DE2362026A1

DE2362026A1 - Verfahren zur oberflaechenbehandlung von werkstuecken und halbzeugen aus aluminium oder aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE2362026A1
Application number: DE2362026A
Authority: DE
Inventors: Walther Dipl Ing Hiller
Original assignee: ALUMINIUM WERKE AG; Steigerwald Strahltecknik GmbH
Current assignee: ALUMINIUM WERKE AG; Steigerwald Strahltecknik GmbH
Priority date: 1973-12-13
Filing date: 1973-12-13
Publication date: 1975-06-26

Description

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STEIGERWALD STRAHLTECHNIK GMBH 8000 München 70, Haderunsfr. la

Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken und Halbzeugen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken und Halbzeugen aus Aluminitun oder AIuminiuml egi erringen.

^Es ist bekannt, bei Werkstücken aus Eisenwerkstoffen eine Oberflächenhärtung anzuwenden, die auf der durch die beiden allotropen Modifikationen des Eisens bedingten Gefügeumwandlung und der damit verknüpften unterschiedlichen Löslichkeit des Kohlenstoffs beruht. Der für eine solche Umwandlungshärtung erforderliche Kohlenstoffgehalt kann von vornherein in dem betreffenden Material vorhanden sein oder nachträglich, durch eine Diffusionsbehandlung eingebracht werdeno Eine Steigerung der Oberflächenhärte kann z.B. auch mit Hilfe von Stickstoff (allein oder zusammen mit KohlenstoffJ vorgenommen werden.

Ferner ist ein insbesondere auf graues Gußeisen anwendbares Verfahren bekannt, bei dem die Oberfläche des Gußeisenstücks mittelc eines EnergieStrahls örtlich umgeschmolzen wird, wö-

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bei durch rasche Erstarrung an der betreffenden Stelle ein durch besonders hohe Härte gekennzeichnetes weißes Gefüge entsteht.

Bei allen diesen bekannten Verfahren ist die als Träger der Härte wirksame Oberflächenzone artverwandt mit dem Grundwerkstoff, d.h. Oberflächenzone und Grundwerkstoff können durch ein gemeinsames Legierungssystem beschrieben werden. Im Gegensdtz dazu stehen andere bekannte Verfahren, bei denen eine harte Schicht erzeugt wird, die mit dem Grundwerkstoff im wesentlichen durch Adhäsion verhaftet ist. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Hartverchromung.

Jene Oberflächenhärtungsverfahren, die auf der Erzeugung von mit dem Grundwerkstoff artverwandten und gewissermaßen kohärenten Materialberexchen beruhen, habeu einen erheblichen Anteil des Einsatzgebietes von Eisenwerkstoffen begründet, nämlich jene Anwendungsfälle, bei denen eine erhöhte Oberflächenhärte des Werkstücks, im besondern z.B. VerschXeißbeständigkeit, gute Gleiteigenschaften oder verbesserte Dauerfesiigkeit, angestrebt werden. Bei dynamischer Bean.-spruchung des Werkstücks oder im Falle einer örtlicfe auf die Oberfläche wirkenden hohen Flächenpressung steilem artverwandte Härtezonen häufig die einzige technische Möglichkeit einer oberflächlichen Härtesteigerung dar.

Bei Werkstoffen auf der Basis von Aluminium, die wegen ihrer

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im Verhältnis zu Eisenwer'.:stoffen geringeren Dichte für Konstruktionen des allgemeinen Leichtbaues, insbesondere für Land- und Luftfahrzeuge, aber auch für Raumfahrzeuge, ständig an Bedeutung gewinnen, ist noch kein Weg bekannt, eine Oberflächenhärtung mittels eines dem Grundmaterial artverwandten Oberflächenbereichs zu erzielen. Abgesehen davon, daß bei Aluminium die Möglichkeit einer Umwandlungshärtung fehlt, gibt es auch keine dem Aufkohlen oder Nitrieren von Stahl vergleichbaren Behandliuigen. Erstrebenswert ist deshalb ein auf Aluminium oder Aluminium!egierungen anwendbares Verfahren zur Oberflächenbehandlung, durch das sich innerhalb eines Oberflächenbereichs eine solche Legierungszusammensetzung und Gefügeausbildung herstellen lassen, daß sich daraus die gewünschte Härtesteigerung ergibt.

Im Zusammenhang mit Untersuchungen über den Einfluß der raschen Erstarrung auf das dabei anfallende Gußgefüge haben Legierungen des Aluminiums mit den Übergangsmetallen in der h. Periode von Gruppe V bis VIII des Periodischen Systems (Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel) besonderes Interesse gefunden. Es ist daher bereits bekannt, daß bei zweckmäßig abgestimmten binären Legierungen des Aluminiums und eines der genannten Übergangsmetalle durch rasche Erstarrung ein Gefüge herstellbar ist, das im wesentlichen aus einer feinen Verteilung intermetallischer Phasen in einer- aluniiniumreichen Matrix besteht und eine für Leicht-

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motall als verhältnismäßig hoch zu betrachtende Härte bei guter Zähigkeit aufweist.

Bei der Nutzanwendung von Legierungen des Aluminiums mit Übergangsmetallen der k. Periode von Gruppe V bis VIII und ggf. weiteren Legierungszusätzen ist dem Umstand Rechnung zu tragen, daß das Gefüge, das eine gegenüber konventionellen Legierungen höhere Härte bei gutor Zähigkeit mit sich bringt, durch rasche Erstarrung erzielt werden muß. Rasche Erstarrung ist aber nur dann möglich, wenn aus einem kleinen schmelzflüssigen Volumen die Wärme über eine im Verhältnis 'zu diesem Volumen große Grenzfläche mit hoher Geschwindigkeit abgeführt werden kann. Diese physikalischen Voraussetzungen können vorzugsweise durch eine oberflächliche oder örtlich beschränkte Umschmelzbehandlung von Werkstücken aus entsprechenden Legierungen realisiert werden.

Setzt man die übliche Herstellungsweise von Halbzeug ohne Sonderbehandlung durch örtliches Aufschmelzen, das von rascher Erstarrung gefolgt wird, voraus, sind die mechanischen Eigenschaften von Legierungen des Aluminiums, die die bescsten Übergangsmetalle in der für einen technischen Effekt der Umschmelzbehandlung erforderlichen Höhe und ggf. weitere Legierungszusätze enthalten, für eine Nutzanwendung als Konstruktionswerkstoff im allgemeinen nicht ausreichend. Vor allem die Zähigkeit ist gering. Eine oberflächliche Umschmelzbehandlung von Werkstücken und Halbzeugen aus solchen Legie-

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rangen, die zwar einen mechanisch hochwertigen Oberflächenbereich schafft, vermag an den unzulänglichen Eigenschaften des Materials in der Kernzone selbstverständlich nichts zu ändern. Daraus ergibt sich die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken und Halbzeugen aus Aluminium oder Aluminiuml.egierungen anzugeben, durch das die an Legierungen des Aluminiums mit Ubergangsmetallen der 4. Periode von Gruppe V bis VIII des Periodischen Systems und ggf. weiteren Legisrungszusätzen gebundenen, vorteilhafterweise für eine Oberflächenbehandlung verwertbaren Effekte der raschen Erstarrung, natürlich gesteigerte Härte bei guter Zähigkeit, mit den günstigen mechanischen Eigenschaften kombiniert werden, wie sie im Kernbereich von konventionell hergestellten Werkstücken und Halbzeugen aus handelsüblichen Aluminiumlegierungen vorliegen.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß auf die Oberfläche von Werkstücken und Halbzeugen aus Aluminium oder handelsüblichen Aluminiumlegierungen mindestens eine

dünne Schicht aus Ubergangsmetallen der 4. Periode der Gruppe

V bis VIII aufgebracht und in einer solchen Weise in die . Oberfläche eingeschmolzen wird, daß sich bei entsprechender Abstimmung von Schichtdicke und Einschmelztiefe aus dem Schichtwerkstoff und dem Grundwerkstoff unter Nutzanwendung der durch diese Arbeitsweise erzielbaren hohen Erstarrungs-

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geschwindigkeit eine Legierung bildet,.die eine härtesteigernde feine Verteilung intermetallischer Phasen in einer aluminiumreichen Matrix aufweist, wobei das resultierende Gefüge hinsichtlich seiner Konstitution von jener sowohl des Grundwerkstoffs als auch des Schichtwerkstoffs verschieden ist. Dabei besteht die Möglichkeit, die besagten Übergangsmetalle in den Oberflächenbereich in einer Höhe einzubringen, die bei der Herstellung von entsprechend legierlen Halbzeugen aus verarbeitungstochnischen Gründen ausgeschlossen werden müsste.

Es ist zwar bereits bekannt, Werkstücke aus Metallen oder Halbleitern dadurch an ihrer Oberfläche zu legieren, daß die betreffende Legierungskomponente in fester Form auf die Werkstücksoberfläche aufgebracht wird und sodann durch Einwirkung von Elektronenstrahlen mit dem Grundmaterial ganz oder teilweise zum Legieren gebracht wird (DT-PS 892 328). Dieses bekannte Verfahren stellt jedoch keine Lösung der der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe dar.

Das Aufbringen der Schicht kann durch bekannte Verfahren, beispielsweise durch Plattieren, durch Aufspritzen oder durch galvanische Abscheidung erfolgen.

Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens

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beträgt die Einschmelztiefe ein Mehrfaches der Dicke der auf-

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gebrachten Schicht.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, wenn der Grundwerkstoff aus einer an sich bekannten Aluminiumlegierung und das darin einzuschmelzende Schichtmaterial aus den Metallen Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel, jeweils als einzelnes Metall oder in Form von Gemengen bzw. Legierungen dieser Metalle untereinander, besteht, wobei das Schichtmaterial auch andere Elemente in einem Gesamtgewichtsanteil voa weni-. ger als der Hälfte enthalten kann.

Andererseits besteht auch die Möglichkeit, daß der Grundwerkstoff aus einer an sich bekannten Aluminiumlegierung und der darin einzuschmelzende Schichtwerkstoff aus einer chemischen Yerbindung eines oder mehrerer der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel mit anderen Stoffen besteht, an der die genannten Metalle einen über die Hälfte liegenden Gewichtsanteil besitzen.

Wie sich gezeigt hat, kann es vorteilhaft sein, wenn die auf den Inhalt der Schicht an Vanadir», Chrom, Mangan, Eisen, Kobait oder Nickel rechnerisch reduzierte Schichtdicke zu der mittleren Umschmelztiefe in einem Verhältnis von kleiner als i : 3s vorzugsweise zwischen 1 s 5 und 1 s kO steht.

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Das Einschmelzen des Schichtwerkstoffs in den Grundwerkstoff

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kann mit besonderem Vorteil mittels eines Energiestrahls, vorzugsweise mittels eines Elektronenstrahls,erfolgen.

Weiterhin kann es in bestimmten Anwendungsfällen günstig sein, wenn das Einschmelzen des Schichtwerkstoffs in den Grundwerkstoff in Form eines geschlossenen Oberflächenbereichs erfolgt.

In anderen Anwendungsfällen kann eine sehr günstige Möglichkeit darin bestehen, daß das Einschmelzen des Schichtwerkstoffs in den Grundwerkstoff nach einem vorgegebenen Raster- oder Linienmuster in einzelne Bereiche aufgeteilt erfolgt und die nicht eingeschmolzenen Schichtanteile durch nachfolgende Bearbeitung der Oberfläche entfernt werden. Wird z.B. eine solcherart behandelte Oberfläche nachträglich abgeschliffen, so tritt ein Gefüge zutage, d?.s durch miteinander abwechselnde Bereiche des unveränderten Grundmaterials und des durch Einschmelzen neu gebildeten Materials gekennzeichnet ist. Für Oberflächen, die auf gleitende Reibung beansprucht werden, bietet eine solche Gefügekonfiguration wesentliche Vorteile.

Das Einschmelzen kann hierbei nach einem Punktraster, nach einem Strichraster oder in Form von Linienzügen erfolgen.

Die Erfindung wird nachfolgend im Rahmen von Ausführungsbeispielen näher erläutert:

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Beispiel l:

Auf die Oberfläche von Reinaluminium wird eine 20 μηι dicke Nickelplattierung aufgebracht. Durch Aneinanderreihen von 1,3 nun tiefen Umschmelzlinien wird ein Oberflächenbereich mit einer durchschnittlichen Zusammensetzung von etwa 95 % Al und 5 % Ni geschaffen. Zufolge der raachen Erstarrung liegt die intermetallische Al-Ni-Phase in feindisperser Form vor. Die Härte der Oberflächenschicht beträgt etwa l8O bis 250 HV (Grundwerkstoff etwa 20 HV).

Beispiel 2? . ■

Auf die Oberfläche eines Werkstücks aus GK-AlSi 12 wird eine 50 μια dicke Nickelplattierung aufgebracht. Mit Hilfe eines entsprechend gesteuerten Elektronenstrahls wird die Nickelschicht nach einem regelmäßigen Punktraster in den Grundwerkstoff bis in etwa 0,6 mm Tiefe eingeschmolzen. Die Umschmelzbereiche haben halbkugelähnliche Gestalt. Sodann wird die Oberfläche zur Entfernung des nicht eingeschmolzenen Nickelanteils und zur Glättung der Schmelzbereiche leicht überschliffen. Das Oberflächengefüge weist dann aus dem Einschmelzprozeß herrührende harte Inseln innerhalb unverän-

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derten Grundgefüges auf. Die Inseln haben eine durchschnittliche Zusammensetzung von etwa 62 % Al, 8,5 % Si und 29,5 % Ni und eine Härte von etwa 300 bis 400 HV (Grundwerkstoff etwa 60 HV).

München, 11.12.1973

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Claims

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STEIGERWALD STRAHLTECHNIK GMBH 8 München 70» Haderunstr. la .

Patentansprüche

1., Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Werkstücken und Halbzeugen aus Aluminium oder Aluminumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß auf die Oberfläche dieser Werkstücke bzw. Halbzeuge mindestens eine dünne Schicht, die im wesentlichen aus einem oder mehreren der Ubergangsmetalle Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel besteht, aufgebracht und in solcher Weise in die Oberfläche eingeschmolzen wird, daß sich bei entsprechender Abstimmung von Schichtdicke und Einschmelztiefe aus dem Schichtwerkstoff und dem Grundwerkstoff unter Nutzanwendung der durch diese Verfahrensweise erzielbaren hohen Erstarrungsgeschwindigkeit eine Legierung bildet, deren Gefüge eine härtesteigernde feine Verteilung intermetallischer Phasen in einer aluminiumreichen Matrix aufweist, und hirsichtlich seiner Konstitution von jenem sowohl des Grundwerkstoffs als auch des Schichtwerkstoffs verschieden ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einschmelztiefe ein Mehrfaches der Dicke der aufgebrachten Schicht beträgt.

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3· Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenrzeichnet, daß der Grundwerkstoff aus einer an sich bekannten Aluminiumlegierung und das darin einzuschmelzende Schichtmaterial aus den Metallen Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel, jeweils, als einzelnes Metall oder in Form von Gemengen bzw. Legierungen dieser Metalle untereinander, besteht, wobei das Schichtmaterial auch andere Elemente in einem Gesamtgewichtsanteil von -weniger als der Hälfte enthalten kann.

k. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, * daß der Grundwerkstoff aus einer an sich bekannten Aluminiumlegierung und der darin exnzuschmelzende Schichtwerkstoff auf einer chemischen Verbindung eines oder mehrerer der Metalle Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel mit anderen Stoffen besteht, an der die genannten Metalle einen über der Hälfte liegenden Gewichtsanteil haben.

5» Verfahren nach Anspruch 3 oder %, dadurch gekennzeichnet,

daß die auf den Inhalt der Schicht an Vanadin, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt oder Nickel rechnerisch reduzierte Schichtdicke zu der mittleren Umschmelztiefe in einem Verhältnis von kleiner als Is 3> vorzugsweise zwischen 1 5 5 und i : ^iO, steht.

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5₅ dadurch ge-" icenaazeicSiraet., daß das Einschmelzen des Schiclitwerkstof fs in den Srundwerkstoff mittels eines Energiestrahls, vorzugsweise eines £1 ektronenstrahls erfolgt..

7· Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß das Einschmelzen des Schichtwerlcstoffs in den Grundwerkstoff in Form eines geschlossenen Oberflächenbereichs erfolgt.

S. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzen des Schichtwerkstoffs in den Grundwerkstoff nach einem vorgegebenen Rasteroder Linienmuster in einzelne Bereiche aufgeteilt erfolgt, und die nicht eingeschmolzenen Schichtanteile durch nachfolgende Bearbeitung der Oberfläche entfernt werden.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzen nach einem Punktraster erfolgt.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzen nach einem Strichraster erfolgt«

11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Einschmelzen nach vorgegebenen Linienzügen erfolgt.

München, il.12.73

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