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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 8.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, Werkstücke zur gezielten Optimierung ihrer Eigenschaften, insbesondere ihrer Oberflächeneigenschaften, mit metallischen Legierungen zu beschichten. Derartige Beschichtungen können beispielsweise die Härte eines Werkstücks verbessern und somit dessen Verschleiß reduzieren. Ebenso kann mittels einer geeigneten Beschichtung das Reibverhalten eines Werkstücks verbessert werden. Zur Beschichtung der Oberflächen mit den genannten Legierungen sind dabei verschiedene Beschichtungsverfahren bekannt, wie etwa das sog. Flammspritzverfahren, galvanische Verfahren oder auch das sog. Lichtbogenspritzverfahren. Weiterhin ist es auch bekannt, mittels sog. Laserbeschichtungsverfahren eine Oberfläche mit einer metallischen Legierung zu beschichten. Beim Laserbeschichten kann das Legierungsmaterial zunächst in unterschiedlichen Formen, z.B. als Pulver, Draht, Band, Paste, etc., vorliegen. Ein über das Werkstück geführte Laserstrahl schmilzt das Legierungsmaterial und die Oberfläche des Werkstücks auf, wodurch eine raupenförmige Auftragsschicht erzeugt wird. Dabei entsteht am Übergang des Legierungsmaterials zum Material des Werkstücks eine Diffusionszone, welche für eine dauerhafte und feste Anbindung der Legierungsschicht sorgt. Somit können flächenhafte oder mehrschichtige Auftragungen mit nahezu beliebigen Werkstoffkombinationen erzeugt werden.
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In diesem Zusammenhang offenbart die
EP 1127958 A2 ein Verfahren zum Laserbeschichten einer Oberfläche, insbesondere eines Aluminium-Zylinderkurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine. Dabei wird ein Grundwerkstoff der Oberfläche mittels eines Laserstrahls zu einem lokalen Schmelzbad aufgeschmolzen und ein wenigstens eine Komponente aufweisendes Legierungspulver in das Schmelzbad eingebracht. Das Schmelzbad wird derart gebildet bzw. die Komponente/Komponenten des Legierungspulvers werden derart gewählt, dass wenigstens eine Komponente des Legierungspulvers in dem Schmelzbad nicht oder nur teilweise aufgeschmolzen wird, so dass diese Komponente vollständig oder wenigstens teilweise im festen Aggregatzustand in den Grundwerkstoff eingebettet wird.
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Die
EP 0326658 A1 beschreibt eine verschleißfeste Beschichtung auf den Laufflächen von auf reibenden Verschleiß beanspruchten Maschinenteilen, wie insbesondere auf den Laufflächen von Kolbenringen für Verbrennungskraftmaschinen. Die verschleißfeste Beschichtung besteht u.a. aus Molybdän und ist in einem thermischen Spritzverfahren auf die Laufflächen aufgetragen. Die verschleißfeste Beschichtung besteht im Einzelnen aus einem Spritzmaterial aus 40 bis 80 Gewichtsprozent Molybdän, 0 bis 35 Gewichtsprozent eines Hartstoffes und zwischen 10 bis 50 Gewichtsprozent einer niedrigschmelzenden Legierung und wird durch ein Lichtbogenspritzverfahren in einem mit dem Molybdän unter Bildung von Hartstoffen reagierenden Trägergas hergestellt.
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Die bekannten Verfahren zur Beschichtung von Werkstücken sind jedoch insofern nachteilbehaftet, als dass sie eine gezielte Beschichtung einzelner lokaler Oberflächenstellen mit Molybdän als Beschichtungsmaterial nicht ermöglichen. Stattdessen erfolgen Molybdänbeschichtungen üblicherweise großflächig und unter vergleichsweise hohen Materialverlusten.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass das Molybdän als Draht oder als Pulver ausschließlich einem lokal begrenzten und zu beschichtenden Anteil der Oberfläche zugeführt wird, wobei das Molybdän mittels mindestens eines Laserstrahls derart auf der Oberfläche aufgeschmolzen wird, dass es sich mit einem Material der Oberfläche verbindet.
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Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das Molybdän gezielt ausschließlich denjenigen Stellen der Oberfläche zugeführt wird und ausschließlich dort mit der Oberfläche verbunden wird, wo die Beschichtung auch tatsächlich gewünscht bzw. benötigt ist. Verluste an Molybdän durch ein ungezieltes Aufbringen des Molybdäns auf die gesamte Oberfläche bzw. durch ein großflächiges Beschichten über den eigentlich zu beschichtenden Anteil der Oberfläche hinaus, können somit vermieden werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist daher vergleichsweise sparsam und kostengünstig hinsichtlich des Verbrauchs an Molybdän. Die Verwendung eines Lasers bzw. eines Laserstrahls zum Aufschmelzen des Molybdäns ist außerdem vergleichsweise energieeffizient, da nur ein lokal begrenzter Oberflächenanteil auf die benötigte Schmelztemperatur erhitzt wird.
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Ein weiterer sich ergebender Vorteil ist es, dass eine Vorbehandlung der Oberfläche mittels Strahlen nicht notwendig ist und somit entfallen kann, was den Zeit- und Kostenaufwand für die Beschichtung reduziert.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass auf eine im Stand der Technik übliche Bohrung am Werkstück verzichtet werden kann, mittels derer das Werkstück während einer Spritzbeschichtung üblicherweise fixiert bzw. gehalten wird.
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Schließlich ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren ein Beschichten mit vergleichsweise größeren Molybdän-Schichtdicken als dies mittels einer Spritzbeschichtung erzielbar ist. Ein Abplatzen der aufgetragenen Molybdän-Beschichtung kann durch das erfindungsgemäße Verfahren selbst bei vergleichsweise großen Schichtdicken vermieden werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass sich das Molybdän und das Material der Oberfläche in einer Diffusionszone verbinden, wobei eine Konzentration des Molybdäns mit zunehmender Eindringtiefe in das Material der Oberfläche entlang eines Gradienten abnimmt. Somit stellt sich also ein kontinuierlicher Übergang des Molybdäns in das Material der Oberfläche ein. Dies macht die Verbindung des Molybdäns mit dem Material der Oberfläche besonders widerstandsfähig und trägt insbesondere zur Vermeidung von Materialspannungen bei.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Eindringtiefe in das Material der Oberfläche an einer Stelle der Oberfläche über eine Intensität und/oder eine Verweildauer des mindestens einen Laserstrahls auf der Stelle der Oberfläche steuerbar ist. Somit können die Eigenschaften der Verbindung des Molybdäns mit dem Material der Oberfläche je nach Bedarf gezielt eingestellt werden.
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Bevorzugt ist es vorgesehen, dass auch der Gradient über eine Intensität und/oder eine Verweildauer des mindestens einen Laserstrahls auf der Stelle der Oberfläche steuerbar ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Laserstrahl automatisiert einen vorgebbaren Weg auf der Oberfläche abfährt. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass das erfindungsgemäße Verfahren zumindest weitgehend automatisiert ausgeführt wird. Dies erhöht einerseits die Präzision der Beschichtung und andererseits den Durchsatz an zu beschichtenden Oberflächen.
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Besonders bevorzugt wird der mindestens eine Laser bzw. Laserstrahl von einer Steuereinheit entlang des vorgebbaren Wegs geführt, wobei die Steuereinheit ein elektronisches Rechenwerk aufweist, welches die Steuereinheit anleitet, den Laser bzw. Laserstrahl entlang des vorgebbaren Wegs zu führen. Der vorgebbare Weg kann insbesondere vor Ausführung des Verfahrens manuell in der Steuereinheit hinterlegt werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels des Molybdäns eine verschlissene und/oder beschädigte Oberflächenkontur wiederhergestellt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nämlich vorteilhaft auch zur Wiederherstellung bzw. Reparatur von verschlissenen bzw. beschädigten Oberflächen, indem Molybdän an den verschlissenen bzw. beschädigten Stellen der jeweiligen Oberfläche ergänzt wird, um so eine ursprüngliche Oberflächenkontur wiederherzustellen. Insbesondere ein durch Materialabtrag aufgetretener Verschleiß oder eine durch Materialabtrag aufgetretene Beschädigung können so repariert werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Schutzgas zugeführt wird, während das Molybdän auf der Oberfläche aufgeschmolzen wird. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass sowohl eine Oxidation des Molybdäns wie auch des Materials der Oberfläche an der Stelle, an welcher das Molybdän sich mit dem Material der Oberfläche verbindet, vermieden wird.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Oberfläche eine Oberfläche eines Fahrzeuggetriebeelements ist. Somit kann ein beschädigtes oder verschlissenes Fahrzeuggetriebe auf einfache Weise wieder instand gesetzt werden. Ein vergleichsweise teurer Austausch des Fahrzeuggetriebes bzw. des Fahrzeuggetriebeelements erübrigt sich somit vorteilhaft.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän, umfassend eine Zuführeinrichtung, eine Stelleinrichtung und mindestens einen Laser. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Zuführeinrichtung dazu ausgebildet ist, das Molybdän als Draht oder als Pulver einer Beschichtungsstelle zuzuführen, wobei die Stelleinrichtung dazu ausgebildet ist, den mindestens einen Laser an einer Sollposition relativ zur Oberfläche auszurichten oder die Oberfläche an einer Sollposition relativ zum mindestens einen Laser auszurichten und wobei der mindestens eine Laser dazu ausgebildet ist, das Molybdän mittels mindestens eines Laserstrahls derart auf der Oberfläche aufzuschmelzen, dass es sich mit einem Material der Oberfläche verbindet. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst also alle zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Mittel. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung das Erzielen der bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Vorteile.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Vorrichtungen zum Spritzbeschichten vergleichsweise kompakt und raumsparend ausgebildet ist. Dies verringert nicht nur den benötigten Raumbedarf, da eine Vorrichtung zum Spritzbeschichten vorteilhaft nicht benötigt wird, sondern ermöglicht zudem eine Beschichtung von Oberflächen mit Molybdän direkt in einem Bearbeitungszentrum der Werkstücke, deren Oberflächen beschichtet werden sollen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der mindestens eine Laser ein CO2-Laser, ein Nd:YAG-Laser, ein Dioden-Laser oder ein Faser-Laser ist. Derartige Laser haben sich aufgrund der hohen Leistungsdichte des von ihnen emittierten Lichts als besonders geeignet erwiesen.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu ausgebildet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens in Form eines Flussdiagramms und
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2 eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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Gleiche Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbare Komponenten sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Diese Gegenstände, Funktionseinheiten und vergleichbaren Komponenten sind hinsichtlich ihrer technischen Merkmale identisch ausgeführt, sofern sich aus der Beschreibung nicht explizit oder implizit etwas anderes ergibt.
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1 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän in Form eines Flussdiagramms. In Verfahrensschritt 10 wird Molybdän als Draht, d.h. drahtförmiges Molybdän, einem zu beschichtenden Anteil einer Oberfläche zugeführt. Die Zuführung erfolgt beispielsgemäß über eine Drahtzuführeinrichtung, welche das drahtförmige Molybdän kontinuierlich dem zu beschichtenden Anteil der Oberfläche zuführt. Das Molybdän wird dabei ausschließlich dem zu beschichtenden Anteil der Oberfläche zugeführt. Bei der Oberfläche handelt es sich beispielsgemäß um die Oberfläche eines Fahrzeuggetriebeelements, nämlich eines Getrieberads. Das Getrieberad ist durch andauernde Belastung verschlissen und muss nun ersetzt oder mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederhergestellt werden. Der Verschleiß des Getrieberads zeigt sich als starke Abnutzung der ursprünglichen Oberflächenkonturen des Getrieberads. Diese Oberflächenkonturen des Getrieberads können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens wiederhergestellt werden, indem das Molybdän gezielt und ausschließlich auf die verschlissenen Anteile der Oberfläche aufgebracht wird. Im nun folgenden Verfahrensschritt 11 wird ein Schutzgas, beispielsgemäß Argon, aus einer Gasdüse zugeführt, um eine Oxidation des erhitzten Molybdäns und der erhitzen Stelle auf der Oberfläche des Getrieberads zu vermeiden. In Verfahrensschritt 12 wird Molybdän mittels mindestens eines Laserstrahls derart auf der Oberfläche aufgeschmolzen wird, dass es sich mit einem Material der Oberfläche verbindet. Das Aufschmelzen und die damit einhergehende Erhitzung des Getrieberads sind durch die Verwendung eines Laserstrahls als Hitzequelle lokal begrenzt und vergleichsweise energieeffizient. Im folgenden Verfahrensschritt 13 verbinden sich das Molybdän und das Material der Oberfläche in einer Diffusionszone, wobei eine Konzentration des Molybdäns mit zunehmender Eindringtiefe in das Material der Oberfläche entlang eines Gradienten abnimmt. Sowohl die Eindringtiefe in das Material der Oberfläche als auch die Steilheit des Gradienten sind über eine Intensität bzw. eine Verweildauer des mindestens einen Laserstrahls auf der jeweiligen Stelle der Oberfläche steuerbar. In Verfahrensschritt 14 schließlich fährt der mindestens eine Laserstrahl automatisiert einen vorgebbaren Weg auf der Oberfläche ab. Der Laserstrahl wird dabei von einer Steuereinheit entlang des vorgebbaren Wegs geführt, wobei die Steuereinheit ein elektronisches Rechenwerk aufweist, welches die Steuereinheit anleitet, den Laser bzw. Laserstrahl entlang des vorgebbaren Wegs zu führen. Zuvor wurde der vorgebbare Weg manuell in der Steuereinheit hinterlegt.
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2 zeigt beispielhaft eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän 20. Die Vorrichtung 20 umfasst beispielsgemäß eine Zuführeinrichtung 21, welche dazu ausgebildet ist, das Molybdän 23 als Pulver, d.h. pulverförmiges Molybdän, einer Beschichtungsstelle 22 zuzuführen. Die Beschichtungsstelle 22 ist ein verschlissener Anteil einer Oberfläche 26 eines Getriebeelements 27. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 20 eine Stelleinrichtung 24, welche dazu ausgebildet ist, einen Laser 25 an einer Sollposition relativ zur Oberfläche 26 eines Getrieberads 27 auszurichten. Die Ausrichtung ist dabei derart, dass ein vom Laser 25 erzeugter Laserstrahl auf die Beschichtungsfläche 22 gerichtet ist. Der Laser 25 ist dazu ausgebildet, das Molybdän 23 mittels mindestens eines Laserstrahls derart auf der Oberfläche 26 aufzuschmelzen, dass es sich mit einem Material der Oberfläche 26 verbindet. Bei dem Laser handelt es sich beispielsgemäß um einen CO2-Laser.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Zuführen von Molybdän
- 11
- Zuführen von Schutzgas
- 12
- Aufschmelzen des Molybdäns
- 13
- Verbinden in einer Diffusionszone
- 14
- Abfahren eines vorgebbaren Wegs
- 20
- Vorrichtung zum Beschichten einer Oberfläche mit Molybdän
- 21
- Zuführeinrichtung
- 22
- Beschichtungsstelle
- 23
- Molybdän
- 24
- Stelleinrichtung
- 25
- Laser
- 26
- Oberfläche
- 27
- Getriebeelement, Getrieberad
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1127958 A2 [0003]
- EP 0326658 A1 [0004]
