) 10 mA 190 mA temperaturgesteuert Strahlstrom (modifizierte Flashtechnik) 5 mA 120 mA variabel entlang der Bauteiloberfläche Fokuslage je nach Erfordernissen: oberflächenscharf, Über- oder Unterfokus Tabelle 3 Typische Kerngröße für die Gravuren und die Härteschicht Parameter Untergrenze Obergrenze Bemerkung Gravur-Durchmesser ca. 80 μm ca. 450 μm durch überlagerte Figur noch vergrößerbar Gravurtiefe ca. 5 μm ca. 300 μm Flankenwinkel Ca. 5° Ca. 60° durch überlagerte Figur/Fokuslagevariation noch vergrößerbar EB-Härtetiefen 0,03 mm 2 mm je nach Werkstoff und Beanspruchung The energy density in the electron beam and the deflection conditions can be used to determine the thickness of the hardened surface layer 6 vary. Table 1 Machining parameters for EB engraving parameter lower limit Upper limit comment Number of points for single point programming 1 65536 screen frequency 1 Hz 20 MHz / number of points up to 1 kHz Exposure duration (field) 0.05s open to the top until about 5 s Holding time per point approx. 1 μs open to the top up to approx. 100 μs exposure number 1 open to the top until about 200 dot pitch approx. 100 μm to geometr. border about 0.5-2 mm Table 2 Working Parameters for EB Hardening parameter lower limit Upper limit comment Beam current (flash technology) 10 mA 190 mA temperature-controlled Beam current (modified flash technology) 5 mA 120 mA variable along the component surface focus position depending on requirements: surface-sharp, over or underfocus Table 3 Typical core size for the engravings and the hardening layer parameter lower limit Upper limit comment Engraving diameter approx. 80 μm approx. 450 μm by superimposed figure still enlarged engraving depth approx. 5 μm approx. 300 μm flank angle Approximately 5 ° Approximately 60 ° by superimposed figure / Fokuslagevariation still enlarged EB-hardening depths 0.03 mm 2 mm depending on material and load

Obenstehend wurde die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, welche das Erzeugen gehärteter gravierter Oberflächenbereiche von metallischen Werkstücken betrafen.In the above, the invention has been described with reference to exemplary embodiments, which produces hardened engraved surface areas of metallic workpieces concerned.

Es versteht sich, dass die Erfindung gleichermaßen für andere Arbeitsverfahren nutzbar ist, bei denen einerseits eine Formgebung des Werkstückes und andererseits eine Materialumwandlung gewünscht wird.It It will be understood that the invention is equally applicable to other methods of operation is, on the one hand, a shape of the workpiece and On the other hand, a material conversion is desired.

Ein Beispiel hierfür wäre ein Verfahren für die Herstellung feiner Kunststoff-Filterfolien oder feiner Kunststoffgitter, bei welchem zunächst ein dünnes Prepreg mit dem Elektronenstrahl mit feinen Durchbrechungen versehen wird (ablativer Prozess) und anschließend das gelochte Prepreg durch Beaufschlagung mit geringerer Energiedichte zum Aushärten gebracht wird (thermischer Prozess).One Example for this would be a Procedure for the production of fine plastic filter foils or fine plastic mesh, at which first a thin one Prepreg provided with the electron beam with fine openings is (ablative process) and then the perforated prepreg by Applied to lower energy density for curing becomes (thermal process).

Claims (12)

Verfahren zur ablativen Bearbeitung von Oberflächenbereichen metallischer Bauteile zur Verbesserung deren tribologischer Eigenschaften, bei dem in einem ablativen Prozess ein energiereicher Elektronenstrahl hochfrequent über die zu behandelnden Oberflächenbereiche geführt wird, wobei die Energieübertragungs- und Ablenkbedingungen des durch den Elektronenstrahl gebildeten Energieübertragungsfeldes so aufeinander abgestimmt werden, dass Material in Form eines definierten Musters von der Oberfläche abgetragen oder verdrängt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der ablative Prozess mit einem thermischen Prozess kombiniert wird, bei dem der Elektronenstrahl so hochfrequent geführt wird, dass zumindest ein Teil des im ablativen Prozess behandelten Oberflächenbereiches, der außerhalb des erzeugten Musters liegt, zumindest in einer oberflächennahen Schicht auf eine Temperatur oberhalb einer kritischen Umwandlungstemperatur, bei der eine Gefügeänderung erfolgt, erwärmt wird und dass der im thermischen Prozess behandelte Oberflächenbereich anschließend durch Abschreckung gehärtet wird.A process for the ablative processing of surface areas of metallic components to improve their tribological properties, in which an energy-rich electron beam is conducted in a high-frequency over the surface areas to be treated in an ablative process, wherein the energy transfer and deflection conditions of the energy transfer field formed by the electron beam are matched to one another Material is ablated or displaced in the form of a defined pattern of the surface, characterized in that the ablative process is combined with a thermal process in which the electron beam is conducted at such high frequency that at least a portion of the surface area treated in the ablative process, the outside of the generated pattern is, at least in a near-surface layer to a temperature above a critical transition temperature, at which a structural change occurs, is heated and there The surface area treated in the thermal process is subsequently hardened by quenching. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem thermischen Prozess dienende Elektronenstrahl-Führung nach der dem ablativen Prozess dienenden Elektronenstrahlführung durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the thermal process electron beam guide after the ablative process electron beam guidance is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem thermischen Prozess dienende Elektronenstrahl-Führung vor der dem ablativen Prozess dienenden Elektronenstrahl-Führung durchgeführt wird.Method according to claim 1, characterized in that that the thermal process serving electron beam guidance before the ablative process electron beam guidance is performed. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieübertragungsfeld in zwei lokal getrennte Teilfelder aufgeteilt ist und dass ein Teilfeld den ablativen Prozess und das andere Teilfeld den thermischen Prozess bewirkt.Method according to claim 1, characterized in that that the energy transfer field is divided into two locally separated subfields and that a subfield the ablative process and the other subfield the thermal process causes. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem räumlich nicht aufgesplitteten Energieübertragungsfeld die Energieübertragungs- und -Ablenkbewegungen so eingestellt werden, dass gleichzeitig oder in kurzen Intervallen alternierend der ablative Prozess und der thermische Prozess bewirkt werden.Method according to claim 1, characterized in that that in a spatially unscheduled energy transfer field the energy transfer and -Ablenkbewegungen be set so that simultaneously or at alternating intervals the ablative process alternates thermal process can be effected. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich Energieübertragungsfeld und Bauteil während des ablativen Prozesses und/oder des thermischen Prozesses nicht relativ zueinander bewegen.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that is energy transfer field and component during the ablative process and / or the thermal process move relative to each other. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im ablativen Prozess und/oder im thermischen Prozess eine Relativbewegung zwischen dem Energieübertragungsfeld und dem Bauteil durchgeführt wird.Method according to one of claims 1 to 5, characterized that in the ablative process and / or in the thermal process a relative movement between the energy transfer field and performed the component becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil für den ablativen Prozess und den thermischen Prozess zweimal in Folge mit einem räumlich gleich gelegenen Elektronenstrahl-Energieübertragungsfeld behandelt wird.Method according to one of claims 1 to 7, characterized that the component for the ablative process and the thermal process twice in succession with a spatial the same electron beam energy transfer field is treated. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Elektronenstrahl zusätzlich zu einer Ablenkung der Strahlachse im Energieübertragungsfeld eine mit kleiner Amplitude erfolgende Oszillations-Ablenkung überlagert wird.Method according to one of claims 1 to 8, characterized that the electron beam in addition to a deflection of the beam axis in the energy transfer field one with smaller Amplitude-based oscillation deflection is superimposed. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsbedingungen des Elektronenstrahls im Energieübertragungsfeld während des ablativen Prozesses und/oder des thermischen Prozesses variiert werden.Method according to one of claims 1 to 9, characterized that the focusing conditions of the electron beam in the energy transfer field while of the ablative process and / or the thermal process varies become. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Härteprozess als Festphasen- oder Flüssigphasenprozess ausgeführt wird.Method according to claims 1 to 10, characterized in that that the hardening process as solid phase or liquid phase process accomplished becomes. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieübertragungs- und Ablenkbedingungen im thermischen Prozess so aufeinander abgestimmt sind, dass kein Abtragen oder Verdrängen von Material erfolgt.Method according to one of claims 1 to 11, characterized that the energy transfer and deflecting conditions in the thermal process so matched are that no removal or displacement of material takes place.
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