DE19941563A1

DE19941563A1 - Method and device for processing a surface of a component

Info

Publication number: DE19941563A1
Application number: DE19941563A
Authority: DE
Inventors: Rolf Heinemann; Klaus Faerber; Thomas Heider
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-02-19
Filing date: 1999-09-01
Publication date: 2000-08-31
Also published as: DE50010605D1

Abstract

The invention relates to a method and a device for treating a surface (20) of a component. Said device comprises a plasma torch (10) and a laser (12) which are positioned in such a way that for treating the component surface (20) a laser beam (18) of the laser (12) and a plasma beam (14) of the plasma torch (10) are able to scan the surface (20) of said component in a single operating step.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils in einer Bearbeitungszone, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum Bearbeiten einer Oberfläche eines Bauteils, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 19.The invention relates to a method for processing a surface of a component in a Processing zone, according to the preamble of claim 1. The invention further relates to a device for processing a surface of a component, according to the preamble of claim 19.

Die für Zylinderkurbelgehäuse vorwiegend eingesetzten untereutektischen Aluminium- Silizium-Legierungen sind aufgrund des zu geringen Anteils der verschleißfesten Siliziumphase für die tribologische Beanspruchung des Systems Kolben-Kolbenring- Zylinderlaufbahn ungeeignet. Übereutektische Legierungen, z. B. die Legierung AlSi₇Cu₄Mg besitzen einen ausreichenden Anteil an Siliziumkristalliten. Dieser harte, verschleißbeständige Gefügebestandteil wird durch chemische und/oder mechanische Bearbeitungsstufen gegenüber der aus dem Aluminiummischkristall bestehenden Matrix hervorgehoben und bildet einen erforderlichen Tragflächenanteil. Nachteilig wirkt sich jedoch die gegenüber den untereutektischen und naheutektischen Legierungen mangelhafte Vergießbarkeit, die schlechte Bearbeitbarkeit und die hohen Kosten für diese Legierung aus.The hypoeutectic aluminum-silicon alloys mainly used for cylinder crankcases are unsuitable for the tribological loading of the piston-piston ring-cylinder raceway system due to the low proportion of the wear-resistant silicon phase. Hypereutectic alloys, e.g. B. the alloy AlSi ₇ Cu ₄ Mg have a sufficient proportion of silicon crystallites. This hard, wear-resistant structural component is highlighted by chemical and / or mechanical processing steps compared to the matrix consisting of the aluminum mixed crystal and forms a required wing portion. However, the castability, the poor machinability and the high costs of this alloy are disadvantageous compared to the hypoeutectic and nearutectic alloys.

Eine Möglichkeit zur Umgehung dieses Nachteils ist das Eingießen von Laufbuchsen aus verschleißbeständigem Material wie z. B. Grauguß- und übereutektischen Aluminiumlegierungen. Problematisch ist hier jedoch die Verbindung zwischen Buchse und Umguß, welcher alleine durch eine mechanische Verzahnung gewährleistet wird. Durch Einsatz eines porösen keramischen Buchsenwerkstoffs ist es möglich, beim Gießprozeß diesen zu infiltrieren und zu einer stofflichen Verbindung zu gelangen. Dazu ist eine langsame Formfüllung sowie die Anwendung von hohem Druck erforderlich, was die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens erheblich herabsetzt.One way to circumvent this disadvantage is to cast bushings from wear-resistant material such. B. cast iron and hypereutectic Aluminum alloys. However, the connection between the socket and is problematic here Pouring, which is guaranteed solely by a mechanical toothing. By It is possible to use a porous ceramic bushing material in the casting process infiltrate it and reach a material connection. There is one slow mold filling as well as the application of high pressure required what the Economics of the process significantly reduced.

Alternativ werden unter- und naheutektischen Legierungen der galvanische Beschichtungen direkt auf die Laufbahnen aufgebracht. Dies ist jedoch teuer und tribochemisch nur ungenügend beständig. Eine weitere Alternative bilden thermische Spritzschichten, welche ebenfalls direkt auf die Laufflächen appliziert werden. Die Haftfestigkeit dieser Schichten ist jedoch aufgrund einer alleinigen mikromechanischen Verklammerung nur ungenügend. Alternatively, sub- and near-eutectic alloys are used for the galvanic coatings applied directly to the raceways. However, this is expensive and only tribochemical insufficiently stable. Another alternative are thermal spray coatings, which can also be applied directly to the treads. The adhesive strength of these layers is however, only insufficient due to micromechanical interlocking alone.

Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Oberflächenmodifikationen Umschmelzen, Einlegieren, Dispergieren und Beschichten durch den Einsatz eines Lasers auszuführen, wie beispielsweise aus der DE 196 43 029 A1 bekannt. Hierbei ergibt sich jedoch der Nachteil, daß die so erstellten Beschichtungen der Zylinderlaufbahn zu Porös sind und eine relativ geringe Eindringtiefe aufweisen. In der Folge kommt es zu einer geringeren Anhaftung der aufgebrachten Schicht als wünschenswert ist.It has therefore already been proposed to remelt the surface modifications, Alloy, disperse and coat using a laser, such as known for example from DE 196 43 029 A1. However, this has the disadvantage that that the coatings of the cylinder race created in this way are too porous and a relative have shallow penetration. As a result, there is less adherence to the applied layer is desirable.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der obengenannten Art sowie eine verbesserte Vorrichtung der o. g. Art zur Verfügung zu stellen, welche die zuvor erwähnten Nachteile beseitigen und eine niedrigporöse Schicht mit hoher Anhaftung erzielt in kurzer Prozeßzeit.The present invention has for its object an improved method of above type and an improved device of the above. Kind of providing which eliminate the aforementioned drawbacks and a low porous layer with a high one Adhesion is achieved in a short process time.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen und durch eine Vorrichtung der o. g. Art mit den in Anspruch 19 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.This object is achieved according to the invention by a method of the above. Kind with the in claim 1 characterized features and by a device of the above. Kind with the claim 19 marked features solved. Advantageous embodiments of the invention are shown in the dependent claims.

Bei einem Verfahren der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß in einem Arbeitsgang die Oberfläche des Bauteils sowohl mittels thermischem Spritzen als auch mittels einer Laseroberflächenbehandlung bearbeitet wird.In a process of the above. Art is provided according to the invention that in one Work the surface of the component both by means of thermal spraying as well is processed by means of a laser surface treatment.

Dies hat den Vorteil, daß eine Bearbeitung mit höherer Eindringtiefe, besserem Werkstoffeintrag und besserer Ankopplung eines mit thermischem Spritzen aufgetragenen Werkstoffes an dem Werkstoff des Bauteils erzielt wird.This has the advantage that machining with a higher depth of penetration is better Material entry and better coupling of one applied with thermal spraying Material is achieved on the material of the component.

Das thermische Spritzen umfaßt beispielsweise Flammspritzen, Plasmaspritzen oder HV- Spritzen.Thermal spraying includes, for example, flame spraying, plasma spraying or HV Syringes.

Zweckmäßigerweise wird die Laseroberflächenbehandlung, insbesondere ein Umschmelzen, örtlich vor, im Bereich und/oder örtlich nach der Bearbeitungszone, in der das thermische Spritzen erfolgt, durchgeführt. Zum weiteren Verbessern von Eigenschaften der aufgebrachten Beschichtung wird nach der Bearbeitung die Oberfläche des Bauteils zusätzlich mit einem Laserstrahl bearbeitet, insbesondere umgeschmolzen.The laser surface treatment, in particular remelting, is expediently locally before, in the area and / or locally after the processing zone in which the thermal Spraying is carried out. To further improve properties of the applied coating becomes the surface of the component after processing additionally processed with a laser beam, in particular remelted.

Beispielsweise ist das Bauteil aus Aluminium gefertigt und ist insbesondere ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Beschichtung durchgeführt wird. Hierbei wird in einer bevorzugten Ausführungsform während der Herstellung der verschleißfesten Oberfläche ein Wasserraum des Kurbelgehäuses mit einem Kühlmedium, insbesondere Gas, Stickstoff oder einer Kühlflüssigkeit, durchströmt.For example, the component is made of aluminum and is in particular a Crankcase of a reciprocating internal combustion engine, on the cylinder surfaces of Cylinders the coating is carried out. Here, one is preferred Embodiment during the manufacture of the wear-resistant surface a water space the crankcase with a cooling medium, in particular gas, nitrogen or Coolant flows through.

Zum Herstellen einer verschleißfesten Oberfläche wird in besonders bevorzugter Weise mittels des thermischen Spritzstrahles ein pulverförmiger Werkstoff, insbesondere Silizium oder eine Silizium-Legierung, auf den Werkstoff des Bauteils aufgetragen, wobei dieser Werkstoff des Bauteils bevorzugt Aluminium ist.In order to produce a wear-resistant surface, it is particularly preferred a powdery material, in particular silicon, by means of the thermal spray jet or a silicon alloy, applied to the material of the component, this The material of the component is preferably aluminum.

Zweckmäßigerweise wird mit der Laseroberflächenbehandlung ein Aufschmelzen des Werkstoffes des Bauteiles in der Beschichtungszone zu einem Schmelzbad durchgeführt.Expediently, the laser surface treatment melts the Material of the component carried out in the coating zone to a weld pool.

Beispielsweise wird mit der Bearbeitung der Oberfläche eine verschleißfeste Oberfläche, insbesondere in Form einer thermischen Spritzschicht, auf der Oberfläche des Bauteiles ausgebildet.For example, when the surface is machined, a wear-resistant surface in particular in the form of a thermal spray coating, on the surface of the component educated.

Zur Verkürzung einer Prozeßzeit erfolgt in beispielsweise weniger belasteten Bereichen eine lediglich partielle Bearbeitung, wobei ein thermischer Spritzstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise in einem vorbestimmten Muster überstreicht. Beispielsweise umfaßt das vorbestimmte Muster wenigstens eine, insbesondere zwei gegensinnige oder mehr spiralartige Überstreichungen der zu bearbeitenden Oberfläche mit einer vorbestimmten Steigung mit einem Winkel α von beispielsweise 1° bis 90°. Alternativ oder zusätzlich umfaßt das Muster eine linienförmige, winkelförmige, kreuzweise und/oder punktförmige Überstreichung der zu bearbeitenden Oberfläche. Wenn hierbei die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine ist, dann erfolgt die Überstreichung zweckmäßigerweise in einem vorbestimmten Muster in einem Bereich zwischen einem oberen und unteren Totpunkt des Kolbens.In order to shorten a process time, for example, a less stressed area is used only partial processing, with a thermal spray jet being processed Surface of the component at least partially covered in a predetermined pattern. For example, the predetermined pattern comprises at least one, in particular two opposite or more spiral-like strokes of the surface to be processed with a predetermined slope with an angle α of, for example, 1 ° to 90 °. Alternatively or in addition the pattern comprises a linear, angular, crosswise and / or punctiform sweep of the surface to be processed. If this is too Machining surface a cylinder tread for a piston in a cylinder Is the crankcase of an internal combustion engine, then the sweep takes place expediently in a predetermined pattern in a range between one top and bottom dead center of the piston.

In beispielsweise hoch belasteten Bereichen des Bauteiles überstreicht ein thermischer Spritzstrahl die zu bearbeitende Oberfläche des Bauteiles wenigstens teilweise vollflächig, um eine vollflächige Legierung zu erzielen. Ist hierbei die zu bearbeitende Oberfläche eine Zylinderlauffläche für einen Kolben in einem Zylinder eines Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine, dann wird die vollflächige Überstreichung bevorzugt in einem Bereich des oberen und/oder unteren Totpunktes des Kolbens durchgeführt wird. Dabei wird die vollflächige Überstreichung beispielsweise wenigstens in einer Höhe durchgeführt, welche einer Breite eines Kolbenringpaketes des Kolbens entspricht, wobei es besonders bevorzugt ist, daß die vollflächige Überstreichung die Breite des Kolbenringpaketes um 12% eines Kolbenhubes, beispielsweise um ca. 5 mm, überragt.In areas of the component that are highly stressed, for example, a thermal area is covered Spray jet at least partially the surface of the component to be machined, to achieve a full-surface alloy. Here is the surface to be machined Cylinder tread for a piston in a cylinder of a crankcase Internal combustion engine, then the full area sweep is preferred in one area the top and / or bottom dead center of the piston is carried out. The full coverage, for example, carried out at least at a height which corresponds to a width of a piston ring packet of the piston, it being particularly preferred is that the full area sweep over the width of the piston ring package by 12% Piston stroke, for example, by about 5 mm.

Bei einer Vorrichtung der o. g. Art ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Vorrichtung einen Plasmabrenner und einen Laser aufweist, welche derart angeordnet sind, daß zum Bearbeiten der Oberfläche ein Laserstrahl des Lasers und ein Plasmastrahl des Plasmabrenners in einem Arbeitsgang die Oberfläche des Bauteils überstreichen.In a device of the above. Art is provided according to the invention that the device has a plasma torch and a laser, which are arranged such that for Machining the surface of a laser beam from the laser and a plasma beam from the Paint the plasma torch over the surface of the component in one operation.

Dies hat den Vorteil, daß eine Bearbeitung mit höherer Eindringtiefe, besserem Werkstoffeintrag und besserer Ankopplung eines mit dem Plasmastrahl aufgetragenen Werkstoffes an dem Werkstoff des Bauteils erzielt wird.This has the advantage that machining with a higher depth of penetration is better Material entry and better coupling of one applied with the plasma jet Material is achieved on the material of the component.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind der Plasmabrenner und der Laser derart angeordnet, daß zuerst der Laserstrahl des Lasers und anschließend der Plasmastrahl des Plasmabrenners die Oberfläche des Bauteils überstreicht.In a preferred embodiment, the plasma torch and the laser are such arranged that first the laser beam of the laser and then the plasma beam of the Plasma torch sweeps the surface of the component.

Beispielsweise bildet die Bearbeitung der Oberfläche eine verschleißfeste Oberfläche auf der Oberfläche des Bauteiles aus. Ferner umfaßt das Bauteil insbesondere eine Al-Si- Legierung und ist beispielsweise ein Kurbelgehäuse einer Hubkolben-Brennkraftmaschinen, an dessen Zylinderlaufflächen von Zylindern die Bearbeitung der Oberfläche erfolgt.For example, processing the surface forms a wear-resistant surface the surface of the component. Furthermore, the component comprises in particular an Al-Si Alloy and is for example a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, on the cylinder running surfaces of cylinders the surface is machined.

Das Bauteil ist beispielsweise aus Aluminium gefertigt, wobei der Plasmastrahl zum Ausbilden einer Al-Si-Legierung als verschleißfeste Oberfläche des Bauteils pulverförmiges Silizium austrägt. Dabei ist es besonders vorteilhaft, an das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren einen Hon-Vorgang anzuschließen, durch dfett die beschichtete Oberfläche geglättet werden kann.The component is made of aluminum, for example, with the plasma jet for Forming an Al-Si alloy as a wear-resistant surface of the component in powder form Silicon discharges. It is particularly advantageous to the inventive Coating process to connect a honing process by dfett the coated Surface can be smoothed.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen. Diese zeigen inFurther features, advantages and advantageous configurations of the invention result from the dependent claims, as well as from the following description of the Invention with reference to the accompanying drawings. These show in

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in schematischer Schnittansicht, Fig. 1 shows a preferred embodiment of a device according to the invention in a schematic sectional view,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung einer Bearbeitungszone, Fig. 2 is an enlarged view of a processing zone,

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines ersten Bearbeitungsmusters, Fig. 3 is a schematic representation of a first processing pattern,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines zweiten Bearbeitungsmusters, Fig. 4 is a schematic representation of a second processing pattern,

Fig. 5 eine schematische Darstellung weiterer Bearbeitungsmuster. Fig. 5 is a schematic representation of further processing patterns.

Die in Fig. 1 und 2 dargestellte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung umfaßt einen Plasmabrenner 10 und einen Laser 12, wobei der Plasmabrenner 10 einen Plasmastrahl 14 mit einem Beschichtungswerkstoff 16 und der Laser 12 einen Laserstrahl 18 abgibt. Ein zu bearbeitendes Bauteil ist hier ein nicht näher dargestelltes Kurbelgehäuse mit entsprechenden Zylinderbohrungen 19, wobei eine Oberfläche 20 einer Zylinderwand 22 zu bearbeiten ist. Das Kurbelgehäuse ist beispielsweise aus Aluminium gefertigt und die Bearbeitung der Oberfläche 20 dient zum Ausbilden einer verschleißfesten Oberfläche im Bereich einer Zylinderlaufbahn, auf der sich ein nicht dargestellter Kolben im Zylinder 19 auf und abbewegt. Hierzu weist der Beschichtungswerkstoff 16 beispielsweise pulverförmiges Silizium auf, welches als angeschmolzene Beschichtungselemente mittels des Plasmastrahles 14 auf die Oberfläche 20 aufgetragen werden. Hierzu überstreicht der Plasmastrahl 14 die Oberfläche 20, indem der Plasmabrenner 10 in den Zylinder 19 hinein geführt und dabei um die eigene Achse gedreht wird, wie mit Pfeilen 24 (Fig. 1) und 25 (Fig. 2) angedeutet. Derjenige Bereich, auf den der Plasmastrahl 14 momentan auftrifft, wird nachfolgend als Bearbeitungsbereich oder Beschichtungszone 26 bezeichnet. In diesem Bereich erfolgt ein Eintrag des Beschichtungswerkstoffes 16 in den Werkstoff der Zylinderwand 22.The preferred embodiment of a device according to the invention shown in FIGS. 1 and 2 comprises a plasma torch 10 and a laser 12 , the plasma torch 10 emitting a plasma beam 14 with a coating material 16 and the laser 12 emitting a laser beam 18 . A component to be machined here is a crankcase (not shown in more detail) with corresponding cylinder bores 19 , a surface 20 of a cylinder wall 22 being machined. The crankcase is made of aluminum, for example, and the processing of the surface 20 serves to form a wear-resistant surface in the region of a cylinder raceway, on which a piston, not shown, moves up and down in the cylinder 19 . For this purpose, the coating material 16 has, for example, powdered silicon, which is applied to the surface 20 as melted coating elements by means of the plasma jet 14 . For this purpose, the plasma jet 14 sweeps over the surface 20 by leading the plasma torch 10 into the cylinder 19 and rotating it about its own axis, as indicated by arrows 24 ( FIG. 1) and 25 ( FIG. 2). The area on which the plasma jet 14 currently strikes is referred to below as the processing area or coating zone 26 . In this area, the coating material 16 is introduced into the material of the cylinder wall 22 .

Der zusätzlich zum Plasmabrenner 10 vorgesehene Laser 12 ist derart angeordnet, daß er in Bearbeitungsrichtung 25 vor dem Plasmastrahl 14 auf die Oberfläche 20 trifft. Hierbei ist die Energie des Lasers 12 derart gewählt, daß am Auftreffpunkt des Laserstrahles 18 der Werkstoff der Zylinderwandung 22 aufschmilzt, so daß unmittelbar vor dem Auftreffen des Plasmastrahles 14 eine Schmelze bzw. ein Schmelzbad 28 entsteht. Mit anderen Worten eilt der Plasmastrahl 14 dem Laserstrahl 18 nach und trägt den im Plasma enthaltenen Beschichtungswerkstoff 16 in die Schmelze 28. Auf diese Weise wird der Beschichtungswerkstoff 16 in optimaler Weise in den Werkstoff der Zylinderwand 22 einlegiert. Das Aufschmelzen mit dem Laserstrahl kann alternativ auch nach dem Auftragen des Beschichtungswerkstoffes 16 mittels des Plasmastrahles 14 erfolgen.The laser 12 provided in addition to the plasma torch 10 is arranged such that it strikes the surface 20 in the machining direction 25 in front of the plasma beam 14 . Here, the energy of the laser 12 is selected such that the material of the cylinder wall 22 melts at the point of incidence of the laser beam 18 , so that a melt or molten bath 28 is formed immediately before the plasma beam 14 strikes. In other words, the plasma beam 14 lags behind the laser beam 18 and carries the coating material 16 contained in the plasma into the melt 28 . In this way, the coating material 16 is optimally alloyed into the material of the cylinder wall 22 . The melting with the laser beam can alternatively also take place after the application of the coating material 16 by means of the plasma beam 14 .

Erfindungsgemäß wird somit eine Laserbeschichtung mit einer Plasmabeschichtung gekoppelt und in einem einzigen Arbeitsschritt ausgeführt. Der Abstand zwischen Laserstrahl 18 und Plasmastrahl 14 ist dabei u. a. eine Funktion der Laserleistung, der gewünschten Anschmelztiefe, der Schmelzlänge, des Reflexionsgrades des Werkstoffes der Zylinderwand 22 und des Durchmessers des Zylinders 19.According to the invention, a laser coating is thus coupled with a plasma coating and carried out in a single step. The distance between the laser beam 18 and the plasma beam 14 is, among other things, a function of the laser power, the desired melting depth, the melting length, the reflectance of the material of the cylinder wall 22 and the diameter of the cylinder 19 .

Die Überstreichung der Oberfläche 20 mit dem Doppelstrahl aus Laserstrahl 18 und Plasmastrahl 14 erfolgt dabei erfindungsgemäß nicht über die gesamte Zylinderlauffläche vollflächig, sondern in einem vorbestimmten Bereich gemäß einem vorbestimmten Muster. Die Fig. 3 bis 5 zeigen beispielhaft derartige Muster für eine Lasereinlegierungs- und - auftragsspur 29.According to the invention, the surface 20 with the double beam of laser beam 18 and plasma beam 14 is not swept over the entire surface of the cylinder, but in a predetermined area according to a predetermined pattern. Figs. 3 to 5 show examples of such patterns for a Lasereinlegierungs- and - order track 29..

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, erfolgt eine Überstreichung in Bereichen eines oberen Totpunktes 30 (OT) und eines unteren Totpunktes 32 (UT) eines nicht dargestellten Kolbens vollflächig und zwar in einer Höhe, welche einer Höhe 34 eines Kolbenringpaketes entspricht plus beispielsweise 5 mm, entsprechend 12% eines Hubes des Kolbens. In einem Bereich zwischen OT 30 und UT 32 erfolgt die Überstreichung der Oberfläche 20 wendelartig bzw. spiralartig mit einem Steigungswinkel α 36 von beispielsweise 1° bis 90°.As can be seen from FIG. 3, a sweep takes place in the areas of an upper dead center 30 (TDC) and a lower dead center 32 (UT) of a piston, not shown, over the entire surface, namely at a height which corresponds to a height 34 of a piston ring package plus, for example, 5 mm, corresponding to 12% of a stroke of the piston. In a region between OT 30 and UT 32 , the surface 20 is swept in a helical or spiral manner with a pitch angle α 36 of, for example, 1 ° to 90 °.

Bei dem Muster gemäß Fig. 4 erfolgt eine Überstreichung der Oberfläche 20 mit zwei gegenläufigen Wendeln. Hierbei sind in einer bevorzugten, nicht dargestellten Weiterbildung auch drei oder mehr Wendeln vorgesehen. Gemäß der Ausführungsform von Fig. 5 erfolgt die Überstreichung der Oberfläche 20 linienförmig, winkelförmig, kreuzweise oder punktförmig.In the pattern according to FIG. 4, the surface 20 is swept with two opposing coils. In a preferred development, not shown, three or more coils are also provided. According to the embodiment of FIG. 5, the surface 20 is swept in a linear, angular, cross-wise or punctiform manner.

Die nur teilweise Überstreichung der Oberfläche 20 in weniger belasteten Bereichen stellt einerseits eine ausreichende verschleißfeste Oberfläche der Zylinderlaufbahn sicher und führt andererseits zu verkürzten Prozeßzeiten in der Fertigung und dementsprechend niedrigeren Kosten.The only partial sweeping of the surface 20 in less stressed areas ensures, on the one hand, an adequate wear-resistant surface of the cylinder race and, on the other hand, leads to shortened process times in production and correspondingly lower costs.

Erfindungsgemäß wird zum einen der Laser 12 benutzt, um einen Siliziumanteil 16 in einer Randschicht einer unter- bzw. naheutektischen Aluminiumlegierung der Zylinderwand 22 zu erhöhen. Dazu wird in dem dargestellten einstufigen Verfahren während des Laserprozesses mit einer geeigneten Zuführung AlSi-Pulver in die erzeugte Schmelze 28 eingebracht, in Abhängigkeit von der Beanspruchung können dabei Schichtdicken von über 2 mm realisiert werden. Hierbei wird ein nur geringer Aufmischungsgrad mit dem Grundwerkstoff angestrebt. Der Siliziumanteil im zugeführten Pulver liegt in einem Bereich zwischen 20% und 40%. Sind erheblich geringere Schichtdicken mit einem hohen Aufmischungsgrad erforderlich, werden Pulver 16 mit Siliziumanteilen zwischen 40% und 60% eingesetzt. Da sich die Pulverteilchen 16 vollständig in der Schmelze 28 auflösen sollen, ist es notwendig über die Verfahrensparameter Vorschubrate und Laserleistung eine minimale Schmelzbadlebensdauer zu gewährleisten. Für eine kostengünstige Bearbeitung ist eine geeignete Strahlintensitätsverteilung bevorzugt. Ferner sind Schmelzlinsen mit möglichst rechteckigem Querschnitt und damit geringer Spurüberlappung vorteilhaft.According to the invention, on the one hand the laser 12 is used in order to increase a silicon portion 16 in an edge layer of an underutectic or near-eutectic aluminum alloy of the cylinder wall 22 . For this purpose, AlSi powder is introduced into the produced melt 28 during the laser process with a suitable feed in the illustrated one-step process. Depending on the stress, layer thicknesses of over 2 mm can be realized. The aim here is only a low degree of mixing with the base material. The silicon content in the powder supplied is in a range between 20% and 40%. If considerably smaller layer thicknesses with a high degree of mixing are required, powders 16 with silicon contents between 40% and 60% are used. Since the powder particles 16 are to dissolve completely in the melt 28 , it is necessary to ensure a minimum melt bath life using the process parameters feed rate and laser power. A suitable beam intensity distribution is preferred for low-cost processing. Furthermore, fused lenses with a cross section that is as rectangular as possible and thus little track overlap are advantageous.

Neben dem nach Bedarf vollflächigen Legieren der gesamten Zylinderlaufbahn ist vor allem eine partielle Bearbeitung vorgesehen. Die höher beanspruchten Bereiche des oberen und unteren Kolbenumkehrpunktes (obere Kolbentotpunkt OT 30 bzw. unterer Kolbentotpunkt UT 32) werden vollflächig umgeschmolzen, während in den weniger beanspruchten zwischenliegenden Bereichen nur vereinzelte Laserspuren (z. B. Rautenmuster, vgl. Fig. 3 bis 5) gelegt werden, die dort einen ausreichenden Verschleißschutz gewährleisten. Dieses Vorgehen verkürzt die Prozeßzeiten erheblich, da nur ein geringer Teil der Laufbahnoberfläche bearbeitet werden muß. Sollte eine Laseroberflächenbehandlung der gesamten Laufbahnfläche bzw. des größten Teils notwendig sein, so ist eine Kühlung des Zylinderkurbelgehäuses notwendig, was beispielsweise mittels Hindurchleiten eines Kühlmediums durch das vorhandene Kühlwassersystem des Kurbelgehäuses erfolgt. Bei nur partieller Bearbeitung ist es ausreichend, die eingebrachte Energie ausschließlich von der Ober- und Unterseite beispielsweise durch Kontakt mit wassergekühlten Kupferplatten abzufahren.In addition to alloying the entire cylinder raceway over the entire surface as required, partial machining is primarily intended. The areas of the upper and lower piston reversal point that are subject to higher stress (upper piston dead center OT 30 and lower piston dead center UT 32 ) are remelted over their entire surface, while in the less stressed intermediate areas only isolated laser traces (e.g. diamond pattern, see Fig. 3 to 5) be placed, which ensure adequate wear protection there. This procedure shortens the process times considerably, since only a small part of the career surface has to be processed. If a laser surface treatment of the entire raceway surface or most of it is necessary, cooling of the cylinder crankcase is necessary, which is done, for example, by passing a cooling medium through the existing cooling water system of the crankcase. In the case of only partial processing, it is sufficient to remove the energy introduced exclusively from the top and bottom, for example by contact with water-cooled copper plates.

Es wird zusammenfassend eine Kombination des thermischen Spritzens (Plasmaspritzen) und der Laseroberflächenbearbeitung vorgeschlagen. Hierbei wird durch ein Umschmelzen einer vorherig aufgebrachten Spritzschicht die Porösität vermindert sowie bei genügend hoher Einschmelztiefe eine Verbindung mit dem Grundmetall hergestellt.In summary, a combination of thermal spraying (plasma spraying) and laser surface processing. This is done by remelting a previously applied spray layer reduces the porosity and if sufficient high melting depth creates a connection with the base metal.

Zweckmäßigerweise wird nur in den höher belasteten Bereichen vollflächig mit dem Laser 12 umgeschmolzen, während in den Restbereichen keine Umschmelzung oder nur eine Umschmelzung in einem musterartigen Bereich, wie beispielsweise Rauten, Schraffur oder Punkte, ausgeführt wird.It is expedient for the entire surface to be remelted with the laser 12 only in the areas subject to higher loads, while no remelting or remelting in a pattern-like region, such as diamonds, hatching or dots, is carried out in the remaining regions.

Es besteht nicht nur die Möglichkeit, nachträglich eine aufgebrachte Spritzschicht umzuschmelzen. Das direkt in Vorschubrichtung 25 vor der Plasmabeschichtungszone 26 von dem Laser 12 erzeugtes Schmelzbad 28 führt zu einer metallischen Bindung der im festen bzw. flüssigen Zustand auftreffenden Pulverteilchen 16 mit dem Substrat. Bei hohen Vorschubraten besteht der Schichtaufbau aus dem Substratwerkstoff, einer dünnen einlegierten Zone mit aufgelösten und teilweise nur angeschmolzenen ehemaligen Pulverteilchen 16 sowie einer dazu relativ dicken Spritzschicht. Durch diese Zwischenschicht läßt sich aufgrund verbesserter Mikroverzahnung bei entsprechend gewählten Verfahrensparametern die Schichthaftung zwischen Spritz- und Legierungsschicht erheblich steigern. Dies erspart eine sonst notwendige, aufwendige und kostenintensive Vorbereitung der zu beschichtenden Oberfläche 20 (Reinigen und Strahlen), um eine ausreichende Schichthaftung einer Spritzschicht zu erzielen. Um die beschichtete Oberfläche zu glätten, kann nach dem erfindungsgemäßen Beschichtungsverfahren ein Honen erfolgen, über dessen Bearbeitungsschritte sich noch einmal verschiedene Oberflächengüten erreichen lassen.It is not only possible to remelt an applied spray layer. The melt pool 28 generated directly by the laser 12 in the feed direction 25 in front of the plasma coating zone 26 leads to a metallic bond between the powder particles 16 which are in the solid or liquid state and the substrate. At high feed rates, the layer structure consists of the substrate material, a thin alloyed zone with dissolved and partially only melted-on former powder particles 16 and a spray layer which is relatively thick in relation to it. Through this intermediate layer, the layer adhesion between the spray and alloy layers can be increased considerably due to improved micro-toothing with correspondingly selected process parameters. This saves an otherwise necessary, complex and costly preparation of the surface 20 to be coated (cleaning and blasting) in order to achieve adequate layer adhesion of a spray layer. In order to smooth the coated surface, honing can be carried out by the coating method according to the invention, the processing steps of which can be used to again achieve different surface qualities.

Die vorgenannte Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ist lediglich beispielhaft zur Erläuterung der Erfindung zu verstehen. Ein wesentlicher Kern der Erfindung liegt darin, thermisches Spritzen und Laseroberflächenbehandlung in einem Arbeitsschritt zu kombinieren. Die Anwendung des Laserstrahls und des thermischen Spritzens erfolgt beispielsweise gleichzeitig, d. h. der Laserstrahl 18 und der durch das thermische Spritzverfahren, wie beispielsweise Plasmaspritzen erzeugte Teilchenstrahl 14 treffen auf den gleichen Punkt. Alternativ erfolgt die Anwendung des Laserstrahls und des thermischen Spritzens hintereinander, d. h. zuerst wird beispielsweise voll- oder teilflächig eine thermische Spritzschicht aufgebracht und anschließend voll- oder teilflächig mit dem Laserstrahl 18 umgeschmolzen bzw. in die Oberfläche einlegiert. Das thermische Spritzen trägt nämlich lediglich den Beschichtungswerkstoff auf die Oberfläche auf, wodurch sich lediglich eine mechanische Verzahnung zwischen der Bauteiloberfläche und dem aufgetragenen Werkstoff ergibt. Die zusätzliche, nachträgliche Laserbehandlung schmilzt jedoch unmittelbar nach dem Auftragen die Bauteiloberfläche auf, so daß zusätzlich ein Einlegieren stattfindet.The above description of a preferred embodiment is to be understood merely as an example to explain the invention. An essential core of the invention is to combine thermal spraying and laser surface treatment in one work step. The laser beam and the thermal spraying are used, for example, simultaneously, ie the laser beam 18 and the particle beam 14 generated by the thermal spraying method, such as plasma spraying, hit the same point. Alternatively, the laser beam and thermal spraying are used one after the other, ie first a thermal spray layer is applied, for example, over the whole or part of the surface and then remelted over the whole or part of the surface with the laser beam 18 or alloyed into the surface. This is because thermal spraying only applies the coating material to the surface, which results in only mechanical interlocking between the component surface and the applied material. However, the additional, subsequent laser treatment melts the component surface immediately after application, so that an additional alloying takes place.

Claims

1. A method for processing a surface of a component in a processing zone, characterized in that the surface of the component is processed in one operation both by means of thermal spraying and by means of a laser surface treatment.

2. The method according to claim 1, characterized in that thermal spraying using flame spraying, plasma spraying or HV spraying is carried out.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the laser surface treatment, in particular remelting, locally before, in Area and / or location after the processing zone in which the thermal spraying done, is carried out.

4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the component is a crankcase of a reciprocating internal combustion engine, at the Cylinder running surfaces of cylinders the coating is carried out.

5. The method according to claim 4, characterized in that a water space of the crankcase with a cooling medium during machining, in particular gas, nitrogen or a cooling liquid.

6. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a powdery material, in particular by means of the thermal spray jet Silicon or a silicon alloy on which the material of the component is applied.

7. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that with the laser surface treatment, a melting of the material of the component is carried out in the coating zone to a molten bath.

8. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the component is made of aluminum.

9. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that with the processing of the surface a wear-resistant surface, especially in Form of a thermal spray coating, formed on the surface of the component becomes.

10. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a thermal spray jet at least the surface of the component to be machined partially swept in a predetermined pattern.

11. The method according to claim 11, characterized in that the predetermined pattern at least one, in particular two opposing or more spiral-like sweeps of the surface to be machined with a predetermined Incline.

12. The method according to claim 10 or 11, characterized in that the slope comprises an angle α in the range from 1 ° to 90 °.

13. The method according to any one of claims 10 to 12, characterized in that the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in one Cylinder of a crankcase of an internal combustion engine and the sweep in a predetermined pattern in a range between an upper and lower Dead center of the piston is carried out.

14. The method according to any one of claims 10 to 13, characterized in that the pattern is linear, angular, crosswise and / or point-shaped Overcoating of the surface to be processed includes.

15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that a thermal spray jet at least the surface of the component to be machined partially covered over the entire surface.

16. The method according to claim 15, characterized in that the surface to be machined is a cylinder running surface for a piston in one Cylinder of a crankcase of an internal combustion engine is and the full surface Scanning in an area of the top and / or bottom dead center of the piston is carried out.

17. The method according to claim 16, characterized in that the full coverage is carried out at least at a height which corresponds to a width of a piston ring packet of the cob.

18. The method according to claim 17, characterized in that the full sweep of the width of the piston ring assembly by 12% Piston stroke, for example, by about 5 mm.

19. Device for processing a surface ( 20 ) of a component, characterized in that the device has a plasma torch ( 10 ) and a laser ( 12 ) which are arranged such that a laser beam ( 18 ) for processing the surface ( 20 ) of the laser ( 12 ) and a plasma jet ( 14 ) of the plasma torch ( 10 ) cover the surface ( 20 ) of the component in one operation.

20. The apparatus according to claim 19, characterized in that the plasma torch ( 10 ) and the laser ( 12 ) are arranged such that first the laser beam ( 18 ) of the laser ( 12 ) and then the plasma beam ( 14 ) of the plasma torch ( 10 ) sweeps over the surface ( 20 ) of the component.

21. The apparatus according to claim 19 or 20, characterized in that the processing of the surface ( 20 ) forms a wear-resistant surface on the surface ( 20 ) of the component.

22. The device according to one of claims 19 to 21, characterized in that the component is made of aluminum and the plasma jet ( 14 ) for forming an Al-Si alloy as a wear-resistant surface of the component carries powdered silicon.

23. Device according to one of claims 19 to 22, characterized in that the component is a crankcase of a reciprocating piston internal combustion engine, on the cylinder running surfaces of cylinders ( 19 ) the surface ( 20 ) is machined.

24. The method according to claim 1, characterized in that honing the coated surface connects.