DE102019220188A1

DE102019220188A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Oberflächenbehandlung von metallischen Oberflächen

Info

Publication number: DE102019220188A1
Application number: DE102019220188.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Nyenhuis
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-24

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 bekannt. Bei dem bekannten Verfahren, das zur Erzeugung einer amorphen Schicht an der Oberfläche des metallischen Bauteils dient, wird ein Laserstrahl über die Oberfläche geführt und das Material des Werkstücks an der Oberfläche aufgeschmolzen. Das aus der genannten Schrift bekannte Verfahren schlägt vor, das Bauteil während seiner Oberflächenbehandlung zumindest im Bereich der behandelten Oberfläche mit Wasser als Kühlmedium zu überdecken, um die benötigte hohe Abkühlgeschwindigkeit bzw. den benötigten Wärmeabfluss über das Wasser zu erzielen.
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 und 100 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

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 Bauteil BT gezeigt. Das Bauteil BT ist rein beispielhaft als plattenförmiges bzw. ebenes Bauteil BT dargestellt, das auf einer Arbeitsfläche 5 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 Laserstrahl LS 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 zwischen 100 Femtosekunden und 50 Pikosekunden. Der Energieeintrag, der beispielsweise in der Größenordnung von einem Nanojoule bis einigen Mikrojoule pro Laserimpuls beträgt, erzeugt eine aufgeschmolzene Schicht 1 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 Oberfläche O des Bauteils BT, die als 5-Achs-Verstelleinrichtung 20 ausgebildet ist. Das Bauteil BT beziehungsweise die Oberfläche O des Bauteils BT ist während der Einwirkung des Laserstrahls LS in Wirkverbindung mit der umgebenden Luft oder einer gegebenenfalls Schutzgasatmosphäre angeordnet. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 100 eine Optikeinrichtung 30 zur Beeinflussung/Führung des Laserstrahls LS, 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

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 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Pulspakete mit 10 bis 1000 Laserimpulse erzeugt werden, vorzugsweise Pulspakete mit 50 bis 250 Laserimpulse.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, 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 bis 4, 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 bis 5, 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 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (O) im Einwirkbereich des Laserstrahls (LS) in einer Luft- oder Schutzgasatmosphäre angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, 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 bis 8, 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.