DE10221547C1

DE10221547C1 - Surface treatment of metallic materials comprises using an atmosphere having a predetermined oxygen concentration, in which the material is oxidized in the layers close to the surface by introducing an oxygen-containing gas stream

Info

Publication number: DE10221547C1
Application number: DE2002121547
Authority: DE
Inventors: Christian Schmid; Volkmar Neubert
Original assignee: MOBILLASERTEC GmbH
Current assignee: MOBILLASERTEC GmbH
Priority date: 2002-05-14
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-08-07
Anticipated expiration: 2022-05-15

Abstract

Process for surface treating metallic materials comprises using an atmosphere having a predetermined oxygen concentration, in which the material is oxidized in the layers close to the surface by introducing an oxygen-containing gas stream. An Independent claim is also included for a device for carrying out the process comprising a processing head (1) having an outlet opening (7) for an oxygen-containing stream directed onto the processing zone (4). Preferred Features: The material is cooled after the surface properties of the material are changed using electromagnetic radiation, preferably produced by a plasma or laser.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von insbesondere metalli schen Werkstoffen, bei dem durch einen kurzzeitigen hohen, räumlich begrenzten thermi schen Energieeintrag mittels einer elektromagnetischen Strahlung eine Veränderung der Oberflächeneigenschaften des Werkstoffes erreicht wird und anschließend durch eine me chanische Bearbeitung gezielt Eigenspannungen in den Werkstoff eingebracht werden.The invention relates to a method for the surface treatment of in particular metalli materials, due to the short, high, spatially limited thermal a change in the energy input by means of electromagnetic radiation Surface properties of the material is achieved and then by a me mechanical processing, specific residual stresses are introduced into the material.

Die Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe ist bereits seit langem Gegenstand unzähli ger Forschungs- und Entwicklungstätigkeiten. Die gemeinsame Zielsetzung der Verfahren richtet sich dabei vor allem auf die Änderung des Gefüges zur Verbesserung der Verarbeit barkeit oder der Eigenschaften. Zunächst erfolgt hierzu eine Erwärmung, insbesondere mit einem räumlich begrenzten, thermischen Energieeintrag oder ein Durchwärmen, der sich nach einer Haltedauer die Abkühlphase anschließt.The heat treatment of metallic materials has been countless for a long time eng research and development activities. The common objective of the procedures focuses primarily on changing the structure to improve processing availability or properties. First of all, heating takes place, in particular with a spatially limited, thermal energy input or a warming up after a holding period the cooling phase follows.

Entsprechend den gewünschten Anwendungsgebieten können so beispielsweise Härtegefü ge in kohlenstoffhaltigen Stählen durch Abschrecken oder auch ein feinkörniges, gleichmä ßiges Stahlgefüge mit verbesserter Festigkeit und Zähigkeit erreicht werden.Depending on the desired fields of application, hardness structures can be achieved in carbon-containing steels by quenching or a fine-grained, even Steel structure can be achieved with improved strength and toughness.

Nach dem Abschrecken ist der Stahl zunächst glashart. Er besitzt wegen des harten und spröden Martensits innere Gefügeverspannungen, die Härteverzug, Härterisse und vorzeiti gen Sprödbruch bewirken können. Um diese Versprödung zu verhindern, werden die frisch gehärteten Werkstücke auf Anlasstemperatur erwärmt, eine Zeitlang auf Temperatur gehal ten und dann langsam abgekühlt. Durch das Anlassen wird die Sprödigkeit der Stähle ver mindert; sie erhalten ein gewisses Maß an Zähigkeit bzw. Duktilität.After quenching, the steel is initially glass-hard. It owns because of the hard and brittle martensite internal structural tension, the hardness delay, hardness cracks and premature can cause brittle fracture. To prevent this embrittlement, they become fresh hardened workpieces warmed to tempering temperature, kept at temperature for a while and then slowly cooled. Tempering increases the brittleness of the steels decreases; they receive a certain degree of toughness or ductility.

Dieses Verfahren ist jedoch aufgrund der vielen aufeinander folgenden Verfahrensschritte, bei denen zudem die wesentlichen Parameter mit hoher Genauigkeit eingehalten werden müssen, um so die gewünschte Reproduzierbarkeit zu gewährleisten, vergleichsweise auf wendig und umständlich. Die Parametereinstellungen lassen sich dabei auf andere Werkstof fe jedoch nur sehr eingeschränkt übertragen. However, this process is due to the many successive process steps where the essential parameters are also observed with high accuracy to ensure the desired reproducibility, comparatively agile and cumbersome. The parameter settings can be made on other materials fe, however, only transmitted to a very limited extent.

Durch die JP 06330165 A ist bereits ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von insbe sondere metallischen Werkstoffen bekannt, bei dem durch einen kurzzeitigen hohen, räumlich grenzten thermischen Energieeintrag mittels einer elektromagnetischen Strahlung eine Ver änderung der Oberflächeneigenschaften des Werkstoffes erreicht wird und anschließend durch eine mechanische Bearbeitung gezielt Eigenspannungen in den Werkstoff eingebracht werden.JP 06330165 A already describes a method for the surface treatment of in particular special metallic materials known, in the case of a short-term high, spatially limited thermal energy input by means of electromagnetic radiation a Ver change in the surface properties of the material is achieved and then targeted mechanical stresses are introduced into the material by mechanical processing become.

Die DE 198 54 168 A1 beschreibt ebenfalls ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von metallischen Werkstoffen, bei dem durch einen lokal begrenzten thermischen Energieeintrag mittels eines Lasers die Qualität der Oberfläche des Bauteiles verbessert wird.DE 198 54 168 A1 also describes a method for the surface treatment of metallic materials, with a locally limited thermal energy input the quality of the surface of the component is improved by means of a laser.

Ferner ist es durch die US 46 61 169 grundsätzlich bekannt, den thermischen Energieeintrag in einer stagnierenden Luftatmosphäre durchzuführen, wodurch eine Oxidoberfläche gebildet wird.Furthermore, it is basically known from US 46 61 169, the thermal energy input perform in a stagnant air atmosphere, thereby forming an oxide surface becomes.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung zu schaffen, mit dem die gewünschten Eigenschaften mit wesentlich einem geringeren Auf wand eingestellt werden können. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen.The invention is therefore based on the object of a method for surface treatment to create with the desired properties with much less on wall can be adjusted. Furthermore, the invention has for its object a To create device for performing the method.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkma len des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 11 betreffen besonders zweck mäßige Weiterbildungen des Verfahrens.The first-mentioned object is achieved according to the invention with a method according to the features len of claim 1 solved. The sub-claims 2 to 11 relate particularly to purpose moderate further training of the procedure.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei welchem die Oberflächenbehand lung in einer Atmosphäre mit einer vorbestimmten Sauerstoffkonzentration durchgeführt wird, wobei der Werkstoff zumindest in den oberflächennahen Schichten oxidiert wird und die Oxi dierung durch Zufuhr eines gezielten sauerstoffhaltigen Gasstromes beeinflusst wird. Hier durch kann auf eine abgeschlossene Atmosphäre, beispielsweise durch eine Behandlungs kammer, verzichtet werden. Das Verfahren kann daher mit geringem Aufwand auch vor Ort eingesetzt werden, wobei beispielsweise an einem Bearbeitungskopf eine Austrittsöffnung, insbesondere eine Düse, für den sauerstoffhaltigen Gasstrom fixierbar ist. Dabei entsteht eine harte und verschleißfeste Deckschicht, die über eine gute Anbindung an den Grund werkstoff verfügt. Durch den thermochemischen Prozess des Laseroxidierens wird durch die Einwirkung der elektromagnetischen Strahlung auf die zu behandelnden Werkstoffoberflä chen eine Randschichtveränderung ausgelöst. Während des thermischen Energieeintrages erfolgt eine simultane Zuführung des Reaktionsgases mit der vorbestimmten Sauerstoffkon zentration, beispielsweise der Umgebungsluft.According to the invention, a method is therefore provided in which the surface treatment is carried out in an atmosphere with a predetermined oxygen concentration, wherein the material is oxidized at least in the layers near the surface and the oxi dation is influenced by the supply of a targeted oxygen-containing gas stream. here through to a closed atmosphere, for example through treatment chamber to be dispensed with. The process can therefore be carried out on site with little effort are used, an outlet opening on a machining head, for example, in particular a nozzle for which the oxygen-containing gas stream can be fixed. This creates a hard and wear-resistant top layer that has a good connection to the ground material. Through the thermochemical process of laser oxidation, the Effect of electromagnetic radiation on the material surface to be treated Chen triggered an edge layer change. During the thermal energy input there is a simultaneous supply of the reaction gas with the predetermined oxygen con concentration, for example the ambient air.

Dabei erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn der dem Energieeintrag nachfolgende Abkühlprozess ohne äußere Einflussnahme erfolgt. Hierdurch kann das Verfahren weiter vereinfacht werden und ist damit auch in einer nicht Temperaturgeregelten Umgebung, ins besondere ohne eine Wärmekammer, mit geringem Aufwand durchführbar. Die Oberflä chenbehandlung des Werkstoffes mittels der elektromagnetischen Strahlung besteht in einer kurzen, thermischen Einwirkung auf eine oberflächennahe Randzone, bis in eine begrenzte Tiefe. Der Brennfleck der elektromagnetischen Strahlung wird mit einer definierten Leis tungsdichte und Einwirkungsdauer über die Werkstückoberfläche geführt. Hinter dem Brenn fleck setzt die Abkühlung der erfassten Randzone ein, die insbesondere durch Temperatur ausgleich mit den der Wärmeeinflusszone benachbarten Bereichen ohne äußere Einfluss nahme erfolgt.It proves to be particularly advantageous if the one following the energy input Cooling process takes place without external influence. This allows the method to continue be simplified and is therefore also in a non-temperature-controlled environment especially without a heat chamber, can be carried out with little effort. The surface Chen treatment of the material by means of electromagnetic radiation consists in one brief, thermal action on a surface zone near the surface, up to a limited one Depth. The focal spot of the electromagnetic radiation is defined with a Leis dense and duration of exposure over the workpiece surface. Behind the focal fleck uses the cooling of the detected edge zone, especially by temperature compensation with the areas adjacent to the heat affected zone without external influence take place.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Energieeintrag punkt- oder bahnförmig erfolgt. Hierdurch kann auf eine großflächige Erwärmung des Werkstoffes verzichtet werden und zugleich ein hoher Temperaturgradient realisiert werden. Eine unerwünschte Einflussnahme auf andere Bereiche des Werkstoffes findet daher nicht statt, so dass gegebenenfalls auch bereits bestehende Vorrichtungen mit außerhalb der Wärmeeinflusszone liegenden, tempe ratursensitiven Bereichen ohne Demontage behandelt werden können. It is particularly advantageous if the energy input is point or web. As a result, large heating of the material can be dispensed with and a high temperature gradient can also be achieved. An unwanted influence on other areas of the material therefore does not take place, so that possibly also existing devices with tempe outside the heat affected zone sensitive areas can be treated without disassembly.

Die thermische Energie kann durch ein Plasma übertragen werden, jedoch erweist sich eine andere Abwandlung des Verfahrens als besonders praxisnah, bei der die elektromagneti sche Strahlung durch einen Laser erzeugt wird. Hierdurch kann die elektromagnetische Strahlung mit einem vergleichsweise geringen Aufwand auf den Werkstoff übertragen wer den, wobei insbesondere auch auf bereits vorhandene Laserbearbeitungsvorrichtungen, ins besondere Laserbearbeitungsköpfe, zurückgegriffen wird. Außerdem ist es auch möglich, durch den punktuellen Energieeintrag des Laserstrahls in sauerstoffhaltiger Atmosphäre eine Oxidation herbeizuführen und dabei auf eine mechanische Bearbeitung zu verzichten, insbe sondere, wenn die scharfe Abgrenzung zwischen der Wärmeeinflusszone und den benach barten Bereichen zu einem entsprechenden hohen Temperaturgradienten führt. Die elektro magnetische Strahlung kann dabei auch in Form von Elektronenstrahlung realisiert werden.The thermal energy can be transferred by a plasma, but one proves to be another modification of the method as particularly practical, in which the electromagnetic radiation is generated by a laser. As a result, the electromagnetic Who can transmit radiation to the material with comparatively little effort the, in particular also on existing laser processing devices, ins special laser processing heads. It is also possible due to the selective energy input of the laser beam in an oxygen-containing atmosphere To cause oxidation and to do without mechanical processing, esp especially if the sharp demarcation between the heat affected zone and the neighboring beard areas leads to a correspondingly high temperature gradient. The electro Magnetic radiation can also be realized in the form of electron radiation.

Zweckmäßigerweise wird hierzu ein Laser eingesetzt, welcher im IR-Spektrum arbeitet, um so einen hohen thermischen Energieeintrag realisieren zu können.A laser is expediently used for this, which operates in the IR spectrum in order to to realize such a high thermal energy input.

Dabei erweist sich eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens als besonders erfolgversprechend, wenn die Eigenspannungen durch Aufbringen von äußeren Druckspan nungen in den Werkstoff eingebracht werden und eine Glättung der Oberfläche durchgeführt wird. Die Eigenspannungen werden dabei durch eine plastische Verformung des Werkstoffes gezielt in diejenigen Bereiche eingebracht, deren Eigenschaften hinsichtlich des späteren Einsatzzweckes einer entsprechenden Belastung unterworfen sind. Die Glättung der Ober fläche des Werkstoffes führt außerdem zu einer Verminderung von Rißinitiierungspunkten.An embodiment of the method according to the invention proves to be special promising if the residual stresses are caused by the application of external compressive stress can be introduced into the material and the surface smoothed becomes. The residual stresses are caused by a plastic deformation of the material specifically introduced into those areas whose properties with regard to later Are subject to a corresponding load. Smoothing the upper surface of the material also leads to a reduction in crack initiation points.

Dabei kann grundsätzlich eine beliebige Umformtechnik eingesetzt werden, jedoch erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn die Eigenspannungen durch Rollieren in den Werk stoff eingebracht werden. Hierdurch können die gewünschten Eigenspannungen zuverlässig in den Werkstoff eingebracht werden, ohne dass dabei zugleich eine Verformung des ge samten Werkstoffes zu befürchten ist. Zudem erfordert das Rollieren nur einen geringen Vor richtungsaufwand und ist dabei für unterschiedliche Geometrien flexibel einsetzbar.In principle, any forming technique can be used, but it proves It is particularly advantageous if the residual stresses are rolled into the factory be introduced. This allows the desired residual stresses to be reliably be introduced into the material without at the same time deforming the ge entire material is to be feared. In addition, the curling requires only a slight advance directional effort and can be used flexibly for different geometries.

Ein besonders günstiger Effekt lässt sich auch dadurch realisieren, dass die Eigenspannun gen vor Abschluss der Abkühlungsphase in den Werkstoff eingebracht werden. Hierdurch kann die Kornfeinung, die zu einer erhöhten Duktilität führt, besonders zuverlässig erreicht werden. Zugleich kann dadurch die Durchführung des Verfahrens verkürzt werden. A particularly favorable effect can also be achieved by the fact that the residual stress before the cooling phase is completed. hereby grain refinement, which leads to increased ductility, can be achieved particularly reliably become. At the same time, the implementation of the method can be shortened.

Als Werkstoff könnte neben nahezu beliebigen Metallen vor allem Aluminium verwendet werden. Besonders zweckmäßig ist hingegen auch eine Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, bei der die Oberflächenbehandlung bei Titan oder Titanlegierungen durchgeführt wird. Hierdurch werden Titanoxide erzeugt, deren Eigenschaften aufgrund ihrer Härte und Verschleißfestigkeit für verschiedene Einsatzzwecke, beispielsweise für Guss- und Schmie deteile, im Motorenbau sowie bei Fahrwerken für Flugzeuge optimal genutzt werden können.In addition to almost any metal, aluminum could be used as the material become. In contrast, an embodiment of the present is particularly expedient Invention in which the surface treatment is carried out on titanium or titanium alloys becomes. This produces titanium oxides, the properties of which are due to their hardness and Wear resistance for various purposes, for example for casting and forging parts, in engine construction and in landing gear for aircraft can be optimally used.

Die zweitgenannte Aufgabe, eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß durch einen Bearbeitungskopf mit einer auf die Bearbeitungszone gerichteten Austrittsöffnung für einen sauerstoffhaltigen Gasstrom gelöst. Diese ermöglicht eine problemlos Zufuhr ausreichender Sauerstoffmengen, durch welche die gewünschte Oxidation realisiert werden kann. Die Austrittsöffnung ist dabei Teil einer Düse, die an dem Handbearbeitungskopf bedarfsweise fixierbar ist und in ihrer Lage und Orientierung entspre chend den Einsatzbedingungen angepasst werden kann.The second task, to create a device for carrying out the method, is according to the invention by a processing head with a processing zone directed outlet opening for an oxygen-containing gas stream solved. This enables an easy supply of sufficient amounts of oxygen, through which the desired Oxidation can be realized. The outlet opening is part of a nozzle on the Manual processing head can be fixed if necessary and corresponds in its position and orientation can be adapted to the operating conditions.

Die Erfindung lässt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer geschnittenen Seitenansicht eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1. Dar gestellt ist ein Bearbeitungskopf 2 der Vorrichtung 1, deren nicht dargestellte Optik eine elektromagnetische Strahlung 3 in Form eines Laserstrahles auf eine Bearbeitungszone 4 eines aus Titan oder einer Titanlegierung bestehenden Werkstoffes 5 lenkt. Durch eine an dem Bearbeitungskopf 2 außenseitig fixierte Düse 6 mit einer Austrittsöffnung 7 wird ein le diglich andeutungsweise gezeigter, sauerstoffhaltiger Gasstrom 8 der Bearbeitungszone 4 zugeführt, in welcher dadurch die Oxidation des Werkstoffes 5 stattfindet. Durch die Wech selwirkung des ausschließlich lokal erwärmten Werkstoffes 5 entsteht eine harte und ver schleißfeste Deckschicht 9, die über eine gute Anbindung an einen Grundwerkstoff 10 des Werkstoffes 5 verfügt. Mit einer ergänzenden mechanischen Verfestigung der Deckschicht 9 lässt sich neben der Erhöhung der Verschleißbeständigkeit auch die Beanspruchbarkeit für dynamische Lasten auf dem Niveau des Grundwerkstoffs 10 einstellen.The invention permits various embodiments. To further clarify its basic principle, one of these is shown in the drawing and is described below. This shows a device 1 according to the invention in a sectional side view. Dar is a processing head 2 of the device 1 , the optics, not shown, directs an electromagnetic radiation 3 in the form of a laser beam onto a processing zone 4 of a material 5 made of titanium or a titanium alloy. Through a nozzle 6 fixed on the outside on the machining head 2 with an outlet opening 7 , an oxygen-containing gas stream 8, which is indicated in a hinted manner, is fed to the machining zone 4 , in which the oxidation of the material 5 takes place. The interaction of the exclusively locally heated material 5 creates a hard and wear-resistant top layer 9 , which has a good connection to a base material 10 of the material 5 . With an additional mechanical strengthening of the cover layer 9 , in addition to increasing the wear resistance, the resistance to dynamic loads can be set at the level of the base material 10 .

Claims

1. A method for the surface treatment of, in particular, metallic materials, in which a change in the surface properties of the material is achieved by means of an electromagnetic radiation by means of a brief, high, spatially limited thermal energy input and then specific internal stresses are introduced into the material by mechanical processing, characterized in that that the surface treatment is carried out in an atmosphere with a predetermined oxygen concentration, the material being oxidized at least in the layers near the surface and the oxidation being influenced by supplying a targeted oxygen-containing gas stream.

2. The method according to claim 1, characterized in that according to the energy input the following cooling process takes place without external influence.

3. The method according to claims 1 or 2, characterized in that the energy point-like or web-shaped.

4. The method according to at least one of the preceding claims, characterized net that the electromagnetic radiation is generated by a plasma.

5. The method according to at least one of claims 1 to 3, characterized in that the electromagnetic radiation is generated by a laser.

6. The method according to claim 5, characterized in that the laser in the IR spectrum is working.

7. The method according to at least one of the preceding claims, characterized in net that the mechanical processing also smoothes the surface of the Material is achieved.

8. The method according to at least one of the preceding claims, characterized net that the residual stresses by applying external compressive stresses in the Material are introduced.

9. The method according to at least one of the preceding claims, characterized net that the residual stresses are introduced into the material by rolling.

10. The method according to at least one of the preceding claims, characterized records that the residual stresses in the material before the cooling phase is completed be introduced.

11. The method according to at least one of the preceding claims, characterized records that the surface treatment is carried out on titanium or titanium alloys.

12. The device for performing the method for surface treatment according to at least one of claims 1 to 10, characterized by a processing head ( 1 ) with an on the processing zone ( 4 ) directed outlet opening ( 7 ) for an oxygen-containing gas stream ( 8 ).