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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf
Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, wie insbesondere
Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen,
mittels Laserbehandlung und die Anwendung dieses Verfahrens sowie
die auf diese Weise erzeugten, mit Verschleißschutzschichten versehenen
Werkstoffe.
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Die
Erzeugung von Verschleißschutzschichten
auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, wie Aluminium,
Magnesium und Titan sowie deren Legierungen, unter elektrolytischen
Bedingungen ist bekannt: So lassen sich mit der sogenannten anodischen
Oxidation unter Funken- bzw. Lichtbogenentladung (sogenanntes ANOF-Verfahren)
in geeigneten, üblicherweise
wäßrigen oder
wäßrig-organischen
Elektrolytlösungen
Verschleißschutzschichten mit
exzellenten Eigenschaften erhalten. Ein solches Verfahren ist beispielsweise
in der
EP 0 545 230
B1 beschrieben. Nachteil dieser Verfahren ist, daß diese elektrolytisch
arbeiten und daher Elektrolytbäder
verwenden, welche anschließend
entsorgt werden müssen.
Auch müssen
die erzeugten Schichten nach ihrer Herstellung von unerwünschten
Bestandteilen des Elektrolytbades gesäubert werden. Daher besteht
zunehmend ein Bestreben dahingehend, derartige Verschleißschutzschichten
auf andere Weise zu erzeugen.
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Allein
die Vielzahl der Applikationen des Oberflächenveredelns im Automobilbau
und anderen Bereichen, insbesondere im Bereich des Maschinenbaus,
zeigt den Bedarf an Technologien, welche die gesteigerten Anforderungen
an die Funktionalität
der Bauteile erfüllen.
Laserverfahren bieten hier neue Ansätze zur Verbesserung der Qualität der Bauteile. Verschleißschutzschichten
haben aber eine vorrangige Rolle zu erfüllen. Grundsätzlich eröffnet der
Einsatz von Lasern für
die Oberflächenbehandlung
neue umweltfreundliche Technologien, insbesondere da diese ohne
Elektrolytbäder
auskommen.
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In
der
DE 102 02 184
C1 und der
Zeitschrift HTM 52 (1997) 2, Seiten
91 bis 93 (J. Barnikel et al. "Nitrieren
von Aluminiumlegierungen mit UV-Laserstrahlung") werden Ausführungen
zum Lasernitrieren von Aluminiumoberflächen gemacht.
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So
beschreibt die
DE
102 02 184 C1 ein Verfahren zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten
in oberflächennahen
Bereichen von Bauteilen, insbesondere Kolben für Verbrennungskraftmaschinen,
aus einem Aluminiumbasisverbundwerkstoff, wobei zumindest Teile
der Oberfläche
der Bauteile eine Härtung
erfahren haben und die Verschleißschutzschicht aus Aluminiumnitriden
in einer Aluminiummatrix gebildet wird, wobei die Verschleißschutzschicht
mittels einer Lasernitrierbehandlung erzeugt wird, wobei Energie
impulsförmig
in die Oberfläche eingebracht
wird, so daß sich
in den oberflächennahen
Bereichen eine Umschmelzschicht bildet und es dabei zu einer Umsetzung
von Stickstoff aus einer Stickstoffatmosphäre oder aus der Luft mit Aluminium
aus dem Verbundwerkstoff kommt derart, daß die Aluminiumnitride in der
Umschmelzschicht feindispers und gradiert vorliegen.
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Das
auf diese Weise gebildete Aluminiumnitrid (AlN) ist zwar sehr hart
(ca. 1.230 HV = Vickers-Härte),
ist aber auch sehr spröde.
Es neigt daher zur Rißbildung
und ist somit für
viele Anwendungen, insbesondere im Automobilbau, nicht brauchbar.
Insbesondere Sicherheitsbauteile, die Schwingungen ausgesetzt sind,
wie z. B. Aluminiumbauteile für
Verbrennungsmotoren, wie insbesondere Kolben, Zylinderlaufflächen, Ventile
und dergleichen, sind stark gefährdet,
wenn sie mit einer derartigen Aluminiumnitridschicht versehen sind.
Der Einsatz solcher mit Aluminiumnitridschichten versehenen Bauteile kann
im Betriebszustand den gesamten Motor zum Ausfall bringen. Auch
ist die Schichtdicke der hergestellten Aluminiumnitridschicht relativ
gering. Zudem tritt bei einer punktuellen Belastung der Oberfläche ein
sogenannter "Eierschaleneffekt" auf: Es kommt zu
einer plastischen Verformung des Grundmaterials, was die Ursache
für die
nachfolgende Rißbildung
ist.
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Auch
die technische Lehre der
DE
102 02 184 C1 löst
die vorgenannten Nachteile nicht, selbst wenn die Energie des Lasers
in einer Stickstoffatmosphäre
impulsartig auf die Aluminiumoberfläche aufgebracht wird und sich
das Aluminiumnitrid feindispers bildet.
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Eine
weitere Möglichkeit
der Oberflächenveredelung
mittels Laserbehandlung besteht darin, durch die Laserbehandlung
oxidkeramische Schutzschichten auf Aluminiumwerkstoffen herzustellen, wobei
Hartstoffpartikel, wie z. B. Aluminiumoxid (Al2O3), Zirkoniumoxid (ZrO2)
etc., auf die Oberfläche des
Aluminiumwerkstoffes aufgeschmolzen werden (vgl. Laser und
Optoelektronik, 29 (4), Seiten 48 bis 52, 1997). Der Nachteil
dieser grundsätzlichen
Möglichkeit,
Feststoffe durch Laser aufzuschmelzen und auf die betreffenden Werkstoffoberflächen aufzubringen,
besteht darin, daß diese
Partikel sich nicht gleichmäßig auf
die Werkstoffoberfläche
aufbringen lassen. Insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen
ist eine gleichmäßige Beschichtung
nicht zu realisieren. Außerdem
wird oftmals eine schlechte Haftung der aufgeschmolzenen Partikel
in bezug auf die Werkstoffoberfläche
beobachtet, was oftmals die Ursache in einer bereits vorhandenen
Oxidschicht auf dem zu behandelnden Werkstück hat.
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Das
der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Problem ist daher die
Bereitstellung eines Verfahrens zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten
auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere
Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen,
welches die zuvor geschilderten Nachteile des Standes der Technik
zumindest weitgehend vermeidet oder aber wenigstens abschwächt.
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Zur
Lösung
des zuvor geschilderten Problems schlägt die vorliegende Erfindung – gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung – ein Verfahren nach Anspruch
1 vor. Weitere, insbesondere vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Verfahrensunteransprüche.
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Denn
die Anmelderin hat nun überraschenderweise
herausgefunden, daß das
zuvor geschilderte Problem dadurch gelöst werden kann, daß man die Werkstoffoberflächen von
Werkstoffen auf Basis sperrschichtbildender Metalle, wie Aluminium,
Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, in Gegenwart
einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre
einer Laserbehandlung bzw. Laserbestrahlung in Form einer Laseroxidationsbehandlung aussetzt
derart, daß die
obere bzw. äußere Schicht der
Werkstoffoberfläche
mit dem Sauerstoff zu einem Oxid des Werkstoffmetalls umgesetzt
wird, wäh rend die
darunterliegende Schicht des Werkstoffs ohne Reaktion mit dem Sauerstoff
umgeschmolzen wird.
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Weiterer
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist – gemäß einem zweiten Aspekt der
vorliegenden Erfindung – die
erfindungsgemäße Anwendung
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung, wie sie in den Ansprüchen 21
bis 23 definiert ist.
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Schließlich sind
Gegenstand der vorliegenden Erfindung – gemäß einem weiteren, dritten Aspekt
der vorliegenden Erfindung – die
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlichen
Werkstoffe nach der vorliegenden Erfindung, welche mit einer Verschleißschutzschicht
der vorgenannten Art versehen sind und wie sie in den Ansprüchen 24
bis 26 definiert sind.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist somit – gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung – ein Verfahren
zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten
auf Werkstoffen von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere
Aluminium, Magnesium und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen,
bevorzugt Aluminium oder dessen Legierungen, mittels Laserbehandlung,
wobei die Werkstoffoberfläche
in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre einer Laserbestrahlung ausgesetzt
wird derart, daß die
obere bzw. äußere Schicht
der Werkstoffoberfläche
mit dem Sauerstoff der sauerstoffhaltigen Atmosphäre zu einem
Oxid des Werkstoffmetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid, reagiert
bzw. umgesetzt wird und die darunterliegende Schicht des Werkstoffs
ohne mit dem Sauerstoff zu reagieren umgeschmolzen wird.
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Durch
die erfindungsgemäße Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation resultieren Verschleißschutzschichten mit ausgezeichneten
Verschleißschutzeigenschaften,
insbesondere mit exzellenter Korrosionsbeständigkeit sowie ausgezeichneter
Abriebfestigkeit und extremer Härte,
wobei die Verschleißschutzschichten – im Unterschied
zu Aluminiumnitridschichten des Standes der Technik – keinerlei
Sprödigkeit
aufweisen und infolge eines Härtegradienten
innerhalb des Schichtengefüges – die Härte (Vickers-Härte) der
Schichten bzw. des Schichtengefüges
nimmt von außen
nach innen graduell ab – ausgezeichnete
mechanische Eigenschaften aufweist, insbesondere bei punktueller Belastung
der Oberfläche
nicht zu einem sogenannten "Eierschaleneffekt" neigt.
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Die
erfindungsgemäß erzeugten
Schichten weisen vergleichbare oder zum Teil verbesserte Eigenschaften
im Vergleich zu nach herkömmlichen Elektrolytverfahren
hergestellten Verschleißschutzschichten
auf, wobei deren Nachteile in effizienter Weise vermieden werden,
insbesondere durch die Vermeidung der Verwendung von Elektrolytbädern.
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Bei
der erfindungsgemäß durchgeführten Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation resultiert ein Mehrschichtengefüge: Die
eigentliche Verschleißschutzschicht
als solche umfaßt
im allgemeinen ein zweischichtiges Schichtengefüge, wobei dieses die obere
bzw. äußere Oxidschicht
des Werkstoffmetalls und die an die obere bzw. äußere Oxidschicht angrenzende,
unter dieser Oxidschicht liegende Schicht des umgeschmolzenen Werkstoffs
("Umschmelzschicht") umfaßt, unterhalb
derer dann die hieran angrenzende, unveränderte (d h. unreagierte und
nicht umgeschmolzene) Schicht des Werkstoffs angeordnet ist. Insgesamt
resultiert also ein Mehrschichtengefüge, welches – von außen nach
innen bzw. von oben nach unten betrachtet – die obere, äußere Oxidschicht
des Werkstoffmetalls, die hierunter angeordnete Umschmelzschicht
und die wiederum hierunter angeordnete Schicht des Grundwerkstoffs, welche
unreagiert und nicht umgeschmolzen ist, umfaßt. Dabei weist die äußere Schicht
(d. h. die Oxidschicht des Werkstoffmetalls) die größte Härte (Vickers-Härte), die
darunterliegende Umschmelzschicht eine im Vergleich hierzu geringere
Härte (Vickers-Härte) und
die wiederum hierunter angeordnete Schicht des Grundwerkstoffs die
geringste Härte (Vickers-Härte) auf.
Es entsteht gewünschtermaßen ein
Mehrschichtengefüge
mit dem vorgenannten Härtegradienten,
der zu exzellenten mechanischen Eigenschaften führt.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
kann es vorgesehen sein, daß die
Werkstoffoberfläche
vor der Erzeugung der Verschleißschutzschicht
(d. h. vor der erfindungsgemäßen Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation) einem Umschmelzen, insbesondere gleichermaßen mittels
Laserbehandlung, bevorzugt unter inerten Bedingungen, unterzogen
wird. Dabei ist insbesondere darauf zu achten, daß bei dieser
Vorbehandlung keine Oxidation der Werkstoffoberfläche stattfindet.
Dies wird dadurch er reicht, daß unter
inerten Bedingungen, insbesondere unter Inertgasatmosphäre, vorzugsweise
unter Edelgasatmosphäre, und
unterhalb der Reaktionstemperaturen der Werkstoffoberfläche, im
allgemeinen unterhalb von Temperaturen von 1.000°C der Werkstoffoberfläche, gearbeitet
wird. Dieser vorangehende Verfahrensschritt des Umschmelzens ist
aber rein fakultativer Natur.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
als Werkstoffmetall insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung
eingesetzt, so daß als obere, äußere Schicht
der erfindungsgemäßen Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht) resultiert. Bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff
kann es sich beispielsweise um einen Druckguß oder Guß, insbesondere einen Aluminiumdruckguß oder Aluminiumguß, handeln.
Insbesondere kann es sich um einen grobkörnigen Druckguß oder Guß, insbesondere
Aluminiumdruckguß oder
Aluminiumguß,
handeln, der gegebenenfalls vor der Erzeugung der Verschleißschutzschicht
durch die erfindungsgemäße Laserbehandlung
einem Umschmelzen, insbesondere gleichermaßen mittels Laserbehandlung,
wie zuvor beschrieben, unterzogen worden sein kann, wobei diese
Vorbehandlung optional ist. Anstelle von Druckguß- oder Gußlegierungen können auch
Knetlegierungen, insbesondere Aluminiumknetlegierungen, der erfindungsgemäßen Behandlung
unterzogen werden. Die vorgenannten Beispiele für eingesetzte Werkstoffe sind
jedoch nicht beschränkender
Natur.
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Grundsätzlich wird
für die
erfindungsgemäße Laserbehandlung
ein Laser mit einer Wellenlänge
im Bereich von 700 bis 1.200 nm, insbesondere 800 bis 1.100 nm,
eingesetzt.
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Grundsätzlich können für die erfindungsgemäße Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation sowohl gepulste als auch nichtgepulste Laser
eingesetzt werden. Im Falle des Einsatzes von gepulsten Laser wird
die Pulsdauer (FWHM) insbesondere im Bereich von 10–7 s
bis 10–2 s,
insbesondere mit etwa 10–3 s, gewählt; über die
Pulsdauer des Lasers kann die Schichtdicke der Verschleißschutzschicht
gezielt gesteuert werden.
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Beispielsweise
kann im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens
als Laser ein nichtgepulster Diodenlaser oder ein Nd:YAG-Laser,
insbesondere jeweils mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis
1.100 nm, eingesetzt werden.
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Im
allgemeinen wird die Laserbehandlung derart durchgeführt, insbesondere
die mittels Laserbestrahlung einwirkende bzw. eingestrahlte Energie derart
bemessen, daß die
Reaktionstemperatur TReaktion an der Werkstoffoberfläche mindestens
1.000°C beträgt (TReaktion ≥ 1.000°C).
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Im
allgemeinen kann die eingesetzte Leistungsdichte des Lasers in weiten
Bereichen variieren. So kann die eingesetzte Leistungsdichte des
Lasers beispielsweise im Bereich von 104 bis
108 W/cm2, insbesondere
im Bereich von 105 bis 107 W/cm2, vorzugsweise mit etwa 106 W/cm2, gewählt werden.
Dennoch kann es einzelfallbedingt oder anwendungsbezogen erforderlich
sein, von den vorgenannten Werten abzuweichen, ohne daß der Rahmen
der vorliegenden Erfindung verlassen ist.
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Wie
zuvor beschrieben, wird die erfindungsgemäße Laserbehandlung bzw. Laseroxidation
in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre durchgeführt. Die sauerstoffhaltige
Atmosphäre
kann entweder reinen Sauerstoff umfassen bzw. hieraus bestehen oder
ein Gasgemisch aus Sauerstoff mit mindestens einem weiteren, unter
Reaktionsbedingungen nichtreaktiven, inerten Gas, vorzugsweise einem
Edelgas, umfassen bzw. hieraus bestehen. Damit bei der erfindungsgemäßen Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation keine Nitride, insbesondere kein Aluminiumnitrid, gebildet
werden kann, enthält
die sauerstoffhaltige Atmosphäre
keinen Stickstoff und/oder kein unter Reaktionsbedingungen Stickstoff
generierendes Gas.
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Im
allgemeinen wird das erfindungsgemäße Verfahren unter Atmosphärendruck
durchgeführt. Dennoch
ist es nicht ausgeschlossen, das Verfahren unter reduziertem oder
erhöhtem
Druck durchzuführen,
wenn auch die Durchführung
des Verfahrens unter Atmosphärendruck
bevorzugt ist.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
erzeugte Verschleißschutzschichten
weisen im allgemeinen Gesamtdicken von 50 bis 350 μm, insbesondere
75 bis 300 μm,
vorzugsweise 100 bis 250 μm, auf.
Diese Dicken umfassen im all gemeinen die obere bzw. äußere Oxidschicht
sowie die darunterliegende Umschmelzschicht.
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Was
die obere bzw. äußere Schicht
anbelangt, welche im Fall von Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen
eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht),
gegebenenfalls mit weiteren Bestandteilen (z. B. SiO2 bzw.
Mullit im Fall siliziumhaltiger Aluminiumlegierungen), ist, so beträgt deren Schichtdicke
im allgemeinen 1 bis 50 μm,
insbesondere 2 bis 30 μm,
vorzugsweise 3 bis 20 μm.
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Die
obere, äußere Schicht,
insbesondere Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht),
weist eine extreme Härte
auf. Die Vickers-Härte
(HV) dieser oberen (äußeren) Schicht
beträgt
mindestens 1.000 HV, insbesondere mindestens 1.500 HV, vorzugsweise mindestens
2.000 HV.
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Ein
weiteres, besonderes Merkmal dieser oberen, äußeren Schicht, insbesondere
Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht),
ist ihre extrem geringe Rauheit (Rauhtiefe): Im allgemeinen beträgt die Rauheit
(Rauhtiefe) Ra der oberen, äußeren Schicht ≤ 0,5 μm, insbesondere ≤ 0,4 μm, vorzugsweise ≤ 0,3 μm. Damit
sind die erfindungsgemäß erzeugten
Verschleißschutzschichten
auch für
solche Anwendungen geeignet, bei denen höchste Anforderungen an die
Maßhaltigkeit
und die Ebenheit der Schichten gestellt sind.
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Für den Fall,
daß der
Werkstoff aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, ist
die obere, äußere Schicht
der erfindungsgemäßen Verschleißschutzschicht
eine Aluminiumoxidschicht (Al2O3-Schicht)
und umfaßt
zu mindestens 60 %, vorzugsweise zu mindestens 80 %, besonders bevorzugt
zu mindestens 90 %, Korund (α-Al2O3). Dies erklärt die extreme
Härte dieser äußeren Schicht.
Im Fall von siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen kann die obere
Schicht außerdem
bis zu 10 %, insbesondere bis zu 20 %, vorzugsweise bis zu 30 %,
Siliziumdioxid (SiO2), vorzugsweise in Form
von Mullit, enthalten; dieses zeigt gleichermaßen eine große Vickers-Härte. Alle
vorgenannten Prozentangaben sind Gewichtsprozentangaben mit Bezug
auf das Gewicht der oberen, äußeren Schicht.
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Was
die unter der äußeren Oxidschicht,
insbesondere Al2O3-Schicht,
angeordnete Umschmelzschicht anbelangt, so weist diese im allgemeinen eine
Dicke im Bereich von 50 bis 300 μm,
insbesondere 75 bis 250 μm,
vorzugsweise 100 bis 200 μm, auf.
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Diese
Umschmelzschicht weist im allgemeinen eine Vickers-Härte (HV)
auf, die kleiner als die Vickers-Härte (HV) der darüberliegenden äußeren Schicht
und größer als
die Vickers-Härte
(HV) der unterliegenden Schicht des Grundwerkstoffs ist. Im allgemeinen
weist die unter der äußeren Oxidschicht, insbesondere
unter der äußeren Al2O3-Schicht, angeordnete
Umschmelzschicht eine Vickers-Harte (HV) ≥ 150 HV, insbesondere ≥ 200 HV, auf.
Die gegenüber
der äußeren Oxidschicht
deutlich geringere Vickers-Harte der Umschmelzschicht erklärt sich
dadurch, daß die
Umschmelzschicht durch bloßes
Umschmelzen des Grundwerkstoffs entstanden ist, jedoch nicht dem
Sauerstoff der Laserbehandlungsatmosphäre reagiert hat; die im Vergleich
zu der unterliegenden Schicht des Grundwerkstoffs größere Vickers-Härte der
Umschmelzschicht wiederum erklärt sich
dadurch, daß durch
den Umschmelzvorgang eine feindispersere bzw. feinkörnerige
Phase bzw. Schicht entstanden ist.
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Denn
durch den Umschmelzvorgang mittels erfindungsgemäßer Laserbehandlung bzw. Laseroxidation
ist die unter der äußeren Oxidschicht,
insbesondere unter der äußeren Al2O3-Schicht, angeordnete
Umschmelzschicht feindispers und/oder feinkörnig ausgebildet, insbesondere
mit einer Korngröße < 1 μm, vorzugsweise < 0,5 μm.
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Der
unter der Umschmelzschicht liegende Grundwerkstoff dagegen ist im
allgemeinen grobkörnig
und/oder grobdispers ausgebildet, insbesondere mit einer Korngröße > 10 μm, vorzugsweise > 20 μm.
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Wie
zuvor beschrieben, weist der unter der Umschmelzschicht angeordnete
Grundwerkstoff im allgemeinen eine geringere Vickers-Härte als
die darüberliegende
Umschmelzschicht auf: Im allgemeinen beträgt die Vickers-Harte (HV) der
unter der Umschmelzschicht liegenden Grundwerkstoffschicht bis zu
150 HV und liegt insbesondere im Bereich von 50 bis 150 HV, vorzugsweise
75 bis 125 HV.
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Der
grundsätzliche
Schichtaufbau der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erhältlichen
Verschleißschutzschichten
ist in den Figurendarstellungen veranschaulicht. Es zeigt:
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1 eine
schematische Schnittdarstellung durch den Aufbau eines nach dem
erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlichen
Mehrschichtengefüges;
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2 eine
REM-Aufnahme eines Schnitts durch den Aufbau eines nach dem erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlichen
Mehrschichtengefüges.
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Wie
aus den Figurendarstellungen gemäß 1 und 2 ersichtlich,
resultiert nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Mehrschichtengefüge aus der
eigentlichen Verschleißschutzschicht, welche
im allgemeinen ein zweischichtiges Schichtgefüge umfaßt, wobei dieses die obere
bzw. äußere Oxidschicht 1 des
Werkstoffmetalls und die an die obere bzw. äußere Oxidschicht angrenzende,
unter dieser Oxidschicht 1 liegende Schicht 2 des
umgeschmolzenen Werkstoffs ("Umschmelzschicht") umfaßt, unterhalb
derer dann die hieran angrenzende Schicht des Werkstoffs 3 angeordnet
ist, wobei die Umschmelzschicht 2 feinkörnig bzw. feindispers ausgebildet
ist, während
die unreagierte Werkstoffschicht 3 dagegen grobkörnig bzw.
grobdispers ausgebildet ist. Für
weitergehende Einzelheiten zu den einzelnen Schichten und deren
Aufbau und Zusammensetzung kann auf obige Ausführungen verwiesen werden.
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Gemäß einer
besonderen Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung kann das Verfahren nach der vorliegenden
Erfindung mehrstufig durchgeführt werden:
Dabei kann zunächst
in einem ersten Verfahrensschritt ein bloßes Umschmelzen der Werkstoffoberfläche, vorzugsweise
in oberflächennahen Bereichen,
durchgeführt
werden (und zwar, wie zuvor beschrieben, unter inerten bzw. nichtreaktiven
Bedingungen) und nachfolgend in einem zweiten Verfahrensschritt
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine
Korund- bzw. Korund/Mullit-Deckschicht erzeugt bzw. aufgebracht
werden. Dabei können
die beiden Verfahrensschritte nacheinander durchgeführt werden.
Für die
beiden Verfahrensschritte können
gleiche oder verschiedene Lasertypen eingesetzt werden. Wie zuvor
beschrieben, wird der erste Verfahrensschritt das Umschmelzen im
allgemeinen unter inerten Bedingungen durchgeführt, ohne daß eine chemische
Reaktion der Werkstoffoberfläche
zu einer Oxidschicht stattfindet; diesbezüglich kann auf die vorstehenden
Ausführungen
verwiesen werden, um unnötige
Wiederholungen zu vermeiden.
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Wie
zuvor geschildert, führt
das erfindungsgemäße Verfahren
zu Verschleißschutzschichten
mit ausgezeichneten Korrosionsbeständigkeiten sowie ausgezeichneten
Abriebfestigkeiten und extremen Härten. Das mehrschichtige Gefüge, welches
durch die erfindungsgemäße Laserbehandlung
bzw. Laseroxidation resultiert, neigt zudem zu keinerlei Sprödigkeit,
so daß die
erfindungsgemäß erzeugten
Verschleißschutzschichten
auch für
Bauteile, insbesondere Sicherheitsbauteile, geeignet sind, welche Schwingungen
ausgesetzt sind (z B. Aluminiumbauteile von Verbrennungsmotoren,
wie Kolben, Zylinderlaufflächen,
Ventilen etc.).
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Gemäß einer
typischen Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens
kann wie folgt vorgegangen werden:
Wie zuvor beschrieben, wird
erfindungsgemäß die Verschleißschutzschicht
auf der Werkstoffoberfläche,
insbesondere der Aluminiumoberfläche,
mittels Laseroxidation in einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre gebildet,
wobei die obere Schicht der Werkstoffoberfläche, insbesondere in oberflächennahen
Bereichen, zu einem Oxid des Werkstoffmetalls, insbesondere Aluminiumoxid,
reagiert bzw. umgesetzt wird und die darunterliegende Schicht, ohne
mit dem Sauerstoff zu reagieren, umgeschmolzen und neu skaliert
wird.
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Erfindungsgemäß läßt sich
die Laserbehandlung auch einsetzen, wenn selektiv nur ein bestimmter
Bereich des Werkstoffs bzw. Werkstückes aus sperrschichtbildenden
Metallen oxidiert werden soll (z B. nur die Ringnut eines Kolbens
für Verbrennungsmotoren).
Dabei kann insbesondere mit einer Düse gearbeitet werden, die auf
die betreffende Stelle gerichtet wird und durch die das Reaktionsgas Sauerstoff
oder ein Gemisch Sauerstoff/Inertgas (stickstofffrei!), wie zuvor
definiert, strömt.
Der Abstand der Düse
vom Fußpunkt
des Laserstrahles sollte z. B. mindestens 5 mm betragen und beträgt, je nach
Anwendung, z. B. maximal 30 mm. Der Einfallswinkel der Düse zur Oberfläche des
Werkstückes sollte
60° bis
95° betragen.
Wird reiner Sauerstoff verwen det, so kann beispielsweise ein Volumenstrom
bei Austritt aus der Düse
von 5 l/min bis 30 l/min eingestellt werden.
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Die
Anordnung der Verwendung einer Düse für die erfindungsgemäße Laseroxidation
läßt sich beispielsweise
für die
Bearbeitung von Nuten, wie z B. der Ringnut eines Aluminiummotorkolbens,
oder von Bohrungen einsetzen. Durch die erfindungsgemäße Laseroxidation
ist es beispielsweise möglich, die
Ringnut eines Aluminiumkolbens aus G-AlSi12MgCuNi mit einer Verschleißschutzschicht überwiegend
aus Korund mit einer Härte
der oberen Schicht von bis zu ca. 2.000 HV und mehr sowie einer
Schichtdicke der oberen Schicht von bis zu 15 μm und mehr und einer Rauheit
Ra von 0,4 bis 0,5 μm und einer ungeschmolzenen,
darunterliegenden Schicht mit einer Härte von 150 bis 200 HV herzustellen.
Zu diesem Zweck kann der zu beschichtende Aluminiummotorkolben in
einer Einspannvorrichtung gedreht und der Laser auf die Ringnut
des Kolbens mit den zuvor beschriebenen Parameter gerichtet werden.
Es ist dabei alternativ auch möglich,
den Laser zu bewegen und das Werkzeug bzw. den Werkstoff, auf dem
die Verschleißschutzschicht
anzubringen ist, zu fixieren. Durch die Laserbehandlung entstehen
sehr hohe Temperaturen oberhalb von 1.000°C auf der behandelten Werkstoffoberfläche, so daß das sperrschichtbildende
Metall aufgeschmolzen wird und die obere Schicht mit dem Sauerstoff
zu dem entsprechenden Oxid reagiert, wohingegen die darunterliegende
Schicht lediglich aufgeschmolzen wird, ohne mit dem Sauerstoff reagieren
zu können. Bei
der Bildung von Korund (α-Al2O3) im Fall von aluminiumbasierten Werkstoffen
und gegebenenfalls Mullit (SiO2) im Fall
von siliziumhaltigen Legierungen ist nicht nur die Temperatur des
Lasers für
die Bildung der oberen Schicht entscheidend; vielmehr entsteht auch
sehr hohe Wärme
durch die stark exotherm ablaufende chemische Reaktion des geschmolzenen
sperrschichtbildenden Metalls, wie Aluminium, Titan, Magnesium etc.,
mit dem Sauerstoff.
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Im
Falle von Aluminium als Grundwerkstoff umfaßt die obere, äußere Schicht
Aluminiumoxid (Al2O3)
in der Modifikation Korund zu mindestens 60 % (siehe obige Ausführungen).
Es werden Vickers-Härten
von bis zu ca. 2000 HV (0,1) und mehr bestimmt. Diese hohe Härte ist
darauf zurückzuführen, daß vorzugsweise
Korund als Hochtemperaturform des Aluminiumoxids entstanden ist.
Röntgenographische
Messungen haben ergeben, daß der
Korund anteil im Bereich von 60 % bis 90 % variiert und insbesondere
von der eingetragenen Temperatur und/oder der Einwirkzeit des Lasers
abhängig
ist.
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Bei
Al-Legierungen mit hohen Anteilen von Silizium, wie z. B. GD-AlSi12,
GD-AlSi9Cu3, G-AlSi12MgCuNi, ADC 12 etc., entsteht neben Korund
(α-Al2O3) auch Mullit (SiO2),
welches gleichermaßen
sehr hart ist; hier werden Vickers-Härten von bis zu ca. 1900 HV
(0,1) und mehr gemessen. Aus röntgenographischen
Messungen wurde gefunden, daß der
Anteil von Mullit (SiO2) z. B. bei Einsatz
der Legierung GD-AlSi12 in der Korundmatrix bis zu 30 % beträgt.
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Die
obere Schicht weist geringe Rauheiten bzw. Rauhtiefen Ra auf.
Im Falle des Einsatzes von Aluminiumwerkstoffen hat die Korundschicht
typischerweise eine Rauheit Ra von ca. 0,3
bis 0,5 μm und
eine Schichtdicke von typischerweise 1 bis 50 μm, insbesondere 2 bis 30 μm, vorzugsweise
3 bis 20 μm.
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Sowohl
die Wärme
des Lasers als auch die Wärme
aus der exothermen Reaktion des sperrschichtbildenden Metalls mit
dem Sauerstoff verursachen einen hohen Energieeintrag in die darunterliegende
Schicht des sperrschichtbildenden Metalls. Im Falle des Einsatzes
von Aluminiumwerkstoffen, die ein grobkörniges Gefüge aufweisen, so z. B. einer Zylinderlauffläche in einem
Al-Kurbelgehäuse aus GD-AlSi12
oder einem Al-Motorkolben aus G-AlSi12MgCuNi,
erfolgt daher in der darunterliegenden Schicht ein Umschmelzen des
grobkörnigen
Gefüges
mit Korngrößen von
10 bis 20 μm
zu einem sehr feinkörnigen
Gefüge.
Die umgeschmolzene Schicht hat bei Al-Werkstoffen eine Vickers-Härte, je nach
eingesetzter Legierung, von typischerweise 150 bis 200 HV (im Vergleich
hierzu hat grobkörniger Al-Guß oder Al-Druckguß Vickers-Härten von
nur 60 bis 80 HV), ist feindispers bzw. feinkörnig und hat insbesondere Korngrößen von
weniger als 1 μm,
vorzugsweise weniger als 0,5 μm.
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In 1 ist
der prinzipielle Aufbau des zuvor beschriebenen Schichtsystems veranschaulicht.
In der REM-Aufnahme gemäß 2 ist
dieses mehrschichtige Gefüge
von Schichten im Schnitt dargestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
läßt sich universell
anwenden und auf die speziellen Anwendungen maßschneidern.
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Weiterer
Gegenstand – gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung – ist somit die Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens,
wie sie in den Ansprüchen
21 bis 23 beschrieben ist.
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So
läßt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Erzeugnissen
des Maschinenbaus, insbesondere des Automobilbaus, anwenden, beispielsweise
für Komponenten
von Verbrennungsmotoren, wie z. B. Zylinder, Zylinderlaufbahnen,
Kolben, Nockenwellen, Tassenstößel, Ventile,
Lagerstellen an Pleueln etc.
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Weiterhin
läßt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Kolben
von Verbrennungsmotoren, insbesondere für deren zumindest partielle
Beschichtung, vorzugsweise mindestens im Bereich der oberen bzw.
obersten Ringnut der Kolben, anwenden.
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Des
weiteren läßt sich
das erfindungsgemäße Verfahren
beispielsweise auch zur Erzeugung von Verschleißschutzschichten auf Erzeugnissen
der Medizin und Medizintechnik anwenden.
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In
bezug auf die erfindungsgemäße Anwendung
des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung kann – zur Vermeidung
unnötiger
Wiederholungen – auf
die obigen Ausführungen
zu dem erfindungsgemäßen Verfahren
selbst verwiesen werden, welche in bezug auf seine erfindungsgemäße Anwendung
entsprechend gelten.
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Schließlich sind
Gegenstand der vorliegenden Erfindung – gemäß einem dritten Aspekt der
vorliegenden Erfindung – Werkstoffe
von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium
und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium
oder dessen Legierungen, deren Oberflächen mit Verschleißschutzschichten
versehen sind, wie sie nach dem zuvor geschilderten erfindungsgemäßen Verfahren
erhältlich sind.
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Insbesondere
sind Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß diesem Erfindungsaspekt Werkstoffe
von sperrschichtbildenden Metallen, insbesondere Aluminium, Magnesium
und Titan sowie deren Legierungen und Mischungen, bevorzugt Aluminium
oder dessen Legierungen, deren Oberfläche mit einer mittels Laserbehandlung
in Gegenwart einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre erzeugten Verschleißschutzschicht
versehen ist, wobei die obere, äußere Schicht
der Werkstoffoberfläche
eine Oxidschicht des Werkstoffmetalls, vorzugsweise Aluminiumoxid,
umfaßt
bzw. ist und die darunterliegende Schicht eine unreagierte, umgeschmolzene
Schicht des Werkstoffs umfaßt
bzw. ist.
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Die
erfindungsgemäß erzeugte
Verschleißschutzschicht
ist im allgemeinen ein Mehrschichtengefüge, insbesondere ein zweischichtiges
Schichtengefüge,
wobei dieses Mehrschichtengefüge
die obere, äußere Oxidschicht
des Werkstoffmetalls und die an die obere, äußere Oxidschicht angrenzende,
unter der Oxidschicht liegende Schicht des umgeschmolzenen Werkstoffs
("Umschmelzschicht") umfaßt, unterhalb
derer dann die hieran angrenzende unreagierte bzw. unveränderte Schicht
des Werkstoffs angeordnet ist.
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Für weitergehende
Einzelheiten in bezug auf die erfindungsgemäßen Werkstoffe kann – zur Vermeidung
unnötiger
Wiederholungen – auf
die obigen Ausführungen
zu dem erfindungsgemäßen Verfahren
und dessen Anwendung verwiesen werden, welche in bezug auf die erfindungsgemäßen Werkstoffe entsprechend
gelten.
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Die
zuvor beschriebene Figurendarstellung gemäß 1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch den Aufbau eines erfindungsgemäß mittels
Laserbehandlung mit einer Verschleißschutzschicht versehenen Werkstoffes:
Wie aus 1 ersichtlich, besteht der unterliegende
Werkstoff 3 aus einer grobkörnigen bzw. grobdispersen Phase,
auf der die feindispersere bzw. feinkörnigere Umschmelzschicht 2 angeordnet ist,
auf der wiederum die Oxidschicht 1 des Werkstoffmetalls
aufgebracht ist.
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Weitere
Ausgestaltungen, Abwandlungen und Variationen der vorliegenden Erfindung
sind für den
Fachmann beim Lesen der Beschreibung ohne weiteres erkennbar und
realisierbar, ohne daß er
dabei den Rahmen der vorliegenden Erfindung verläßt.
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Die
vorliegende Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungsbeispiels
veranschaulicht, welches die vorliegende Erfindung jedoch keinesfalls
beschränken
soll.
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Ausführungsbeispiel
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Ein
Zylinder aus G-AlSi12MgCuNi mit einem Durchmesser von 40 mm und
einer Länge
von 60 mm wird auf der Mantelfläche
mit einem Nd:YAG-Laser (Wellenlänge:
1.064 nm) behandelt. Die Leistungsdichte am Fußpunkt des Laserstrahls ist
mit 106 W/cm2 eingestellt.
Der Zylinder ist in eine Vorrichtung eingespannt und wird mit 6
U/min gedreht. Die Mantelfläche
des Zylinders wird unter Rotation des Zylinders und gleichzeitigem
Axialvorschub des Lasers systematisch abgerastert, wobei der Überlappungsgrad
der Laserspuren 30 % beträgt.
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Die
Sauerstoffzufuhr (Atmosphäre:
reiner Sauerstoff) erfolgt über
eine Düse
koaxial mit dem Laserstrahl in einem Winkel von 60°. Der Abstand
der Düse
vom Fußpunkt
des auftreffenden Laserstrahls beträgt 20 mm. Als Gas wird reiner
Sauerstoff mit einem Volumenstrom von 15 l/min verwendet.
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In
einem Querschliff, welcher den Figurendarstellungen gemäß 1 und 2 entspricht, wird
folgender Schichtaufbau auf dem beschichteten Zylinder bestimmt:
- • Obere
Schicht: Zusammensetzung Korund (α-Al2O3) > 90 %, Vickers-Harte
(HV): (2.032 ± 88) HV
(0,01), Dicke: (10 ± 2) μm
- • Unterliegende
Umschmelzschicht: Feinkörniges Gefüge, Vickers-Härte (HV):
180 HV, Dicke: ca. 200 μm
- • Grundwerkstoff:
Grobkörniges
Gefüge,
Vickers-Härte
(HV): 80 HV