DE10202184C1 - Lasernitrieren von Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Erzeugung einer Verschleißschutzschicht in oberflächennahen Bereichen von Bauteilen, insbesondere Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, aus einem Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff, wobei zumindest Teile der Oberfläche der Bauteile eine Härtung erfahren haben und die Verschleißschutzschicht aus Aluminiumnitriden gebildet wird, wobei die Verschleißschutzschicht mittels einer Lasernitrierbehandlung erzeugt wird und die Energie impulsförmig in die Oberfläche eingebracht wird, so dass sich in den oberflächennahen Bereichen eine Umschmelzschicht bildet und dass es dabei zu einer Umsetzung von Stickstoff aus einer Stickstoffatmosphäre oder aus der Luft mit Aluminium aus dem Verbundwerkstoff kommt, so dass die Aluminiumnitride fein dispers und gradiert in der Umschmelzschicht vorliegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Verschleißschutzschicht in oberflächennahen Bereichen von Bauteilen, insbesondere Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, aus einem Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff, wobei zumindest Teile der Oberfläche der Bauteile eine Härtung erfahren haben und die Verschleißschutzschicht aus Aluminiumnitriden in einer Aluminiummatrix gebildet wird.

In vielen Bereichen der Industrie spielt der Verschleiß von Bauteilen, die in Gleitkontakt mit anderen Bauteilen stehen, eine bedeutende Rolle. Unter anderem in der Automobilindustrie und hier speziell im Motorenbau sind die Bestrebungen, ein möglichst optimales tribologisches System zu schaffen, besonders groß. Neben der Anforderung, ein möglichst verschleißfreies tribologisches System zu schaffen, spielt die Gewichtsminimierung in Motoren eine immer größere Rolle, so dass Aluminium die Eisenbasiswerkstoffe mehr und mehr ersetzt. Aluminium ist zwar ein sehr leichter Werkstoff, jedoch sind seine Verschleißeigenschaften denen von Eisenbasiswerkstoffen weit unterlegen. Aus diesem Grund hat es in der Vergangenheit eine ganze Reihe von Versuchen gegeben, die Verschleißeigenschaften herkömmlicher Aluminiumbasis- Werkstoffe zu verbessern.

Eine Möglichkeit, die Oberfläche von Aluminiumbasis-Werkstoffen verschleißbeständiger zu gestalten, ist die Härtung der Oberfläche. In der US 4,750,945 werden Aluminium und Aluminiumlegierungen mittels Lasers aufgeschmolzen und gehärtet. Hierbei werden lokal gehärtete Zonen erzeugt, wobei der Laser in definierten Abständen über den Werkstoff geführt wird, so dass regelmäßige Muster auf der Oberfläche des Werkstoffes entstehen, die maximal 60% der Werkstoffoberfläche überdecken und als tragende Bereiche auf der Oberfläche verschleißmindernd wirken. Durch diese Laserbearbeitung steigt die Härte von 80 HV in den unbehandelten Bereichen auf 200 HV in den laserbehandelten Bereichen.

Erfolgt die Laserbehandlung der Oberfläche der Bauteile unter Zugabe von Stickstoff, so kann es zur Bildung von Aluminiumnitrid kommen. Die Attraktivität eines solchen Verfahrens liegt in den erheblich besseren mechanischen und korrosiven Eigenschaften von Aluminiumnitrid im Vergleich zu Aluminium. So beträgt beispielsweise die Härte von Al etwa 100 HV, die von AlN aber etwa 1230 HV, auch der E-Modul kann von 70 GPa bei Reinaluminium auf 350 GPa bei Aluminiumnitriden gesteigert werden. In dem Aufsatz: "Aufbau und Eigenschafen von lasernitrierten Randschichten auf Aluminiumwerkstoffen" aus der Zeitschrift: HTM, Band 53, Heft 5 aus dem Jahre 1998, wird ein Verfahren zur Lasernitrierung von Rein- und Reinstaluminium sowie von verschiedenen binären AlSi-Gußlegierungen und einer AlSiMg-Legierung beschrieben. Bei diesem Verfahren entstehen durch die Belichtung mit UV-Laserstrahlung in einer Stickstoffatmosphäre viele µm dicke, festhaftende, deckende Randschichten. Dem Aufsatz ist zu entnehmen, dass sich die entstehenden Randschichten durch einen hohen, von der Oberfläche in die Tiefe abfallenden Gehalt an AlN-Kristalliten in einer Al- Matrix auszeichnen.

Die Veränderung der Mikrostruktur in den Randschichten geht einher mit einer deutlichen Steigerung der Härte und einer deutlichen Verbesserung des Verschleißverhaltens.

Die EP 0 745 450 A2 offenbart ein vergleichbares Lasernitrierverfahren zum Bearbeiten der Oberfläche von Werkstücken aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere der Zylinderlaufflächen von Hubkolbenbrennkraftmaschinen. Hierbei wird die Energie des Lasers impulsförmig unter Beeinflussung der Oberflächenstruktur im Mikrobereich eingebracht, wobei zur Erzielung einer verschleißfesten und korrosionsbeständigen Aluminiumnitridschicht die Bearbeitung unter überwiegender Stickstoffumgebung durchgeführt wird. Als Werkstoff wird bevorzugt eine untereutektische AlSi-Legierung verwendet, wobei die Oberflächen bei einem Druck von bis zu 3 bar mit einem Laser zwischen 25 und 70 mal bei Energiedichten von 10-60 mJ/mm² belichtet werden.

Dass diese Verfahren auch für Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffe eingesetzt werden können oder welche Einflüsse Verstärkungsphasen, wie sie üblicherweise in Verbundwerkstoffen vorliegen, auf das Nitrierverhalten haben, kann der Schrift nicht entnommen werden.

Die Einbringung von Verstärkungsphasen in Aluminiumbasis-Werkstoffe zur Bildung von Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen ist eine weitere Möglichkeit, die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumbasis-Werkstoffen zu beeinflussen und so deren Einsatzspektrum zu erweitern.

Bei Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen sind in einer Aluminiummatrix Partikel, Fasern, Whisker oder Dispersoide als Verstärkungsphase eingelagert. Diese zweite Phase ist in der Regel inkohärent in das Kristallgitter der Al-Matrix eingelagert und bildet so wirksame Hindernisse für Versetzungen. Dadurch erreichen Aluminiumbasis- Verbundwerkstoffe, insbesondere bei hohen Temperaturen, hervorragende mechanische Eigenschaften, welche diese Werkstoffe für den Einsatz in Verbrennungskraftmaschinen prädestinieren.

Ein derartiger Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff wird in der US 5,511,603 offenbart. Es handelt sich hierbei um einen dispersionsgehärteten Aluminiumbasis- Verbundwerkstoff, bei dem in eine Matrix aus technisch reinem Aluminium Dispersoide, die nicht größer als 3 µm sind, als Verstärkungsphase eingelagert sind. Aufgrund der Verfügbarkeit, der leichten Herstellbarkeit, der geringen Kosten bzw. des extremen Einflusses auf die mechanischen Eigenschaften dienen dazu als Dispersoide vornehmlich Al2O3, SiC, B4C, MgO, Y2O3, etc. Der Anteil der Verstärkungsphase in der Aluminiummatrix liegt dabei zwischen 15 und 50 Gew.-%.

Dass dieser Werkstoff zum Einsatz in mechanischen Systemen einer weiteren Behandlung unterworfen werden sollte oder muß, kann der Druckschrift nicht entnommen werden. Es wird auch kein Hinweis auf eine Vergütung oder Härtung der Oberflächen gegeben.

Ein wesentlicher Nachteil von Verstärkungsphasen in Aluminiumbasis- Verbundwerkstoffen ist auch, dass deren harte und hochschmelzende Partikel, Fasern, Whisker oder Dispersoide stark abrasiv auf den Verschleißpartner wirken können. Deshalb ist eines der größten Probleme beim Einsatz von Aluminiumbasis- Verbundwerkstoffen deren schlechtes Verschleißverhalten.

Ein Bauteil, das aus einem Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff besteht und das eine Nitrierhärtung auf der Oberfläche erfahren hat, wird in der WO 99/32677 offenbart. Durch den Einsatz von Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen in Verbindung mit der Oberflächenhärtung ist es hiernach möglich, Bauteile die ursprünglich aus Stahl gefertigt wurden, durch Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffe zu ersetzen. Dabei erfolgt die Festigkeitssteigerung über eine Nitrierbehandlung, die in einer reinen Stickstoffatmosphäre, in sehr großen Zeitintervallen und in unterschiedlichen Temperaturbereichen durchgeführt wird.

Welche Verstärkungsphasen in die Matrix des Verbundwerkstoffes eingebracht wurden oder wie die Verteilung der Nitride in der Oberfläche vorliegen, kann der Druckschrift nicht entnommen werden. Wesentliche Nachteile bei dieser Art der Oberflächenvergütung sind die extrem lange Verfahrenszeit und die geringen erzielbaren Schichtdicken. Bei einer punktuellen Belastung der Oberfläche tritt der sogenannte "Eierschaleneffekt" auf. Dabei kommt es, aufgrund unzureichender Haftung der Nitridschicht mit dem Grundwerkstoff, zu einem Abplatzen der Nitridschicht, die Bruchstelle ähnelt dabei in ihrer Form einer aufgeschlagenen Eierschale. Im Allgemeinen kommt es bei einer plastischen Verformung des Werkstoffes zu einer Rißbildung.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, den Stand der Technik zu erweitern und ein Verfahren zu entwickeln, mit dem eine Verschleißschutzschicht auf einem Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff erzeugt werden kann, die sehr gute Verschleiß- und Korrosionseigenschaften besitzt. Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind in den Unteransprüchen dokumentiert.

Der erfindungsgemäße Gedanke überwindet die vorgenannten technischen Nachteile dadurch, dass die Verschleißschutzschicht mittels einer Lasernitrierbehandlung erzeugt wird, wobei Energie impulsförmig in die Oberfläche eingebracht wird, so dass sich in den oberflächennahen Bereichen eine Umschmelzschicht bildet und dass es dabei zu einer Umsetzung von Stickstoff aus einer Stickstoffatmosphäre oder aus der Luft mit Aluminium aus dem Verbundwerkstoff kommt, so dass die Aluminiumnitride fein dispers und gradiert vorliegen.

Durch die während des Lasernitrierens eingebrachten hochenergetischen Impulse entstehen kurzzeitig sehr hohe Drücke und Temperaturen, und es bildet sich ein Film von geschmolzenem Aluminium. Aufgrund der hohen Drücke und Temperaturen wird Stickstoff in den Aluminiumbasis-Werkstoff eingebracht, so dass beim Abkühlen Aluminiumnitride entstehen. Diese bilden sich nicht, wie beim Plasmanitrieren, an der Oberfläche aus, sondern in der Aluminium-Matrix. Sie reichen bis in die Tiefe, in die der Stickstoff in die Aluminiumschmelze eindringen konnte. Dieser Prozess wird beim Lasernitrieren viele Male wiederholt, wodurch es zu einer Anreicherung der Schmelzschicht mit Stickstoff kommt. Parallel dazu kommt es zu einer Durchmischung der Schmelze, die einen Transport des in Oberflächennähe gebildeten Aluminiumnitrids in tiefere Bereiche der Randschicht bewirkt.

Ein besonderer Vorteil der Lasernitrierung ergibt sich durch den erfindungsgemäßen Einsatz auf Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen. Diese Eignung beruht auf zwei Faktoren. Zum Ersten führt das Lasernitrieren zu einem gemeinsamen Umschmelzen der Al-Matrix und der eingelagerten Verstärkungsphase, weshalb sich keine Partikel mehr aus der Oberfläche herauslösen und abrasiv wirken können. Zum Zweiten stören die hochschmelzenden Verstärkungspartikel die Konvektion im aufgeschmolzenen Werkstoff.

Hieraus ergibt sich ein weiterer erfindungsgemäßer Vorteil, nämlich der, dass zur Erreichung einer bestimmten Oberflächengüte erheblich weniger und energieärmere Pulse notwendig sind, als dies bei einer Lasernitrierbehandlung bei konventionellen Aluminiumlegierungen erforderlich wäre. Aluminiummatrix-Verbundwerkstoffe können somit also erheblich effizienter lasernitriert werden als herkömmliche Aluminiumlegierungen.

Die Lasernitrierung des Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffes ermöglicht somit den Einsatz von Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen in Anwendungsbereichen, in denen diese Werkstoffklasse üblicherweise aufgrund zu schlechter Verschleißeigenschaften nicht einsetzbar wäre. Ein weiterer Vorteil ist, dass dieses Verfahren auch lokal einsetzbar ist.

Versuche an Bauteilen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden, haben gezeigt, dass der Verschleiß des Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffes wie auch der Verschleißpartner deutlich verringert wurde.

Als besonders vorteilhaft hat sich ein Anteil der Verstärkungsphase in der Aluminiummatrix zwischen 15 Gew.-% und 50 Gew.-% herausgestellt. In den Versuchen wurde vornehmlich mit Al₂O₃ als Verstärkungsphase gearbeitet, es sind aber natürlich auch alle anderen üblichen Verstärkungsphasen vorstellbar, die als Partikel, Fasern, Whisker oder Dispersoide vorliegen können. Solche Verstärkungsphasen bestehen meist aus harten, hochschmelzenden Materialien wie aus Oxiden, Karbiden und Boriden. Beispielhaft sollen hier Al₂O₃, SiC, TiC und TiB₂ genannt sein. Sie sollen erfindungsgemäß in einer Ausdehnung von bis zu 50 µm, bevorzugt in einer Ausdehnung zwischen 0,01 und 1 µm, vorliegen.

Die Behandlung der Oberfläche erfolgt mit gepulster Laserstrahlung. Bevorzugt werden hierzu XeCl-Eximerlaser oder Nd:YAG-Laser mit den spezifischen Wellenlängen der Strahlung eingesetzt (XeCl-Ecimer; 308 nm, Nd:YAG: 532 nm bzw. 1064 nm). Das Lasennitrieren kann jedoch prinzipiell auch mit jeder anderen Energiequelle realisiert werden, die in ausreichend kurzer Zeit ausreichend hohe Energiemengen in eine Oberfläche einbringt.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Stickstoffatmosphäre, aber auch an der Luft erfolgen. Die hierbei einzustellenden Drücke liegen zwischen 0,1 und 9 bar, ein bevorzugter Druckbereich liegt in einem Bereich von 2 bis 4 bar.

Als weitere Verfahrensparameter können die Energiedichte mit einer Bandbreite von 0,7 bis etwa 6 J/cm², vorzugsweise 2 bis 4 J/cm², und die Belichtungsvorgänge je Flächeneinheit mit 5 bis 300 Belichtungsvorgängen je Flächeneinheit, vorzugsweise aber etwa 120 Belichtungsvorgänge je Flächeneinheit, angegeben werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels dargestellt werden. Das Ausführungsbeispiel beschreibt das Lasernitrieren der ersten Ringnut eines Kolbens für eine Verbrennungskraftmaschine.

Als Werkstoff wurde ein dispersionsgehärteter Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff, bei dem in eine Matrix aus technisch reinem Aluminium 40 Gew.-% an Dispersoiden aus Al₂O₃ eingelagert sind, ausgewählt. Dieser Werkstoff wurde ausgewählt, weil er über hervorragende Hochtemperatureigenschaften verfügt, die denen konventioneller Kolbenlegierungen weit überlegen sind. Nachteilig wirkt sich allerdings das Verschleißverhalten dieses Werkstoffs in der ersten Ringnut aus. Üblicherweise wird in diesem Bereich, der insbesondere bei sehr stark belasteten Dieselkolben sehr kritisch ist, ein Ringträger aus hochlegierten Eisenbasiswerkstoffen eingegossen. Dies ist aber bei Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen, die in aller Regel nicht gießbar sind, nicht möglich. Statt dessen wird die notwendige Verschleißbeständigkeit durch das Lasernitrieren erreicht.

Zur Laserbelichtung der ersten Ringnut wurde ein XeCl-Excimerlaser eingesetzt. Dieser Lasertyp liefert hochenergetische Pulse von bis zu 2 J und einer Pulsdauer von etwa 50 ns. Die Behandlung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren der ersten Ringnut erfolgte in einer Stickstoffatmosphäre, unter einem Druck von 3 bar, mit einer Energiedichte von 4 J/cm², bei einer Frequenz von 8 Hz und mit ca. 120 Belichtungsvorgängen je Flächenelement.

Zur Auswertung der Ergebnisse wurde ein Verschleißtest durchgeführt. Dabei wurde der Volumenverlust des Kolbenmaterials und der Massenverlust des Verschleißgegenkörpers (hier der Kolbenring) gemessen. Aufgenommen wurden die Werte eines Ringträgers aus einer hochlegierten Eisenbasislegierung sowie die Werte des lasernitrierten, dispersionsgehärteten Alumniumbasis-Verbundwerkstoffes. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass der Verschleiß bei einem System mit einer lasernitrierten Ringnut im Gegensatz zu einem System mit einem üblichen Ringträger erheblich minimiert werden konnte.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren des Lasernitrieres der Ringnut bei dispersionsgehärteten Aluminiumbasis-Verbundwerkstoffen lassen sich im Vergleich zu heutigen Kolben erheblich geringere Veschleißraten erreichen. Aus diesem Grund können Kolben aus Alumniumbasis-Verbundwerkstoffen mit lasernitrierten Bereichen, bezüglich Verbrennungsdruck- und temperatur, in eine Leistungsklasse gelangen, die bisher nur den sehr viel teureren und schwereren Stahlkolben vorbehalten war.

Claims (8)

1. Verfahren zur Erzeugung einer Verschleißschutzschicht in oberflächennahen Bereichen von Bauteilen, insbesondere Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, aus einem Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff, wobei zumindest Teile der Oberfläche der Bauteile eine Härtung erfahren haben und die Verschleißschutzschicht aus Aluminiumnitriden in einer Aluminiummatrix gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschutzschicht mittels einer Lasernitrierbehandlung erzeugt wird, wobei Energie impulsförmig in die Oberfläche eingebracht wird, so dass sich in den oberflächennahen Bereichen eine Umschmelzschicht bildet und dass es dabei zu einer Umsetzung von Stickstoff aus einer Stickstoffatmosphäre oder aus der Luft mit Aluminium aus dem Verbundwerkstoff kommt, so dass die Aluminiumnitride in der Umschmelzschicht fein dispers und gradiert vorliegen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aluminiumbasis- Verbundwerkstoff aus einer Aluminiummatrix und einer inkohärent vorliegenden Verstärkungsphase besteht und dass die Verstärkungsphase aus Oxiden, Karbiden, Nitriden oder Boriden gebildet wird, wobei der Anteil der Verstärkungsphase in der Aluminiummatrix zwischen 15 Gew.-% und 50 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 20 Gew.-% und 40 Gew.-%, liegt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Oxide, Karbide, Nitride oder Boride der Verstärkungsphase in einer Ausdehnung von bis zu 50 µm, bevorzugt in einer Ausdehnung zwischen 0,01 und 1 µm, vorliegen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasernitrierbehandlung der Bauteile mittels ultravioletter, grüner oder infraroter Laserstrahlung, bevorzugt mittels eines Excimerlasers oder eines Nd:YAG-Lasers, durchgeführt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasernitrierbehandlung der Bauteile bei Drücken zwischen 0,1 bis 9 bar, bevorzugt bei Drücken zwischen 2 und 4 bar, durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasernitrierbehandlung mit einer Energiedichte von 0,7 bis 6 J/cm², vorzugsweise von 2 bis 4 J/cm², durchgeführt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Belichtungsvorgänge je Flächenelement mittels des Lasers zwischen 5 und 300 Belichtungsvorgängen je Flächeneinheit variiert, wobei die Belichtung der Bauteile bevorzugt mit ca. 120 Belichtungsvorgängen je Flächeneinheit durchgeführt wird.

8. Bauteil hergestellt mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil aus einem Aluminiumbasis-Verbundwerkstoff besteht und zumindest in Teilbereichen eine mittels einer Lasernitrierbehandlung erzeugte Verschleißschutzschicht aufweist, in der die Aluminiumnitride fein dispers und gradiert vorliegen.