DE102019220188A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen (O) an Bauteilen (BT), bei dem ein Laserstrahl (LS) auf die Oberfläche (O) einwirkt und die Oberfläche (O) aufschmelzt, wobei durch rasche Abkühlung die aufgeschmolzene Oberfläche (O) unter Bildung einer amorphen Schicht (1) erstarrt.
Description
- Technisches Gebiet
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen mittels eines Lasers sowie eine Vorrichtung zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
- Stand der Technik
- Ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 ist aus der
DD 217 738 A1 - Offenbarung der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen an Bauteilen, bei dem ein Laserstrahl auf die Oberfläche einwirkt und die Oberfläche aufschmelzt, wobei durch rasche Abkühlung die aufgeschmolzene Oberfläche unter Bildung einer amorphen Schicht erstarrt, wobei der Laserstrahl Laserimpulse mit einer Repetitionsrate im Megahertz- oder Gigahertz-Bereich aufweist, hat den Vorteil, dass es keine zusätzlichen Kühlmaßnahmen zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit beim Erstarren der durch den Laserstrahl aufgeschmolzenen Schicht benötigt. Das bedeutet, dass das erfindungsgemäße Verfahren typischerweise unter einer Gasatmosphäre (Luft oder Schutzgas, je nach Anforderung) erfolgen kann. Dadurch lässt sich eine wirtschaftlich besonders vorteilhafte Herstellung amorpher Metallschichten erzielen, da die Investitionskosten für derartige Kühleinrichtungen entfallen und das Handling der Bauteile erleichtert wird.
- Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Energieeintrag in die metallische Oberfläche des Bauteils beim aufschmelzen derart gering zu halten beziehungsweise zeitlich zu beschränken, dass auch ohne Kühlmaßnahmen eine hinreichend große Abkühlgeschwindigkeit erzielt wird, da nur eine relativ geringe Wärmeenergiemenge abzuführen ist. Zur Erzeugung der amorphen Schicht ist es erforderlich, dass beim Erstarren der aufgeschmolzenen Oberfläche sich die Atome nicht in einer Kristallstruktur anordnen können. Dazu ist es erforderlich, dass eine sehr hohe Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 106 Kelvin pro Sekunde erzielt wird. Hierzu sieht es die Lehre der Erfindung vor, dass der Laserstrahl Laserimpulse mit einer Repetitionsrate im Megahertz- oder Gigahertzbereich erzeugt, derart, dass Abkühlraten von größer als 106 Kelvin pro Sekunde, vorzugsweise größer als 109 Kelvin pro Sekunde, gegenüber dem restlichen, nicht erwärmten Bauteil vorliegen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich besonders für Bauteile, die bereits mittels eines Lasers gefertigt wurden, zum Beispiel Hochdruckeinspritzventile, und deren Oberfläche durch vorherige Laserprozesse und damit verbundene Wärmeeinbringung korrosionsanfällig geworden sind. Des Weiteren können feine Strukturen, beispielsweise auf Werkzeugen wie Bohrern, resistenter gegen mechanische Abnutzung gemacht werden. Insgesamt gesehen ist das erfindungsgemäße Verfahren vorzugsweise bei Werkzeugen zur Erzeugung einer höheren Härte der Werkzeuge einsetzbar. Auch können die magnetischen Eigenschaften der Oberflächenschicht in der Leistungselektronik von Vorteil sein. Medizintechnische Produkte, wie Implantate oder Operationsbestecke können ebenfalls derartige Schichten aufweisen, da dann eine höhere Lebensdauer aufgrund der verbesserten mechanischen Eigenschaften erzielt werden kann. Weiterhin können durch die Biokompatibilität ganz neue Werkstoffe ihren Einsatz finden.
- Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
- Bevorzugt sind Repetitionsraten des Laserstrahls im Bereich zwischen 50 Megahertz und 2,0 Gigahertz, vorzugsweise 1,6 Gigahertz. Dabei ist es insbesondere auch von Vorteil, Lasersysteme zu verwenden, die Pulszüge aus 10 bis 1000 Pulsen, vorzugsweise zwischen 50 und 250 Pulsen, bei entsprechenden Repetitionsraten applizieren.
- Aus den oben genannten physikalischen Daten bezüglich der Repetitionsrate und der Anzahl der Laserimpulse ergibt sich typischerweise ein Abstand zwischen zwei Laserpulsen zwischen
100 Nanosekunden und100 Picosekunden, vorzugsweise etwa 500 Picosekunden. - Das soweit beschriebene erfindungsgemäße Verfahren führt vorzugsweise zu optischen Eindringtiefen des Laserstrahls in das Material des Bauteils im Bereich von wenigen Nanometern.
- Ebenso führen die angegebenen Parameter typischerweise zu einer Dicke der aufgeschmolzenen Schicht des Materials von weniger als vier Mikrometer, vorzugsweise von weniger als zwei Mikrometer.
- Wie bereits oben angeführt, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, die Oberflächenbehandlung des Bauteils beziehungsweise Metalls in einer Luft- oder Schutzatmosphäre durchzuführen. Jedoch kann durch Zuhilfenahme eines Kühlmittels die Auswahl der verwendeten Materialen erweitert werden.
- Durch den gepulsten Energieeintrag in das Material des Bauteils ist eine sehr hohe laterale und axiale Auflösung der gewünschten Bearbeitungszone möglich. Diese kann beim Relativbewegen des Laserstrahls zum Bauteil beziehungsweise zur Bauteiloberfläche weniger als 10 Mikrometer betragen.
- Das soweit beschriebene erfindungsgemäße Verfahren lässt sich bei unterschiedlichsten Metallen anwenden. Tendenziell lassen sich an solchen Metallen beziehungsweise Metalllegierungen besonders einfach amorphe Schichten erzeugen, die eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, wie dies beispielsweise bei Kupfer der Fall ist. Ebenso wird die Wellenlänge des Lasers typischerweise an das Material des Metalls angepasst, um die gewünschte beziehungsweise benötigte optische Eindringtiefe des Laserstrahls in der Oberfläche zu erzielen.
- Die Erfindung umfasst auch eine Vorrichtung zum Durchführen eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahrens, die sich durch eine Laserstrahleinrichtung zur Erzeugung von Laserimpulsen im Gigahertzbereich und eine Scanneroptik zum Leiten des Laserstrahls auf eine metallische Oberfläche auszeichnet. Weiterhin ist eine Verstelleinrichtung zur Relativbewegung des Laserstrahls zur Oberfläche des Bauteils vorgesehen.
- Um auch an komplex geformten Bauteilen amorphe Schichten erzeugen zu können, ist es von Vorteil, wenn die Verstelleinrichtung als 5-Achs-Verstellsystem ausgebildet ist.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sowie anhand der Zeichnung.
- Figurenliste
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- Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Erzeugung einer amorphen Schicht an einem metallischen Bauteil.
- Ausführungsformen der Erfindung
- In der einzigen Figur ist eine Vorrichtung 100 zur Erzeugung einer amorphen Schicht
1 an einem metallischen BauteilBT gezeigt. Das BauteilBT ist rein beispielhaft als plattenförmiges bzw. ebenes BauteilBT dargestellt, das auf einer Arbeitsfläche5 liegt bzw. positioniert ist. - Zur Erzeugung der amorphen Schicht
1 weist die Vorrichtung 100 eine Laserstrahleinrichtung 10 auf, die in Form eines Ultrakurzpulslasers ausgebildet ist. Die Laserstrahleinrichtung 10 erzeugt einen LaserstrahlLS mit Pulspaketen bei einer Repetitionsrate von etwa 1,6 Gigahertz. Die Pulspakete umfassen dabei jeweils etwa zwischen 20 und 1000 Laserimpulsen, vorzugsweise etwa zwischen 50 und 250 Laserimpulse. Die Pulsdauer der Laserimpulse beträgt zwischen100 Femtosekunden und 50 Pikosekunden. Der Energieeintrag, der beispielsweise in der Größenordnung von einem Nanojoule bis einigen Mikrojoule pro Laserimpuls beträgt, erzeugt eine aufgeschmolzene Schicht1 mit einer Schichtdicke von weniger als 4 Mikrometer. - Die Vorrichtung 100 umfasst darüber hinaus eine Verstelleinrichtung 20 zur Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl
LS und der OberflächeO des BauteilsBT , die als 5-Achs-Verstelleinrichtung 20 ausgebildet ist. Das BauteilBT beziehungsweise die OberflächeO des BauteilsBT ist während der Einwirkung des LaserstrahlsLS in Wirkverbindung mit der umgebenden Luft oder einer gegebenenfalls Schutzgasatmosphäre angeordnet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 eine Optikeinrichtung 30 zur Beeinflussung/Führung des LaserstrahlsLS , üblicherweise in Form eines Scanners. - ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- 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.
- Zitierte Patentliteratur
-
- DD 217738 A1 [0002]
Claims (10)
- Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen (O) an Bauteilen (BT), bei dem ein Laserstrahl (LS) auf die Oberfläche (O) einwirkt und die Oberfläche (O) aufschmelzt, wobei durch Abkühlung die aufgeschmolzene Oberfläche (O) unter Bildung einer amorphen Schicht (1) erstarrt, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (LS) Laserimpulse mit einer Repetitionsrate im Megahertz- oder Gigahertz-Bereich aufweist.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Repetitionsrate zwischen 50 Megahertz und 2,0 Gigahertz, vorzugsweise 1,6 Gigahertz beträgt. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass Pulspakete mit 10 bis 1000 Laserimpulse erzeugt werden, vorzugsweise Pulspakete mit 50 bis 250 Laserimpulse. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen 2 Laserpulsen zwischen 100 Pikosekunden und 100 Nanosekunden, vorzugsweise etwa 500 Pikosekunden beträgt. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Eindringtiefe des Laserstrahls (LS) in das Material der Oberfläche (O) im Bereich weniger Nanometer beträgt. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aufgeschmolzenen Schicht des Materials weniger als 4 Mikrometer, vorzugsweise weniger als 2 Mikrometer, beträgt. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (O) im Einwirkbereich des Laserstrahls (LS) in einer Luft- oder Schutzgasatmosphäre angeordnet wird. - Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis7 , dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Abweichung bei der Bewegung des Laserstrahls (LS) auf dem Bauteil (BT) weniger als 10µm beträgt. - Vorrichtung (100) zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der
Ansprüche 1 bis8 , gekennzeichnet durch eine Laserstrahleinrichtung (10) zur Erzeugung von Laserimpulsen im Gigahertz-Bereich und einer Scanner-Optik (30) zum Leiten des Laserstrahls (LS) auf eine metallische Oberfläche (O) des Bauteils (BT) und eine Verstelleinrichtung (20) zur Verstellung des Laserstrahls (LS) relativ zur Oberfläche (O) des Bauteils (BT). - Vorrichtung nach
Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstelleinrichtung (20) als 5-Achs-Verstellsystem ausgebildet ist.
Priority Applications (1)
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DE102019220188.1A DE102019220188A1 (de) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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DE102019220188A1 true DE102019220188A1 (de) | 2021-06-24 |
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DE102019220188.1A Pending DE102019220188A1 (de) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen |
Country Status (1)
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DE (1) | DE102019220188A1 (de) |
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2019
- 2019-12-19 DE DE102019220188.1A patent/DE102019220188A1/de active Pending
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