DE102021200891A1 - Process for producing a wear-resistant oxide layer, component - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Oxidschicht (1) auf einer zumindest im Wesentlichen ebenen Oberfläche (3) eines Bauteils (2), insbesondere Aluminiumbauteil, wobei die Oberfläche (3), insbesondere Aluminiumoberfläche, mittels Laserlegieren mit einer Oxidschicht (1) versehen wird, und wobei für das Laserlegieren ein Laserstrahl (4) linienförmig über die Oberfläche (3) des Bauteils (2) bewegt wird. Es ist vorgesehen, dass in zumindest einem Linienabschnitt eine Schmiermitteltasche (8) in die Oberfläche (3) eingebracht und durch den Laserstrahl (4) bearbeitet wird.The invention relates to a method for producing a wear-resistant oxide layer (1) on an at least essentially flat surface (3) of a component (2), in particular an aluminum component, the surface (3), in particular an aluminum surface, being coated with an oxide layer (1) by means of laser alloying. is provided, and wherein a laser beam (4) is moved linearly over the surface (3) of the component (2) for the laser alloying. A lubricant pocket (8) is introduced into the surface (3) in at least one line section and is processed by the laser beam (4).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Oxidschicht auf einer zumindest im Wesentlichen ebenen Oberfläche eines Bauteils, insbesondere eines Aluminiumbauteils, wobei die Oberfläche mittels Laserlegieren mit einer Oxidschicht, insbesondere Aluminiumoxidschicht, versehen wird, und wobei für das Laserlegieren ein Laserstrahl linienförmig über die Oberfläche bewegt wird.The invention relates to a method for producing a wear-resistant oxide layer on an at least essentially flat surface of a component, in particular an aluminum component, the surface being provided with an oxide layer, in particular aluminum oxide layer, by means of laser alloying, and a laser beam being drawn linearly over the surface for the laser alloying is moved.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Bauteil, insbesondere Zylinder für einen Bremskraftverstärker oder Gleit- oder Reiblager, für ein Kraftfahrzeug, das eine durch Laserlegieren hergestellte, verschleißfeste Oxidschicht auf zumindest einer Oberfläche, insbesondere Lauffläche des Zylinders, aufweist.The invention also relates to a component, in particular a cylinder for a brake booster or plain or friction bearing, for a motor vehicle which has a wear-resistant oxide layer produced by laser alloying on at least one surface, in particular the running surface of the cylinder.
Stand der TechnikState of the art
Verfahren und Bauteile der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Durch das Laserlegieren von insbesondere Aluminiumoberflächen ist das selektive oder lokale Herstellen einer Aluminiumoxidschicht durch laserinduzierte Oxidation bekannt, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die Schmier- beziehungsweise Gleiteigenschaften der behandelten Oberfläche verbessert werden, sodass Reib- und Verschleißerscheinungen im Dauerbetrieb reduziert werden. Erfindungsgemäß ist hierzu vorgesehen, dass in zumindest einem Linienabschnitt, insbesondere entlang zumindest eines Linienabschnitts, der Oberfläche eine Schmiermitteltasche in die Oberfläche eingebracht und durch den Laserstrahl bearbeitet wird. Dabei kann die Schmiermitteltasche durch den Laserstrahl hergestellt, also durch Bearbeitung der Oberfläche erzeugt werden, oder eine Schmiermitteltasche kann mechanisch in die Oberfläche eingebracht und anschließend durch den Laserstrahl behandelt, also ebenfalls bearbeitet werden. In jedem Fall ergibt sich eine linienförmige Vertiefung in Form der Schmiermitteltasche in der Oberfläche, in welcher im laufenden Betrieb Schmiermittel oder Schmierstoff aufgenommen und im laufenden Betrieb an die Reibpartner, wie beispielsweise an den Zylinder und einen in dem Zylinder axial verlagerbaren Kolben, abgegeben werden kann.The method according to the invention with the features of
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch eine einfache Veränderung des Laserlegierens zumindest eine Schmiermitteltasche in der Oberfläche des Bauteils ausgebildet, in welche Schmiermittel oder Schmierstoff gelagert oder zwischengelagert werden kann, um im Betrieb des Bauteils mit einem auf der Oberfläche zusammenwirkenden Gleit- oder Reibpartner Schmierstoff oder Schmiermittel abgeben zu können und eine hydrodynamische Schmierung zwischen den Kontaktpartnern dauerhaft zu gewährleisten. Dadurch werden Reibungsverluste und Verschleiß reduziert. Hierzu ist vorgesehen, dass der Laserstrahl, der insbesondere durch einen Scheibenlaser erzeugt wird (Scheibenlaserstrahl), in zumindest einem Linienabschnitt der linienförmigen Bewegung in einem vorgegebenen Winkel schräg geneigt zur Oberfläche linienförmig bewegt und/oder von einem Ultrakurzpulslaser erzeugt wird, um in diesem Linienabschnitt eine Schmiermitteltasche in der Oberfläche auszubilden. Während bisher zur Oberflächenbehandlung durch Laserlegieren der Laserstrahl in einem Winkel oder Einfallwinkel von 90° zur Oberfläche ausgerichtet und dann linienförmig über die Oberfläche bewegt wird, ist nunmehr also vorgesehen, dass in zumindest einem Linienabschnitt der Laserstrahl nicht senkrecht zur Oberfläche, sondern schräg geneigt zu dieser ausgerichtet wird. Dadurch kommt es bei der Laserbehandlung in diesem Linienabschnitt zu einem gleichmäßigen Schichtaufbau, der zu einer - im Querschnitt gesehen- asymmetrischen Kontur mit einer in die Oberfläche eingebrachten Vertiefung und einer daran angrenzenden Erhebung führt. Es entsteht eine Art Welle in der Oberfläche, durch welche in der Vertiefung die Schmiermitteltasche entsteht. Vorzugsweise werden mehrere derartiger Linienabschnitte auf der Oberfläche mit einem schräg geneigten Laserstrahl erzeugt. Es wird dabei davon ausgegangen, dass der Wirkradius des Laserstrahls beziehungsweise die Breite des Laserstrahls kleiner, insbesondere viel kleiner als die Fläche des zu behandelnden Bauteils ist, sodass der Laserstrahl mehrfach linienförmig über die Oberfläche bewegt werden muss, um eine durchgehende Oxidschicht auf dem Bauteil auszubilden.According to a preferred embodiment of the invention, at least one lubricant pocket is formed in the surface of the component by a simple change in the laser alloying, in which lubricant or lubricant can be stored or temporarily stored in order to use lubricant with a sliding or friction partner interacting on the surface during operation of the component or to be able to deliver lubricant and to permanently ensure hydrodynamic lubrication between the contact partners. This reduces friction losses and wear. For this purpose, it is provided that the laser beam, which is generated in particular by a disk laser (disk laser beam), is moved linearly in at least one line section of the linear movement at a predetermined angle inclined to the surface and/or is generated by an ultra-short pulse laser in order to create a Train lubricant pocket in the surface. While previously the laser beam was aligned at an angle or angle of incidence of 90° to the surface for surface treatment by laser alloying and then moved linearly over the surface, it is now provided that in at least one line section the laser beam is not perpendicular to the surface but inclined to it is aligned. This results in a uniform layer structure in this line section during the laser treatment, which leads to an asymmetrical contour—seen in cross section—with a depression introduced into the surface and an elevation adjoining it. A kind of wave is created in the surface, which creates the lubricant pocket in the depression. Preferably, several such line sections are generated on the surface with an inclined laser beam. It is assumed that the effective radius of the laser beam or the width of the laser beam is smaller, in particular much smaller than the surface of the component to be treated, so that the laser beam has to be moved linearly over the surface several times in order to form a continuous oxide layer on the component .
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung wird der Laserstrahl in dem Linienabschnitt in einem Winkel von 35° bis 70°, insbesondere 45° bis 65°, geneigt zu der Oberfläche des Bauteils bewegt. Dadurch entsteht eine besonders vorteilhafte Schmiermitteltasche, die die Aufnahme und Abgabe des Schmiermittels gewährleistet.According to a preferred development of the invention, the laser beam is moved in the line section at an angle of 35° to 70°, in particular 45° to 65°, inclined to the surface of the component. This creates a particularly advantageous lubricant pocket, which ensures that the lubricant is received and released.
Besonders bevorzugt erfolgt das Laserlegieren in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 80 %, insbesondere von mehr als 85 %. Hierdurch entsteht eine vorteilhafte Aluminiumoxidschicht oder Oxidschicht auf der Oberfläche des behandelten Bauteils. Dabei kommt es zu einer exothermen Reaktion zwischen dem Bauteil, insbesondere Aluminiumbauteil, und dem Sauerstoff, wodurch sich die Oxidschicht, insbesondere Aluminiumoxid, bildet. Durch den vorteilhaften Winkel des Laserstrahls geneigt zu der Oberfläche entsteht, wie zuvor beschrieben, die Schmiermitteltasche in der Aluminiumoxidschicht. Insbesondere entsteht dabei eine Art Wellenform in der Oberfläche des Bauteils, weil sich sowohl eine Erhöhung als auch eine Vertiefung in der Oberfläche durch die Laserbehandlung ergibt.The laser alloying is particularly preferably carried out in an atmosphere with an oxygen content of at least 80%, in particular more than 85%. This creates an advantageous aluminum oxide layer or oxide layer on the surface of the treated component. This leads to an exothermic reaction between the component, in particular the aluminum component, and the oxygen, as a result of which the oxide layer, in particular aluminum oxide, is formed. As described above, the advantageous angle of the laser beam inclined to the surface creates the lubricant pocket in the aluminum oxide layer. In particular, a kind of wave form is created in the surface of the component, because the laser treatment results in both an elevation and a depression in the surface.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl über die gesamte Oberfläche, die mit der Oxidschicht versehen werden soll, insbesondere über die gesamte einem Gleit- oder Reibkontaktpartner zugeordnete Oberfläche des Bauteils, in dem Winkel schräg geneigt zur Oberfläche linienförmig bewegt. Dadurch ergibt sich, dass in der Oxidschicht eine Vielzahl von Schmiermitteltaschen entstehen, durch welche die Reib- und Verschleißeigenschaften des Bauteils verbessert werden.The laser beam is preferably moved linearly over the entire surface that is to be provided with the oxide layer, in particular over the entire surface of the component assigned to a sliding or friction contact partner, at the angle inclined to the surface. As a result, a large number of lubricant pockets are formed in the oxide layer, which improves the friction and wear properties of the component.
Vorzugsweise wird der Laserstrahl in zumindest einem Linienabschnitt in einem Winkel senkrecht oder nahezu senkrecht zur Oberfläche linienförmig bewegt. Dadurch ergibt sich eine Mischbehandlung der Oberfläche, nämlich einerseits durch den schräg geneigten Laserstrahl und andererseits durch einen zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche ausgerichteten Laserstrahl. Hierdurch kann die Oberfläche weiter profiliert werden, um die Wirkung der Schmiermitteltaschen zu optimieren oder zu beeinflussen.The laser beam is preferably moved linearly in at least one line section at an angle perpendicular or almost perpendicular to the surface. This results in a mixed treatment of the surface, namely on the one hand by the obliquely inclined laser beam and on the other hand by a laser beam aligned at least essentially perpendicularly to the surface. This allows the surface to be further profiled in order to optimize or influence the effect of the lubricant pockets.
Besonders bevorzugt wird der Laserstrahl derart über die Oberfläche linienförmig bewegt, dass benachbarte Linienabschnitte abwechselnd mit einem senkrecht und mit einem in dem Winkel ausgerichteten Laserstrahl hergestellt werden. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Ausbildung der Oberfläche mit darin vorhandenen Schmiermitteltaschen.The laser beam is particularly preferably moved linearly over the surface in such a way that adjacent line sections are produced alternately with a laser beam aligned perpendicularly and with a laser beam aligned at an angle. This results in a uniform formation of the surface with pockets of lubricant present therein.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl derart über die Oberfläche linienförmig bewegt wird, dass die Oberfläche durch die eingestellte Laserstrahlneigung ein wellenförmiges Oberflächenprofil erhält. Es ergeben sich dadurch die zuvor bereits genannten Vorteile der gleichmäßigen Ausbildung der Oberfläche mit darin enthaltenen Schmiermitteltaschen.Furthermore, it is preferably provided that the laser beam is moved linearly over the surface in such a way that the surface is given a wave-shaped surface profile as a result of the adjusted laser beam inclination. This results in the previously mentioned advantages of the uniform formation of the surface with lubricant pockets contained therein.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass der Laserstrahl als Ultrakurzpulslaser, insbesondere als Nano-, Piko- oder Femto-Sekundenlaser erzeugt wird. Die genannten Laserarten sind bekannt und können daher kostengünstig in das Legierungsverfahren eingesetzt werden. Durch den Ultrakurzpulslaser wird eine besonders hohe Energiedichte in die Oberfläche eingebracht, durch welche eine Vertiefung in Form der zuvor genannten Schmiermitteltasche auch dann in der Oberfläche des Bauteils entsteht, wenn der Laserstrahl nicht in dem zuvor genannten Winkel geneigt zu der Oberfläche bewegt wird, sondern auch dann, wenn der Laserstrahl senkrecht oder nahezu senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtet ist. Anstelle eines schräg gestellten Laserstrahls oder einer Einrichtung, die ein Schrägstellen und Senkrechtstellen des Laserstrahls ermöglicht, sind für diese Variante zwei Laserstrahlquellen notwendig. Furthermore, it is preferably provided that the laser beam is generated as an ultra-short pulse laser, in particular as a nanosecond, picosecond or femtosecond laser. The laser types mentioned are known and can therefore be used inexpensively in the alloying process. The ultra-short pulse laser introduces a particularly high energy density into the surface, which creates a depression in the form of the aforementioned lubricant pocket in the surface of the component even if the laser beam is not moved at the aforementioned angle to the surface, but also when the laser beam is perpendicular or nearly perpendicular to the surface. Instead of an inclined laser beam or a device that enables the laser beam to be inclined and positioned vertically, two laser beam sources are required for this variant.
Insbesondere wird die Oberfläche zuerst durch einen herkömmlichen Laserstrahl, beispielsweise Scheibenlaserstrahl, behandelt, der senkrecht zu der Oberfläche ausgerichtet und linienförmig über die Oberfläche bewegt wird, und erst anschließend in zumindest einem Linienabschnitt durch den Ultrakurzpulslaser, der dann ebenfalls senkrecht oder nahezu senkrecht zu der Oberfläche des Wannenbauteils ausgerichtet ist. Anstelle einer Schrägstellung des Laserstrahls wird somit die Oberfläche zunächst durch ein herkömmliches oder konventionelles Laserlegieren mit einem senkrechten Einstrahlwinkel des Laserstrahls oxidiert beziehungsweise behandelt, und anschließend werden die Schmiermitteltaschen mittels des Ultrakurzpulslasers gezielt in die bereits vorbehandelt Oberfläche eingebracht. Optional wird der Ultrakurzpulslaserstrahl in dem oben beschriebenen Winkel schräg geneigt zur Oberfläche ausgerichtet.In particular, the surface is first treated with a conventional laser beam, for example a disk laser beam, which is aligned perpendicularly to the surface and moved linearly over the surface, and only then in at least one line section by the ultra-short pulse laser, which is then also perpendicular or almost perpendicular to the surface of the tub component is aligned. Instead of tilting the laser beam, the surface is first oxidized or treated by conventional laser alloying with a vertical angle of incidence of the laser beam, and then the lubricant pockets are introduced into the already pretreated surface in a targeted manner using the ultrashort pulse laser. Optionally, the ultra-short pulse laser beam is aligned at an angle to the surface at an angle described above.
Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass die zumindest eine Schmiermitteltasche durch einen Ultrakurzpulslaserstrahl oder mechanisch, beispielsweise durch Fräsen, hergestellt und anschließend zumindest bereichsweise durch einen Scheibenlaserstrahl behandelt wird. Insbesondere werden die Flanken der Nut, also die Seitenwände der Nut, mit dem Scheibenlaser vorzugsweise unter einer Sauerstoffatmosphäre behandelt und legiert. Dadurch wird die Oberfläche durch eine Verschleißschutzschicht geschützt und dient durch die Schmiermitteltaschen als Schmiermittelspender im laufenden Betrieb, wodurch Verschleiß und Reibverluste reduziert werden.Furthermore, it is preferably provided that the at least one lubricant pocket is produced by an ultra-short-pulse laser beam or mechanically, for example by milling, and then at least partially treated by a disk laser beam. In particular, the flanks of the groove, ie the side walls of the groove, are treated and alloyed with the disk laser, preferably under an oxygen atmosphere. As a result, the surface is protected by an anti-wear layer and serves as a lubricant dispenser during operation thanks to the lubricant pockets, which reduces wear and friction losses.
Das erfindungsgemäße Bauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche zumindest eine sich linienförmig über die Oberfläche erstreckende Schmiermitteltasche aufweist. Es ergeben sich hierdurch die oben bereits genannten Vorteile. Insbesondere ist das Bauteil durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellt.The component according to the invention with the features of claim 10 is characterized in that the surface has at least one lubricant pocket extending linearly over the surface. This results in the advantages already mentioned above. In particular, the component is produced by the method according to the invention.
Weitere Vorteile und bevorzugte Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich insbesondere aus dem zuvor Beschriebenen sowie aus den Ansprüchen. Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
-
1A und1B ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer verschleißfesten Oxidschicht auf einem Aluminiumbauteil, und -
2 eine Schnittdarstellung der durch das Verfahren hergestellten Oxidschicht.
-
1A and1B an advantageous method for producing a wear-resistant oxide layer on an aluminum component, and -
2 a sectional view of the oxide layer produced by the method.
Um die Verschleißbeständigkeit des Bauteils 2 zu erhöhen, ist es bekannt, die dem Berührungskontakt dienende Oberflächen 3 mit einer Verschleißschutzschicht beziehungsweise mit einer verschleißfesten Schutzschicht zu versehen. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Bauteil 2 aus Aluminium gefertigt. Bei Aluminiumbauteilen ist es bekannt, als Schutzschicht eine verschleißfeste Oxidschicht mittels Laserlegieren auf einer Oberfläche zu erzeugen. Dazu wird die Oberfläche in einer Sauerstoffatmosphäre mit einem Laserstrahl lokal aufgeschmolzen, wobei das Aluminium dann mit dem umgebenden Sauerstoff reagiert und die Oxidschicht an der Oberfläche 3 ausbildet.In order to increase the wear resistance of the
Vorteilhafterweise ist gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass der Laserstrahl 4 nicht in einem Winkel senkrecht zur Oberfläche 3, sondern in einem Winkel α schräg geneigt zu der Oberfläche 3 ausgerichtet ist. Dabei beträgt der Winkel α einen Wert von 35° bis 70°, insbesondere 45° bis 65°. Dadurch trifft der Laserstrahl 4, wie in
Insbesondere wird das Laserlegieren dabei in einer Atmosphäre mit einem Sauerstoffanteil von mindestens 85 % durchgeführt. Dazu wird optional der durch den Laserstrahl 4 behandelte Bereich gleichzeitig mit einem Sauerstoffstrom, wie in
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden alle Linien 5 auf der Oberflächen 3 durch den Laser 4 in der geneigten Ausrichtung behandelt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird nur jede zweite Linie 5 mit dem schräg ausgerichteten Laser 4 behandelt, während die verbleibenden Linien einem herkömmlichen Laserlegieren unterzogen werden, bei welchem der Laserstrahl, wie in
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zum Herstellen der Schmiermitteltaschen 8 die Oberfläche 3 zunächst konventionell laserlegiert, mit einem senkrecht zur Oberfläche 3 ausgerichteten Laserstrahl 4, wie in
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird zumindest einer der Linienabschnitte beziehungsweise zumindest eine der Linien 5 zunächst mechanisch oder durch einen Ultrapulslaser derart bearbeitet, dass eine Nut oder nutartige Vertiefung 6 in Form der Schmiermitteltasche 8 erzeugt wird. Anschließend werden insbesondere die Flanken beziehungsweise Seitenwände der Nut durch einen Scheibenlaser in einer Sauerstoffatmosphäre, wie obenstehend beschrieben, legiert, um die Reib- und Verschleißeigenschaften der Oberfläche 3 im Betrieb zu optimieren.According to a further exemplary embodiment, at least one of the line sections or at least one of the
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