DE102010004241A1

DE102010004241A1 - Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten auf der Oberfläche von Werkstücken, eine so hergestellte Funktionsschicht und ein Werkstück

Info

Publication number: DE102010004241A1
Application number: DE201010004241
Authority: DE
Inventors: Ulf 79713 Waag; Hans Dr. 79725 Keller; Hans-Peter Dr. 95189 Baldus
Original assignee: HC Starck GmbH
Current assignee: Hoganas Germany GmbH
Priority date: 2010-01-08
Filing date: 2010-01-08
Publication date: 2011-07-14
Also published as: WO2011083134A1; TW201142082A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten, insbesondere Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten, auf der Oberfläche von Werkstücken. Aufgabe der Erfindung ist es, Möglichkeiten für die Herstellung von Funktionsschichten auf Werkstückoberflächen anzugeben, bei denen unterschiedlichste Funktionsschichten einfach, flexibel und kostengünstig hergestellt werden können und keine Beeinflussung des eigentlichen Werkstückwerkstoffs hervorgerufen wird. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird ein mit einem Polymer gebildetes folienförmiges Vorprodukt, in dem metallische Partikel eingebettet sind, zu einem mit einer Funktionsschicht zu versehenden Oberflächenbereich eines Werkstücks positioniert und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, bei gleichzeitiger Relativbewegung von Werkstück und Laser- oder Elektronenstrahl, bestrahlt. Bei der Bestrahlung werden organische Bestandteile des Vorprodukts thermisch zersetzt und das Metall zumindest teilweise aufgeschmolzen und dabei die Funktionsschicht ausgebildet wird. Dabei beginnt die thermische Zersetzung vor dem Aufschmelzen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten, insbesondere Verschleiß- und/oder Korrosionsschutzschichten, auf der Oberfläche von Werkstücken. Sie betrifft weiter eine mit dem Verfahren hergestellte Funktionsschicht und ein Werkstück mit Funktionsschicht. Dabei werden entsprechend beanspruchte Oberflächen oder Bereiche der Oberfläche von im Wesentlichen metallischen Werkstücken mit solchen Schichten versehen, um die Lebensdauer bei entsprechenden Umgebungs- oder Einsatzbedingungen zu erhöhen. Es kann auch an Werkstücken einsatzbedingt aufgetretener Verschleiß oder anderweitig aufgetretener Werkstoffabtrag wieder ausgeglichen werden.
Üblicherweise werden solche Funktionsschichten durch Werkstoffauftrag mit thermischen Verfahren hergestellt. Sie sind aus einem anderen Werkstoff als das eigentliche Werkstück gebildet, und die Eigenschaften von Werkstückwerkstoff und Funktionsschichtwerkstoff unterscheiden sich dabei, um unterschiedliche Funktionen erfüllen zu können. Funktionsschichten können insbesondere für eine Reduzierung des Verschleißes, für verbesserte tribologische Eigenschaften oder auch einen besseren Schutz vor Korrosion eingesetzt werden.
Dabei wird beispielsweise pulvermetallurgisch ein Auftrag durchgeführt, bei dem auf die jeweilige Werkstückoberfläche ein Pulver aufgebracht und dann eine Erwärmung bis zum Aufschmelzen durchgeführt wird. Dabei kann die zur Erwärmung führende Energie in unterschiedlicher Form aufgebracht werden. Häufig wird Laserstrahlung hierfür eingesetzt. Dabei ist es aber schwierig, eine homogene Schicht und insbesondere eine konstante Schichtdicke mit einem homogenem Werkstoff innerhalb des Volumens der Schicht zu erreichen. Außerdem können Verluste des eingesetzten Pulvers nicht vermieden werden, was einen erheblichen Kostenfaktor darstellt.
Lediglich begrenzt können diese Nachteile beseitigt werden, indem ein Auftrag eines Pulvers mit einem geeigneten Binder in pastöser Konsistenz erfolgt, wie dies beispielsweise in DE 39 36 479 A1 beschrieben ist.
Es ist auch bekannt, metallische plattenförmige Elemente, die aus einer geeigneten Metalllegierung gebildet sind, aufzuschweißen. Damit können aber nicht alle gewünschten Eigenschaften von Funktionsschichten erreicht werden.
In der jüngeren Vergangenheit wurden Folien eingesetzt, in denen geeignete Metalle und Hartstoffe in Partikelform in einer organischen Matrix enthalten sind. Diese Folien sollen dabei auf die jeweilige Oberfläche eines Werkstücks aufgelegt und dann innerhalb eines Ofens gesintert werden, wobei bei der Erwärmung die organischen Bestandteile erst ausgetrieben werden, bevor die Sinterung erfolgt oder eine in der Folie enthaltene bei niedriger Temperatur schmelzende Komponente schmilzt.
Hierfür sind aber hohe Temperaturen oberhalb 900°C erforderlich, die aber Veränderungen im Gefüge des Werkstückwerkstoffs hervorrufen, was wiederum unerwünscht ist, da dessen Eigenschaften für die jeweilige Applikation bzw. Belastung des Werkstücks ausgewählt sind.
Bei Versuchen Funktionsschichten mit dem Einsatz solcher Folien und üblichen thermischen Verfahren hat es sich herausgestellt, dass bei Einsatz von Plasma, wie dem PDA-Verfahren, ein Verbrennen auftritt und eine Ausbildung von Funktionsschichten nicht möglich war.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung Möglichkeiten für die Herstellung von Funktionsschichten auf Werkstückoberflächen anzugeben, bei denen unterschiedlichste Funktionsschichten einfach, flexibel und kostengünstig hergestellt werden können und keine Beeinflussung des eigentlichen Werkstückwerkstoffs hervorgerufen wird.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Anspruch 12 ist auf eine mit dem Verfahren hergestellte Funktionsschicht und Anspruch 13 auf ein Werkstück mit Funktionsschicht gerichtet. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten technischen Merkmalen realisiert werden.
Erfindungsgemäß wird so vorgegangen, dass ein mit einem Polymer, in dem metallische Partikel eingebettet sind, gebildetes Vorprodukt zu einem mit einer Funktionsschicht zu versehenden Oberflächenbereich positioniert und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird. Anschließend wird die Oberfläche mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, bei gleichzeitiger Relativbewegung von Werkstück und Laser- oder Elektronenstrahl, bestrahlt. Dadurch werden organische Bestandteile des Vorprodukts thermisch zersetzt und das Metall zumindest teilweise aufgeschmolzen und dabei die Funktionsschicht ausgebildet. Dabei zersetzt sich zumindest ein Hauptteil der organischen Komponenten und ein überwiegender Teil der metallischen Partikel sollte aufgeschmolzen werden. Bei dieser thermischen Behandlung können die unterschiedlichen Temperaturen ausgenutzt werden. So liegen die Temperaturen bei denen eine thermische Zersetzung auftritt (in der Regel zwischen 200°C bis 500°C) in den überwiegenden Fällen unterhalb der Schmelztemperatur einsetzbarer Metalle oder Metalllegierungen, so dass die thermische Zersetzung vor dem Aufschmelzen beginnt. Die thermische Zersetzung sollte zumindest vor Beginn des Aufschmelzens weitestgehend abgeschlossen sein. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die Temperaturerhöhung im bestrahlten Bereich gezielt beeinflusst wird. Hierfür kann die Leistung der Strahlungsquelle, die Energiedichte im Brennfleck sowie die Bestrahlungszeit, z. B. durch eine geeignete Vorschubgeschwindigkeit, gezielt gewählt werden.
Insbesondere ist es daher also günstig, wenn bei der Bestrahlung zumindest der überwiegende Teil (Hauptteil) der organischen Bestandteile zuerst thermisch zersetzt wird, und wenn danach zumindest der überwiegende Teil des Metalls zumindest teilweise aufgeschmolzen wird und dabei die Funktionsschicht ausgebildet wird.
Die bei der Erfindung einsetzbaren folienförmigen Vorprodukte können je nach gewünschter Funktionsschicht ausgebildet sein. Dies betrifft deren Gestalt, Form, die Dimensionierung und die Konsistenz. So können auch bereits aus dem Stand der Technik bekannte flexibel verformbare Folien, die Metall- und ggf. auch Hartstoffpartikel enthalten, eingesetzt werden. Folien, die bei bei der Erfindung einsetzbaren Vorprodukten eingesetzt werden können, stellen flächige Elemente dar, die Partikel in einer polymeren Matrix so eingebettet sind, dass die Partikel bei normaler Umgebungstemperatur fixiert innerhalb der Folie gehalten sind. Die Partikel können ihre jeweilige Position erst bei der thermischen Behandlung, die erfindungsgemäß mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl erfolgt, und dem Überschreiten eine Mindesttemperatur verändern. Bis dahin sind alle Partikel im Polymer gehalten und es können keine Partikel vorab heraus fallen. Eine gewünschte Verteilung der Partikel innerhalb der polymeren Matrix bleibt erhalten, so dass eine reproduzierbare Funktionsschichtausbildung mit jeweils gewünschter Homogenität über die Fläche und/oder das Volumen der erfindungsgemäß hergestellten Funktionsschicht möglich ist. Dadurch lassen sich diese Nachteile des Pulverauftragsschweißens, auch bei Einsatz von Pasten, mit Laserstrahlung vermeiden, da bei diesen bekannten Verfahren nicht ausreichend gewährleistet werden kann, dass die Partikel in der gewünschten Verteilung, insbesondere homogener Verteilung als Funktionsschicht aufgetragen werden können.
Solche Folien können im Foliengussverfahren hergestellt werden. Bei Positionierung und in Kontaktbringen mit der Oberfläche des Werkstücks an der eine Funktionsschicht ausgebildet werden soll, können sich diese Folien begrenzt an eine Oberflächenkontur anpassen. So können Funktionsschichten beispielsweise an konvex oder konkav gekrümmten Oberflächen mit Mindestradien eingesetzt werden. Es können unterschiedliche Formen und Geometrien berücksichtigt werden.
Solche Folien können mit geeigneter und auch über die Fläche konstanter Dicke eingesetzt werden. Die Dicke sollte im Bereich 0,01 mm bis hin zu 10 mm liegen.
Es besteht aber auch die Möglichkeit, ein Vorprodukt in eine der Oberflächenkontur des zu beschichtenden Werkstücks angepasste Form zu bringen und dann durch Aushärtung oder Polymerisation das Vorprodukt in der der Oberflächenkontur des Werkstücks entsprechenden Form zu fixieren, bevor es mit der jeweiligen Werkstückoberfläche in Kontakt gebracht wird. In diesem Fall können geeignete Polymere oder Polymervorstufen eingesetzt werden. Eine Polymerisation kann durch eine Bestrahlung mit geeigneter elektromagnetischer Strahlung, z. B. UV-Strahlung erreicht werden. Eine Formgebung kann aber auch mit einem geeignet viskosen Harz, das in eine Form gegossen und darin ausgehärtet wird, erfolgen. Im Harz sind dann Metall- und ggf. zusätzlich Hartstoffpartikel dispergiert enthalten.
So vorbereitete Vorprodukte enthalten aber weiterhin noch Polymer. Organische Bestandteile werden erst bei der Bestrahlung thermisch zersetzt. Eine Vorsinterung metallischer Partikel sollte nicht erfolgt sein.
Neben metallischen Partikeln kann in Vorprodukten auch mindestens ein Hartstoff in Partikelform enthalten sein, was sich insbesondere bei der Herstellung von Verschleißschutzschichten anbietet. Hartstoffpartikel können dabei auch mit einer metallischen Hülle versehen oder an Metallpartikel gebunden sein.
Dabei weisen Hartstoffe üblicherweise eine zumindest gegenüber dem Werkstückwerkstoff eine erhöhte Härte auf. Dadurch kann der Verschleißschutz verbessert werden. Hartstoffe sollten eine Härte von mindestens 1000 HV aufweisen. Vorteilhaft sollten sie auch eine bessere chemische oder Beständigkeit gegenüber Korrosion aufweisen.
Bei der Erfindung können Vorprodukte eingesetzt werden, in denen bevorzugt Eisen, Kupfer, Aluminium, Titan, Wolfram, Cobalt oder Nickel als Metall enthalten sind. Selbstverständlich können auch Legierungen dieser Metalle enthalten sein.
Als Hartstoffe können die an sich bekannten Carbide, Boride oder Nitride eingesetzt werden. Hierfür sind aber auch Hartstoffeigenschaften aufweisende Oxide geeignet. Es können auch Kombinationen dieser Verbindungen, wie z. B. Carbonitride als Hartstoffe bei der Erfindung eingesetzt werden. Daneben kann auch partikelförmiger Diamant als Hartstoff genutzt werden.
Die jeweiligen Metall-, Hartstoff- und/oder Polymeranteile können auf die jeweils gewünschten Eigenschaften einer herzustellenden Funktionsschicht abgestimmt werden. Der Anteil an organischen Stoffen sollte jedoch 20 Masse-% nicht übersteigen. Der Metallanteil sollte so groß sein, dass eine Binderfunktion des Metalls für in einer Funktionsschicht enthaltene Hartstoffpartikel erfüllt werden kann. Als organische Bestandteile für ein Vorprodukt können organische Binder gemeinsam mit Plastifizierern eingesetzt werden. Diese sollten bei einer Temperatur unterhalb 400°C, bevorzugt unterhalb 350°C thermisch zersetzt werden können. Bevorzugte Polymere mit einer T_C Ceiling-Temperatur bis zu 200°C können halogenierte Polyolefine, wie PTFE, Polyacetate, Polyacrylate, oder Polymethacrylate oder deren Copolymere, wie Polyalkylenoxide, Polyvinylalkohole oder deren Derivate (Polyvinylacetate, Polyoxymethylen, oder Polyvinylbutyrate) eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind polymere Binder aus der Gruppe der Polyalkylencarbonate, insbesondere Polypropylencarbonat. Mit diesen Polymeren können bei der Herstellung von Vorprodukten die Feststoffpartikel in der Matrix eingebettet und mit dem Vorprodukt verbunden werden. Die einsetzbaren Polymere sollten mittels eines Lösungsmittels gut löslich und mit weiteren Additiven, wie z. B. Dispergiermitteln einsetzbar sein. Das die partikelförmigen Feststoffe bindende Polymer sollte als Suspension mit geeigneter Viskosität und ausreichender Stabilität einsetzbar und rückstandsfrei thermisch zersetzbar sein. Dies kann mit Polyoxymethylen, Polyacrylat oder Polymethacrylat erreicht werden, die depolymerisieren, so dass dann das dabei frei gesetzte Monomer verbrennen oder verdampfen kann.
Mit einem Polymer als Binder kann die Haltbarkeit und Handhabbarkeit der Vorprodukte in grünfestem Zustand verbessert werden. Eine Rissbildung beim Trocknen kann vermieden werden.
Geeignete Plastifizierer (Weichmacher) sind beispielsweise Phthalate, (wie Benzylphthalat, Leime, Gelatine, Dextrin, Gummiarabicum, Öle, insbesondere Parafinöl oder auch Polymere, wie z. B. Polyalkylene, insbesondere Polyethylen. Mit einem oder mehreren Plastifizierern kann die Glasübergangstemperatur des polymeren Binders reduziert und die flexible Verformbarkeit des Vorprodukts verbessert werden. Ein Plastifizierer kann in die Netzstruktur des polymeren Binders eindringen und dadurch die Viskosität herabsetzen. Durch geeignete Wahl von Polymer(en) und Plastifizierer(n) sowie der jeweiligen enthaltenen Anteile kann die Reißfestigkeit, Verform- und Dehnbarkeit vorteilhaft beeinflusst werden. Auch Plastifizierer sollten bei den vorab zu den Polymeren genannten Temperaturen thermisch und dabei rückstandsfrei zersetzt werden können.
Das mindestens eine in einem Vorprodukt enthaltene Polymer sollte die jeweilige eingesetzte Laserstrahlung gut absorbieren oder entsprechend geeignete besser absorbierende Additive enthalten.
Vorprodukte können vorteilhaft mit Hilfe eines Haftvermittlers (z. B. eines Haftklebstoffes oder Schmelzklebstoffes) an der Werkstückoberfläche fixiert werden, bevor die Bestrahlung erfolgt. Dabei kann die entsprechende Oberfläche des Vorprodukts mit einem Haftvermittler beschichtet sein. Für eine entsprechende Fixierung eines Vorprodukts an der Werkstoffoberfläche kann auch ein Anlösen des Polymers oder einer im Vorprodukt enthaltenen organischen Komponente mit einem geeigneten Lösungsmittel, mit dem die Oberfläche benetzt wird, erfolgen. Anschließend kann ein so vorbereitetes Vorprodukt auf die Werkstückoberfläche aufgelegt und nach Entfernung des Lösungsmittels eine ausreichend feste stoffschlüssige Verbindung erhalten werden.
Bei der Erfindung besteht die Möglichkeit auch mehr als ein Vorprodukt für die Herstellung einer Funktionsschicht einzusetzen. Dabei können mindestens zwei Vorprodukte einen Mehrschichtaufbau bilden. In diesem Fall können die Vorprodukte mit Hilfe eines Haftvermittlers miteinander verbunden sein. Es können aber auch Vorprodukte, die mehrschichtig sind, bei der Erfindung eingesetzt werden. Damit ergibt sich die Möglichkeit, Vorprodukte zu verarbeiten, die eine unterschiedliche Konsistenz/Beschaffenheit aufweisen. Es können also unterschiedliche Partikel in einem Polymer eingebettet, unterschiedliche Anteile in den so eingesetzten Vorprodukten eingehalten oder unterschiedliche Partikelgrößen enthalten sein.
In dieser Form besteht die Möglichkeit, eine Ausgleichsschicht unmittelbar auf der Werkstückoberfläche auszubilden, auf der dann wiederum die eigentliche Funktionsschicht ausgebildet ist. Dadurch kann beispielsweise die Haftung der Funktionsschicht verbessert werden, indem unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Werkzeug- und Funktionsschichtwerkstoff besser ausgeglichen werden können. Eine Ausgleichsschicht kann aber auch Barrierewirkung haben, um chemische Reaktionen oder eine Diffusion zwischen Bestandteilen der eigentlichen Funktionsschicht und dem Werkstückwerkstoff zu vermeiden.
Bei als Folien ausgebildeten Vorprodukten kann auch deren Dicke variieren. Dies kann auch bei mehrschichtigen Vorprodukten oder mit mehreren stoffschlüssig Verbundenen Vorprodukten, die als Lagen miteinander verbunden sind, der Fall sein.
Zum anderen besteht bei Einsatz mehrerer Vorprodukte auch die Möglichkeit der Strukturierung einer herzustellenden Funktionsschicht. In diesem Fall kann beispielsweise ein unmittelbar an der Werkstückoberfläche angeordnetes Vorprodukt vorhanden sein, an dessen Oberfläche in mindestens einem weiteren Bereich ein weiteres Vorprodukt angeordnet ist. Die Fläche des weiteren Vorprodukts kann dabei kleiner als die Fläche des unmittelbar an der Werkstückoberfläche angeordneten Vorproduktes sein, so dass keine vollständige Überdeckung auftritt. So lassen sich beispielsweise Streifen- oder andere Muster an einer Funktionsschicht ausbilden. Dies kann beispielsweise für walzenförmige Oberflächen von Werkzeugen vorteilhaft sein.
In dieser Form können aber auch Bereiche mit unterschiedlichen Eigenschaften an einer Funktionsschicht erhalten werden.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren kann auch eine trennende Formgebung der eingesetzten Vorprodukte vorgenommen werden. Dabei kann dies vorteilhaft auch mit demselben Energiestrahl erfolgen, der auch für die thermische Ausbildung der Funktionsschicht eingesetzt wird. Zum Schneiden einer Kontur kann dann die Bewegung des Brennflecks mit höherer Vorschubgeschwindigkeit durchgeführt und/oder der Brennfleck mit größerer Energiedichte entlang der zu schneidenden Kontur bewegt werden. Nach dem Schneiden können nicht für die Ausbildung der Funktionsschicht zu nutzenden Teile eines Vorproduktes entfernt werden. Diese können dann für die Herstellung einer anderen Funktionsschicht genutzt oder einem Recycling zugeführt werden, wodurch die Kosten reduziert werden können.
Die Bestrahlung des Vorproduktes kann zumindest für das thermische Zersetzen organischer Komponenten so erfolgen, dass der Brennfleck nicht in der Brennpunktebene angeordnet ist, also der Energiestrahl defokussiert wird. Dabei können als Strahlungsquellen bevorzugt Nd:YAG-, Dioden- oder Faserlaser eingesetzt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können unterschiedlichste Funktionsschichten an aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellten Werkstücken hergestellt werden. Dabei kann die Erfindung sowohl für die Herstellung neuer Werkstücke, wie auch für deren Reparatur eingesetzt werden. Die Funktionsschichten können mit erhöhter Reproduzierbarkeit hergestellt und dabei Verluste an eingesetzten kostenintensiven Rohstoffen, insbesondere an Hartstoffen, erheblich reduziert werden.
Bei der thermischen Behandlung mit den einzusetzenden Energiestrahlen erfolgt eine lokal begrenzte und äußerst gezielte Erwärmung und Temperaturerhöhung. Insbesondere am Werkstückwerkstoff tritt, im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Vorgehensweisen, eine so geringe Temperaturerhöhung auf, dass eine unerwünschte thermische Beeinflussung dieses Werkstoffes vermieden wird und insbesondere keine Gefügeumwandlung oder keine Veränderung der Gitterstruktur auftritt.
Außerdem können die Anforderungen an die eingesetzten pulverförmigen Metalle oder Hartstoffe reduziert werden. Dies betrifft einmal deren Verträglichkeit (Kompatibilität) zueinander, insbesondere die chemische Reaktivitität und zum anderen die ansonsten erforderliche Fließfähigkeit. Die Fließfähigkeit ist eine Anforderung, die erfüllt werden muss, wenn nur Pulver für einen thermischen Auftrag auf eine Werkstückoberfläche zugeführt und dann zumindest partiell aufgeschmolzen werden soll.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 bis 3 Schliffbilder in verschiedener Vergrößerung einer nach Beispiel 1 hergestellten Funktionsschicht.
Beispiel 1
Mit einem herkömmlichen Foliengießverfahren wurde eine Folie, als Vorprodukt, mit einer konstanten Dicke von 1,5 mm hergestellt. In der Folie A1 waren 2 Masse-% an organischen Komponenten, nämlich Polypropylencarbonat und als Plastifizierer Propylencarbonat enthalten. Außerdem waren als Hartstoffbestandteil 59 Masse-% Wolframschmelzcarbid, das unter der Handelsbezeichnung Macroline kommerziell erhältlich ist, in einem Partikelgrößenbereich von 63 μm bis 180 μm sowie als metallischer Binder 39 Masse-% einer Nickelbasislegierung (3 Masse-% Silicium, 3 Masse-% Bor und dem Rest Nickel) enthalten. Bei Macroline handelt es sich um ein Wolframschmelzcarbid, bei dem jedes Hartsstoffpartikel aus WC mit einer dünnen Schicht aus mono-Wolframcarbid (mono-WC) umhüllt ist. Diese Schicht verhindert weitestgehend eine Auflösung der Hartstoffpartikel während des Wärmeeintrages.
Aus der Folie A1 wurden Streifen mit einer Breite von 22 mm und einer Länge von 65 mm herausgeschnitten. Die noch grünfeste aber flexibel verformbare Folie wurde auf eine Werkstückoberfläche aufgelegt und anschließend mit einem von einer Nd-YAG-Laserlichtquelle, deren maximale Leistung 3 kW beträgt, bestrahlt. Die Laserlichtquelle wurde dabei bei einer Leistung von 700 W kontinuierlich (cw-Mode) betrieben. Der Brennfleck wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 2000 mm/min über die Oberfläche der Folie A1 bewegt. Dabei wurde die Nickelbasislegierung aufgeschmolzen, nachdem die organischen Komponenten thermisch zersetzt und so aus dem Vorprodukt entfernt worden sind. Als Schutzgas wurde Argon während der Bestrahlung zugeführt.
Die so ausgebildete Verschleißschutzschicht war ausschließlich mit einer Matrix der Nickelbasislegierung in der die Hartstoffpartikel in homogener Verteilung eingebettet waren, gebildet. Die Masseanteile entsprechen in etwa den Ausgangsanteilen abzüglich der 2 Masse-% der organischen Bestandteile, die durch die thermische Zersetzung entfernt worden waren. Dabei wurde ein Werkstück aus einem niedrig legierten Stahl, wie St 35 mit einer Funktionsschicht versehen. Die so hergestellte auf der Werkstückoberfläche hergestellte Funktionsschicht ist in den 1 bis 3 als Schliffbild gezeigt.
Beispiel 2
Wie beim Beispiel 1 wurde mit einem herkömmlichen Foliengießverfahren eine Folie A2, als Vorprodukt hergestellt, die eine konstante Dicke von 2,0 mm aufwies. In der Folie A2 waren 59 Masse-% Hartstoffpartikel, 39 Masse-% metallischen Partikeln und 2 Masse-% organischen Komponenten enthalten.
Die Hartstoffpartikelmischung enthielt 80 Masse-% Wolframschmelzcarbid (Macroline) mit einem Partikeldurchmesser im Bereich 63 μm bis 180 μm. Außerdem waren 20 Masse-% mono-WC (Typ DM 300, das von der H.C. Starck GmbH mit einem FSSS-Wert von 3,1 μm (Fisher Sub-Sieve Sizer) kommerziell erhältlich ist) enthalten.
Aus der Folie A2 wurde ein Streifen mit einer Breite von 100 mm und einer Länge von 346 mm herausgeschnitten. Die noch grünfeste aber dabei flexibel verformbare Folie A2 wurde mit Hilfe eines wasserlöslichen Haftvermittlers (Acrysol ASE 60 der von der Firma Rahm-Haas kommerziell erhältlich ist, auf die äußere Oberfläche eines niedriglegierten Stahlrohres (z. B. St 35) appliziert. Das vorab durch Sandstrahlen an der Oberfläche gereinigte Stahlrohr hatte einen Außendurchmesser von 110 mm und eine Länge von 100 mm. Die Stirnseiten der um den Außendurchmesser gewickelten Folie A2 konnten so auf Stoß verklebt werden.
Der Außendurchmesser des Stahlrohres, das der grünfesten Folie A2 stoffschlüssig verbunden war, wurde in ein Werkstückfutter (Bohrfutter) gespannt und bei einer Drehzahl von 5 min^–1 gedreht. Anschließend wurde die nach außen weisende Oberfläche der Folie A2 mit einem von einem NdYAG-Laser emittierten Laserstrahl bestrahlt. Der NdYAG-Laser hatte eine maximale Leistung von 3 kW. Beider Bestrahlung wurde er im cw-Mode mit einer Leistung von 700 W betrieben. Der Brennfleck wurde mit einer Vorschubgeschwindigkeit von ca. 2000 mm/min über die Oberfläche des rotierenden Stahlrohres im mit der Folie A2 beschichteten Bereich bewegt. Dabei konnte eine gleichförmige Bewegung des Brennflecks über den Umfang (ringförmig) mit einem Versatz nach jeder Umdrehung oder eine spiralförmige Bewegung durchgeführt werden, so dass kreisringförmige oder spiralförmige Spuren an der Folie A2 ausgebildet werden konnten. Mit der Bestrahlung wurde die Nickelbasislegierung aufgeschmolzen, nach dem die organischen Komponenten thermisch zersetzt und aus der Folie A2 entfernt worden sind. Als Schutzgas wurde Argon eingesetzt.
Die dadurch ausgebildete Verschleißschutzschicht war ausschließlich aus einer Matrix der Nickelbasislegierung, in der die Hartstoffpartikel in homogener Verteilung eingebettet waren, gebildet. Die in der Verschleißschutzschicht enthaltenen Masseanteile entsprachen denen der eingesetzten Ausgangsstoffe, abzüglich des Anteils an organischen Komponenten, die bei der thermischen Zersetzung entfernt worden waren.
Beispiel 3
Wie beim Beispiel 1 wurden mit einem herkömmlichen Foliengießverfahren zwei Folien A3 und B3, als Vorprodukte hergestellt, die jeweils eine konstante Dicke von 1,0 mm aufwiesen. Die erste Folie A3 enthielt 98 Masse-% Wolframschmelzcarbid (MTC Macroline) und 2 Masse-% organische Komponenten, wie dies beim Beispiel 1 der Fall war.
Die zweite Folie B3 enthielt 97 Masse-% einer Nickelbasislegierung in der 3 Masse-% Silicium, 3 Masse-% Bor als Legierungselemente und der Rest Nickel enthalten waren sowie 3 Masse-% organische Komponenten, die denen des Beispiels 1 entsprechen.
Aus den Folien A3 und B3 wurden zwei gleich große Streifen mit einer Breite von 100 mm und einer Länge von 314 mm für A3 bzw. 308 mm für B3 herausgeschnitten.
Der grünfeste flexibel verformbare Streifen der Folie B3 wurde mit dem wasserlöslichen Haftvermittler Acrysol ASE 60 auf der Oberfläche im Inneren eines niedriglegierten Stahlrohres ringförmig an der Innenwand anliegend fixiert, so dass die Folie B3 vollflächig an der entsprechenden Oberfläche anlag. Das Stahlrohr war vorab wieder mittels Sandstrahlen behandelt worden.
Der grünfeste und flexibel verformbare Streifender Folie B3 wurde entsprechend mit dem gleichen Haftvermittler auf die Oberfläche des Streifens der Folie A3 vollflächig anliegend fixiert. Beide Streifen waren auf Stoß an den Stirnseiten verklebt.
Das so vorbereitete Stahlrohr wurde mittels eines Futters am Außendurchmesser gespannt, so dass es mit einer Drehzahl von 5 U/min gedreht werden konnte. Die nach innen weisende Oberfläche des aus den Streifen gebildeten Schichtaufbaus wurde wieder mit einem Laserstrahl, mit den gleichen Parametern, wie beim Beispiel 2 bestrahlt. Der Brennfleck des Laserstrahls wurde wieder, wie beim Beispiel 2 über die Oberfläche des Schichtaufbaus geführt. Die Nickelbasislegierung der Folie B3 wurde aufgeschmolzen und infiltrierte in die im Wesentlichen mit dem Wolframschmelzcarbid gebildete Matrix der Folie A3. Diese Prozesse erfolgten nach dem die organischen Komponenten thermisch zersetzt und entfernt worden waren. Als Schutzgas war wieder Argon eingesetzt.
Die dadurch hergestellte Verschleißschutzschicht war aus einer Matrix der Nickelbasislegierung, in der Hartstoffpartikel in homogener Verteilung eingebettet waren, gebildet worden. Die resultierende Funktionsschicht wies 60 Masse-% Wolframcarbid und 40 Masse-% Nickelbasislegierung auf.
Beispiel 4
Wie beim Beispiel 1 wurden mit einem herkömmlichen Foliengießverfahren zwei Folien A4 und B4, als Vorprodukte hergestellt, die eine konstante Dicke von 1,0 mm aufwiesen. Zusätzlich wurde ein dritte Folie C4 mit einer konstanten Dicke von 0,5 mm hergestellt. Die erste Folie A4 enthielt 98 Masse-% Wolframschmelzcarbid (MTC Macroline) und 2 Masse-% organische Komponenten, wie dies beim Beispiel 1 der Fall war. Die zweite Folie B4 enthielt 97 Masse-% einer Nickelbasislegierung, in der 3 Masse-% Silicium, 3 Masse-% Bor als Legierungselemente und der Rest Nickel enthalten waren sowie 3 Masse-% organische Komponenten, die denen des Beispiels 1 entsprechen. Die dritte Folie C4 enthielt 97 Masse-% einer Nickelbasislegierung, in der 0,2 Masse-% Kohlenstoff, 4,0 Masse-% Chrom, 0,5 Masse-% Bor, 2,5 Masse-% Silicium und der Rest Nickel enthalten waren sowie 3 Masse-% organische Komponenten, wie beim Beispiel 1.
Aus den drei Folien A4, B4 und C4 wurde Streifen mit einer Breite von 60 mm und einer Länge von 70 mm geschnitten. Die grünfeste flexibel verformbare Folie C4 wurde mit dem wasserlöslichen Haftvermittler Acrysol ASE 60 auf der Oberfläche eines vorab durch Sandstrahlen gereinigten Werkstücks vollflächig appliziert. Bei dem Werkstück handelte es sich um ein durch Gießen hergestelltes Werkstück aus dem Werkstoff EN-GJN-HV600 (2,1 Masse-% Kohlenstoff, 23 Masse-% Chrom, 0,7 Masse-% Silicium und dem Rest Eisen). Auf die nach außen weisende Oberfläche des Streifens der Folie C4 wurde der grünfeste flexibel verformbare Streifen der Folie A4 und auf dessen nach außen weisend Oberfläche der Streifen der Folie B4 mit dem gleichen Haftvermittler aufgeklebt.
Anschließend wurde die nach außen weisende Oberfläche des mit den drei Streifen der Folien B4, A4 und C4 gebildeten Mehrschichtaufbaus, also die frei zugängliche Oberfläche des Streifens der Folie B4, mit einem Laserstrahl, wie bei den Beispielen 2 und 3, bestrahlt.
Der Brennfleck des Laserstrahls wurde dabei mit einer Vorschubgeschwindigkeit von 2000 m/min über die bestrahlte Oberfläche bewegt. Dabei wurde die im Streifen der Folie B4 enthaltene Nickelbasislegierung im Nachgang zur thermischen Zersetzung der organischen Komponenten aufgeschmolzen. Diese Nickelbasislegierung infiltrierte dabei in die Hartstoffpartikel enthaltende Schicht, die mit der Folie A4 gebildet war. Da die Folie C4 eine gegenüber der Folie B4 höhere Schmelztemperatur aufweist, wurde die Nickelbasislegierung der Folie C4 lediglich angeschmolzen und kann daher eine Ausgleichsschicht zwischen dem Werkstückwerkstoff und der erfindungsgemäß hergestellten Verschleißschutzschicht bilden, deren wesentliche Funktion die Verhinderung einer Kohlenstoff-Diffusion ist.
Es wurde ebenfalls Argon als Schutzgas bei der thermischen Behandlung mit dem Laserstrahl eingesetzt.
Die so hergestellte Funktionsschicht war mit einer Ausgleichsschicht der Nickelbasislegierung unmittelbar auf der Oberfläche des Werkstückwerkstoffs und darauf einer Matrix einer Nickelbasislegierung, in der WC-Hartstoffpartikel eingebettet waren, gebildet. Die Matrix war mit 60 Masse- Wolframschmelzcarbid und 40 Masse-% der Nickelbasislegierung gebildet.
Bei allen Beispielen konnten Funktionsschichten erhalten werden, deren Härte bei mindestens 55 HRC lag.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3936479 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

EN-GJN-HV600 [0056]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Funktionsschichten auf der Oberfläche von Werkstücken, bei dem ein mit einem Polymer, in dem metallische Partikel eingebettet sind, gebildetes folienförmiges Vorprodukt zu einem mit einer Funktionsschicht zu versehenden Oberflächenbereich positioniert und mit der Oberfläche in Kontakt gebracht und anschließend die Oberfläche mit einem Laserstrahl oder Elektronenstrahl, bei gleichzeitiger Relativbewegung von Werkstück und Laser- oder Elektronenstrahl, bestrahlt wird, wobei bei der Bestrahlung organische Bestandteile des Vorprodukts thermisch zersetzt und das Metall zumindest teilweise aufgeschmolzen und dabei die Funktionsschicht ausgebildet wird und dabei die thermische Zersetzung vor dem Aufschmelzen beginnt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt in Form einer flexibel verformbaren Folie eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorprodukt, in eine der Oberflächenkontur des zu beschichtenden Werkstücks angepasste Form gebracht und dann durch Aushärtung oder Polymerisation das Vorprodukt in der der Oberflächenkontur des Werkstücks entsprechenden Form fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt in dem zusätzlich Partikel mindestens eines Hartstoffs, an Metallpartikel gebundene Hartstoffpartikel und/oder mit einer metallischen Hülle versehene Hartstoffpartikel enthalten sind, eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorprodukt mittels eines Haftvermittlers stoffschlüssig vor der Bestrahlung mit Laser- oder Elektronenstrahl mit dem Werkstück fixiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Vorprodukte, die einen Mehrschichtaufbau bilden oder ein mehrschichtiges Vorprodukt, in Bezug zur Oberfläche positioniert und ein Vorprodukt mit der Oberfläche in Kontakt gebracht wird, bevor die nach außen weisende Oberfläche mit Laser- oder Elektronenstrahlung beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Vorprodukte eingesetzt werden, die eine unterschiedliche Konsistenz, Dicke, Größe und/oder Form aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Laser- oder Elektronenstrahl bei höherer Energiedichte im Brennfleck und/oder Vorschubgeschwindigkeit eine äußere Randkontur des/der Vorprodukte(s) ausgeschnitten wird, bevor das Zersetzen der organischen Bestandteile und das Aufschmelzen des Metalls zur Ausbildung der Funktionsschicht erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich Teilbereiche der Oberfläche eines Vorprodukts mit Laser- oder Elektronenstrahlung bestrahlt werden, so dass eine vorgegebene Randkontur oder Funktionsschicht ausgebildet oder eine Formgebung der Funktionsschicht durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest bei der thermischen Zersetzung der organischen Bestandteile der Laser- oder Elektronenstrahl so auf die Oberfläche eines Vorproduktes gerichtet wird, dass der Brennfleck außerhalb der Brennpunktebene angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens zwei Vorprodukten, die einen Mehrschichtaufbau bilden und dabei eine unterschiedliche Konsistenz/Beschaffenheit aufweisen, mit dem unmittelbar auf der Werkstückoberfläche angeordneten Vorprodukt eine Ausgleichsschicht und mit mindestens einem darüber angeordneten Vorprodukt die Funktionsschicht gebildet wird.
Funktionsschicht hergestellt im einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Werkstück mit einer Funktionsschicht nach Anspruch 12.